第六章超聲波加工技術(shù)6.1超聲波的特性聲波是人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16~16000Hz。當(dāng)聲波的頻率低于16Hz時(shí)就叫做次聲波，高于16000Hz則稱為超聲波。超聲波是聲波的一部分，因此超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播，它遵循聲波傳播的基本規(guī)律，但由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時(shí)方向性強(qiáng)，反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。在不同介質(zhì)中，超聲波傳播的速度c亦不同(例如c空氣=331m／s，c水=1430m／s：c鐵=5850m／s)，它與波長λ和頻率f之間的關(guān)系可用下式表示c=λf（6.1）式中c--超聲波在介質(zhì)中的傳播速度（m／s）；λ--波長（m）；f--頻率（Hz）。超聲波主要具有下列性質(zhì)：1.超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力(聲壓)。因此，有時(shí)可用這個(gè)壓力的大小來表示超聲波的強(qiáng)度，傳播的波動(dòng)能量越強(qiáng)，則壓力也越大。振動(dòng)能量的強(qiáng)弱，用能量密度來衡量。能量密度就是通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號J來表示，單位為W／cm2（6.2）式中ρ——彈性介質(zhì)的密度（kg/m3）; c——彈性介質(zhì)中的波速（m/s）; A——振動(dòng)的振幅（mm）； ω——圓頻率，ω=2πf（rad/s）。由于超聲波的頻率f很高，其能量密度可達(dá)100W／cm2以上。在液體或固體中傳播超聲波時(shí)，由于介質(zhì)密度ρ和振動(dòng)頻率都比空氣中傳播聲波時(shí)高許多倍，因此同一振幅時(shí)，液體、固體中的超聲波強(qiáng)度、功率、能量密度要比空氣中的聲波高千萬倍。2.超聲波的空化作用。當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時(shí)，將以極高的頻率壓迫液體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，由于液體基本上不可壓縮，由此產(chǎn)生壓力正、負(fù)交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象。由于這一過程時(shí)間極短，液體空腔閉合壓力可達(dá)幾十個(gè)大氣壓，并產(chǎn)生巨大的液壓沖擊。這一交變的脈沖壓力作用在鄰近的零件表面上會使其破壞，引起固體物質(zhì)分散、破碎及各種物理化學(xué)作用效應(yīng)。3.超聲波的反射、透射和折射。超聲波通過不同介質(zhì)時(shí)，在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質(zhì)的波阻抗(密度與波速的乘積ρc稱為波阻抗)，介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時(shí)能量的反射率愈高。當(dāng)超聲波從液體或固體傳入到空氣或者相反從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100％，此外空氣有可壓縮性，更阻礙了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相鄰介質(zhì)中的傳遞條件，往往在聲學(xué)部件的各連接面間加入機(jī)油、凡士林作為傳遞介質(zhì)以消除空氣及因它而引起的衰減。圖6.1彈性桿內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況4.超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象，圖6.1為超聲波在彈性桿中傳波時(shí)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的情況。當(dāng)超聲波從桿的一端向另一端傳播時(shí)，在桿的端部將發(fā)生波的反射。所以在有限的彈性體中，實(shí)際存在著同周期、同振幅、傳播方向相反的兩個(gè)波，這兩個(gè)完全相同的波從相反的方向會合，就會產(chǎn)生波的干涉。當(dāng)桿長符合某一規(guī)律時(shí)，桿上有些點(diǎn)在波動(dòng)過程中位置始終不變，其振幅為零(為波節(jié))，而另一些點(diǎn)振幅最大，其振幅為原振幅的兩倍(為波腹)。圖6.1中x表示彈性桿件任意一點(diǎn)b相距超聲波入射端的距離，則入射波造成b點(diǎn)偏離平衡位置的位移為a1，反射波造成b點(diǎn)偏離平衡位置的位移為a2，則有圖6.1彈性桿內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況式中x——b點(diǎn)距離入射端的距離；λ——振動(dòng)的波長；T——振動(dòng)的周期；A——振動(dòng)的振幅；t——振動(dòng)的某一時(shí)刻。因此，入射波和反射波所造成b點(diǎn)的合成位移ac為： （6.3）由式（6.3）可知：當(dāng)時(shí)（k為正整數(shù)），ac最大，b點(diǎn)為波腹；當(dāng)時(shí)（k為正整數(shù)），ac為0，b點(diǎn)為波節(jié)。由上述分析可知，為了提高超聲波加工生產(chǎn)效率，必須使彈性桿處于最大振幅的共振狀態(tài)，其設(shè)計(jì)長度為半波的整數(shù)倍，桿的支點(diǎn)選在振動(dòng)過程中的不動(dòng)點(diǎn)，即波節(jié)點(diǎn)上；而桿的工作端部應(yīng)選在最大振幅的波腹處。6.2超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)超聲波加工的基本原理超聲波加工是近幾十年發(fā)展起來的一種加工方法，它彌補(bǔ)了電火花加工和電化學(xué)加工的不足。電火花加工和電化學(xué)加工一般只能加工導(dǎo)電材料，不能加工不導(dǎo)電的非金屬材料。而超聲波加工不僅能加工硬脆金屬材料，而且更適合于加工不導(dǎo)電的硬脆非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體等。同時(shí)超聲波還可以用于清洗、焊接、探傷等。超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種l—工具；2--工件；3--磨料懸浮液；4、5l—工具；2--工件；3--磨料懸浮液；4、5--變幅桿；6—超聲換能器；7—超聲波發(fā)生器圖6.2超聲波加工原理示意圖由此可見，超聲加工是磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。既然超聲加工是基于局部撞擊作用，因此就不難理解，越是脆硬的材料，受撞擊作用遭受的破壞愈大，愈易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工。根據(jù)這個(gè)道理，人們可以合理選擇工具材料，使之既能撞擊磨粒，又不致使自身受到很大破壞，例如用45鋼作工具即可滿足上述要求。6.2.21)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石，金剛石等。對于導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鈦合金等，也能進(jìn)行加工、但加工生產(chǎn)率較低。2)由于工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的相對運(yùn)動(dòng)，因此超聲加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個(gè)方向輕壓進(jìn)給，操作、維修方便。但若需要加工尺寸較大、形狀復(fù)雜而精密的三維結(jié)構(gòu)的零件，仍需設(shè)計(jì)和制造三坐標(biāo)數(shù)控超聲波加工機(jī)床。3)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時(shí)局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，可達(dá)Ra0.63~0.08μm尺寸精度可達(dá)0.01~0.02mm4)超聲加工設(shè)備的幾何尺寸較小，設(shè)備成本低。5)超聲加工的面積不夠大，而且工具頭磨損較大，故生產(chǎn)率較低。6)圓柱形孔深度以工具直徑的5倍為限。7)工具的磨損使鉆孔的圓角增加，尖角變成了圓角，這意味著為了鉆出精確的盲孔，更換工具是很重要的。8)由于進(jìn)入工具中心處的有效磨粒較少，因懸浮液的分布不適當(dāng)，使型腔的底往往不能加工得很平。有時(shí)由于工具橫截面的形狀，使重心不在中心線上而產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)，故加工表面的精度有所降低。在這種情況下，唯一解決的辦法是重新設(shè)計(jì)工具。6.3超聲波加工設(shè)備及其組成部分圖6.3超聲波加工設(shè)備組成示意圖超聲波加工設(shè)備的功率和結(jié)構(gòu)有所不同，但其組成基本相同。一般包括超聲發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)及換能器冷卻系統(tǒng)和機(jī)床本體。其主要組成如圖6.3所示。圖6.3超聲波加工設(shè)備組成示意圖超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器又叫超聲頻發(fā)生器或超聲波電源。它的作用是將工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)換為功率為100--4000W的超聲頻電振蕩，以供給工具端面往復(fù)振動(dòng)和去除工件材料的能量。超聲波發(fā)生器由于功率不同，有電子管式、晶閘管式、晶體管式等。大功率的超聲波發(fā)生器往往是電子管式。但近年來逐漸被晶體管所取代。超聲波發(fā)生器的電路由振蕩級電壓放大級功率放大級電源超聲換能器圖6.4超聲波發(fā)生器組成框圖振蕩級、電壓放大級、功率放大級及電源組成（參見圖6.4）。其振蕩級可以是他激式，也可以是自動(dòng)跟蹤式。后者是一種自激振蕩推動(dòng)多級放大的功率發(fā)生器。自激頻率取決于超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率。當(dāng)出于某種原因，如更換工具或工具頭磨損、部件受熱或壓力變化等，會引起超聲波振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率的變化，可通過“聲反饋振蕩級電壓放大級功率放大級電源超聲換能器圖6.4超聲波發(fā)生器組成框圖l）輸出阻抗與相應(yīng)的超聲波振動(dòng)系統(tǒng)輸入阻抗匹配；2）頻率調(diào)節(jié)范圍應(yīng)與超聲波振動(dòng)系統(tǒng)頻率變化范圍相適應(yīng)，并連續(xù)可調(diào)；3）輸出功率盡可能具有較大的連續(xù)可調(diào)范圍，以適應(yīng)不同工件的加工；4）結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高，便于操作和維修；5）最好具有對共振頻率自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)微調(diào)的功能。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)超聲波振動(dòng)系統(tǒng)主要包括換能器、變幅桿和工具。其作用是將由超聲波發(fā)生器輸出的高頻電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)，并通過變幅桿使工具端面以一定的振幅做高頻振動(dòng)，以進(jìn)行超聲波加工。1換能器換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。目前，根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理的不同，有磁致伸縮式和壓電式兩種。①壓電效應(yīng)式超聲波換能器壓電效應(yīng)是指，石英晶體、鈦酸鋇以及諸鈦酸鉛等物質(zhì)在受到機(jī)械壓縮或拉伸變形時(shí)，在其兩端面上產(chǎn)生一定的電荷而形成一定的電勢。相反，改變兩端面上的電壓，也會產(chǎn)生一定的伸縮變形的現(xiàn)象。若利用上述物質(zhì)的壓電效應(yīng)，在兩面加16000Hz以上的交變電壓，則該物質(zhì)會產(chǎn)生高頻的伸縮變形，使周圍的介質(zhì)作超聲振動(dòng)。為了獲得最大的超聲波強(qiáng)度，應(yīng)使晶體處于共振狀態(tài)，故晶體片厚度應(yīng)為聲波半波長或整倍數(shù)。圖6.5壓電式超聲波換能器1上端塊2壓緊螺釘3鎳片4壓電陶瓷5下端塊6變幅桿圖6.6幾種材料的磁致伸縮曲線l--75％鎳+25％鐵；2--49圖6.5壓電式超聲波換能器1上端塊2壓緊螺釘3鎳片4壓電陶瓷5下端塊6變幅桿圖6.6幾種材料的磁致伸縮曲線l--75％鎳+25％鐵；2--49％鈷+2％釩+49％鎳；3--6％鎳+94％鐵；4--29％鎳+71％鐵；5--退火鈷；6--鎳圖6.7磁致伸縮換能器圖6.7磁致伸縮換能器磁致伸縮效應(yīng)是指，鐵、鈷、鎳及其合金；或鐵氧體等材料的長度可隨所處磁場強(qiáng)度的變化而伸縮的現(xiàn)象。鎳在磁場中的最大縮短量為其長度的0.004％，鐵和鈷則在磁場中為伸長，當(dāng)磁消失后又恢復(fù)原有尺寸。幾種材料的磁致伸縮曲線參見圖6.6。這些材料的棒桿在交變磁場中，長度將交變伸縮，其端面將作交變振動(dòng)。為了減少高頻渦流損耗，超聲加工中常用純鎳片疊成封閉磁路的鎳棒換能器，即鎳磁致伸縮式換能器。在兩芯柱上同向繞上線圈，通以超聲波發(fā)生器輸出的高頻電流，使之伸縮振動(dòng)。如圖6.7所示。如果輸入磁致伸縮換能器線圈中的電流是交流正弦波形，那么每一周波的正半波和負(fù)半波將引起磁場兩次大小變化，使換能器也伸縮兩次，出現(xiàn)“倍頻”現(xiàn)象。倍頻現(xiàn)象使振動(dòng)節(jié)奏模糊，并使共振長度變短，對結(jié)構(gòu)和使用均不利。為了避免這種倍頻現(xiàn)象，常在換能器的交流勵(lì)磁電路中引入一個(gè)直流電源，疊加一個(gè)直流分量，使之成為脈動(dòng)直流勵(lì)磁電流（如圖6.8所示），或并聯(lián)一個(gè)直流勵(lì)磁繞組，加一恒定的直流磁場。圖6.8圖6.8直流勵(lì)磁1交流2直流3脈動(dòng)直流2變幅桿圖6.9幾種典型變幅桿a)錐形b)指數(shù)形c)階梯形壓電或磁致伸縮的變形量很小(即使在共振條件下振幅也不超過0.005～0.01mm，不足以直接用于加工。超聲波加工需0.01~0圖6.9幾種典型變幅桿a)錐形b)指數(shù)形c)階梯形為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的固有振動(dòng)頻率和外激振動(dòng)頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，在設(shè)計(jì)、制造變幅桿時(shí)，應(yīng)使其長度L等于超聲波振動(dòng)的半波長或其整倍數(shù)。必須注意，超聲波加工時(shí)并不是整個(gè)變幅桿和工具都是在作上下高頻振動(dòng)，它和低頻或工頻振動(dòng)的概念完全不一樣。超聲波在金屬棒桿內(nèi)主要以縱波形式傳播，引起桿內(nèi)各點(diǎn)沿波的前進(jìn)方向一般按正弦規(guī)律在原地作往復(fù)振動(dòng)，并以聲速傳導(dǎo)到工具端面，使工具端面作超聲振動(dòng)。工具端面的有關(guān)參數(shù)如下：瞬時(shí)位移量S=Asinωt最大位移量Smax=A瞬時(shí)速度v=ωAcosωt最大速度Vmax=ωA瞬時(shí)加速度a=-ω2Asinωt最大加速度amax=-ω2式中A—超聲的振幅；ω—超聲的角頻率，ω=2πf；f—超聲頻率；t—時(shí)間。設(shè)超聲振幅A=0.02mm，頻率f=20000Hz，則可算出工具端面的最大速度Vmax=2πfA=2.513m/s，和最大加速度amax=ω2A=315829m／s2由此可見，工具端面的最大加速度是重力加速度g的30000余倍(g=9.81m／s2)，其加速度是很大的。有關(guān)變幅桿設(shè)計(jì)可參閱圖6.10聲學(xué)頭的固定1—波節(jié)點(diǎn)2—振幅3—冷卻水圖6.10聲學(xué)頭的固定1—波節(jié)點(diǎn)2—振幅3—冷卻水3．工具超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，工具端面推動(dòng)磨粒和工作液以一定的能量撞擊工件。工具的形狀和尺寸由被加工表面的形狀和尺寸決定，它們相差一個(gè)“加工間隙”(稍大于平均的磨粒直徑)。工具和變幅桿可做成一個(gè)整體，亦可將工具用焊接或螺紋連接等方法固定在變幅桿的下端。當(dāng)工具不大時(shí)，可以忽略工具對振動(dòng)的影響，但當(dāng)工具較重時(shí)，會減小共振頻頻率，故工具較長時(shí)，應(yīng)對擴(kuò)大棒進(jìn)行修正，使其滿足半個(gè)波長的共振條件。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)所有的連接部分應(yīng)接觸緊密，否則超聲波傳遞過程中將損失很大能量。為此在螺紋連接處應(yīng)涂以凡士林油，避免空氣間隙的存在，因?yàn)槌暡ㄍㄟ^空氣時(shí)很快衰減。在超聲加工中，工具在縱向和橫向都會磨損，工具端面的磨損是主要的，側(cè)面的磨損僅占全部磨損的1／10。這樣，不僅直接影響加工速度和加工精度，而且會破壞振動(dòng)系統(tǒng)的共振條件，降低加工效率。工具磨損量的大小，主要取決于工具材料、結(jié)構(gòu)和工件材料。試驗(yàn)表明，加工一般硬脆材料，多用45鋼或碳素工具鋼作工具材料，因?yàn)檫@些材料具有抗疲勞強(qiáng)度高、比較耐磨損，加工容易的特點(diǎn)。如果要求加工精度較高時(shí)，采用硬質(zhì)合金或淬火鋼較好，必要時(shí)可采用金剛石表面鍍覆工具。機(jī)床圖6.11CSJ-2圖6.11CSJ-2型超聲波加工機(jī)床如圖6.11所示4、5、6為聲學(xué)組件，安裝在一根能上下移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活、精密、可靠地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給及對工件施加壓力靠聲學(xué)組件的自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后部可改變平衡砝碼的重量，也有采用彈簧或液壓等其他方法。目前，超聲加工機(jī)床已形成規(guī)模和市場，發(fā)達(dá)國家則尤其突出，各種機(jī)電一體化、自動(dòng)化、精密化超聲加工機(jī)床不斷進(jìn)入市場。磨料懸浮液簡單的超聲加工裝置，其磨料是靠人工輸送和更換的，即在加工前將懸浮磨料的工作液澆注在加工區(qū)，加工過程中定時(shí)抬起工具和補(bǔ)充磨料。也可利用小型離心泵使磨料懸浮液攪拌后澆注到加工間隙中去。對于較深的加工表面，仍經(jīng)常應(yīng)將工具定時(shí)抬起以利磨料的更換和補(bǔ)充。大型超聲加工機(jī)床都采用流量泵自動(dòng)向加工區(qū)供給磨料懸浮液，且品質(zhì)好，循環(huán)良好。此外，工具和變幅桿尺寸較大時(shí)，可在工具和變幅桿中間開孔，由孔內(nèi)抽吸磨料懸浮液，對提高加工質(zhì)量有利。超聲加工中常用的磨料有：氧化鋁、碳化硼、碳化硅、金剛砂。硼是最貴的磨料，但其最適合切割硬質(zhì)合金、工具鋼和貴重的寶石。硅的用途最廣。采用氧化鋁的問題是磨損快，并很快失去其切割能力，氧化鋁對切割玻璃、鍺和陶瓷是最好的。用金剛砂來切割金剛鉆和紅寶石是最好的，能保證好的精度、表面粗糙度和切削速率。碳化硼硅是一種新的、有希望的磨料，它含的磨料粉(質(zhì)量分?jǐn)?shù))比碳化硼的要多8％~12％。磨料的磨粒在200～2000#磨粒之間，粗級磨料對粗加工是好的，而細(xì)級磨料(例如1000#磨粒)作精加工用。1200—2000#磨粒的很細(xì)級磨料，僅用作很精確的最后幾道工序。兩種不同大小的顆粒可達(dá)到的典型表面粗糙度是：粒度280#磨粒0.5μm表面粗糙度。粒度800#磨粒0.2μm表面粗糙度。實(shí)際上加工面的表面粗糙度是由工件材料、工具表面的粗糙度、振動(dòng)振幅、磨料磨粒的粒度，以及有效懸浮液的循環(huán)來控制的。磨料懸浮在液體中，液體應(yīng)具有以下功能：(1)在工件和振動(dòng)工具間起著傳聲器的作用；(2)有助于工件和工具間能量的有效傳遞；(3)起冷卻劑的作用；(4)提供一種為把磨料帶到切削區(qū)的介質(zhì)；(5)有助于清除鈍化的磨料和切屑。一種好的懸浮介質(zhì)(液體)的特性是：(1)密度要大致等于磨料的密度；(2)有好的潤濕性浸濕工具、工件和磨料；(3)有高的熱導(dǎo)率和比熱容來有效地帶走切削區(qū)的熱量；(4)粘度低，以便于磨料沿著工具和工件之間孔隙邊下落；(5)無腐蝕性以避免腐蝕工件和工具。常常用水作為液載體，因?yàn)樗軡M足大多數(shù)要求。通常把某種防腐蝕劑加入水中。6.4超聲加工速度、精度、表面質(zhì)量及其影響因素加工速度及其影響因素加工速度又稱材料去除率。是指單位時(shí)間內(nèi)去除材料的多少。單位是mm3/min或g/min表示。玻璃的最大加工速度可以達(dá)到2000~4000mm3/min。影響加工速度的主要因素有：工具振動(dòng)頻率、振幅、工具和工件之間的靜壓力、磨料的種類和粒度、懸浮液的濃度、供給及循環(huán)方式、工具與工件材料、加工面積和深度等。1．工具的振幅和頻率的影響許多學(xué)者對這一問題進(jìn)行了許多深入的研究，但結(jié)果并不相同。一般認(rèn)為隨振幅的增大和頻率的提高使加工速度增加，但這樣會降低聲學(xué)系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)聯(lián)結(jié)處的損耗也增大，表面粗糙度提高。因此，超聲加工振幅一般在0.01~0.1mm2．磨料的種類和粒度的影響磨料硬度愈高，加工速度愈快，但要考慮價(jià)格成本。加工金剛石和寶石等超硬材料時(shí)，必須用金剛石磨料；加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬脆性材料時(shí)，宜采用硬度較高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬材料時(shí)，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石英、半導(dǎo)體等材料時(shí)，用剛玉之類氧化鋁(Al2O3)作磨料即可。在磨粒尺寸對速度關(guān)系曲線中有一極限值，即使很粗的粉末亦會產(chǎn)生速率的下降。然而，最佳的尺寸可用工具振動(dòng)的振幅來控制。在磨粒尺寸與振幅大小類似時(shí)，就達(dá)到了最佳條件。顆粒尺寸對表面粗糙度的影響很大。尼皮勒斯和福斯克特用玻璃和碳化鎢作工件材料取得的數(shù)據(jù)表明，孔的底面比側(cè)面要光潔，其理由可能是射束把磨粒向下吸人切削區(qū)域時(shí)，就在側(cè)面上留下了痕跡。圖6.12不同振幅和工具尺寸條件下，靜載荷對材料去除率的影響3．施加靜載荷的影響切削速度隨作用在工具上的靜載荷的增加，而達(dá)到最大值。如圖6.12所示，極值點(diǎn)隨著振動(dòng)的振幅和工具的橫截面積的變化而移動(dòng)。圖6.12不同振幅和工具尺寸條件下，靜載荷對材料去除率的影響實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度很少受靜載荷的影響。用高的載荷沒有產(chǎn)生較粗的粗糙度。實(shí)際上，由于高載荷把顆粒壓碎成小粒度，故表面粗糙度得到改善。4．磨料懸浮液的影響磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)磨粒少，特別在加工面積和深度較大時(shí)可能造成加工區(qū)局部無磨料的現(xiàn)象，使加工速度大大下降。隨著懸浮液中磨料濃度的增加，加工速度也增加。但濃度太高時(shí)，磨粒在加工區(qū)域的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和對工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會導(dǎo)致加工速度降低。通常采用的濃度為磨料對水的質(zhì)量比約0.5～1左右（或體積比為30%~40%）。懸浮液壓入切削區(qū)的壓力，對材料切除速率有顯著的影響。彭特蘭觀察到在超聲波鉆孔時(shí)，隨著改善懸浮液的循環(huán)，可使金屬切除速率成倍地增長。增大壓送懸浮液的壓力，材料切除速率甚至可增加十倍。5．被加工材料的影響被加工材料愈脆，則承受沖擊載荷的能力愈低，因此愈易被去除加工；反之韌性較好的材料則不易加工。如以玻璃的可加工性(生產(chǎn)率)為100%，則鍺、硅半導(dǎo)體單晶為200%～250%，石英為50%，硬質(zhì)合金為2%~3%，淬火鋼為1%，不淬火鋼小于1%。6．工具表面的形狀的影響工具表面的形狀也影響切削速率的最大值。窄的矩形工具，比相同的橫截面積的正方形工具會產(chǎn)生更大的最大切削速率。梅特耳金(Metelhn)的研究結(jié)果指出，用圓錐形的工具來取代柱形的工具，切削速率增加50％。此外，工具的加工截面面積過大，也會顯著降低材料去除率。加工精度及其影響因素超聲波加工的精度，除受機(jī)床、夾具精度的影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及磨損情況、工具的橫向振動(dòng)、加工深度、工件材料性質(zhì)等因素有關(guān)。一般加工孔的尺寸精度達(dá)±0.02～0.05mm。1.孔的加工范圍在通常加工速度下，超聲加工最大孔和所需的功率之間的關(guān)系見表6-1。一般超聲波加工孔徑范圍約為0.1～90mm，長徑比可達(dá)10～20以上。表6-1超聲波加工功率和最大加工孔徑的關(guān)系電源輸出功率50~100200~300500~7001000~15002000~25004000最大加工盲孔直徑5~1015~2025~3030~4040~50>60中空工具最大加工直徑1520~3040~5060~8080~90>902.加工孔的尺寸精度當(dāng)工具尺寸一定時(shí)，加工出孔的尺寸比工具尺寸有所擴(kuò)大，擴(kuò)大量約為磨粒直徑的兩倍，加工出孔的最小直徑Dmin＝Dt＋2de，Dt為工具直徑；de為磨粒平均直徑。因此，磨粒的大小決定了超聲波加工中型腔輪廓的精度。由于磨料沿著孔的側(cè)面向工具的底面流動(dòng)，所以加工出的孔要比工具大些。為了獲得精確和良好的表面粗糙度，最好是使用一套工具和不止一種尺寸等級的磨料，其等級如下：1級小于實(shí)際尺寸的工具，高的頻率，粗的磨粒；2級小于實(shí)際尺寸的工具，高的頻率，較細(xì)的磨粒；3級與實(shí)際尺寸一樣大小的工具，低的頻率，很細(xì)的磨粒；磨料粒度對應(yīng)的基本尺寸見表6-2。表6-2磨料粒度及其基本尺寸磨料粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7基本尺寸125~100100~8080~6363~5050~4040~2828~2020~1414~1010~77~5對于圓孔的加工誤差主要是橢圓度和錐度。如果采用工具或工件旋轉(zhuǎn)的方法，可提高孔的圓度和生產(chǎn)率。表面質(zhì)量及其影響因素超聲加工具有較好的表面質(zhì)量，不會產(chǎn)生表面燒傷和表面變質(zhì)層。超聲加工的表面粗糙度也較好，一般可在Ra1~0.1當(dāng)磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時(shí)，則加工表面粗糙度將得到改善，但生產(chǎn)率則也隨之降低。磨料懸浮工作液體的性能對表面粗糙度的影響比較復(fù)雜。實(shí)踐表明，用煤油或潤滑油代替水可使表面粗糙度更有所改善。6.5超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工的生產(chǎn)率較雖然低，但其加工精度、表面粗糙度都比較好，而且能加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料如玻璃、石英、寶石、玉石、鎢及合金、瑪瑙、金剛石等，除此之外，如寶石軸承、拉絲模、噴絲頭還可以用于超聲拋光、光整加工、復(fù)合加工，也可用于清洗、焊接、醫(yī)療、電鍍、冶金等許多方面，隨著科技的發(fā)展，超聲波加工應(yīng)用前景越來越廣泛。型腔、型孔加工圖6.13超聲波加工的型孔、型腔類型a圖6.13超聲波加工的型孔、型腔類型a)加工圓孔b)加工型腔c)加工異型孔d)套料加工e)加工微細(xì)孔圖6.14超聲波切割單晶硅片1圖6.14超聲波切割單晶硅片1—變幅桿2—工具(薄鋼片)3—磨料液4—工件(單晶硅)用普通機(jī)械加工切割脆硬的半導(dǎo)體材料是很困難的，采用超聲切割則較為有效。圖6.14為用超聲加工法切割單晶硅片示意圖。用錫焊或銅焊將工具(薄鋼片或磷青銅片)焊接在變幅桿的端部。加工時(shí)噴注磨料液，一次可以切割10～20片。圖6.15所示為成批切塊刀具，它采用了一種多刃刀具，即包括一組厚度為0.127mm的軟鋼刃刀片，間隔1.14mm，鉚合在一起，然后焊接在變幅桿上。刀片伸出的高度應(yīng)足夠在磨損后可作幾次重磨。在最外邊的刀片應(yīng)比其它刀片高出0．5mm，切割時(shí)插入坯料的導(dǎo)槽中，起定位作用。圖6.15成批切槽（塊）刀具1—變幅桿2圖6.15成批切槽（塊）刀具1—變幅桿2—焊縫3—鉚釘4—導(dǎo)向片5—軟鋼刀片復(fù)合加工圖6.16超聲電解復(fù)合加工小孔圖6.17電解超聲復(fù)合拋光1圖6.16超聲電解復(fù)合加工小孔圖6.17電解超聲復(fù)合拋光1—換能器2—變幅桿3—工具4—電解液1—超聲波發(fā)生器2—換能器3—變幅桿4—導(dǎo)5—工件6—直流電源7—超聲波發(fā)生器電油石5—電解液噴嘴6—工具手柄7—直流電源超聲與電火花復(fù)合加工小孔、窄縫及精微異形孔時(shí)，也可獲得較好的工藝效果。其方法是在普通電火花加工時(shí)引入超聲波，使電極工具端面作超聲振動(dòng)。其裝置與圖6.16類似，超聲聲學(xué)部件夾固在電火花加工機(jī)床主軸頭下部，電火花加工用的方波脈沖電源(RC線路脈沖電源也可)加到工具和工件上(精加工時(shí)工件接正極)，加工時(shí)主軸作伺服進(jìn)給，工具端面作超聲振動(dòng)。當(dāng)不加超聲時(shí)電火花精加工的放電脈沖利用率為3％~50％，加上超聲振蕩后，電火花精加工時(shí)的有效放電脈沖利用率可提高到50％以上，從而提高生產(chǎn)率1～20倍，愈是小面積、小用量加工，相對生產(chǎn)率的提高倍數(shù)愈多。隨著加工面積和加工用量(脈寬、峰值電流、峰值電壓)的增大，工藝效果即逐漸不明顯，與不加超聲時(shí)的指標(biāo)相接近。超聲電火花復(fù)合精微加工時(shí)，超聲功率和振幅不宜大，否則將引起工具端面和工件瞬時(shí)接觸頻繁短路，導(dǎo)致電弧放電。超聲振動(dòng)還可用于研磨拋光電火花或電解加工之后的模具表面、拉絲模小孔等，可以改善表面粗糙度。超聲研磨拋光時(shí)，工具與工件之間最好有相對轉(zhuǎn)動(dòng)或往