超声波加工原理

第三节超声波加工

●电火花加工和电解加工都只能加工金属导电材料，无法加工不导电的非金属

材料，而超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体、锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。

一、超声波加工的原理

●超声波加工（ultrasonic machining，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。

二、超声波加工的特点

●（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。

三、超声波加工的工艺规律

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，以mm3/min或g/min为单位来表示。

●影响加工速度的因素主要有工具的振幅和频率、进给压力、磨料的种类和粒

度、被加工材料、磨料悬浮液的浓度。

（１）工具振幅和频率的影响

●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，振幅一般在

0.01～0.1mm之间，频率在16000～25000Hz之间。

●在实际加工中需根据不同工具调至共振频率，以获得最大振幅，从而达到较

高的加工速度。

（２）进给压力的影响

●加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。

●压力过小时，工具端面与工件加工表面间的间隙增大，从而减少了磨料对工

件的锤击力；

●压力增大，间隙减少，当间隙减少到一定程度则会降低磨料与工作液的循环

更新速度，从而降低生产率。

（３）磨料种类和粒度的影响

●加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料。

●磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考虑价格成本。

●加工宝石、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、石英和硅、锗等半导体材料，选用氧化铝磨料。（４）被加工材料的影响

●被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈易被去除加工，反之，

韧性愈好，愈不易加工。

（５）磨料悬浮液浓度的影响

●磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒少，特别是在加工面积大、深度较大

时可能造成加工区局部没有磨料，使加工速度大大降低。

●磨料浓度的增加，加工速度也增加，但浓度太高，磨粒在加工区域内的循环

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。

２.加工精度及其影响因素

●超声波的加工精度，除了机床、夹具精度影响外，主要与磨料粒度、工具精

度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质有关。３.表面质量的影响

●超声波加工具有良好的表面质量，不会产生表面变质层和烧伤，其表面粗糙

度主要与磨粒尺寸、超声波振幅大小和工件材料硬度有关。

●磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材料越硬，生产率愈低，表面粗糙度愈

会得到明显改善，因为表面粗糙度值主要取决于每颗磨粒每次锤打工件材料所留下的凹痕的大小和深浅。

●超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电解加工低，但其加工精度和表面

质量都优于它们。

●更重要的是可以加工它们难以加工的半导体和非金属的硬脆材料如玻璃、陶

瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等，

●而且对于电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模等，

最后还经常用超声波抛磨、光整加工，使表面粗糙度进一步降低。

四、超声波加工的应用

１.型孔和型腔的加工

●超声波目前主要应用在脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等的加

工。

２.切割加工

●对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声

波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。

３.超声波清洗

●其原理主要是基于清洗液在超声波作用下产生空化效应的结果。空化效应产

生的强烈冲击液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破坏，并从被清洗表