金属工艺学论文

简述超声加工技术

周鼎

材料科学与工程学院，1309101，1130910125

摘要：超声加工不仅能加工硬质合金、淬火刚等脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用来清洗、焊接和探伤等。本文简述了超声加工技术发展、应用特点和应用分类，介绍了超声加工用某些新型超声振动系统及其应用，概述了超声加工应用中的基础研究、设备研制和应用研究的情况，指出了超声加工技术的发展前景。

关键词：超声加工；超声复合加工；振动系统；应用；发展；

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。超声加工在几十年里的到了迅猛发展，尤其是在难加工材料领域解决了很多关键的工艺问题，取得了良好的效果。难加工材料促进了超声加工技术的发展，从而进一步促进了新材料的发展，可以预测，超声加工技术的应用将会越来越广泛。

“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。

超声加工（USM－Ultrasonic Machining）有时也称超声波加工。它是利用超声振动的工具，带动工件和工具间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部材料被蚀除而成粉末，以进行穿孔、切割和研磨等，以及利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。它不仅能加工硬质合金和淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。

超声加工的应用可以追溯到上世纪上半叶，1927年美国物理学家R.W.伍德和A.L.卢米斯最早作了超声加工试验，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A.S.科恩制成第一台实用的超声加工机。50年代中期，日本、苏联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（如磨削和车削等）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。1964年，英国又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。

超声加工在几十年里的到了迅猛发展，尤其是在难加工材料领域解决了很多关键的工艺问题，取得了良好的效果。难加工材料促进了超声加工技术的发展，从而进一步促进了新材料的发展，可以预测，超声加工技术的应用将会越来越广泛。

超声加工实际是一种变相的机械加工，其工作原理是工具作超声频振动，工具冲击磨粒，而使被加工工件的材料受到破坏。由超声发生器产生的高频电振荡（频率一般为16～25千赫，焊接频率可更高）施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅（双振幅为20～80微米），并驱动以一定静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，为循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，加工出与工具相应的形状。

超声加工具有切削力小、设备简单等特点，且可以与其他多种加工方法结合，因此利用超声辅助的磨削、铣削加工被认为是适合硬脆材料的有效加工手段。超声加工具有如下的特点：

（1）适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料。

（2）由于工具可用较软的材料，做成较复杂的

形状，故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。

（3）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，表面粗燥度也较好。并视具体情况把序号作为上角标或作为语句的组成部分。

目前超声加工主要应用于：超声切削加工、超声磨削加工、超声光整加工、超声塑性加工、磨料冲击加工、超声焊接等，随着超声加工研究的不断深入，它的应用范围还将继续扩大。

超声磨削加工是一种复合特种加工过程，其利用工件的脆性，使用电镀金刚石的工具磨头以超声频（20kHz左右)和一定的振幅振动，并加以高速旋转，通过磨削液中的磨粒对工件进行高速撞击、超声波空化、电镀金刚石砂轮磨粒的磨削，达到材料去除的目的。其优点是是加工效率高，缺点是加工变质层深。

超声光整加工的应用目前包括超声珩磨、超声珩齿、超声抛光、超声研磨、电火花超声复合加工、超声强化等等。已有研究证明：将电解加工、机械研磨及超声加工相复合形成一种新型的光整加工技术——电化学超精密研磨，选取适当的工艺参数进行光整加工，可以获得表面粗糙度Ra0.025mm，效率较普通研磨提高10倍以上。

超声塑性加工的独特优点，人们已在许多工艺中进行了超声应用研究，如管料拉拔、棒料拉丝、板材成形与深拉深、挤压成形、粉末成形、冲裁、镦铆等。其优点有：降低成型力、降低流动应力、减少磨具与工件间的摩擦、能获得较好的制品表面质量和高的尺寸精度。

超声焊接包括超声金属焊接和超声塑料焊接。超声金属焊接是在外接静压力作用下，在两个相互紧压在一起的金属表面分界面上，引入超声振动，经过一段时间，就能把它们焊接起来。其特点有：可进行点焊、连续焊、焊接速度快；超声焊接焊点强度高；金属超声焊接不需使用焊条，焊接区不通电，不直接对被焊金属加热；由于超声波发生器是功率电子线路，易于实现电气控制，能很好地和计算机配合进行焊接控制从而达到高精度的焊接，并且易于实现焊接的信息化与自动化。

超声清洗的原理主要是基于超声频振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。超声波在清洗液中传播时，液体分子往复高频振动产生交变的冲击波。当声强达到一定数值时，液体中急剧生长微小空化汽泡并瞬间强烈闭合，产生微小冲击波使被清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来。即使被清洗物表面有窄缝、细小的孔、弯孔，也会被很容易的清洗干净。

随着难加工材料精度要求的提高，特别是航空航天零件，一维超声加工已经明显不能满足生产的需要，二维超声振动加工应运而生了。

目前，超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视，美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界（如日立、多贺和Towa 公司等）已开始这方面的实用化研究。Chandra Nath 等人研究硬质合金刀尖圆弧半径在超声椭圆振动切削下的影响中，阐述了刀具的几何形状，特别是刀具的圆弧半径对一维超声振动切削性能的影响。利用实验表明了刀具圆弧半径在0.6mm 或更低例如0.2mm 或0.4mm）和更高的圆弧半径（例如0.8mm）下，超声椭圆振动切削在各个方面明显表现更好。N.Suzuki 等人利用超声椭圆振动切削钨合金模具的光学玻璃零件中表明，由于传统振动切削不能获得更准确的精度，主要是因为刀具的快速磨损，脆性材料的破裂及黏糊在刀具上。而超声椭圆切削能获得更实用的超精密模具，成功应用于玻璃的成型。目前，我国设计出高频超声椭圆振动精密切削，其相对目前一般的椭圆振动和普通低频超声振动具有减低切削力、提高加工精度的效果，并且可采用更高切削速度，从而可以提高工作效率。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步深入研究。

当前，制造业现代化水平不断提高，机床向数控方向不断发展，而我国制造行业和企业的生产加工装备绝大多数仍是传统的机床，比如车床、铣床、磨床、钻床、镗床等，其刀具相对工件作直线运动，使得其加工精度远远不能满足现在的需求，直接影响企业的生存和发展。将超声加工技术应用到数控机床上，使得刀具相对工件作不规则运动，使工件精度得以进一步提高。

微细超声加工在原理上与常规的超声加工相