超声波加工技术

1、 超声加工是利用超声频作小振超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，英文简称为加工，英文简称为 USMUSM。超声加工常用。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、于穿孔、切割、焊接、套料套料和抛光。和抛光。二、超声波加工的基本原理二、超声波加工的基本原理 超声换能器利超声换能器利用用磁致伸缩效应磁致伸缩效应，将高频将高频电振荡电振荡变为变为高频高频机械振动机械振动，再，再借助变幅杆把振幅借助变幅杆把振幅放大

2、，驱使工具振放大，驱使工具振动，从而锤击工件动，从而锤击工件表面的磨料，通过表面的磨料，通过磨料加工工件的表磨料加工工件的表面。面。1 1）适合加工各种硬脆材料适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。料，但加工效率较低。二、超声加工的特点二、超声加工的特点1）适合加工各种硬脆材料适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石，尤其是玻璃

3、、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。但加工效率较低。2）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达可达Ra063-008um，尺寸精度可达正负，尺寸精度可达

4、正负003mm，也适于加工薄壁、窄，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。缝、低刚度零件。3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工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。和型面。一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。也比较方便。4）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产生产率较低。率较低。二、超声加工的特点二、超声加工的特点2 2）由于去除工件材料主要

5、依靠磨粒瞬时局部）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，伤，表面粗糙度也较低，也适于加工薄壁、也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。窄缝、低刚度零件。二、超声加工的特点二、超声加工的特点3 3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形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。运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一一般，超声加工机

6、床的结构比较简单，操作、般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。维修也比较方便。二、超声加工的特点二、超声加工的特点4 4）超声加工的面积不够大，而且工具头磨）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故损较大，故生产率较低。生产率较低。二、超声加工的特点二、超声加工的特点 超声加工设备的功率不同，其结构也有超声加工设备的功率不同，其结构也有所不同，但其基本组成相同。一般包括所不同，但其基本组成相同。一般包括超声超声发生器发生器、超声振动系统超声振动系统、磨料悬浮液循环系磨料悬浮液循环系统统和和机床机床。1 1、 超声波发生器超声波发生器 超声波发生器（又叫超声频发生器或超超声波

7、发生器（又叫超声频发生器或超声波电源）的作用是将声波电源）的作用是将工频交流电工频交流电转换为功转换为功率为率为20-4000W20-4000W的的超声频振荡超声频振荡，以供给工，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。具端面往复振动和去除工件材料的能量。 超声波振动系统主要包括超声波振动系统主要包括换能器换能器、变幅杆变幅杆、工具工具。其作用是将由超声波发生器输出的高频电。其作用是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。面作小振幅的高频振动，以进行超声加工。A A、换能器、换能器

8、换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根据其转换原理的不同，有目前，根据其转换原理的不同，有磁致伸缩式磁致伸缩式和和压电式压电式两种。两种。 压电效应是指，石压电效应是指，石英晶体、钛酸钡以及锆英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅等物质在受到机钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，械压缩或拉伸变形时，在其两端面上产生一定在其两端面上产生一定的电荷而形成一定的的电荷而形成一定的电电势势。相反，改变两端面。相反，改变两端面上的电压，也会产生一上的电压，也会产生一定的伸缩变形的现象。定的伸缩变形的现象。 利用上述物质的压电效应，在两面加利用上述物质的压电效

9、应，在两面加16000Hz16000Hz以上的交变电压，则该物质会产生高频的伸缩变形，以上的交变电压，则该物质会产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。使周围的介质作超声振动。 为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振状态，故振状态，故晶体片厚度应为声波半波长或整倍数晶体片厚度应为声波半波长或整倍数。 振幅扩大棒振幅扩大棒作用是放大换能器所获得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。的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，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

10、工件，并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。加工出一定的尺寸和形状。整个振动系统的联接部分应整个振动系统的联接部分应接触紧密接触紧密，否则，否则超声波传递过程中将损失很大能量。在螺纹超声波传递过程中将损失很大能量。在螺纹联接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间联接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙，因为超声波通过空气时会很快衰减。隙，因为超声波通过空气时会很快衰减。CSJ-2型超声波加工机床型超声波加工机床l-工作台；工作台；2-上具；上具；3-变幅杆；变幅杆；4-换能器换能器5-导轨；导轨；6-支架；支架；7-平衡重锤平衡重锤简单的超声加工装置简单的超声加工装置，其

11、磨料是靠，其磨料是靠人工输送和更换的人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注在加工区，加工即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注在加工区，加工过程中定时抬起工具和补充磨料。过程中定时抬起工具和补充磨料。也可利用也可利用小型离心小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后浇注到加工间隙中去。对于较泵使磨料悬浮液搅拌后浇注到加工间隙中去。对于较深的加工表面，仍经常应将深的加工表面，仍经常应将工具定时抬起工具定时抬起以利磨料的以利磨料的更换和补充。更换和补充。大型超声加工机床大型超声加工机床都采用都采用流量泵自动向加工区供给流量泵自动向加工区供给磨磨料悬浮液，且品质好，循环良好。此外，料悬浮液，且品质好，循环良

12、好。此外，工具和变幅工具和变幅杆尺寸较大时杆尺寸较大时，可在工具和变幅杆中间开孔，由孔内，可在工具和变幅杆中间开孔，由孔内抽吸磨料悬浮液，对提高加工质量有利。抽吸磨料悬浮液，对提高加工质量有利。a)加工微细孔加工微细孔; b)加工型腔；加工型腔；c)加工异形孔加工异形孔弯曲孔；弯曲孔； 刻槽刻槽 套料；套料； 切圆；切圆； 复杂沟槽复杂沟槽a)切片；切片；b)多个圆片落料；多个圆片落料；c)多片圆板落料多片圆板落料 ；d）切割单晶硅片）切割单晶硅片 超声精密超声精密切割半导体、切割半导体、铁氧体、石英、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆金刚石等硬脆材料，材料，超声波加工与其它加

13、工方法相结合。超声波加工与其它加工方法相结合。利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料时，时，速度低，工具损耗大速度低，工具损耗大。为了为了提高加工速度，提高加工速度，降低工具损耗，可采用降低工具损耗，可采用复合加工复合加工。比如：比如：采用超声波与电化学加工相结合的方法加采用超声波与电化学加工相结合的方法加工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，能极大的工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，能极大的提高加工速度和加工质量。提高加工速度和加工质量。超声波清洗的原理主要是利用超声波频振动在超声波清洗的原理主要是利用超声波频振动在液体中产生的液体中产生的交变冲击波交变冲击波和和空化作用空化作用。空化效应产生的空化效应产生的强烈冲击波，强烈冲击波，产生的产生的空化气泡空化气泡渗透到污物与被清洗部位表面之间，促使污物渗透到污物与被清洗部位表面之间，促使污物脱落；脱落；超声波清洗机超声波清洗机超声焊接是利用超声焊接是利用超声频振动作用超声频振动作用