超声波加工论文

超声波加工

摘要：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。它能广泛应用于各个领域，特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。

关键词：超声波；研究前沿；应用领域

引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。

超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。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。

一、超声波加工的原理

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：

f c

=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。

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，