第8章超聲波加工超聲波加工有時也稱超聲加工(UltrasonicMachining)。超聲波加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導體鍺、硅片等不導電的非金屬脆硬材料，同時還可以應用于清洗、焊接、探傷、測量、冶金等其他方面。8.超聲波加工

（UltrasonicMachining,USM)超聲加工的基本原理和特點超聲加工設備及其組成部分超聲加工速度、精度、表面質量及其影響因素超聲波的應用技術超聲加工新技術8.1超聲加工的基本原理和特點8.1.1超聲波及其特性8.1.2超聲加工的基本原理8.1.3超聲加工的特點8.1.1超聲波及其特性振動在彈性介質內的傳播稱為波動,簡稱波。波動的物理實質是能量的傳遞過程。8.1.1超聲波及其特性

超聲波的頻率范圍可聞聲波：頻率在16~16000Hz之間的聲波。次聲波：頻率低于16Hz的聲波。超聲波：頻率高于16000Hz的聲波。特超聲波：頻率高于Hz的聲波。超聲波的特性超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質中傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時反射、折射、共振及損耗等現象更顯著。在不同的介質中，超聲波傳播的速度c亦不同;傳遞速度c=λf

，λ-波長，f-頻率不同介質中傳播速度不同c空氣=331m/s，c水=1430m/sc鐵=5850m/s超聲波的特性可傳遞很強的能量

超聲波的作用主要是對其傳播方向的物體施加壓力(聲壓)。因此，可用這個壓力的大小表示超聲波的強度，傳播的波動能量越強，則壓力越大。振動能量的強弱，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。超聲波的特性可傳遞很強的能量

傳播的能量密度垂直于波的傳播方向單位面積上的能量J=ρc(ωA)2/2ρ——彈性介質的密度(kg／m3)；c——彈性介質中的波速(m／s)；A——振動的振幅(mm)；ω——圓頻率(rad／s)，ω=2πf。固體、液體的ρ和c大→J大由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達100W／m2以上。超聲波在液體或固體中傳播時，由于介質密度ρ和振動頻率f比空氣中傳播聲波時高許多倍，因此同一振幅時，液體、固體中的超聲波強度、功率、能量密度要比空氣中的聲波高千萬倍。超聲波的特性在液體介質中傳播時，在界面上產生液壓沖擊空化現象形成真空，產生氣泡空泡閉合，形成壓力高頻上下運動：f

＞16kHz工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內形成負壓和局部真空，在磨料液內形成很多微空腔；當工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓沖擊波，從而使脆性材料產生局部疲勞，引起顯微裂紋。強化加工過程的進行。

超聲波的特性

通過不同介質時，波速突變折射反射介質的波阻抗ρc之差越大，反射率越大連接面間加入凡士林或機油（減少能量損耗）固體(液體)空氣反射率≈100%超聲波的特性超聲波會產生干涉和共振現象，出現波的疊加作用，從而獲得更大的加工能量。

距入射端距離為x的b點處：入射波反射波合成波共振的條件：桿長為半波長的整數倍，L=kλ/2波節(jié)M點處：不振動ABM8.1.2超聲加工的基本原理超聲波加工是利用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法，加工原理如右圖所示。超聲發(fā)生器將交流電轉變?yōu)槌曤娬袷?；換能器將電振蕩轉變?yōu)闄C械振動；變幅桿將振幅放大至0.05～0.1mm，驅動工具作超聲振動。8.1.2超聲加工的基本原理工具推動磨料高速撞擊、拋磨工件，擊碎工件表面材料，并使之去除；工作液產生的液壓沖擊波和空化作用加快了表面材料的裂紋擴展和破壞。超聲波加工是機械撞擊、拋磨、空化作用的綜合結果。其中撞擊起主要作用。空化作用加速磨料對工件表面的破碎作用加快磨料更新速度有助于排屑8.1.3超聲加工的特點適合加工各種硬脆材料加工質量高，尺寸精度0.01~0.02mm，Ra0.63~0.08μm，無殘余應力宏觀切削力小，切削熱小，適合加工薄壁、窄縫、低剛度件可加工復雜型面及型腔；超聲加工機床的結構比較簡單，操作、維修方便。對于導電的硬質金屬材料，如淬火鋼、硬質合金等，也能進行加工，但加工生產率較低。工具有損耗8.2超聲加工設備及其組成部分超聲波發(fā)生器超聲振動系統超聲換能器變幅桿工具機床本體輔助系統磨料懸浮液循環(huán)系統換能器冷卻系統1--工作臺

2--上具

3--變幅桿

4--換能器

5--導軌

6--支架

7--平衡重錘

1235467CSJ-2型超聲加工機床超聲波加工設備又稱超聲波加工裝置，盡管不同功率大小、不同公司生產的超聲波加工設備在結構形式上各不相同，但其組成部分基本相同。超聲波發(fā)生器作用是將工頻交流電轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復振動和去除被加工材料的能量基本要求：輸出功率和頻率在一定范圍內連續(xù)可調，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調的功能；還要求結構簡單、工作可靠、價格便宜、體積小等有電子管式、晶體管式8.2.1超聲波發(fā)生器作用：將工頻交流電轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩聲學部件作用：將超聲波發(fā)生器輸出的高頻率振蕩電能轉變?yōu)闄C械振動能，并通過變幅桿使工具端面作高頻率、小振幅振動以進行超聲加工。組成：換能器、變幅桿和工具。8.2.2超聲振動系統

超聲換能器作用：將超聲頻電振蕩信號轉換為超聲頻機械振動。分類：壓電式換能器（利用壓電效應制成）磁致伸縮式換能器（利用磁致伸縮效應制成）壓電效應石英晶體、鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷、鋯鈦酸鉛（ZrPbTiO3）壓電陶瓷等物質受外力變形時，在界面上產生電勢；或者相反的情況。磁致伸縮效應

鐵、鈷、鎳及其合金的長度能隨其所處的磁場強度的變化而伸縮的現象。較壓電式換能器有較高的機械強度和輸出功率。變幅桿作用：將換能器獲得的超聲振動振幅加以擴大，以達到加工所需的振幅。分類：

錐形--擴大比較?。?-10倍），易制造。

指數形--擴大比中等（10~20倍），難制造。

階梯形--擴大比大（20倍以上），易制造。A=0.005~0.01mm→

A=0.01~0.1mm擴大振幅的原因通過變幅桿任一截面的振動能量不變（傳播損耗不記）;截面越小，能量密度越大，振動振幅也就越大;能量密度與振幅的平方成正比。

工具作用：推動磨料和懸浮液沖擊工件表面，加工出形狀和尺寸。形狀和尺寸：取決于被加工表面的形狀和尺寸，它們相差一個“加工間隙”。材料：45鋼、碳素工具鋼－－一般硬脆材料；硬質合金、淬火鋼－－加工精度高；金剛石鍍覆－－特殊要求。注意事項：部件之間應連接緊密螺紋連接處：涂凡士林油1－工作臺；2－工具；3－變幅桿；4－換能器；5－標尺；6－導軌；7－支架；8－平衡重錘8.2.3超聲加工機床

加工壓力調節(jié)：聲部的自重-平衡重調壓機構：杠桿、彈簧、氣動、電磁鐵（1）工作液常用、效果較好——水表面質量要求高——煤油或機油（2）磨料碳化硅或氧化鋁、碳化硼、金剛石粉生產率要求高——顆粒大加工精度、表面質量要求高——顆粒?。?）循環(huán)系統小型加工設備——人工澆注、定期更換大型加工設備——流量泵自動供給工具、變幅桿尺寸較大——在其中開孔，由孔內抽吸。8.2.4磨粒懸浮液循環(huán)系統8.3超聲加工速度、精度、表面質量

及其影響因素

定義：加工速度指單位時間內去除材料的多少，以mm3/min或g/min為單位來表示。 影響加工速度的因素：主要有工具的振幅和頻率、進給壓力、磨料的種類和粒度、被加工材料、磨料懸浮液的濃度。8.3.1加工速度及其影響因素影響加工速度的因素（1）工具的振幅和頻率振幅A

↑→沖擊力↑→加工速度↑頻率f

↑→沖擊次數↑→加工速度↑過大→內應力↑→工具壽命↓過大→能量損失↑→加工速度↓一般：A=0.01～0.1mm，f=16~25kHz在實際加工中需根據不同工具調至共振頻率，以獲得最大振幅，從而達到較高的加工速度。影響加工速度的因素（2）進給壓力加工時工具對工件應有一個適當的進給壓力。過小→工作間隙↑→沖擊力↓→加工速度↓過大→磨料被擠出來

→加工速度↓影響加工速度的因素（3）磨料的硬度和粒度

加工時針對不同強度的工件材料可選擇不同的磨料。硬度↑→加工速度↑（要考慮價格成本）加工寶石、金剛石等超硬材料，必須選用金剛石；加工淬火鋼、硬質合金，應選用碳化硼、碳化硅；加工玻璃、石英和硅、鍺等半導體材料，選用氧化鋁磨料。粒度越粗（粒度號↓）→加工速度↑

→加工精度↓

→表面質量↓

影響加工速度的因素（4）磨料懸浮液的濃度濃度過小→磨粒數↓→加工速度↓濃度↑→加工速度↑濃度過大→能量損失↑→加工速度↓→更新速度↓→加工速度↓影響加工速度的因素（5）磨料懸浮液的類型水→加工速度高煤油、汽油

→加工速度較低

精度高影響加工速度的因素（6）工件材料脆性↑→受沖擊載荷的能力↓→加工速度↑8.3.2加工精度及其影響因素超聲波的加工精度，除了機床、夾具精度影響外，主要與以下因素有關： （1）磨料粒度與均勻性；（2）工具精度及其磨損情況；（3）工具橫向振動大?。唬?）加工深度；超聲波加工的孔徑范圍0.1~90mm，孔深為孔徑的10~20倍以上。孔的精度可達±0.02mm或更高。

影響加工精度的因素（1）磨料粒度與均勻性粒度越細（粒度號↑）→加工精度↑在加工深孔時，細磨粒有利于減小孔的錐度磨料均勻性

↑→加工精度↑選擇均勻性好的磨料，經常更換磨料（10~15h）影響加工精度的因素（2）工具精度及其磨損情況復制加工，工具精度↑→加工精度↑工具磨損影響加工精度，例如加工孔時，工具下端加工時間長，磨損比較嚴重，加工出的孔有錐度將粗、精加工分開，并相應更換磨粒粒度，合理選擇工具材料影響加工精度的因素（3）工具橫向振動大小會引起磨粒對孔壁的二次加工，在孔深方向上形成從進口端至出口端逐漸減小的錐度，加工后的孔徑相對于工具尺寸有一個擴大量影響加工精度的因素（4）加工深度加工深度↑→加工精度↓8.3.3加工表面質量及其影響因素超聲波加工具有良好的表面質量，不會產生表面變質層和燒傷；超聲波加工的表面粗糙度主要與磨粒尺寸、工件材料性質、超聲波振幅以及磨料懸浮液的成分等有關。磨粒尺寸愈大，超聲振幅愈大，工件材料越脆，生產率愈高，表面粗糙度大；用煤油或者潤滑油代替水可使表面粗糙度值減小，提高表面質量。8.4超聲波的應用技術型孔、型腔加工超聲切割加工超聲清洗超聲波焊接超聲波復合加工無損檢測超聲波在生活中的其他應用8.4.1型（腔）孔加工超聲波目前主要應用在脆硬材料的圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔等的加工。微細孔加工近幾年來，超聲波加工已向微細加工領域擴展，日本東京大學工業(yè)科學學院采用超聲波加工方法，加工出了玻璃上直徑9μm的微孔8.4.2切割加工對于難以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、寶石等用超聲波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生產率高、經濟性好等優(yōu)點。8.4.3超聲波清洗原理：基于清洗液在超聲波作用下產生空化效應的結果?？栈a生的強烈沖擊液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來。應用：主要用于幾何形狀復雜、清洗質量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件，特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗，生產率和凈化率都很高。目前在半導體和集成電路元件、儀器儀表零件、電真空器件、光學零件、醫(yī)療器械等的清洗中應用。圖7-20超聲波清洗裝置8.4.4超聲波焊接原理：利用超聲振動作用去除工件表面的氧化膜，使工件露出本體表面，使兩個被焊工件表面在高速振動撞擊下摩擦發(fā)熱并親和粘在一起。應用：用于焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化膜的鋁制品，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀，從而改善這些材料的可焊性；焊接一般很難焊接的稀有金屬，如鈦、鉬等。超聲波塑料焊接機8.4.5復合加工采用超聲波加工硬質合金、耐熱合金等硬質金屬材料時加工速度低，工具損耗大，為了提高加工速度和降低工具損耗，采用超聲波電解加工或電火花加工相結合來加工噴油嘴、噴絲板上的孔或窄縫，這樣可大大提高生產率和質量。（1）超聲電解復合加工

輔以超聲振動的復合電解加工。用于難加工材料的表面光整及深小孔加工。（2）超聲電火化復合加工原理：在普通電火花加工時，引入超聲波，使電極工具端面作超聲振動。超聲聲學部件夾固在電火花加工機床的主軸頭下部，脈沖電源加在工具和工件上，加工時主軸作伺服進給，工具端面作超聲振動。效果：不加超聲時電火花精加工的放電脈沖利用率為3%~5%，加上超聲振蕩后，電火花精加工時的有效放電脈沖利用率可提高50%以上，從而提高生產效率2~20倍。8.4.6無損檢測

利用超聲波定向發(fā)射、反射、穿透大多數材料特性，在測距、控制、監(jiān)測及材料測量方面進行無損檢測。探測金屬內部缺陷例如：探測材料內部和表面缺陷，評價物理、力學性質，鍋爐、壓力容器制造、運行中的檢測。

8.4.7超聲波在生活中的應用超聲波除塵只要在煙囪里裝一個超聲波除塵器，不消片刻，煙囪就冒著干凈的白煙了。超聲波除塵裝置當我們把超聲波用到煙囪里的黑煙中去的時候，煙氣中的塵土就隨著它的振動而激烈振動起來，互相你碰我撞，粘合在一起，顆粒越粘越大，在上升的煙氣還沒來得及把它帶出煙囪時，上升的氣流已無法支持它的重量