医学教材 超声加工的基本原理和特点

超声加工

UltrasonicMachining声波是一种纵波，可以在气体、液体和固体介质中纵向(前进方向)传播，在传播过程中有反射、折射、共振和损耗等现象发生。声波传播速度c与波长

λ和频率f之间的关系为：c=λ

f人耳能感受的声波频率范围是16～16000Hz；频率超过16000Hz的纵波称为超声波。频率低于16Hz的声波即为次声波。UltrasonicMachining/USM1.超声加工的基本原理和特点一、超声波及其特性

那么，次声波为何会造成人员不流血却出现严重伤亡的现象呢?科学研究表明：人体的内脏，有其固有的振动频率，而这种频率也在0.01—20赫兹之间，也就是说，它和次声波的频率相似。这样一来，当外来的次声波不管是自然形成的，还是人为制造的，一旦它的振动频率与人体内脏的振动频率相同或接近时，就会引起各种脏器的共振，这一共振便会使人烦躁、耳鸣、头痛、失眠、恶心、视觉模糊、吞咽困难、肝胃功能失调紊乱；严重时，还会使人四肢麻木、胸部有压迫感。特别是与人的腹腔、胸腔和颅腔的固有振动频率一致时，就会与内脏、大脑等产生共振，甚至危及性命。一、超声波及其特性——次声波

次声波频率低、波长长，所以传播距离很远。次声波的另一个重要特性是有较强的穿透能力，既能穿透空气、海水、土壤，也能穿透飞机机体、舰艇壳件、坦克车体，以及坚固的钢筋混凝土构体。一、超声波及其特性超声波的主要性质：

1）超声波能传递很强的能量能量的大小以能量密度J（通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量）来衡量。振幅相同时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度都比空气中的声波高千万倍。2）超声波经过液体介质传播时，液体质点将以极高的频率振动，液体介质中连续形成压缩及稀疏区域，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象，在邻近的零件表面上产生破坏、分散、碎裂等效应ρ

弹性介质的密度，c弹性介质中的波速，A振幅，ω圆频率3）超声波通过不同介质时，界面上波速突变，产生波的反射和折射现象。能量发生的大小决定于两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积ρc称为波阻抗)，介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。一、超声波及其特性4）在一定条件下，超声波会产生波的干涉和共振现象。当超声波从弹性杆的一端向另一端传播时，会在杆的端部发生反射。入射波反射波振幅最大，波腹位置振幅为零，波节位置

超声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空化作用、液压冲击的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。二、超声加工的基本原理

空化作用：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，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。Simulation1）适合于加工硬脆材料；2）工具形状可以较复杂，而机床结构简单，操作方便；3）宏观切削力很小，所以工件被加工表面完整性较好。三、超声加工的特点Video传统的超声加工原理图振荡电路换能器变幅杆静压力工具磨料流工件振幅分布四、超声加工的历史与发展——加工技术的发展超声加工技术最早可追溯到1907年俄国人首次利用超声能量来加工玻璃；但直到1948年才由美国工程师LewisBalamuth获得世界上第一项超声加工专利。传统的超声加工(USM)：早期的超声加工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，但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。旋转式超声加工(RUM)：1964年英国原子能管理局的技术官员莱格(Legge)首次发明了旋转式超声加工(Rotaryultrasonicmachining)方法，采用烧结或镀金刚石的中空工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线高速旋转的旋转式超声加工，如图所示。RUM比一般超声波加工和磨削加工有更高的生产率和加工质量。RUM结合了传统金刚石磨削加工技术和USM技术，与USM相比有两大主要区别：1)RUM使用的磨粒固结在工具杆上，而USM中利用在工具杆端部和工件之间的游离于液体中的磨料对工件表面进行撞击而去除材料。2)RUM中工具杆在旋转的同时进行超声振动，而USM中工具杆只作超声振动。金刚石磨轮工件冷却液冷却液冷却液超声振动旋转四、超声加工的历史与发展——加工技术的发展旋转式超声加工原理图复合超声加工技术：随着新材料的出现和应用领域的扩大以及现代检测、控制技术的发展，近年来，各国研究者深入研究难加工硬脆材料的超声加工技术，研究内容涉及材料去除机理、加工质量和工具磨损机理研究、超声加工声学系统设计研究、新型复合加工机床设备研制等；特别是将超声加工技术与其他各种不同的传统加工技术和特种加工技术相结合，扬长避短，形成了硬脆材料新的超声复合加工技术：

1)超声加工技术与传统的机械加工技术相结合，如超声车削、超声钻削、超声磨削、超声抛光等

。

2)超声加工技术与其他特种加工技术相结合，如超声波辅助电火花加工、超声波辅助电镀、超声波辅助电解加工等

。四、超声加工的历史与发展——加工技术的发展2.超声加工设备及其组成部分一、超声波发生器超声发生器将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。基本要求：输出功率和频率在一定范围内连续可调；具有频率自动跟踪和自动微调功能；结构简单，工作可靠，价格便宜。二、声学部件声学部件的作用是把高频电能转变为机械能，使工具端面作高频小振幅振动以进行加工。声学部件由换能器、变幅杆和工具组成。VibrationengineBooster/HornTool二、声学部件换能器：将高频电振荡转换成机械振动。分压电式及磁致伸缩式。二、声学部件——换能器磁致伸缩换能器压电换能器二、声学部件——变幅杆(1)用来放大位移振幅(或振速)，或者把能量集中在较小的面积上即聚能作用。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的共振频率(即谐振频率)和外激振动频率相等，使之处于共振状态。(一)变幅杆的作用：(2)作为机械阻抗变换器，使换能器与声负载更好地匹配耦合，更有效地在换能器与声负载之间传递交换超声能量。(3)用来固定整个机械系统(在波节处固定)，从而尽可能地减少机械能量的损耗。(4)使换能器和工作媒质之间获得热学和化学上的隔绝。二、声学部件——变幅杆(二)变幅杆的性能参数

超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际应用中较为常用的是：共振频率(共振长度)，放大系数，形状因数等等。放大系数Mp是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数

是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，

值越大，所能达到的最大振动速度也越大；

二、声学部件——变幅杆(三)变幅杆的类型——单一变幅杆阶梯形变幅杆：设计制造最简单，当面积系数一定时，振幅放大系数最大，半波共振长度最短；但共振频率范围较小，受负载后放大倍数小，截面变化处应力较大。悬链形变幅杆：放大系数较大，输入阻抗特性最好；但制造困难，当放大倍数过大时，常因应力过大而损坏。指数形变幅杆：一般在大功率、高声强的状态下工作，工作性能稳定，振幅放大倍数相对较大，阻抗较容易匹配；但制造困难，放大系数小，截面变化不能过大，否则振动无法传播。圆锥形变幅杆：制造容易，共振长度长，频率稳定性好，机械强度大；但振幅放大倍数相对较小，半波共振长度最长。在选用变幅杆的类型时，应从三个方面来考虑，一是设计比较简单，容易获得较准确的设计数据；二是要注意制造的难易程度；三是要根据振动切削的具体要求，特别是放大倍数、工作稳定性、切削用量等来选择合适的变幅杆。二、声学部件——变幅杆(四)变幅杆的材料对材料的要求是：(1)在工作频率范围内材料的损耗小；(2)材料的疲劳强度高，而声阻抗率小，以获得较大的振动速度和位移速度；(3)易于机械加工。作液体处理应用时还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀。适合上述要求的金属材料有铝合金、铜镍合金，如硬质合金、铍青铜及钛合金等。钛合金的性能较好，但机械加工较困难，价格昂贵；铝合金加工容易，但抗超声空化腐蚀很差，钢损耗较大。二、声学部件——工具工具的形状和尺寸由被加工表面的形状和尺寸决定，它们之间相差一个“加工间隙”。DMG金刚石刀具三、机床超声波加工时，工具与工件间作用力很小，加工机床只须实现工具的工作进给运动及调整工具与工件间相对位置的运动，因此机床构造较简单，一般包括支撑振动系统的机架、工作台面、进给机构以及床身等部分。国产CSJ-2型超声加工机床是其中的代表，如图所示。其振动系统安装在一根能上下移动的导轨上，导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活可靠地上下移动。工具的向下进给以及对工件施加压力靠振动系统自重，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减的平衡重锤，除此之外，还有重锤杠杆加载、弹簧加载、液压或气压加载等加压方式。1-平衡重锤2-支架3-工作台4-工件5-工具6-悬浮液7-变幅杆8-换能器9-导轨10-标尺CSJ-2型超声加工机床

三、机床——DMG公司产品DMG公司Ultrasonic系列机床

三、机床——DMG机床在汽车工业的应用陶瓷刹车片硬质钢压铸模具Si3N4联轴器模具玻璃陶瓷反射镜陶瓷轴承陶瓷注塑喷嘴三、机床——DMG机床在半导体工业的应用硅制波型板硅制波型板架硅制螺杆硅制功能元件PC读/写头上的陶瓷滑块硅制热敏/冷敏元件三、机床——DMG机床在光学、医学上的应用玻璃/石英砂内窥镜透镜控制盘牙冠玻璃陶瓷镜架望远镜镜片三棱镜三、机床——国外超声加工机床RotaryCNCSeries10BedmillSonic-Mill超声磨削机床夫琅和费研究所三、机床——国外超声加工机床超音波加工机大阪大学产业科学研究所USM-100F20S-D超音波工业株式会社三、机床——国产超声加工机床CNC三轴精密自动钻孔台湾克硬企業有限公司经济型超声加工机无锡市超声电子设备有限公司3.超声加工工艺指标与影响因素除受机床、夹具精度影响外，主要由磨料粒度、工具制造精度及磨损状况、工具横向振动、加工深度、被加工材料性质决定。一、加工速度g/min,mm3/min影响因素：

1）工具的振幅与频率；

2）进给压力；

3）磨料的种类和粒度；

4）磨料悬浮液浓度；

5）被加工材料。二、加工精度三、表面质量

无烧伤及表面变质层，表面粗糙度较低。4.超声加工的应用一、传统超声加工型孔、型腔成形、切割加工等二、超声复合机械加工超声磨削、超声钻削、超声抛光、超声珩磨等三、超声与其他特种加工相复合超声电化学加工、超声电火花加工等四、超声清洗五、超声焊接ZrO2Al2O3一、传统超声加工

一、传统超声加工二、超声复合机械加工玻璃ZrO2超声磨削二、超声复合机械加工超声钻削超声清洗机基于超声频振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。强烈冲击波，直接使被清洗部位上的污物脱落下来；空化作用产生的空化气泡渗透到污物与被清洗部位表面之间，促使污物脱落；在污物被清洗液溶解的情况下，空化效应可加速溶解过程。四、超声清洗

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，粘接在一起。五、超声焊接超声焊接塑料:

用超声波去带动焊接头的高速振动，使两块塑料的接合面产生磨擦热，瞬间熔化接合。五、超声焊接不仅可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化股的铝制品等，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆薄层。由于超声焊接不需要外加热和焊剂，焊接热影响区很小，施加压力微小，故可焊接直径或厚度很小的（0.015-0.03）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。目前，大规模集成电路引线连接等，已广泛采用超声焊接。一、原理第二节水射流切割WaterJetCutting/WJC

二、设备和工具超高压水射流发生器（高压泵）数控加工平台数控系统喷嘴水射流切割是利用高压高速液流冲击工件，达到去除材料的目的；有时简称水切割，或俗称水刀。加工前三、应用刚开始加工的瞬间三、应用三、应用三、应用水刀与工厂自动化一项切割技术的新组合四、磨料水射流工艺四、磨料水射流工艺四、磨料水射流工艺ButterflyEffect

AlteredblownglassbyNoelHart2008

Waterjetcutglasspieces第三节离子束加工一、离子束加工的原理、分类和特点

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。IonBeamMachining，简称IBM

离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。（一）离子束加工的原理一、离子束加工的原理、分类和特点（二）离子束加工分类

1）离子刻蚀离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。

2）离子沉积离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。

3）离子镀离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。

4）离子注入离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。Video一、离子束加工的原理、分类和特点（三）离子束加工的特点

1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。

2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。

3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。

4）设备昂贵，加工成本高，应用受到一定限制。二、离子束加工装置

1）离子源；

2）真空系统；

3）控制系统；

4）电源。三、离子束加工的应用（一）刻蚀加工撞击、溅射过程集成电路及微电子器件刻蚀（二）离子束镀膜溅射沉积过程离子镀（三）离子注入半导体“掺杂”工艺

耐热玻璃的浮雕离子束刻蚀三、离子束加工的应用

在石英玻璃上刻蚀光栅离子束刻蚀三、离子束加工的应用

对铜质基体或锌铝合金等基体在真空条件下进行表面的改性处理，加镀不锈钢膜层以增强其耐磨损、耐腐蚀性和美观度。离子镀膜三、离子束加工的应用镀氮化钛离子镀膜三、离子束加工的应用