硬质合金、金属陶瓷、人造聚晶金刚石或纤维强化复合材料制成的工件进行切削加工，尤其是要形成复杂轮廓外形的工件时，已经证实这种加工任务是特别困难的。超声波辅助磨削加工是一种创新的工艺方法，采用这种方法可以快速和精密地加工这些难加工材料。

高级材料在应用中具有普通材料无法比拟的特性，然而它受到制造成本的限制。为了改变这种状况，必须降低制造费用。对于这种情况，最典型的是陶瓷的加工。像以氧化铝或氧化锆陶瓷制成的球状关节的人工假肢体，由碳化硅制成的滑动轴承和燃烧器组件以及陶瓷的滚动轴承组件或经常所说到的氮化硅陶瓷阀体尽管已经能够在市场上得以存在，但是广泛地应用在大多数零件上还是受限制的。

针对工件材料优良的特性显然存在着成本方面的缺点 (这种高成本几乎总是由硬质材料的加工引起的)，同时为了加工复杂几何形状 (孔、槽、球面或自由成形表面 )而缺少合适的加工策略也受到限制，由此使得所希望的应用变得困难。柏林机床和工厂企业研究所至今的工作已经表明，采用超声波辅助磨削工艺在加工复杂轮廓外形陶瓷部件时对提高生产率有很大的潜力。

为了提供面向应用的工艺数据，用原型试验装置取得的知识还是不够的，只有在满足应用要求的情况下研制一种基本的工艺才能创造一种前提条件，以便能充分利用所指出的提高生产率方面的潜力，同时也改善部件加工时的经济性。

工具或工件被激发振动

在超声波辅助磨削时，传统磨削的运动状况被叠加上一个附加的纵向振动的有效运动，它的方向随一个大约22 kHz的超声波频率交变。超声波辅助原则上可以通过工具或工件的振动激发被带进接触区，振动激发通过一台外部的电压发生器和一台声换能器按照压电源理实现，这里可提供一个大约4 mm的输出振幅，它借助于后接的声波管，根据应用要求可以放大至约80 mm。

根据工具和工件相互间的位置以及待加工表面轮廓形状，涉及到磨削工件时，可以分为轴向和径向的振动叠加。对于实用化的工艺方案，根据DIN 8589第二部分(德国国家工业标准)和按照Cartsburg,H.的博士论文(柏林工业大学，1993年)得出图1所描述的运动方案。所叠加的振动导致了一个有效速度的持续方向交变，接着导致了表面形成和磨损机理的根本改变。传统的扇形状的加工运动轨迹通过辅助的超声波转化成正弦波形的相对运动，在径向振动叠加后，在传统运动时磨粒所存在的与加工表面的持续接触被超声波频率频繁地中断，由此切屑特性会显著改变，摩擦系数,因此引起的热量会显著降低。

一个轴向的振动叠加导致有效速度数值和方向上的交变，在正确调整相关影响参数情况下，所观察到的效果是有利于接触区切屑形成和磨削工具的磨损行为，由此在应用时可以达到比传统磨削过程更高的磨除效率和更长的磨削工具耐用度，同时也不会造成加工精度下降或工件损伤。超声波辅助磨削原则上可以在每一种磨削运动上应用，当传统加工时存在一个持续的工具-工件接触时，其优点尤为突出。联系到陶瓷材料的加工困难性，在其上加工复杂的轮廓形状，如孔、槽、球面或自由成形表面以及花纹时，这种工艺是特别有效的。在这种背景下超声波磨削提供了对迄今使用的大多数不经济或相对耗费的工艺方法的一种最有效的选择。此外超声波磨削还可以避免定向的加工痕迹或者可以改善加工表面的润滑状况。

切削力数值减小

超声波辅助磨削的一种应用可能性是纵向周磨。这种工艺分为两种工艺方案：普通磨削和深切缓进给磨削，深切缓进给磨削与普通磨削不同，它的特点是具有大的径向进给量和缓慢的纵向进给量，由此造成大的接触长度和小的切屑厚度。图2表示的是在深切缓进给磨削烧结氮化硅和氧化铝陶瓷时，在叠加径向超声波振动时，磨削过程力的变化规律。

根据Uhlmann，E.G.的博士论文(柏林工业大学，1993年)已经确定，在传统的磨削时随着磨除体积的增加磨削力急剧增加，这将导致砂轮表面形貌的快速改变。从具有相对高的磨粒锋刃开始，随着磨削时间的增加，金刚石磨粒的切削刃被磨平，摩擦系数增加，作用在磨粒上的力增加，一直达到磨粒保持力，这时会出现磨粒的破碎或断裂，同时磨粒切削刃变短。由于超声波的作用会产生一个几乎稳定的磨削过程，这与被加工的材料无关。这样，随着磨除量V' w的增加，切削力的增加减弱。在法向，即在纵向工件振动方向上，有无超声波辅助时的磨削力差别特别大。在超声波辅助磨削时，磨粒被磨平(严重钝化)和磨粒出现断裂的部分显著减少，相反地磨粒发生微碎的部分增加，由此磨粒“微刃”的数量增加，这在磨损机理上得到补偿，总的说来会出现几乎不变化的径向磨损。这种情况可以由电子扫描显微镜的照片证明，在加工表面形成时的磨粒脆性微碎部分增加，但弯曲断裂强度和自身应力并没有发生显著变化。此外对普通磨削的试验也表明，所描述的超声波辅助的效果，随接触长度的增加同样显著地影响加工效果。

图1纵向周磨(A)，横向侧面磨(B)和横向周磨(C)作为超声波辅助磨削的工艺方案;A-振幅，ae -径向切削深度，ap -轴向切削深度，ns -转速，PPAD 接触压力，VC 切削速度，Vfa 轴向进给速度，Vft -径向进给速度，Vft -工作台进给速度

采用不同进给速度的横向侧面磨削

通过横向侧面磨削的孔加工可以用行程控制或磨削力控制的进给实现，在选择进给种类时所使用的机床起着决定性的作用，在超声波振动精研机上优先采用力控制进给法，在端面铣床上使用超声波振动主轴时大多数情况下采用行程控制进给法。为了评价加工过程，对在行程控制进给时的磨削力的变化过程进行了分析，图3清楚地表明，一个没有超声波辅助的磨削加工导致了一个很差的过程行为，因为出现了迅速增大的轴向力。

图2在深切缓进给顺磨氧化铝陶瓷(A)和烧结氮化硅陶瓷(B)时，没有超声波辅助(兰色曲线)和有超声波辅助(红色曲线)时的磨削过程力。砂 轮：D126 K+8821 JY C50,振幅：4 mm，径向切深ae：1.0mm，砂轮速度Vc：35 m/s，工作台进给速度Vft：300 mm/min，金属磨除率Q' w 5 mm3/s

图3用一个磨削工具D46 BZ335 C75磨孔加工(横向侧面磨削)氧化铝陶瓷，在没有超声波辅助(兰色曲线)和有超声波辅助(红色曲线)时轴向力的对比。行程控制进给，振幅：12 mm，孔深h:10 mm，转速ns:3000 min-1，轴向进给速度Vfa:4 mm/min

图4用工具D126 BZ335 C75超声波辅助横向周磨加工氧化铝陶瓷工件。振幅：12 mm，轴向切深ap：2 mm，工具转速ns：3000 min-1，径向进给速度Vfr：2 mm/min;1-沉入，2-同时的内、外加工，3-外加工，4环形槽加工完毕;Ra -轮廓算术平均偏差，Rk -磨粒粗糙度，Rpk -简化的峰值深度，Rpk -简化的峰谷深度

试验时在磨削时间tc达到22s之后，轴向力FZ已达到一个不允许的240 N的值，于是试验过程必须被中断。可以想像由于固定不变的工具和工件的接触会造成磨粒钝化并随之强烈降低其切削能力，在固定的进给速度情况下由此导致切削力提高，因此采用传统磨削工艺是不可能经济地加工陶瓷上的孔。

采用超声波磨削，磨削力只有微小的增加，并有一个稳定的加工过程。超声波的辅助作用会产生较大的磨粒作用倾角，可使得磨粒从工件加工表面上不断间隔地稍微抬起一点，由此金刚石磨粒避免快速钝化磨平。此外工具与加工表面间的摩擦系数会显著降低并可改善接触区的冷却润滑状况。

相对小的磨粒粒度(D46)可以实现很好的加工表面质量和形状精度，在考虑所使用机床的运行精度情况下，轴向磨损总计平均大约在10 mm孔深下仅有10 mm，在一个砂轮磨削层为5 mm时，其理论上最小的寿命为加工5 m长的孔深。

试验中达到了近乎稳定的加工过程

在恒定的接触压力下采用力控制进给速度磨孔，对带有端面的磨削工具进行试验，分析磨削过程中主轴电机电压与磨削时间之间的变化规律。在经过一次标定之后，电压值可以直接转化为瞬时的进给速度值。接触压力的大小是依据磨孔深度和磨削时间来确定，为了更好地分析和描绘，信号通过一个低通滤波器滤波。

此外，在积分之后信号可提供按一个确定时间所达到的磨孔深度信息，更进一步，可增添为分析过程的稳定性测量，因为一些无规则性的干扰(例如颤振)会直接在曲线变化上引起矛盾。没有超声波辅助时，在试验中发现进给速度会逐渐迅速地减少至零，这类似于前面所叙述的可以用砂轮磨削层的迅速钝化来解释。磨削过程在只有几毫米进给后就出现中断，只有通过砂轮重磨才能够维持正常的磨削过程，这对于实际的加工来说是不经济的。

采用超声波辅助加工则可以产生一个近乎稳定的磨削过程，它即使在较大的沉孔深度时也是稳定的，调整的进给速度和切削功率随磨削工具转速、接触压力和振幅的增加而增加，直到达到一个系统技术条件允许的不会出现不稳定状态的极限标准。

大量超声波振动精磨的试验表明，可达到的磨除率 Q' w随陶瓷材料的断裂韧性的提高而提高，切削功率在超声波辅助横向侧面磨削时也与工件材料有密切的关系。然而这里除去材料的断裂韧性KIC值之外，材料的强度、硬度和切削加工性也起着重要的作用。

总之超声波辅助磨削有很高的磨除率，此外超声波精磨的试验一般能得到较好的形状精度和有非常高的耐用度。

随着加工难度的增加，临界的接触压力下降，超过这个压力会出现与设备有关的过程不稳定性，由此可推导出使用合理的机床部件的要求，这特别涉及到在磨削时特有的高磨削力和扭矩。刚性以及可调的工具转速和接触压力都可以被作为极限标准。

横向周磨作为另一种工艺方案

在陶瓷工件上加工槽、沟、圆弧半径或其他的三维几何形体时，可以在烧结前用压型方法实现，或者在终加工范围中实现，例如通过轨迹控制的超声波振动精磨或者在较大工件尺寸上采用所谓的坐标磨削。

在导电性工件材料上也可以使用电火花腐蚀工艺，但加工效果一般不令人满意。通过应用金刚石，涂覆的磨削工具，扩展了轨迹控制的超声波振动精磨的应用范围，使之成为超声波辅助横向周磨，与端面铣削的运动条件完全符合。

必须采用相匹配的机床

基本工艺试验的结果表明，磨削力与进给速度、轴向切深、径向切深以及被加工材料有关。为了分析复杂几何形状工件在一次装夹中的加工状况，以在氧化铝陶瓷工件上加工一个环形槽为例，轨迹控制可以通过机床 CNC-控制实现，图4表示的是在加工过程中所测量的特征量。超声波辅助磨削工艺对于经济地加工复杂三维轮廓外形的陶瓷材料，具有巨大的潜力，然而对加工设备的结构特征和运行条件来说，现有的机床是不适合的，因此一种有效的、与超声波磨削加工相匹配的机床是十分必要的。

今后要研究和验证超声波磨削在符合要求的机床系统条件下，扩展其、加工难加工材料范围 (例如陶瓷、玻璃、硬质合金、金属陶瓷、人造聚晶金刚石和其他难加工材料)。工作的重点要放在基础理论、可行性试验和各种复杂工件加工过程的优化上。

首次的研究成果已经表明超声波磨削有着宽广的应用前景，为此在柏林机床与工厂企业研究所的实验室里已经安装了一台新型的超声波磨削加工设备。