超声波加工

超声波加工一、超声波加工的基本原理和特点1.1 超声波概述“超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz 以上的所有频率。

超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz 的范围以内。

在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz 的波长约为200mm ；而频率为500MHz 的波长约为0.008mm 。

超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。

由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振以及损耗等现象更显著。

在不同的介质中，超声波传播的速度c 亦不同，例如c 空气=331m/s ；c 水=1430m/s ；c 铁=5850m/s 。

速度c 与波长λ和频率f 之间的关系可用下式表示：fc =λ 超声波具有如下几种主要性质：1、超声波能传递很强的能量；2、超声波的空化作用；3、超声波的反射、透射、折射；4、超声波的衍射；5、超声波的干涉和共振。

1.2 超声波加工原理超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法，加工原理如图1.1所示。

加工时，在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm ，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。

虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。

与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。

图1.1 超声波加工方法示意图1.3 超声波的加工特点1、加工范围广；a．可加工淬硬钢、不锈钢、钛及其合金等传统切削难加工的金属、非金属材料；特别是一些不导电的非金属材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石及各种半导体等，对导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金也能加工，但生产率低；b．适合深小孔、薄壁件、细长杆、低刚度和形状复杂、要求较高零件的加工；c．适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。

2、切削力小、切削功率消耗低；由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小。

3、工件加工精度高、表面粗糙度低；可获得较高的加工精度（尺寸精度可达0.005～0.02mm）和较低的表面粗糙度(Ra值为0.05～0.2)，被加工表面无残余应力、烧伤等现象，也适合加工薄壁、窄缝和低刚度零件。

4、易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成型表面等；5、工具可用较软的材料做成较复杂的形状；6、超声波加工设备结构一般比较简单，操作维修方便。

二、超声波研究现状及应用2.1 超声波深小孔加工在相同的要求及加工条件下,加工孔比加工轴要复杂得多。

一般来说,孔加工工具的长度总是大于孔的直径,在切削力的作用下易产生变形,从而影响加工质量和加工效率。

特别是对难加工材料的深孔钻削来说,会出现很多问题。

例如,切削液很难进入切削区,造成切削温度高;刀刃磨损快,产生积屑瘤,使排屑困难,切削力增大等。

其结果是加工效率、精度降低,表面粗糙度值增加,工具寿命短。

采用超声加工则可有效解决上述问题。

前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。

在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。

日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450 W,工作频率20 kHz，可在玻璃上加工孔径1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02 mm。

英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。

整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉,当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。

该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。

2.2 拉丝模及型腔模具研磨抛光聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用，新的超声研磨抛光方法和设备已出现。

北京市电加工研究所提出的“超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法”，其特点是：采用超声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加工复合进行聚晶金刚石拉丝模研磨抛光。

该技术已获得国家专利，并在生产中获得应用。

2.3 难加工材料的超声波加工金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。

然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。

因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。

英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究,提出了一种新的材料去除率的计算方法,这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。

美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。

通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。

美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。

2.4 超声波振动切削超声振动切削作为新兴的特种加工技术，引起了国内外专家学者的广泛兴趣和极大关注。

最早对振动切削进行比较系统的研究、可以称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎。

他在20世纪50~60年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动刨削、振动磨削等。

随后美国也对振动切削进行研究，到20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，超声加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性，取得了一系列研究成果，并在生产中得到推广应用。

2.5 超声波复合加工将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。

超声复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。

三、超声波加工技术发展趋势及应用3.1 超声振动切削技术长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂生产的一直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验[31],通过生产现场各种工艺参数实验及小批量试生产,收到了令人满意的效果,具有较好的发展前景。

北京装甲兵技术学院提出了一种超声微振车削的新工艺[2]。

其特点是功率小(50 W)、振幅小(2~5μm),同样可获得一般振动车削的效果。

超声振动切削的应用也日趋广泛，对其的研究主要应从几个方面进行：1、研制和采用新的刀具材料；2、研制和采用高效的振动切削系统；3、对振动切削机理深入研究；4、超声椭圆振动切削的研究与推广；5、超声铣削加工技术。

3.2 超声复合加工技术目前,超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发展。

哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾,具有较好的应用前景。

在现代工业生产中，模具的应用越来越广泛，对模具精度和表面质量的要求也越来越高。

在模具制造过程中，光整加工工序对模具质量影响很大，但目前该工序在很大程度上仍依赖手工完成，严重制约了模具加工技术的发展，是一个亟待解决的关键技术问题。

华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP 神经网络对加工表面粗糙度进行预测，取得了良好的效果。

超声电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地适用于形状复杂的模具型腔光整加工。

但尚有许多方面的内容有待进一步研究，特别是各主要加工因素对加工表面粗糙度的影响以及表面金属的去除机理等。

随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。

近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条崭新的途径，但该技术在加工过程中短路频繁。

山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。

但该工艺的加工机理有待于进一步研究。

3.3 微细超声加工技术以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。

目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。

超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。

随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。

四、结语现代加工技术这一门课是给我们大学画上圆满句号的一课，从大一入学我们学习的公共基础课、专业课、学科任选课，大多数都是对一门知识的入门认识，我们学习的基本上都属于在社会上已经淘汰的设备、仪器，通过那些传统的机械来学习加工原理。

而现代加工技术则是让我们接触到了当今最先进的加工技术、加工原理，让我们对世界科技的发展层次有了更清晰的了解。

所以能够有这样一门课程，是对我们的知识的归纳、总结，也是对我们的一种鞭策。

通过对电火花加工、电子束加工、激光加工以及超声波加工等特种加工的学习，我们了解到更多的先进加工技术，对自己的思维是一种扩展，也利于以后在实际问题中寻找更好的解决方法。

超声波加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。

一方面,材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术提供的强有力加工手段，又促进了新材料的发展。