第七章 超声波加工.

1、1第七章第七章 超声波加工超声波加工2超声波加工超声波加工 （USMUSM，Ultrasonic MachiningUltrasonic Machining） 利用超声振动的工具在有磨料的液体介利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法互结合的加工方法3 1、早期主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的 2、但加工效率低，并随着加工深度的增加

2、而显著降低 3、随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，采用从中空工具内部向外抽吸式向内压入磨料悬浮液的超声加工方式，大幅度地提高了生产率，扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围 4、近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以10005000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用于航空、原子能工业，效果良好讲义4第一节超声加工的基本原理和特点第一节

3、超声加工的基本原理和特点 一、超声波的特性一、超声波的特性 超声波：高于超声波：高于16000Hz16000Hz，超出人的听觉范，超出人的听觉范围的波围的波 声波：人耳能感受到的一种纵波，频率声波：人耳能感受到的一种纵波，频率范围为范围为161616000Hz16000Hz 次声波：频率低于次声波：频率低于16Hz16Hz的声波的声波 5一、超声波的特性一、超声波的特性 1 1）超声波可在气体、液体和固体介质中）超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关：密度等有关： C=f C=f （5 51 1）C-C-超声波传播速度（超

4、声波传播速度（m mS S）-波长（波长（m m）f-f-频率（频率（HZHZ）6一、超声波的特性一、超声波的特性 2 2）超声波在各种介质中传播，其运动轨）超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化：迹都按余弦函数规律变化：x xA A* *coscos（* *t + t + ） （5 52 2） x-x-质点运动的位移（质点运动的位移（m m）A-A-振幅（振幅（m m）-圆频率（圆频率（radradS S）t-t-时间（时间（s s）-振动的相位角（振动的相位角（radrad）7一、超声波的特性一、超声波的特性3 3）超声波可传递很强的能量）超声波可传递很强的能量 能量强度可

5、用垂直于波的传播方向单位能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能量来表示面积的能量来表示 能量强度高达几百瓦平方厘米，且能量强度高达几百瓦平方厘米，且9090作用于工件表面作用于工件表面 在液体、固体中传播强度、功率、能量在液体、固体中传播强度、功率、能量密度比空气中高千万倍密度比空气中高千万倍8一、超声波的特性一、超声波的特性4 4）超声波会产生反射、干涉和共振）超声波会产生反射、干涉和共振现象现象 超声波在介质中传播时出现波的叠超声波在介质中传播时出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终加作用，使弹性杆中某处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得

6、更大的超声加工能量加，从而获得更大的超声加工能量9 l-l-反射波反射波2-2-合成波合成波3-3-人射波人射波b-b-波节点波节点l-l-波节点波节点至波反射端至波反射端的距离的距离一、超声波一、超声波的特性的特性10一、超声波的特性一、超声波的特性 5 5）超声波在液体介质中传播时，可在界）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行了加工过程的进行11 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(以磨粒不断冲击为主)。 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2

7、2）超声加工的基本原理）超声加工的基本原理 12超声加工方法示意图超声加工方法示意图 l-l-冷却水人口冷却水人口 2-2-换能器换能器 3-3-激励线圈激励线圈 4-4-变幅杆变幅杆 5-5-谐振支座谐振支座 6-6-冷却水出口冷却水出口 7-7-工具锥工具锥 8-8-工具头工具头 9-9-磨料射流磨料射流 10-10-工件工件 11-11-磨料悬浮液磨料悬浮液132 2）超声加工的基本原理）超声加工的基本原理 高频电源联接超声换能器，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（振幅0.0050.01mm）变幅杆将振幅放大(0.050.lmm)以驱动工具端面作超声振动磨料悬浮液（磨

8、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，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讲义14（3）超声加工的特点 1）适合加工各种硬脆材料不导电的非金属材料：玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等硬质或耐热导电的金属材料

9、：淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等，但加工效率较低。 2）工件表面的宏观切削力小，切削应力、切削热更小，不产生变形及烧伤，表面粗糙度可达Ra063008um，尺寸精度可达0.03mm适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用15（3）超声加工的特点 3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面超声加工机床的结构简单，操作、维修方便 4）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低16第二节 超声加工设备 超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同 一般包括超声发生器、超声振动系统

10、、磨料悬浮液循环系统和机床本体17超声加工机床 超声发生器（超声电源） 超声振动系统 超声换能器 变幅杆（振幅扩大棒） 工具 机床本体 工作头 加压机构及工作进给机构 工作台及其位置调整机构 工作液及循环系统和换能器冷却系统 磨料悬浮液循环系统 换能器冷却系统18l）超声波发生器 （又叫超声频发生器或超声波电源） 将工频交流电转换为功率为20-4000W的超声频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。 192）超声波振动系统 将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进行超声加工 超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、工具20（l）

11、换能器 将高频电振荡转换成机械振动 根据其转换原理的不同分：有磁致伸缩式压电式21 压电效应超声波换能器 压电效应是指石英晶体、钛酸钡以及诸钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两端面上产生一定的电荷而形成一定的电势。相反，改变两端面上的电压，也会产生一定的伸缩变形的现象 利用上述物质的压电效应，在两面加16000Hz以上的交变电压，物质产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动 为获得最大的超声波强度，使晶体处于共振状态，故晶体片厚度应为声波半波长或整倍数 22压电材料 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生001um以下的变形 钛酸钡的压电效应比石英晶体大203O倍，但效率和机

12、械强度不如石英晶体 铬钛酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗、探测和小功率超声加工的换能器。 23磁致伸缩式换能器 磁致伸缩效应是指，铁、钴、镍及其合金；或铁氧体等材料的长度可随所处磁场强度的变化而伸缩的现象 镍在磁场中的最大缩短量为其长度的0004 铁和钴则在磁场中为伸长，当磁消失后又恢复原有尺寸 这种材料棒杆在交变磁场中，长度将突变伸缩，端面将交变振动24几种材料的磁致伸缩曲线 1-75镍十25铁；2-49钴十2钒十49镍；3-6镍十94铁；4-29镍十71铁；5-退火钴；6-镍 25（2）变幅杆 又称振幅扩大棒，作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要 常用的变幅杆

13、有：外径变化的实心型内径变化的空心型 杆上每一截面的振动能量不变（不考虑传播损耗）。截面越小，能量密度越大，振动的幅值也就越大，所以各种变幅杆的放大倍数都不相同。 26变幅杆性能的主要指标 共振频率变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等应使其长度等于超声振动波的半波长或其整倍数 振幅扩大比 输入阻抗随频率和负载变化要求变幅杆的输入阻抗随频率和负载变化比较小要求变幅杆材料应声阻小、热损耗低、抗疲劳强度高。制造方便、价格适宜 27变幅杆截面变化形式 28变幅杆截面变化形式 在面积系数（指大小直径比）相同的情况下锥形变幅杆的振幅扩大比较小（510倍），但易于制造指数形变幅杆的振幅扩大比中等（1020

14、倍），使用中性能稳定，但不易制造阶梯形变幅杆的振幅扩大比较大（20倍以上），且易于制造，但受到负载阻力时振幅减小的现象比较严重，不稳定，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而疲劳断裂，为此须加过渡圆弧 实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形变幅杆；阶梯形变 幅杆因设计制造容易，一般也常采用 29（3）工具 超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状 工具的形状和尺寸决定于工件表面的形状和尺寸，两者相差一个“加工间隙”（稍大于平均的磨粒直径） 30超声振动系统的固定 1-振幅；2-波节点；3-冷却水 31工具材料 工具侧面的磨损仅占全部磨损

15、的110，直接影响加工速度和加工精度，破坏振动系统的共振条件，降低加工效率 工具磨损量的大小，主要取决于工具材料、结构和工件材料加工一般硬脆材料，多用45钢或碳素工具钢作工具材料，其抗疲劳强度高、比较耐磨损，加工容易的特点加工精度较高时，采用硬质合金或淬火钢较好，必要时可采用金刚石表面镀覆工具 323）机床本体l-工作台2-上具3-变幅杆4-换能器5-导轨6-支架7-平衡重锤 334）磨料悬浮液循环系统 磨料：氧化铝、碳化硼、碳化硅、金刚砂、碳化硼硅 粒度：200-2000# 280#：Ra0.5 800# ：Ra0.2 悬浮液：水（添加防腐剂）、汽油、煤油、酒精、亚麻仁油、变压器油、甘油等3

16、4第三节第三节 超声加工的基本工艺规律超声加工的基本工艺规律 一、影响加工速度的因素 二、影响加工精度的因素 三、影响加工表面质量的因素 35一、影响加工速度的因素 加工速度单位时间内去除材料的多少，单位通常以g/min或mm3min表示加工速度比较低，一般为15mm3min加工玻璃的最大速度可达20004000mm3min 影响因素工具振动频率、振幅、工具和工件间的静压力、工具与工件材料、磨料种类及粒度、磨料悬浮液的料液比、磨料悬浮液的循环与供给、加工面积加工深度等36l）工具的振动振幅和频率一、影响加工速度的因素37l）工具的振动振幅和频率 工具振动振幅和频率增大，加工速度明显提高 过大的

17、振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，严重时会超过工具和变幅杆材料的疲劳强度，降低其使用寿命 工具振动振幅和频率增加，加大了工具与变幅杆、变幅杆与换能器之间联接处的能量损耗 要求超声加工工具振动振幅为00101mm，频率为1600025000Hz 实际加工时，调至共振频率，以获得最大振幅 讲义一、影响加工速度的因素382）进给压力 进给压力指工具对工件的静压力 进给压力主要取决于加工面积和工件材料 压力过大，工具与工件间的磨料空间狭小，难以形成空化抛击，严重时可能无空隙而难以实现振动加工 压力过小，工具与工件的间隙增大，磨粒冲击过程中的能量损耗过多，可能冲击微弱、甚至不起作用 进给

18、压力与加工面积、工件材料、磨粒粗细有关，一般可通过实验加以优化一、影响加工速度的因素39图：进给压力对去除率的影响 1-43mm 2-1mm一、影响加工速度的因素403）工件和工具材料 超声加工尤其适用于高脆度（脆度是材料的剪切应力与断裂应力之比）材料的工件。 工件材料愈脆承受冲击载荷的能力愈低，也就愈易被去除加工 韧性好的工件不易加工 工具材料应根据工件材料、加工面积和深度等因素来选择，以耐磨损、加工方便为宜。也可由实验确定一、影响加工速度的因素414）磨料的种类和粒度 磨料的种类根据工件材料合理选择 加工金刚石和宝石等超硬材料时，必须用金刚石磨料 加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时，宜采

19、用硬度较高的碳化硼磨料 加工硬度不太高的脆硬材料时，可采用碳化硅 加工玻璃、石英、半导体等材料时，用刚玉之类的氧化铝磨料 在工件材料和加工振幅一定的条件下，随着粒度号的增大（磨粒越细），加工速度随之增大，超过某值之后，粒度号增大，加工速度则降低一、影响加工速度的因素425）磨料悬浮液的类型及浓度 水的冷却性和湿润性良好一，相对生产率最高，其次是汽油或煤油 悬浮液的浓度，直接影响加工速度悬浮液浓度低，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磨料的现象，使加工速度大大降低随着悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加。但浓度太高时，磨粒在加工区域的循环和对工件的冲击都受到影响，

20、也会导致加工速度降低通常采用浓度为磨料对水的重量比约 051左右一、影响加工速度的因素43二、影响加工精度的因素 除受机床、夹具精度的影响之外，主要与磨料粒度、工具的精度及磨损、横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。 44 孔的加工精度直接受到工具精度和磨粒粗细的影响：孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大，扩大量约为磨料磨粒直径的两倍，孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍通常，用#240#280磨粒时，可获得正负0.05mm的加工精度，用W28W7时，可获得正负002mm的加工精度二、影响加工精度的因素45 孔的形状误差与工具的不均匀磨损及横向振动大小有关：采用工具或工件转动减小孔

21、的圆度误差容易出现锥度和孔的出口处有环带： 变幅杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的二次冲击，形成从进口到出口逐渐减小的锥度 出口处环带则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处迅速排出，使磨料循环时间过短所造成的。 穿孔后用未磨损的工具作低频振动修磨，锥度可以减小。使用精密工具几乎完全可避免孔的锥度。二、影响加工精度的因素46 磨料粒度不均匀，加工中被磨钝、破碎加工时必须经常搅动磨料悬浮液，保证一定的循环速度，使用1015h后应及时更换，还可设法向工具端面喷注磨料悬浮液，以提高加工精度二、影响加工精度的因素47三、影响加工表面质量的因素 表面质量较好，不会产生烧伤和表面变质层、热应力，有时反而产生表面压应

22、力，对提高工件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力有益 表面粗糙度较低，可达Ra0.630.08um，主要取决于每粒磨料每次冲击工件表面后留下的凹痕大小，并与振动振幅、磨料直径、工件材料性质以及磨料悬浮液的成分等有关当磨粒比较细，工作材料硬度较高、超声振幅较小时，表面粗糙度好，生产率低磨料悬浮液的性能对表面粗糙度影响较复杂资料表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善 48第四节第四节 超声加工的应用超声加工的应用 一、成形加工 二、切割加工 三、焊接加工49一、成形加工 加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细一孔、套料等 AVI501、生产率不如电火花、电解加工，但加

23、工精度及工件表面质量则化于电火花、电解加工1）生产上用硬质冶金代替合金工具钢制造技深模、拉丝模等模具，其耐用度可提高80-100倍。采用电火花加工，工件表面常出现微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。采用超声加工则无此缺陷，且尺寸精度可控制在0.01-0.02mm之内、内孔锥度可修整至82）对硅等半导体硬脆材料进行套料等加工，更显示了超声波加工的特色。例如，在直径90mm、厚025mm的硅片上，可套料加工出176个直径仅为1mm的元件，时间只需15min，合格率高达90-95，加工精度为正负0.02mm2、超声加工已经排除其通向微细加工领域的障碍。如图是日本东京大学工业科学学院采用超声加工方法

24、，加工出的微小透平胜和玻璃上直径仅9um的微孔 讲义51a） 微细孔b）型腔c）异形通孔 52d)弯曲孔e)刻槽g）套料h）切圆i）复杂沟槽53玻璃上直径为9um的微孔 54二、切割加工 精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点切割高7mm、宽15-20mm的锗晶片，可在3.5min内切割出厚0.08mm的薄片切割单晶硅片一次可切割10-20片在陶瓷厚膜集成电路用的元件中，加工8mm、厚0.6mm的陶瓷片，1min内可加工4片在4X1mm2的陶瓷元件上，加工O03mm厚的陶瓷片振子，0.5-1min以内，

25、可加工18片，尺寸精度可达正负0.02mm55a)切片 b)多个圆片落料 c)多片圆板落料 d）切割单晶硅片 56三、焊接加工 利用超声频振动作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本体表面显露出来，并在两个被焊工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热、亲和粘接在一起可焊接尼龙、塑料、表面易生成氧化膜的铝制品等可在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆薄层可焊接直径或厚度很小的（O015-0.03）不同金属材料，也可焊接塑料薄纤维及不规则形状的硬热塑料大规模集成电路引线连接等已广泛采用超声焊接57超声波塑胶熔接超声波塑胶熔接 58适用于手工焊接和切割适用于手工焊接和切割小到中型尺寸的工件小到中型尺寸的工件

26、用模板焊头进行点焊、用模板焊头进行点焊、铆接、珠串或切割的理铆接、珠串或切割的理想效果想效果59 适用于人工适用于人工切割的操作切割的操作 60四、超声清洗超声清洗 主要用于几何形状复杂、清洗质量要求高的中、小精密零件，特别是工件上的探小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗 半导体和集成电路元件、仪表仪器零件、电真空器件、光学零件、精密机械零件、医疗器械、放射性污染等的清洗中应用61 清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致 清洗速度快，提高生产效率，不须人手接触清洗液，安全可靠 对深孔、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净 对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等62第五节 超声

27、振动切削加工 为什么用超声振动切削加工普通切削加工中切削力大、温度高传统切削加工加工不锈钢、耐热钢、钛合金、高温合金等耐热、耐腐蚀、强度高、导热性差、加工硬化严重的材料时很困难63超声振动切削加工 在传统的切削加工过程中给刀具或工件加上有规律的振动，使切削速度、进给量、切削深度按一定规律变化 改变了切削机理，减少切削力、切削热，提高质量、效率64一、振动切削的分类 按振动性质分 自激励振动切削：如柴油机缸套内孔波纹面 强迫振动切削 按振动频率分 高频振动切削：16KHz，利用超声波原理实现 低频振动切削:200Hz，靠机械装置实现 按刀具振动方向分 吃刀抗力方向 进给抗力方向 主切削力方向65二、振动切削的工艺效果 1、切削力小 切削时切削速度的大小和方向产生周期的变化，每一个周期内的切削时间短、摩擦力减小 2、切削温度低 刀具和工件摩擦系数大幅降低、切削力和切削热以脉冲形式出现，热量来不及传递 3、表面质量好 振动切削破坏了积削瘤产生的条件、切削力小、切削温度低 4、加工精度 尺寸精度、形位精度大幅提高66三、超声振动切削的应用 1、小孔振动镗削672、枪钻特点及其在振动钻孔中的应用68 一般钻削孔深与孔径之比大于10的孔，被称为深孔钻削。由于长径比较大，采用一般的麻花钻来钻