超声波加工技术

超声波加工技术
1.绪论
人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ 范围内，声波频率超过20000HZ 被称为超声波。

超声波加工（Ultrasonic Machining 简称USM ）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或利用超声振动的工具在有磨料的液体介质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来去除材料，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。

电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。

而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。

同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。

1.1超声波加工的发展状况
超声波加工是利用超声振动的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。

超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。

超声波发生器的作用是将220V 或380V 的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。

超声加工技术是超声学的一个重要分支。

超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。

早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt 曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.4410 HZ 的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频
率达到了34
⨯HZ.这些实验使人们开始对超
10
⨯HZ，后改用氢气时，其频率达到了84
10
声波的性质有了一定的认识。

对超声波的诞生起重大推进作用的是1912年豪华客轮泰坦尼克号在首航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来探测冰山。

这些活动启发了第一次世界大战期间侦查德国潜艇的紧张研究。

1916年以法国著名物理学家郎之万为首的科学家开始研究产生和运用水下超声作为侦测手段，并在1918年发现压电效应可使石英板振动，制成了可用作超声源的石英压电振荡器。

这就是现代超声学的开端。

1927年美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超生加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。

1951年，美国的科恩制成了第一台实用的超生加工机，并引起广泛的关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。

日本是较早研究超声加工技术的国家，20世纪50年代，日本已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。

日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正寭教授，《超声波工学—理论和实际》是他的代表作；另外一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，《精密加工、振动切削基础和应用》是他的代表作。

日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系统。

1977年日本将超声振动切削与磨削用于生产，可对φ大型船用柴油机缸套进行镗孔。

直径为mm
600
原苏联的超生加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表过很有价值的论文。

在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。

为了推动超声加工的应用，1973年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和使用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。

到80年代末期，当时苏联已经生产系列超声振动钻削装置。

20世纪70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削拉管和焊接等方面已处于生产应用阶段，超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段。

1979年通用超声振动切削系统已供应工业界应用。

德国和英国也对超声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。

例如，英国于1964年提出使用烧结或
电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果。

我国超声加工技术的研究始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削的研究，1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声研磨机。

1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所以及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。

1983年10月，机械电子工业部科技司委托《机械工艺师》杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。

1985年，广西大学、南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一套“CZQ-250A型”超声振动切削系统。

同年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了良好的工艺效果。

1987年，北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术，并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。

1989年，我国研制成功超声珩磨装置。

1991年研制成功变截面细长杆超声车削装置。

20世纪末到本世纪初的十几年间，我国的超声加工技术发展迅速，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，尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。

1.2超声波加工的基本原理
图1超声加工的原理图
超声波加工的原理如上图1所示，超声波发生器7产生的超声频电振荡通过换能器6产生20000 Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆4把振幅放大到0．05～0．1 mm左右，从而使工具1的端面作超声频振动。

在工具1和工件2之间注入磨料悬浮液3，当工具端面迫使磨料悬浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不断的撞击、抛磨被加工表面时，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上剥落下来。

虽然每次剥落下来的材料很少，但由于每秒钟撞击的次数多达20000次以上，所以仍有一定的加工速度。

与此同时，当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工件液体内形成很多微空腔；当工具端面又以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而强化加工过程。

此外正负交变的液压冲击也使悬浮磨料的工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨粒及时得到更新。

由此可见，超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。

1.3超声波加工的特点
1）适合于加工各种硬脆材料。

既然超声波加工是基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏越大，愈适应超声波加工。

例如玻璃、陶瓷、石英、石墨、玛瑙、宝石等材料，比较适合超声波加工。

相反，脆性和硬度不大却具有韧性的材料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波加工。

因此，选择工具材料时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很大破坏的材料，例如不淬火的45钢等。

2）由于工具材料较软，易制成复杂的形状，工具和工件又无需做复杂的相对运
动，因此普通的超声波加工设备机构简单。

但若需要加工较大而复杂精密的三维机构，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。

3）由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度
R值可达
a ，加工精度可达0.01—0.02mm，并可加工细小结构和低刚度的工件。

1.0—0.1m
2.超声波加工设备及其组成部分
超声波加工设备一般包括超声波发生器、超声波振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。

2.1超声波发生器
超声波发生器将50HZ工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。

其基本要求是输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。

此外还要求结构简单、工作可靠、价格便宜和体积小等。

超声波发生器的组成方框图如图2所示，由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源等四部分组成。

振荡级由电子管或三极晶体管接成电感反馈振荡电路，调节电阻或
图2 超声波发生器的组成方框图
电容量可改变振荡频率，以便调节输出的超声频率。

振荡级的输出经耦合至电压放大级放大后，利用变压器倒相输送到末级功率放大管，功率放大管有时用多管并联推挽输出，
经输出变压器输至换能器。

2.2超声波振动系统
超声波振动系统的作用是把超声频电振荡转变为机械振动，使工具端面获得高频率及一定振幅的振动。

它是超声波加工机床中最总要的部分，由换能器、振幅扩大棒及工具组成。

1.超声波换能器
换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸缩效应两种方式。

（1）压电效应超声波换能器
有一些物质如石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅等在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们两相对表面上产生一定的电荷，形成一定的电势。

反之，在它们的两界面上加一定的电压，则产生一定的机械变形，如图3所示。

这一现象称为“压电效
图3 压电效应
应”。

具有压电效应的陶瓷材料被称为压电陶瓷。

如果两相对表面加上20000HZ 以上的交变电压，则该物质产生相应超声频的伸缩变形，使周围的介质作超声频振动。

为了获得最大的超声波强度，应使压电陶瓷处于共振状态。

压电陶瓷片厚度应为声波半波长、分倍数或整倍数。

以下的变形。

钛酸钡石英晶体的伸缩量极小，300V电压才能产生0.01m
的压电效应比石英晶体大20—30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。

锆钛酸铅则具有前两者的优点，常用作超声波清洗、探测设备和小功率超声波加工设备的换能器。

一般制成圆形薄片，两面镀银，先加高压直流电进行极化，一面为正极，另一面为负极。

使用事时常将两片迭在一起，正极在中间，负极在两侧，经
上下端块用螺钉夹紧，在安装在机床主轴头的振幅扩大棒（变形杆）的上端，如图4所示。

正极必须与机床主轴绝缘。

为方便引线，常用一镍片夹在两压电陶瓷
图4 压电陶瓷换能器
1—上端块；2—压紧螺钉；3—导电镍片；4—压电陶瓷；5—下端块；6—变幅杆
片正极之间作为接线端片。

压电陶瓷片的自振频率与其厚度、上下端块质量及夹紧力成反比。

（2）磁致伸缩效应超声波换能器
铁、钴、镍及其合金的长度能随所处磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应，其中镍在磁场中最大缩短量为其长度的%
.0，铁和钴则在磁场中伸长，当
004
磁场消失后又恢复原有尺寸。

几种材料的磁致伸缩曲线如图5所示。

这些材料杆件的长度在交变磁场中将交变伸缩，其端面将随之作交变振动。

图5 几种材料的磁致伸缩曲线
1--75%镍+25%铁；2--49%钴+2%钒+49%镍；3--6%镍+94%铁；4--29%镍——71%铁；5--退火钴；6—镍
为减少高频涡流损耗，常用纯镍片叠成封闭磁路做成超声波加工装置的换能器。

如图6所示，在两芯柱上同向绕以线圈，通入超声频电流可使之伸缩，这种换能器比压电式换能器有较高的机械强度和较大的输出功率，常用于中等功率和大功率的超声波加工。

其缺点是镍片的涡流发热损失较大，能量转换效率较低，故加工过程中需用风或水冷却，否则随着温度升高，磁致伸缩效应变小甚至消失，还有可能烧坏线圈的绝缘材料。

镍片的长度也应等于超声波半波长或其整数倍，使其处于共振状态。

2.振幅扩大棒
压电或磁致伸缩的变形量很小（即使在共振条件下振幅也不超过
01
1.0
-的振幅，因此必须-），不足以直接用于加工。

超声波加工mm
.0-
mm
01
.0-
.0
005
通过一个上粗下细的棒杆将振幅加以扩大，此棒杆称为振幅扩大杆，亦称变幅杆，如图7所示。

图6 磁致伸缩换能器 图7 几种变幅杆
变幅杆能扩大振幅，是由于通过它每个截面的振动能量是不变的（略去传播损耗），截面小的地方能量密度大，振幅也大。

为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。

为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度L 等于超声振动的半波长或整数倍。

振幅扩大棒可制成锥形的、指数形的或阶梯形的等。

锥形的“振幅放大比”较小（5—10倍），但易于制造；指数形的放大比中等（10—20倍），使用中性能稳定，但不易制造；阶梯形的放大比较大（20倍以上），也容易制造，但当它受到负载阻力时振幅易减小，性能不稳定，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此需加过渡圆弧。

实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形变幅杆；阶梯形变幅杆因设计、制造容易，也常被采用。

必须注意，超声波加工时并不是整个变幅杆和工具都是在作上下高频振动，它和低频或工频振动的概念完全不一样。

超声波在金属棒杆内主要以纵波形式传播，引起杆内个点沿波的前进方向一般按正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超声振动。

工具端面的有关参数如下：
瞬时位移量：S=t A ωsin
最大位移量：A S =max
瞬时速度：t A v ωωcos =
最大速度：A v ω=max
瞬时加速度：t A a ωωsin 2=
最大加速度：A a 2m ax ω=
式中：A--超声的振幅；
ω--超声的角频率，f πω2=；
f --超声频率；
t --时间。

设超声振幅mm A 002.0=，频率Hz f 20000=，则可算出工具端面的最大速度和最大加速度 s
mm fA A v 3.2512max ===πω g s mm A a 3233315828802
2max ===ω
由此可见，工具端面的最大加速度是重力加速度g 的3000余倍（281.9s m g ≈），当振幅A=mm 01.0时，工具端部的最大速度、最大加速度都将增大到上述各值的5倍，最大加速度值将是重力加速度g 的16000余倍。

3．工具
超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，工具端面推动磨粒和工作液以一定的能量撞击工件。

工具的形状和尺寸由被加工表面的形状和尺寸决定，他们相差一个“加工间隙”（稍大于平均的磨粒直径）。

工具盒振幅扩大棒可做成一个整体，亦可将工具用焊条或螺纹连接的方法固定在振幅扩大棒下端。

当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但当工具较重时，会减小共振频率，故工具较长时，应对扩大棒进行修正，使其满足半个波长的共振条件。

超声波振动系统所有的连接部分应接触紧密，否则超声波传递过程中将损失很大能量。

为此在螺纹连接处应涂以凡士林油，避免空气间隙的存在，因为超声波通过空气时很快衰减。

2.3机床本体
普通超声波加工机床的结构比较简单，包括支撑超声波振动系统的机架、安装工件的工作台、使工具以一定压力作用在工件上的进给机构以及机身等部分，图8是国产CSJ-2型超声波加工机床简图。

超声波振动系统安装在能上下移动的导轨上。

导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活精密的上下移动。

工具的向下进给以及对工件施加压力靠超声波振动系统的自重。

为了能调节压力大小，在机床后部可加平衡重锤2，亦可采用弹簧进行平衡。

图8 CSJ-2型超声波加工机床
1—支架；2—平衡重锤；3—工作台；4—工具；5—振幅扩大棒；6—换能器；7—导轨；8—标尺2.4磨料工作液及其循环系统
简单的超声波加工装置，磨料要靠人工输送和更换，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注堆积在加工区域，加工过程中需要定时反向抬起工具以补充和更新磨料。

较复杂的超声波加工机床则利用小型离心泵将磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙。

对于较深的加工表面，需要经常将工具定时抬起以利于磨料的更换和补充。

磨料悬浮液中的液体最常用的是水，为了提高表面质量，也可用煤油或机油。

磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等，其粒度大小需要根据生产率和精度要求选定，颗粒大的生产率高，但加工精度及表面粗糙度较差。

3. 超声波加工速度、加工精度、表面质量及其影响因素
3.1加工速度及其影响因素
加工速度是指单位时间内去除的材料量，单位通常以min g 或min 3
mm 表示。

加工玻璃的最大速度可达2000--4000min 3
mm 。

影响加工速度的主要因素有工具振动频率、振幅、工具作用在工件上的静压力、磨料种类和粒度、磨料悬浮液浓度、供给及循环方式、工具与工件材料、加工面积和加工深度等。

（1） 工具振幅和频率的影响
超声波可传递很强的能量，尤其体现在对其传播方向上的障碍物施加压力（声压），能量越强，则压力也越大。

超声波振动能量的强弱，用能量密度衡量。

能量密度是指通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J 表示，单位为2cm W。

J 的计算公式为： 2)(2
1A c J ωρ= 式中：ρ--弹性介质的密度，3m kg ；
c --弹性介质中的波速，s
m A —振动的振幅，mm ；
ω--圆周率，s
rad f ,2πω=。

由于超声波频率f 很高，故其能量密度可达1002cm W 以上。

采用大的振幅和高的频率可以获得大的加工能量。

但过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，甚至超过其疲劳强度而降低使用寿命，而且在连接处的耗损也增大，因此一般使振幅在mm 1.001.0--，频率在16000—25000HZ 之间。

（2） 进给压力的影响
在加工时，应使工具对工件保持一个合适的进给压力。

压力过小，则工具末端与工件加工表面之间的间隙增大，减小了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会
使工具与工件加工表面之间间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新，都会导致生产率下降。

在通常情况下，当加工面积小时，可使单位面积最佳静压力较大，反之则较小。

例如采用圆形实心工具在玻璃上加工孔时，加工面积在5--152
mm范围内，最佳静压力约为4000kPa；当加工面积在202
mm以上时，最佳静压力在2000--3000kPa之间。

（3）磨料种类和粒度的影响
磨料硬度愈高，加工速度愈快。

通常加工金刚石和宝石等高硬材料时，必须用金刚石磨料；加工硬质合金、淬火钢等材料时，宜采用硬度较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的硬脆材料时，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石英、半导体等材料时，用氧化铝作磨料即可。

另外，磨料粒度愈粗，加工速度愈快，精度和表面粗糙度则愈差。

（4）磨料悬浮液浓度的影响
磨料悬浮液中磨料浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无磨料的现象，使加工速度大大下降。

随着悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加。

但浓度太高时，磨料在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。

通常采用的浓度为磨料对水的重量比约为0.5—1左右。

（5）工件材料的影响
材料愈脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈容易加工；反之韧性较好的材料则不易加工。

如以玻璃的可加工性为100%，则锗、硅半导体单晶为200%--250%，石英为50%，硬质合金为2%--3%，淬火钢为1%，不淬火钢小于1%。

3.2加工精度及其影响因素
超声波加工的精度，除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损度、工具在横向振动的大小、加工深度、被加工材料性质等因素有关。

加工孔的尺寸精度一般为mm
.0-
±。

-
02
.0
05
1.孔的加工范围
采用通常的加工速度，超声波加工最大孔直径和所需功率的关系见表1。

一般超生加工的孔径范围约为mm
-，深径比可达10—20。

90
1.0-
表1：超声波加工功率和最大加工孔径的关系
2．加工孔的尺寸精度
当工具尺寸一定时，加工出的孔径比工具尺寸有所扩大，扩大量约为磨料磨粒直径的两倍，即孔的最小直径min D 约等于工具直径1D 加磨料直径d 的两倍，即 min D =1D +2d
表2是几种磨料粒度及其基本磨粒尺寸范围。

表2磨料粒度及其基本磨粒尺寸范围
超声波加工孔的精度，采用##280240--磨粒时，一般可达mm 05.0±；采用W28—W7时，可达mm 02.0±或更高。

另外，加工圆孔还可能出现椭圆和锥度。

出现椭圆与工具横向振动和工具沿圆周磨损不均匀有关。

出现锥度与工具磨损有关。

如果采用工具或工件旋转的方法，可以提高孔的圆度和生产率。

3.3表面质量及其影响因素
超声波加工具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。

超声波加工的表面粗糙度值也较小，一般可达m Ra μ1.01--=。

超声波加工的表面粗糙度取决于每颗粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒的直径、被加工材料的性质、超声波振动的振幅以及磨料悬浮工作液的成分等有关。

当磨粒尺寸较小、工件材料较硬、超声波振幅较小时，加工表面粗糙度R a 值较小，但生产率也随之降低。

磨料悬浮工作液体的性质对表面粗糙度的影响比较复杂。

实践表明，用煤油或润
滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。

4.超声波加工的应用、发展趋势和未来展望
4.1超声波加工的应用
超声波加工生产率虽比电火花、电解加工低，但其加工精度和表面粗糙度却更好，而且能加工非导体、半导体等脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、锗甚至金刚石等。

即使是电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具，还常采用超声波抛磨法进行光整加工。

4.1.1型孔、型腔加工
超声波加工目前在工业部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料和细微孔等，如图9所示。

图9 超声波加工的型孔、型腔类型
4.1.2切割加工
用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难，采用超声波切割则较为有效。

图10为用超声波加工切割单晶硅片示意图。

用锡焊或铜焊讲工具（薄钢片或磷青铜片）焊接在变幅杆的端部。

加工时喷注磨料悬浮液，一次可割10—20片。