超声波加工技术

超声波加工技术

1.绪论

人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ范围内，声波频率超过20000HZ被称为超声波。超声波加工（Ultrasonic Machining简称USM）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀来去除材料，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。

1.1超声波加工的发展状况

超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。

超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。

早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.44

HZ的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频

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率达到了34

⨯HZ.这些实验使人们开始对超

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⨯HZ，后改用氢气时，其频率达到了84

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声波的性质有了一定的认识。

对超声波的诞生起重大推进作用的是1912年豪华客轮泰坦尼克号在首航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来探测冰山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦查德国潜艇的紧张研究。1916年以法国著名物理学家郎之万为首的科学家开始研究产生和运用水下超声作为侦测手段，并在1918年发现压电效应可使石英板振动，制成了可用作超声源的石英压电振荡器。这就是现代超声学的开端。

1927年美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超生加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。1951年，美国的科恩制成了第一台实用的超生加工机，并引起广泛的关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。

日本是较早研究超声加工技术的国家，20世纪50年代，日本已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正寭教授，《超声波工学—理论和实际》是他的代表作；另外一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，《精密加工、振动切削基础和应用》是他的代表作。日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系统。1977年日本将超声振动切削与磨削用于生产，可对直径为mm

φ大型船用柴油机缸套进行镗孔。

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原苏联的超生加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表过很有价值的论文。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。为了推动超声加工的应用，1973年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和使用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。到80年代末期，当时苏联已经生产系列超声振动钻削装置。

20世纪70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削拉管和焊接等方面已处于生产应用阶段，超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段。1979年通用超声振动切削系统已供应工业界应用。

德国和英国也对超声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。例如，英国于1964年提出使用烧结或

电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果。

我国超声加工技术的研究始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削的研究，1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声研磨机。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所以及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1983年10月，机械电子工业部科技司委托《机械工艺师》杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。1985年，广西大学、南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一套“CZQ-250A型”超声振动切削系统。同年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了良好的工艺效果。1987年，北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术，并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。1989年，我国研制成功超声珩磨装置。1991年研制成功变截面细长杆超声车削装置。

20世纪末到本世纪初的十几年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。

1.2超声波加工的基本原理