超声波加工技术

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1、超声波加工技术#超声波加工技术绪论人耳能感受到的声波频率在 20 20000HZ围内，声波频率超过20000HZM称 为超声波。超声波加工（Ultrasonic Machining 简称USM是近几十年来发展起来的 一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或 利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲 击及由此产生的气蚀来去除材料，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。它 弥补了电火花加工的电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电 材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且 更适

2、合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体错和硅片等。同时超 声波还可用于清洗、焊接和探伤等。超声波加工的基本原理8/3A41O2I 术技工加波声超I-工具：”工件-增料悬浮液*4 .5-变趣杆;6-换能器；7-超声波发生器图1超声加工的原理图#超声波加工的原理如上图1所示，超声波发生器7产生的超声频电振荡通过换 能器6产生20000 Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆 4把振幅放大到 0. 050. 1 mm左右，从而使工具1的端面作超声频振动。在工具1和工件2之间注 入磨料悬浮液3,当工具端面迫使磨料悬浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不断的撞 击、抛磨被加工表面时，把被加工

3、表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上剥落下 来。虽然每次剥落下来的材料很少，但由于每秒钟撞击的次数多达20000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加 工间隙内形成负压和局部真空，在工件液体内形成很多微空腔；当工具端面又以很大 的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而强化加工过程。此外正负交变的液压冲击也使悬浮磨料的工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨 粒及时得到更新。由此可见，超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超 声波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。超声波加工的特点1）适合于加工各种硬脆

4、材料。既然超声波加工是基于微观局部撞击作用，所以 材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏越大，愈适应超声波加工。例如玻璃、陶 瓷、石英、石墨、玛瑙、宝石等材料，比较适合超声波加工。相反，脆性和硬度不大 却具有韧性的材料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波加工。因此，选择工具材料 时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很大破坏的材料，例如不淬火的 45钢等。2）由于工具材料较软，易制成复杂的形状，工具和工件又无需做复杂的相对运 动，因此普通的超声波加工设备机构简单。但若需要加工较大而复杂精密的三维机 构，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。8/3A41O21 术技工加波声超3）由于去除

5、加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切 削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度 Ra值可达 1.0-0.1 m,加工精度可达0.010.02mm并可加工细小结构和低刚度的工件。超声加工技术的应用8/3A41O2I 术技工加波声超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。超声振动切削日本学者隈部淳一郎在20世纪50 60年代首先发表了许多振动切削方面的论文， 系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铳削、振动链削、振动

6、 刨削、振动磨削等。随后，美国也对振动切削进行了研究，20世纪70年代中叶，到振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，超声加工在难加 工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性，并在生产中得到推广应用。日 本学者采用低频率（3000-5000Hz）振动切削方法，并用于切削纤维型材料（如金属 短纤维）。程雪利等人在对超声振动切削 SiCp/Al复合材料的刀具磨损进行研究 中，分别采用了超声切削和普通切削两种方式对SiCp/Al复合材料进行了车削试验，研究了切削参数对硬质合金YG6刀具磨损的影响规律，并在同等条件下与聚晶金刚石 （PCD）刀具进行了对比。研究发现，超声切削的刀

7、具磨损量要小于PCD刀具的磨普通切削的刀具磨损量；超声切削时，损量约为 YG6刀具磨损量的1/10 ,这点和普通切 削十分相似。丁黎光、李建光在超声振动切削夹片的应用研究中，利用振动切削机 理，针对锚具夹片精加工存在的问题，研究将超声振动切削用于夹片加工。实验分析 表明，该方法不仅保证了加工质量，还可提高加工效率、减轻劳动强度和降低产品成本等。马春翔、胡德金对超声椭圆振动 切削技术进行了研究，阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统，分析了 超声波椭圆振动切削运动特性，介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。随着科 学技术的发展和进步，超声波振动切削作为一种新技术正在逐步渗透到各个领域，

8、对 超声波振动切削的研究和开发也越来越受到人们的普遍重视。显然，加强对超声波振 动切削技术的研究、推广和应用，对提高机械制造业的加工水平和加快新产品开发具 有十分重要的意义。超声磨削加工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，使电镀金刚石的工具磨 头以超声频（20kHz左右）和一定的振幅（20仙m或更大）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、超声空化、电镀金刚石砂轮磨粒的磨削，达到材料去除的目的。具优点是加工效率高，缺点是加工变质层较深。日本学者对传统无心磨削进行改进，提出一种超声辅助磨削的加工方法一一超声制动无心磨削。该方法是利用带超声振动的制动块 端部产

9、生椭圆形轨迹对工件旋转速度进行控制和支撑，能加工出直径小于100 pm和大长径比的圆柱形件。于思远等人做了超声磨削加工工程陶瓷小孔的实验研究，李瑞 等人在对纳米ZrO 2陶瓷二维超声磨削温度影响因素分析中，采用了人工热电偶法， 通过普通磨削和二维超声振动磨削的对比实验，回归分析了磨削深度、砂轮速度、工 作台速度等磨削参数对纳米 ZrO 2陶瓷磨削温度的影响。另外，对纳米 ZrO 2陶瓷这 种非线性材料的磨削加工进行有限元仿真，比较实验测量数据与仿真结果，确定了仿 真分析对实际情况的指导作用。目前，许多学者在对工程陶瓷加工技术进行研究，而 以超声磨削技术研究为最多。超声磨削技术加工能有效抑制砂轮

10、堵塞，因此可使用普 通的金属结合剂砂轮，这可减少金刚石砂轮的消耗，降低成本。超声振动磨削最显著 的特点是加工效率比普通磨削高一倍以上：一是可采用较大磨削用量；二是明显减少 了砂轮修整时间。因而利用超声振动磨削技术加工工程陶瓷具有广阔的研究和应用前 景。超声光整加工8/3A41O21 术技工加波声超超声光整加工的应用目前包括超声琦磨、超声琦齿、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一一电化学超精密研磨，选取适当的工艺参数进行光 整加工，可以获得表面粗糙度 R a 0.025 pm,效率较普通研磨提高1

11、0倍以上。祝 锡品、王爱玲等人采用超声幻磨在发动机缸套光整加工中的应用研究中发现，由于普 通琦磨导致油石堵塞，加工效率低，尤其是在琦磨铜、钛合铝、金等韧性材料管件时，油石极易堵塞，从而导致油石寿命的过早结束，零件加工表面质量差，加工效率 很低。而采用的新型特种加工方法一一超声幻磨技术，相对普通琦磨具有琦磨力小、 琦磨温度低、精度高、表面质量高及油石磨损小、效率高等特点。丁金福等人在对超 声振动的挤滚压光整加工变幅特性分析及应用中得出，利用超声振动挤滚压装置以车 削式加工方法代替磨削及抛光两道加工工序，极大地提高了生产效率，降低了生产成#本，并在一定程度上达到了表面强化的效果，对提高工件表面强度

12、、耐磨性及耐蚀性 起到了积极的作用。鉴于超声光整加工应用在解决韧性材料、硬脆材料加工问题上开 辟了一条新的途径，具有广阔的应用前景。特别是超声琦磨加工工艺，能高效地加工出高精度、高表面质量、高耐磨 性的缸套（尤其是薄壁缸套）对我国提升汽车、，拖拉机、摩托车等行业的加工水平大有益处。超声塑性加工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、徽怫等。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。何幼、闻邦椿在研究超声塑性加工系统的非线性动力学模型中，分析 了

13、振动传输系统的动力学建模问题，建立了超声塑性加工非线性定解问题的数学模 型。温彤、陈霞利用振动塑性加工及其在轻合金成形中的应用中得出，振动塑性加工 是一项具有特色的材料成形技术。较之普通的塑性成形方法，它能够有效降低材料塑性变形所需的成形力、提高材料塑性变形极限并改善产品加工 的质量。由于超声塑性加工能大幅度降低加工过程中的变形抗力并附带其他对产品有 利的影响，其技术的经济意义是不言而喻的，超声塑性加工不但有利于普通金属材料 的塑性加工，还有利于难加工材料的成形，如用于钛、锲等金属的拉拔。随着金属的 特种塑性加工工艺的发展，超声塑性加工的理论及应用也在进行着自身的完善与演 变。其他应用（1）磨

14、料冲击加工8/3A41O2I 术技工加波声超磨料冲击加工是在工具和工件之间充满含有磨料的切削液，工具作超声频振动，使磨 料反复加压和冲击加工表面，进行切削、压碎和研磨的加工。磨料冲击加工可用于硬 脆材料的浅孔加工和切断，一般适用于对小面积（1000mm2的加工，其应用范围有：对半导体材料（错和石英）的成形元件的切断和切槽，与普通加工方法相比， 具有切除率高、精度高、裂纹少等优点；对被铁硼NdFeB材料（系合金永磁材料） 的切断；在玻璃、淬硬钢和硬质合金上雕刻；用陶瓷、金属和矿石等材料制造的 喷丝头喷嘴的加工；对宝石材料的切割和加工。(2)超声焊接超声焊接包括超声金属焊接和超声塑料焊接。超声金属

15、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。超声塑料焊接是将超 声能转化为热能，使塑料局部熔化粘接在一起的一种焊接方法。其特点有：焊接时间 短；无表面损坏；熔接部分以外的区域不发热；焊接前不需要任何前处理；焊接后能 保证密封性；无需另行加工，能保证产品的一致

16、性；操作简单，既能手工操作也能自 动操作；省电，工作场所基本无异味，对环境基本无污染。目前超声焊接应用到医 药、汽车、手机、建筑和包装等行业，除此之外，还研究超声焊接进行怫接、埋植、 切割、成型、封口等。超声波加工的发展趋势和未来展望超声加工技术已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用，但有关工艺 与设备的相关技术有待于进一步研究开发。(1)超声振动切削技术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 动切削研究日益深入，主要表现在以下几个方面。a.研制和采用新的刀具材料8/3A41O21 术技工加波声超在现代制造业中，钛合金、纯鸨、锲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