超声波加工

第四节超声波加工

人耳能感受到的声波频率在16—16000Hz范围内。当声波频率超过16000Hz时，就是超声波。前两节所介绍的电火花加工和电解加工，一般只能加工导电材料，而利用超声波振动，则不但能加工像淬火钢、硬质合金等硬脆的导电材料，而且更适合加工像玻璃、陶瓷、宝石和金刚石等硬脆非金属材料。

1．超声波加工原理

超声波加工是利用工具端面的超声频振动，或借助于磨料悬浮液加工硬脆材料的一种工艺方法。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0.01一0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动。在加工过程中，有“超声空化”现象产生。因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械锤击和研抛为主，以超声空化为辅的综合作用过程.

2．超声波加工的特点

(1)超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是利用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。对于韧性好的材料，由于它对冲击有缓冲作用而难以加工，因此可用作工具材料，如45钢常被选作工具材料。

(2)由于超声波加工中的宏观机械力小，因此能获得良好的加工精度和表面粗糙度。尺寸精度可达0.02～0.01mm；表面粗糙度R a值可达0.8一0.1μm。

(3)采用的工具材料较软，易制成复杂形状，工具和工件无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构较简单。但若需要加工复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计与制造三坐标数控超声波加工机床。

二、超声波加工的基本工艺规律

1．加工速度及其影响因素

加工速度指单位时间内去除材料的多少，通常以g／min或mm3／min为单位表示。影响加工速度的主要因素有：

(1)进给压力的影响超声波加工时，工具对工件应有一个适当的进给压力。工具端面与工件加工表面间的间隙随进给压力的大小而改变。压力减小，间隙增大，从而减弱磨料对工件的锤击力；压力增大，间隙减小，当间隙减小到一定程度，则会降低磨料和工作液的循环更新速度，从而降低加工速度。

(2)工具振幅和频率的影响超声波加工中，设备的振幅和频率都在一定范围内可

调。

振幅一般为0.01一0.1mm，频率一般为16000～25000Hz。这样，针对不同的工具，在实际加工中可调至共振频率，以获得最大振幅，从而达到较高的加工速度。

(3)磨料种类和粒度的影响超声波加工时，针对不同硬度的工件材料，应选用不同的磨料。例如，加工宝石和金刚石等超硬材料，必须选用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应选用碳化硼；加工玻璃、石英和锗、硅等半导体材料，选用氧化铝磨料即可。一般来说，磨料的硬度愈高，粒度愈粗，加工速度就愈快。但在选择时，还要综合考虑加工精度、表面粗糙度和经济成本等多方面的因素。

(4)被加工材料的影响由于超声波加工的基本特征是靠超声频的振动去除材料，因此材料愈硬脆，则愈易去除；材料的韧性愈好，则愈难去除。假定玻璃的可加工性为l，则锗、硅等半导体材料为2—2.5，石英为0.5，硬质合金为0.02一0.03，淬火钢为0.01，未淬火钢则低于0.01。可见在硬脆材料中，淬火钢在超声波加工中属难加工材料。

此外，还要考虑磨料悬浮液的浓度的影响。

2．加工精度及其影响因素

超声波加工的精度，除了考虑机床和夹具的精度外，主要应考虑磨料的粒度、工具的材料以及机床的加工方式等因素。

(1)磨料粒度的影响当采用磨料悬浮液加工时，在工具尺寸确定后，加工出孔的最小直径约等于工具直径加磨粒平均直径的2倍。采用240＃～280＃磨粒时，孔的尺寸精度可达土0.05mm，采用w28一w7微粉加工时，孔的尺寸精度可达士0.02mm。

(2)机床加工方式和加工工具的影响当采用旋转的聚晶金刚石工具在水中直接加工硬脆材料，而不依靠磨料悬浮液作中介物时，由于金刚石材料的锋利和耐磨，可以使加工精度大为提高。当加工玻璃和钇铝石榴石时，孔的尺寸精度可达到0.01mm。

此外，工具的横向振动和磨损都会影响孔的尺寸精度和形状精度。

3．表面质量及其影响因素

超声波加工具有良好的表面质量，既不会产生表面变质层，也不会产生表面烧伤。

超声波加工的表面粗糙度主要受磨粒尺寸、超声振幅大小和工件材料硬度的影响。一般表面粗糙度R a值可达0.8～0.1μm。

磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材料愈硬，生产率随着降低，表面粗糙度会得到明显改善。因为在超声波加工中，表面粗糙度月。值的大小主要取决于每颗磨粒每次锤击工件材料所留下凹痕的大小与深浅。

当磨粒的大小、工具的振幅和频率选用合适时，可利用超声波进行抛光。

三、超声波加工的应用范围

1. 型孔和型腔加工目前超声波加工主要用于加工硬脆材料的圆孔、异形孔和各种型腔，以及进行套料、雕刻和研抛等。

2．切割加工锗、硅等半导体材料又硬又脆，用机械切割非常困难，采用超声波切割则十分有效。

3．超声波清洗由于超声波在液体中会产生交变冲击波和超声空化现象，这两种作用的强度达到一定值时，产生的微冲击就可以使被清洗物表面的污渍遭到破坏并脱落下来。加上超声作用无处不入，即使是小孔和窄缝中的污物也容易被清洗干净。目前，超声波清洗不但用于机械零件或电子器件的清洗，也用于医疗器皿如生理盐水瓶、葡萄糖水瓶的清洗。利用超声振动去污原理，国外已生产出超声波洗衣机。

4．超声波焊接焊接一般离不开热。超声波焊接就是利用超声频的振动作用，去除工件表层的氧化膜，使工件露出新的本体表面。此时被焊工件表层的分子在高速振动撞击下，摩擦生热并亲和焊接在一起。它不仅可以焊接表面易生成氧化物的铝制品及尼龙、塑料等高分子制品，而且它还可以使陶瓷等非金属材料在超声振动作用下挂上锡或银，从而改善这些材料的可焊接性。

超声波的应用范围十分广泛，利用其定向发射、反射等特性，可用于测距和无损检测，超声振动制作医疗超声手术刀。

第五节激光加工

激光加工是60年代发展起来的一种新兴技术。它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。由于它利用高能光束进行加工，加工速度快，变形小，可以加工各种金属和非金属材料，广泛用于打孔、切割、焊接、表面热处理以及信息存储等许多领域。

1．激光加工原理

激光是一种经受激辐射产生的加强光。它的光强度高，方向性、相干性和单色性好，通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密度(108～l010W／cm2)。当激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达1万度以上，使材料熔化甚至汽化。随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。

2．激光加工的特点

(1)激光加工属高能束流加工，其功率密度可高达l08～1010W／cm2，几乎可以加工任何金属与非金属材料。

(2)激光加工无明显机械力，也不存在工具损耗问题。加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。

(3)激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部进行焊接等。