超声波加工技术

1、超声波加工超声波加工超声波加工技术超声波加工技术超声波加工超声波加工1超声波加工的原理与特点超声波加工的原理与特点 1) 加工原理加工原理超声波加工是利用振动频率超过超声波加工是利用振动频率超过16 000 Hz的工具的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法，头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法，其加工原理如图其加工原理如图1所示。所示。超声波加工超声波加工图图1 超声波加工原理图超声波加工原理图加工力工具工件振动方向磨料工作液工具振幅超声波加工超声波加工 当工具以当工具以16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，磨料便以极高的

2、速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨料的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外，磨料液受料的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象空化现象”。 所谓空化现象，是指当工具端面以很大的加速度离开工件所谓空化现象，是指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，在磨料液内形成表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在磨料液内形成很多微空腔；当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，很多微空腔；当工具端面以很大的加速度接近工件表面时

3、，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而使脆性材料产生局空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而使脆性材料产生局部疲劳，引起显微裂纹。部疲劳，引起显微裂纹。 这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，随着加工的不这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，随着加工的不断进行，工具的形状就逐渐断进行，工具的形状就逐渐“复制复制”在工件上。在工件上。超声波加工超声波加工由此可见，超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以由此可见，超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声

4、波加因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。工。2) 特点特点超声波加工的主要特点如下：超声波加工的主要特点如下：(1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。 (2) 由于工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，故不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作比较复杂的运动。需要使工具和工件作比较复杂

5、的运动。超声波加工超声波加工 (3) 加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。表面粗糙度伤。表面粗糙度Ra值很小，可达值很小，可达0.1 m，加工精度可，加工精度可达达0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。的零件。 (4) 加工机床结构和工具均较简单，操作维修方加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。便。 (5) 生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。超声波加工超声波加工2. 超声波加工设备超声波加工设备 超声波加工装置如图超声波加工装置如图2所示。尽管不同功

6、率大小、所示。尽管不同功率大小、不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相同，不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相同，但一般都由高频发生器、超声振动系统但一般都由高频发生器、超声振动系统(声学部件声学部件)、机、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成。床本体和磨料工作液循环系统等部分组成。超声波加工超声波加工图图2 超声波加工装置超声波加工装置123456781冷却器；2磨料悬浮液抽出；3工具；4工件；5磨料悬浮液送出；6变幅杆；7换能器；8高频发生器超声波加工超声波加工1) 高频发生器高频发生器 高频发生器即超声波发生器，其作用是将低频交高频发生器即超声波发生器，其作用是将低频

7、交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供给工具往复运动和加工工件的能量。给工具往复运动和加工工件的能量。2) 声学部件声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。杆，其作用是将振幅放大。超声波加工

8、超声波加工由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过过0.0050.01 mm，而超声波加工却需要，而超声波加工却需要0.010.1 mm的振的振幅，因此必须用上粗下细幅，因此必须用上粗下细(按指数曲线设计按指数曲线设计)的变幅杆放大振的变幅杆放大振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。 变幅杆的常见形式如图变幅杆的常见形式如图3所示，加工中工具头与变幅杆相所示，加工中工

9、具头与变幅杆相连，其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对工件连，其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击。工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料，进行冲击。工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料，如如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺寸和形钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺寸和形状取决于被加工表面，它们相差一个加工间隙值状取决于被加工表面，它们相差一个加工间隙值(略大于磨料略大于磨料直径直径)。超声波加工超声波加工(a) 锥形(b) 指数形(c) 阶梯形图3 几种形式的变幅杆 超声波加工超声波加工3) 机床本体和磨料工作液循环系统机床本体和磨料工作液

10、循环系统 超声波加工机床的本体一般很简单，包括支撑声学部超声波加工机床的本体一般很简单，包括支撑声学部件的机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件件的机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。上的进给机构等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化铝等；常常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水，有时用煤油或机油。磨料的粒度大小用的工作液是水，有时用煤油或机油。磨料的粒度大小取决于加工精度、表面粗糙度及生产率的要求。取决于加工精度、表面粗糙度及生产率的要求。超声波加工超声波加工3超声

11、波加工的加工速度及其影响因素超声波加工的加工速度及其影响因素加工速度是指单位时间内去除的材料量，单位为加工速度是指单位时间内去除的材料量，单位为g/min或或mm3/min。 影响因素：影响因素： 1）工具振幅和频率）工具振幅和频率 超声波可传递很强的能量，加工能量同振幅和频超声波可传递很强的能量，加工能量同振幅和频率呈正比，大的振幅和高的频率可以获得大的加工能率呈正比，大的振幅和高的频率可以获得大的加工能量，但过大的振幅和高的频率会使工具和变幅杆承受量，但过大的振幅和高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，从而降低其使用寿命，一般的振幅为很大的内应力，从而降低其使用寿命，一般的振幅为0.0

12、1 0.1mm，频率在，频率在16 000 25 000Hz之间。之间。超声波加工超声波加工 2）进给压力）进给压力 在加工时，应使工具对工件保持一个合适的进给在加工时，应使工具对工件保持一个合适的进给压力。压力过小，则工具末端与工件加工表面的间隙压力。压力过小，则工具末端与工件加工表面的间隙过大，减小了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，减小了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，则工具末端与工件加工表面的间隙减小，磨料过大，则工具末端与工件加工表面的间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新，都会导致生产率下降。和工作液不能顺利循环更新，都会导致生产率下降。 3）磨料种类和粒度）磨料种类

13、和粒度 磨料硬度愈高，加工速度愈快；磨料粒度愈粗，磨料硬度愈高，加工速度愈快；磨料粒度愈粗，加工速度愈快，精度和表面粗糙度愈差。加工速度愈快，精度和表面粗糙度愈差。超声波加工超声波加工 4）磨料悬浮液浓度）磨料悬浮液浓度 磨料悬浮液中磨料浓度低，加工间隙内磨粒少，磨料悬浮液中磨料浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无特别在加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无磨料的现象，降低加工速度；随着磨料悬浮液中磨料磨料的现象，降低加工速度；随着磨料悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加；但浓度过高，磨料在浓度的增加，加工速度也增加；但浓度过高，磨料在加工区的循环更新和

14、对工件的撞击运动受到影响，又加工区的循环更新和对工件的撞击运动受到影响，又会导致生产率下降。通常采用的浓度为磨料对水的重会导致生产率下降。通常采用的浓度为磨料对水的重量比约量比约0.5 1左右。左右。 5）工件材料）工件材料 材料愈脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈容易材料愈脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈容易加工，反之，韧性愈好的材料则不易加工。加工，反之，韧性愈好的材料则不易加工。超声波加工超声波加工4超声波加工的加工精度超声波加工的加工精度超声波加工的加工精度，除受机床、夹具精度影超声波加工的加工精度，除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损程度、响之外，主要与磨料粒度

15、、工具精度及其磨损程度、工具横向振动的大小、加工深度、被加工材料性质等工具横向振动的大小、加工深度、被加工材料性质等因素有关。孔的尺寸精度一般为因素有关。孔的尺寸精度一般为0.050.02 mm。5超声波加工的表面质量超声波加工的表面质量 超声波加工具有较好的表面质量，不会产生表面超声波加工具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。超声波加工的表面粗糙度取决于烧伤和表面变质层。超声波加工的表面粗糙度取决于每颗磨粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与每颗磨粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒直径、工具振动的幅度、磨料悬浮液的成分、被磨粒直径、工具振动的幅度、磨料悬浮液的成分、被

16、加工材料性质等因素有关。表面粗糙度加工材料性质等因素有关。表面粗糙度Ra值可达值可达1 0.1 m。超声波加工超声波加工6超声波加工的应用超声波加工的应用超声波加工的生产率虽然比电火花、电解加工等超声波加工的生产率虽然比电火花、电解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且能低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、宝加工半导体、非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。在实际生产中，超声波广石、锗、硅甚至金刚石等。在实际生产中，超声波广泛应用于型泛应用于型(腔腔)孔加工孔加工(如图如图4所示所示)、切割加工、切割加工(如图如图5所所示示)、清洗、清洗(如图如图6所示所示)等方面。等方面。超声波加工超声波加工图图4 超声波加工的型孔、腔孔类型超声波加工的型孔、腔孔类型(a) 加工圆孔(b) 加工型腔(c) 加工异形孔(d)