超声波技术在材料检验、医疗技术、清洁技术、切削加工和接合等很多技术领域中的应用越来越广泛。在超声波的积极应用中，其对材料的能量导入作用是首要的。超声波的振动能量在医疗诊断、连接技术、车削及磨削应用领域里都被用来实施或改善许多工作流程。

通过超声波辅助技术挖掘加工潜力

诸如超声波辅助切削加工等复合型加工工艺蕴藏着巨大的潜力。带有轴向超声波振动的刀具在常规加工动力状态下会导致一种新的切削状态和新的切入状况，可以极大提高加工效益。通过刀具超声波振动对传统磨削工艺的叠加作用，在诸如对脆性材料，如用于光学元件或磨损保护元件的玻璃和陶瓷材料等的加工时，可以极大降低切削力并提高切削率。例如在对硬金属轴承环进行超声波辅助精加工时，可以通过提高切削率来提高加工速度。刀具振动是一种通常由纵向振荡超声波系统所引发的一种固体共鸣振荡。

图1  精整加工成为圆柱形精密工件加工的最后一道工序

对使用场合的优化和拓展

鉴于超声波辅助技术的巨大潜力，Fraunhofer-IPT公司对超声波磨削、超声波精整、超声波车削和医疗应用等场合的超声波系统元件的设计方法进行了探索，其目的是要对这种工艺技术的应用途径进行优化和拓展。本文将对Fraunhofer-IPT公司对超声波精整加工和超声波磨削这两种复合工艺的研发情况作具体介绍，此外还对超声波车削技术进行简要探讨。

精整加工是圆柱体精密部件的最后一道加工工序(图1)，采用石质工具和带式工具进行磨削加工(图2)。除了医疗行业大量部件的最终加工之外，精整加工工艺还特别针对汽车工业上的凸轴、曲轴和减速箱轴的最终加工。精整技术的极限在于较小的切削率、较大的刀具磨损程度和对脆性材料的难切削性、石质刀具寿命短、作用在工件上的自压力弱以及生成新表面结构的能力差等方面。

图2  常规精整工艺

精密部件的超声波精整

为了获得更具效益性的加工工艺，在“Sonic Finish”的Innonet项目框架下将超级精整扩展成为超声波振荡超级精整技术。该联合项目由Fraunhofer-IPT、KSF磨削与精细加工技术研发中心、颇具实力的最终用户、设备厂家、刀具厂家和软件开发商等单位参与，由此开发出了首款可以实现精密部件超声波精加工的紧凑型加工装置。研发的目的便是在加工诸如精密圆柱型工件时，通过注入辅助振荡能量，在保持较低的刀具磨损量的情况下达到更好的切削效果。在超声波辅助的超级精整过程中，采用约20 kHz频率和22~32 µm行程的超声波，在与工件垂直的径向方向上，把刀具的高频纵向振荡能叠加到传统的切削动能上。针对硬质材料加工，可以采用高频振荡在工件表面上造成微裂纹，从而减轻材料切削的难度。根据不同的参数和材质，带式刀具的切削能力可以提高70%。此外，硬金属加工还可以达到应急运行特性所需的最佳表面结构。图3所示超声波超级精整加工样机3D模型。该模型被嵌入到超级精整机床上。该项目的跨学科研发成果有助于德国机床、刀具和软件开发厂商提高其技术竞争能力。

超声波辅助磨削技术提高切削率

在超声波辅助磨削过程中，刀具的超声波高频轴向振动叠加到主轴旋转运动上。与传统的磨削工艺相比，通过这种动力叠加，可以实现更好的切削效果和更佳的经济性，尤其是在加工诸如玻璃和陶瓷等脆性材料方面。

刀具的旋转和振动相结合会导致刀具与工件表面产生断续性的接触。一方面工件表面容易产生微裂纹和微剥落，另一方面刀具与工件之间的摩擦又会弱化。由于这些效果，切削力会因材料不同而减弱75%(图4)，但是切削率则可提高250% ~300%。为了获得所述的积极效果，通过内置于磨削轴上的振荡系统，对磨削刀具进行轴向振动。如图4所示，超声波辅助加工可以降低切削力，这一点既可以通过工件的表面弱化，也可以通过磨削刀具的连续锐化得到解释。

在Innonet“Supersonic”项目框架内，Fraunhofer-IPT公司研发出一种超声波磨削轴，同时在Fraunhofer-IPT内部项目上也针对超声波磨削轴设立刚性和振荡超声波系统的演示装置。图5为超声波磨削轴和优化的超声波振荡系统。

超声波振荡系统由一个压电式声波传感器构成。压电式声波传感器可以从振荡互感电压、振幅放大调压器和Sonotrode刀具或凹状砂轮中生成出机械振荡。振荡通过Sonotrode磨削刀具被传递到砂轮内衬上。振荡系统的所有元件均设计为同种纵向固有频率，因此整个超声波振荡系统即可构成一种带有固定振荡节点的连续纵向波。在这些节点上，材料在轴向上的延伸基本为零。因此，超声波振荡系统基本上被设置在主轴的空心部位(空心轴)上。

通过有限元法(FEM)对Sonotrode磨削刀具进行设计。研究机构开发出一种可自动计算凹状砂轮和超声波砂轮的计算方法。迄今为止，市面上所出现的超声波磨削轴刚性偏弱，在精密加工上的应用非常有限。Fraunhofer-IPT公司所建造的刚性优化型振荡系统的演示装置具有更好的节点几何外形和辅助形位元素。由此系统的径向刚性可以从目前的大约15 N/µm提高到60~160 N / µm。通过振荡系统和根据不同的刀具外形构造，当超声波频率达到20 kHz时，砂轮内衬上的振荡幅度可以达到20~35 µm。

图3  超声波精整模型样机集成到一台精整机床上
a正视图                    b后视图

采用金刚石刀具对钢质材料进行加工

在超声波辅助车削加工流程中，超声波振荡的车削刀具与工件旋转轴呈现正切关系并可达到高频切断。由此可以采用金刚石刀具对钢材进行加工，这是因为这样做可以减缓钢材加工的发散过程。此外，由于刀具的受热载程度减缓，刀具的使用寿命也可以得以延长。Fraunhofer-IPT公司目前不仅在研究制造纵向振荡刀具，同时也在研究开发弯曲振动器，以实现对复杂工件的最佳化加工。