超声波加工应用

题目：超声波加工的应用研究

姓名郑木彬

吉林大学机械科学与工程学院班级41070122 长春130022

摘要：简略概述超声波加工规律及特点，以及超声波熔焊.塑料焊接机等应用情况.

关键词：超声波.规律.特点.应用

引言：超声波加工作为一种先进的加工工艺正在各行各业得到广泛的应用和推广，其先进性也越来越得到更多人的关注，将超声加工与电加工(如电火花加工和电解加工等)、切削加工结合起来，开辟了复合加工的领域。这种复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件，提高加工效率和质量，这篇论文旨在概括介绍一下这一先进加工工艺的特点和规律，以及在各个行业的应用情况。超声波加工的基本规律

1.影响加工精度的因素

超声加工的精度，除受机床、夹具精度的影响之外，主要与磨料粒度、工具的精度及磨损、横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。

超声加工孔时，其孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大，扩大量约为磨料磨粒直径的两倍，孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍，即

Dmin＝Dt＋2da （5-9）式中 Dmin--工件最小孔径（mm）；Dt--工具直径（mm）；da——磨料磨粒平均直径（um）

可见，孔的加工精度直接受到工具精度和磨粒粗细的影响。通常，用#240~#280磨粒时，可获得正负0.05mm的加工精度，用W28~W7时，可获得正负0．02mm 的加工精度。此外，孔的形状误差与工具的不均匀磨损及横向振动大小有关。一般可采用工具或工件转动的加工方式来减小孔的圆度误差。

超声加工孔时，一般容易出现锥度和孔的出口处有环带。其原因主要是由于变幅杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的二次冲击，形成从进口到出口逐渐减小的锥度；出口处环带则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处迅速排出，使磨料循环时间过短所造成的。如用’240碳化硼磨料加5~0mm深的孔，所形成的锥度为1°，若穿孔后再用未磨损的工具作低频振动修磨，锥度可以减小。在多数情况下，使用精密工具几乎完全可避免孔的锥度。

超声加工所用的磨料粒度本来就是不均匀的，加工中又要被磨钝、甚至破碎，更加剧了磨料的不均匀性。因此，不仅影响加工速度更影响加工精度。加工时必须

经常搅动磨料悬浮液，保证一定的循环速度，使用10--15h后应及时更换，还可设法向工具端面喷注磨料悬浮液，以提高加工精度。

2.影响加工表面质量的因素

超声加工具有较好的表面质量，非但不会产生烧伤和表面变质层、热应力，有时反而产生表面压应力，对提高工件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力有益。超声加工的工件表面粗糙度较低，可达Ra0．63~0．08um，主要取决于每粒磨料每次冲击工件表面后留下的凹痕大小，并与超声振动的振幅、磨料领料的直径、工件材料的性质以及磨料悬浮液的成分等有关。

当磨粒比较细，工作材料硬度较高、超声振幅较小时，工件的表面粗糙度将得到改善，但生产率随之降低。磨料悬浮液的性能对表面粗糙度的影响比较复杂，且报道较少。资料表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。

超声波加工的特点

不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。

超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的精度可达0.02～0.05毫米。表面粗糙度在采用W40碳化硼磨料加工玻璃时可达1.25～O.63微米，加工硬质合金时可达0.63～0.32微米。超声加工机一般由由电源(即超声发生器)、振动系统(包括超声换能器和变幅杆)和机床本体三部分组成。超声发生器将交流电转换为超声频电功率输出，功率由数瓦至数千瓦，最大可达10千瓦。通常使用的超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类。磁致伸缩换能器又有金属的和铁氧体的两种，金属的通常用于千瓦以上的大功率超声加工

机；铁氧体的通常用于千瓦以下的小功率超声加工机。电致伸缩换能器用压电陶瓷制成，主要用于小功率超声加工机。

变幅杆起着放大振幅和聚能的作用，按截面积变化规律有锥形、指数曲线形、悬链线形、阶梯形等。机床本体一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置。

超声波塑料焊接加工技术

超声波加工的应用

（l）成形加工

超声波加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细一孔、套料等。虽然其生产率不如电火花、电解加工，但加工精度及工件表面质量则化于电火花、电解加工。例如，生产上用硬质冶金代替合金工具钢制造技深模、拉丝模等模具，其耐用度可提高80-100倍。采用电火花加工，工件表面常出现微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。而采用超声加工则无此缺陷，且尺寸精度可控制在0.01-0.02mm之内、内孔锥度可修整至8'。

对硅等半导体硬脆材料进行套料等加工，更显示了超声波加工的特色。例如，在直径90mm、厚0．25mm的硅片上，可套料加工出176个直径仅为1mm的元件，时间只需1．5min，合格率高达90％-95％，加工精度为正负0.02mm。

此外，近年来，超声加工已经排除其通向微细加工领域的障碍。图5－14是日本东京大学工业科学学院采用超声加工方法，加工出的微小透平胜和玻璃上直径仅9um的微孔。

（2）切割加工

超声精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点。例如，