功率超声振动加工技术

南通大学
Nan Tong University
功率超声振动加工技术
院系：
专业：自动化
班级：
学号：
姓名：李芸
关键词：
振动加工、换能器发生机理、熔焊、功率超声车削、珩磨技术
引言：
超声加工（ultrasonic machining），起源于20世纪50年代初期，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。

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。

在难加工材料和精密加工中，功率超声加工技术具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的
应用范围。

由于功率超声加工技术具有许多优点，与其他加工技术相比较，常常能大幅度提高加工速度、提高加工质量和完成一般加工方法难以完成的加工工作。

因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应用。

正文：
一、超声加工的基本原理
超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．01mm，再经变幅杆放大至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。

此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。

同时，由于磨料悬浮液
的不断搅动，促使磨料高
速抛磨工件表面，又由于
超声振动产生的空化现
象，在工件表面形成液体
空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。

随着磨料悬浮液不断地循环。

磨粒的不断更新。

加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。

总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。

其中，以磨粒不断冲击为主。

由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工。

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（见图），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。

二、特点
①不受材料是否导电的限制。

②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。

③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。

④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。

⑤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，孔的尺寸精度可达
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Rα
1.25～0.63微米，加工硬质合金时可达Rα0.63～0.32微米。

⑥切削力大及温度幅度降低，工件寿命大幅度提高。

⑦大大节省能源，简化机床结构。

⑧提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性。

三、超音波的熔焊应用方法
一、熔接法：
以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。

二、铆焊法：
将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。

三、埋植：
藉着焊头之传道及适当之压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留入塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。

四、成型：
本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压着于塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶溶融成形而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。

五、点焊：
A、将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。

B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔
接效果，可同时点焊多点。

六、切割封口：运用超音波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

四、功率超声振动加工技术的应用
1.功率超生清洗
换能器将功率超声频电源所提供的电能转变为功率超声频机械振动，并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射声波。

由于功率超声的空化作用，浸在液体中的零部件表面的污物迅速被除去。

2.功率超声金属焊接
换能器将功率超声频电源提供的电能转换为纵向功率超声振动，通过变幅杆将位移振幅放大传给焊头（又叫上声极或臂刀），由焊头将功率超生能量传至焊区。

加压装置提供焊接时所需要的接触压力。

3.功率超声塑料焊接
功率超声频电源提供电能给功率超声换能器，换能器将电能转换为功率超声振动而传至变幅杆，变幅杆将位移振幅变换（放大或缩小）后传至工具头，然后通过上焊件送到焊区。

4.功率超生车削
功率超声车削是在传统的车削过程中给刀具施加功率超声震动而形成的一种新的加工方法。

以纵向振动功率超生车削为例，换能器将功率超声频电源提供的电能转换为功率超声振动，经变幅杆放大后传递给车刀。

5.功率超声孔加工和磨削加工
①功率超声钻孔：纵向震动功率超声钻孔装置可以安装在卧式车床上，也可以
安装在立式钻床上，但后者要求振动系统能够旋转。

试验表明，用纵向振动功率超声钻孔时，轴向力和扭矩都比普通钻削有大幅度下降，降低了表面粗糙度，提高了加工精度，提高了钻孔的同轴度或垂直度。

②功率超生镗孔：试验表明，利用扭转振动在车床上进行功率超声镗孔，切削温度低，积屑瘤和鳞刺消失，刀具磨损小，能消除镗削的自激振动，过程稳定，提高了加工精度。

6.功率超声光整加工
以功率超声纵向震动系统为例，其由换能器、变幅杆、弯曲震动圆盘、挠性杆—油石座和油石组成。

换能器将功率超声频电源提供的电能转变为功率超声纵向振动，经变幅杆放大后传给弯曲振动圆盘、挠性杆再将弯曲振动圆盘的弯曲振动转变为纵向振动后传给油石座，油石座带动与其连接在一起的油石进行纵向振动，同时油石与直线往复运动叠加在一起进行功率超声珩磨加工。

五、发展趋势
超声机械
随着传统加工技术和高新技术的发展，
超声振动切削技术的应用日益广泛，振
动切削研究日趋深入，主要表现在以下
几个方面。

1、研制和采用新的刀具材料
在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。

为了更好地发挥刀具的效能，除了
选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。

2、研制和采用高效的振动切削系统
现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。

到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。

在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。

六、应用潜能
超声提取机
现代航空航天制造业已不是传统意义上的
机械制造业，它是集机械、电子、光学、
信息科学、材料科学、生物科学、激光学
和管理学等学科的最新成就为一体的一个新技术与新兴工业的综合体。

航空航天制造工程的发展水平对飞机、火箭、导弹、激光武器和航天器的可靠性和使用寿命的提高，综合技术性能的改善，研制和生产成本的降低，甚至总体设计思想能否得到具体实现均起着决定性的作用。

航空航天技术的发展对材料性能的要求愈来愈高，如比强度和比刚度高、有一定的耐高温和抗低温性能、有良好的耐老化和抗腐蚀能力、有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能。

因此，高温合金、钛合金、高强度钢、先进复合材料和工程陶瓷等材料得到了越来越广泛的应用。

如碳基复合材料具有密度低、比强度和比模
量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和结构尺寸稳定性好等优点，在航空领域获得了广泛的应用。

截至2008年，波音B787飞机上复合材料的用量已突破性地达到了50%，其后空客公司制造的A350飞机上复合材料的用量也将达到52%。

再者，功能晶体材料由于其优异的物理、化学和光学性能在航空航天、国防军工、信息、微电子及光电子等尖端科技领域得到越来越广泛而特殊的应用。

如何实现光学晶体材料零件的高效精密与超精密加工已成为当前各国关注的新焦点。

对于功能晶体材料零件，除要求满足机械尺寸精度外，还要保证零件的光学功能特性，传统的加工工艺流程（磨削后进行研磨和抛光）工序多、周期长、成本高，相应地产品废品率较大，特别是脆性光学零件的精密磨削加工，容易造成加工表面和亚表面损伤。

大量理论和试验研究表明，由于超声振动的引入，材料在加工过程中的变形行为、加工机制和刀具受力状态等会发生完全不同于常规机械加工的变化，具有特殊的工艺效果，如切削力小、切削热少，因而不会或者较少引起加工表面的热损伤以及由此引起的电/化学及光学性质的变化，从而可显著提高零件加工质量，并且加工过程平稳，刀具的使用寿命得以大幅度提高，是脆性材料精密、高效加工的一种有效方法。

而如何利用这些优势实现光学晶体材料的精密超声加工，降低加工表面和亚表面质量损伤，并没有得到充分有效的发挥和应用。

七、结束语：
功率超声振动加工技术作为一门新型的加工技术，在未来定会占有一席之地。

因其具有许多其他加工方式所无可比拟的优势（如提高速度、质量等等方面），相信随着超生加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，它必将在我国科技进步
和社会主义现代化建设中起到重要的作用。

参考文献：
1.王爱玲等，功率超声振动加工技术。

北京：国防工业出版社，2007.
2.张云电。

超声加工及其应用。

北京：国防工业出版社，1995.
3.李详林等，振动切削及其在机械加工中的应用。

北京：北京科学技术出版社，
1985.
4.吴福光等，振动理论。

北京：高等教育出版社，1987
5.中国减速机网：
6.机电之家网：。