超声波加工在复合加工中的实际应用分析

河南机电高等专科学校
先进制造技术课程论文
论文题目：超声波加工在复合加工中的实际应用分析
系部：机械工程系
专业：机械制造与自动化
班级：机制122
学生姓名：
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指导教师：
2014年11月3日
摘要：通过对超声波和超声技术的解释举例，以及对超声复合技术的理解，更深入的体会超声波在超生复合技术中的应用，对超声复合的作用，起关键作用，对这一方面的认知和超声复合的定义。

关键词：超声波超声复合
一超声波
1.超声波定义
我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。

因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等
虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有此本领。

它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。

大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔，它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢？原因就是蝙蝠能发出2～10万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。

蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。

2.超声波的特点:
1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。

（治疗）
超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。

3.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。

二超声加工
超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，英文简称为USM。

超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。

1，超声加工的工作原理
超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。

2.超声波焊接原理
通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。

又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。

当超声波停止作用后，让压力持续，有些许保压时间，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料本体强度。

3.超声加工的主要特点
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、余弦线形、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
三超生复合加工
复合加工是指同时在加工部位上组合两种或将中以上的不同类型能量对工件材料进行加工的工艺方
法，如果其中的一种加工方式为超声加工，则称该复合加工方法为超声复合加工。

目前，应用最多的是超声电火花复合加工和超声电解复合加工两种。

1.超声电火花复合加工
电极和工件接入直流(脉冲) 电压,以一定微压力接触,之间加入含微细磨粒的具有绝缘性能的工作介质(如:无水乙醇) ,工具电极引入超声频振动,将产生脉冲性火花放电。

电极与工件间存在最小间隙△min ,约为单个磨粒直径,由于最小间隙的作用,可有效避免放电短路。

当电极与工件之间的间隙小于△max 时,产生微细电火花放电加工。

在火花放电的间隙,超声的空化和泵吸作用,可有效、及时去除电蚀物,加速工作液循环,改善间隙放电条件,从而有效避免电弧放电,提高有效脉冲比例,改善加工精度和表面质量。

此工艺适用于硬韧金属材料微结构加工。

采用高频脉冲电源,放电频率下降,超声作用效果更明显,更有利于提高加工精度与表面质量,但效率有所下降。

2.超声电解复合加工
超声电解复合微细加工原理,加工过程中,采用低电压(1～5 V) 、低浓度钝化电解液(如5 %NaNO3 水溶液) ,由于微电流电解作用,在工件表面会产生厚度极薄、强度远低于基体材料的电解钝化膜,它可阻止低电流密度电解作用。

引入超声频振动、脉冲电流后,磨粒的冲击刮擦、高频振动冲击波及“负压空化”作用能有效消除钝化膜,并及时排除间隙区的电解产物,改善及加强电解作用,使加工过程得以持续。

四.超声加工技术的研究现状及其发展趋势
超声加工是利用超声振动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。

几十年来，超声加工技术的发展迅速，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和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。

1 超声振动系统的研究进展及其应用
超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。

在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。

但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。

日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。

日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。

该系统
压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵-弯”型复合振动。

沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为16～23 kH z，具有频率自动跟踪性能.
另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。

主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。

该振动系统的换能器是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。

2 超声加工技术应用研究
1. 深小孔加工
众所周知，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0.005 mm，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。

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1996年，日本东京大学在超声加工机床上，利用电火花线切割加工工艺在线加工出微细工具，并成功地利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为φ15μm的微孔。

1998年又成功地加工出直径为φ5μm 的微孔。

哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。

该工艺将超声振动引入到精密电火花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起的新型4轴电火花加工装置。

实验研究表明，应用该装置可以在Ti合金上加工出φ<0.2 mm、且深径比>15的深小孔。

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。

台湾的H.Hocheng等人对模具钢的超声抛光进行了基础性研究，研制了一套高效的超声抛光系统，应用该系统对模具钢进行了抛光试验，研究结果表明此系统大大提高了模具钢的抛光质量。

日本研制的UMA-1型数控超声研磨机，其研磨时间在1～999 s范围内可任意设定；频率自动跟踪；研磨钢针夹持可靠，发热少，钢针磨耗能自动修整；钢针以固定速度进给，具有研磨时间短、精度高的优点。

浙江大学进行了超声波-电化学复合研磨硬质合金拉丝模的实验研究。

)
吉林大学对机器人超声-电火花复合加工模具曲面进行了研究，结果证明该方法可改善加工质量，模具曲面精加工效率提高4倍以上.
3 .难加工材料的超声加工
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。

山东大学利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了研究，并与陶瓷材料进行了对比研究。

结果表明，材料去除率与大理石的力学性能有关，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，其去除率越低，加工精度越高。

天津理工学院对大理石超声精密雕刻技术进行了研究，开发了大理石超声精雕系统。

该系统解决了大理石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题，使大理石精雕质量和水平跨上了新台阶。

北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机
4. 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。

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