方桂飞，王时英

（太原理工大学 机械工程学院及精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024）

1 引言

工程陶瓷等硬脆材料具有耐磨耐高温、硬度大、密度小、抗酸碱腐蚀能力强等优点，广泛应用于航空航天领域和汽车、体育用品等民用领域。但是由于这些材料具有极高的硬度和较大的脆性，其加工十分困难，特别是孔的加工尤为困难，故严重阻碍了工程陶瓷的推广[1-3]。近年来，复频超声加工方法以其效率高、成本低的优点吸引了国内外大量学者的关注。文献[4-5]分析了自由质量块的运动形式，并发现超声波/声波钻头/取心器装置（USDC）在钻探过程中，能耗较低，温升小。文献[6]对复频超声装置进行了结构优化设计，并通过高速摄像机对自由质量块的运动规律进行了研究。目前，国内外文献主要集中在复频超声原理验证，对自由质量块的运动规律及功能研究较少。主要介绍了复频超声振动系统的组成及工作原理，建立了复频超声振动系统的数学模型，开展了陶瓷材料的加工试验，并根据材料去除率的变化来研究了自由质量块对复频超声加工过程的影响，验证了理论分析的准确性。

2 材料去除机理及振动系统模型建立

2.1 材料去除机理的研究

复频超声加工是在超声加工的基础上，通过自由质量块引入一低频振动，高、低频振动共同完成切削的加工方式。复频超声振动系统将变幅杆和换能器固定在机床导轨上，并且引入了自由质量块，如图1所示。……