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基于稀土磁致伸缩材料的超声波数控加工设备
时间:2015-09-14 17:07:18
     1、国内外现状与技术发展趋势
      在高档磨具,医疗器材、光学行业、汽车工业、航空航天等许多领域内,对高硬度零件的需求正在日益增加,而陶瓷、复合材料、硅、石英、铁氧体、宝石、玻璃和硬质合金等“先进材料”的普及恰恰满足了这种需求。一方面,这些材料有着极为优异的特性(诸如:重量轻,抗腐蚀,耐高温,抗磨损等);而另一方面,由于这些材料的高硬度和脆性,使用传统的加工方式,成本很高,效率很低。
      超声振动加工技术使该领域的加工产生了一次飞跃,不但可以克服零件材料的硬度和脆性,而且有着其他传统加工方式所无法比拟的功能和加工柔性。超声加工的原理是在切削过程中加入了振动元素,频率超过20000Hz,由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或是砂轮,在加工过程中对零件表面进行高达20000~30000次/秒以上的连续敲击,即便是最硬的材料,在如此高频的振动敲击下,一个很小的切削力也可将其瓦解。
      目前世界上只有德国的DMG公司,采用压电材料制作的换能器成功开发出了超声加工机床并投入商业化运行。 价格昂贵, 其BT50 的加工中心售价高达1200万元,且部分高精度机床限制向我国出口。
      我国的清华大学、杭州电子科技大学等部分高校作了相关的理论研究,但目前尚未见到商业化的产品。
      笔者所在的浙江大学机械系课题组,采用稀土磁致伸缩材料, 开发出大功率超声振动换能器,并于2013年底成功应用于超声加工。目前已经销售30余台套,销售收入超过3000万元。
      稀土磁致伸缩材料在变化的磁场作用下,材料就会伸长或缩短;反之,如果在这种材料的两端施加交变应力, 检测线圈也会产生相应的电流信号, 利用这个原理,将磁致伸缩材料与高频信号发生器相连就可以得到17500Hz~30000Hz的高频振动,其振幅为2~3微米,同时可以检测到切削过程中切削力的变化。
      稀土磁致伸缩材料(TeDyFe, Fe-Ga,FeCoVDy)响应速度快,承载能力大,磁--机转化效率高,换能器输出功率大,可广泛用于功率超声加工,刀柄直径可达Φ70mm,而传统的压电晶体输出功率小,刀柄直径只能达到Φ13mm,从而实现更为广泛意义的超声加工。
      2、项目的意义和作用
      研制并生产基于稀土磁致伸缩材料的超声波刀柄,可适用的加工刀具直径从Φ0.2 mm---Φ70mm,并将其集成于现有的数控加工中心,其加工效率可提高5-6倍,可广泛用于高级模具钢加工, 汽车刹车片, 手机玻璃,复合材料,钛合金、不锈钢,硅片制造等领域的生产加工过程。下面仅就刹车片和蓝宝石加工论述其需求。
      ①中国目前汽车制造厂商约300多家,汽车改装厂高达600多家,年产汽车约1900万辆左右,刹车片市场需求量很大,全国每年需求刹车片5亿套左右。每年仅加工刹车片的机床就超过10000台套。
      ②蓝宝石与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能,对红外线透过率高,有很好的耐磨性,硬度仅次于金钢石达莫氏9级,在高温下仍具有较好的稳定性。所以它已越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、精密耐磨轴承等高科技领域中零件的制造材料,同时还被制成永不磨损表镜及各种精美华贵的饰品,尤其是近年来将其用作手机面板。仅手机面板需求就超过3亿多片。每年仅加工手机面板的设备需求就超过10000台套。
      由以上论述可知, 稀土磁致伸缩超声加工机床的广泛运用,可产生巨大的经济和社会效益。尤其是对于包头稀土工业的转型升级,具有深远的意义。 
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