第7章 超声加工

7超声波加工技术

第一节超声加工的基本原理和特点

一.加工原理 超声波加工是利用振动频率超过20000Hz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，其加工原理如图7-1所示。图7-1超声波加工原理图

当工具以20000Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，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，磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“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，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。

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“复制”在工件上。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。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。

二、特点 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。

(2)由于工具材料硬度不高，故易于制造形状复杂的型孔。

(3)加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。表面粗糙度Ra值很小，可达0.2μm，加工精度可达0.05～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。

(4)加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。

(5)生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。第二节超声波加工装置

超声波加工装置如图所示。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，但一般都由高频发生器、超声振动系统(声学部件)、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成。

1、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。

2、声学部件 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杆，其作用是将振幅放大。

由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过0.005～0.01mm，而超声波加工却需要0.01～0.1mm的振幅，因此必须用上粗下细(按指数曲线设计)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7-3所示，加工中工具头与变幅杆相连，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45#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(略大于磨料直径)。图7-3几种形式的变幅杆

3、机床本体 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上的进给机构等。

4、磨料工作液及循环系统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。

第三节超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素

一、加工速度及其影响

加工速度是指单位时间内去除材料的多少，通常以g/min或mm3/min表示。超声加工的最大加工速度可达2000~4000mm3/min。

1、工具的振幅和频率的影响过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，可能超过它的疲劳强度而降低使用寿命，而且联结处的损耗也增大，因此一般振幅在0.01~0.1mm，频率在20000~25000Hz之间。实际加工中应调至共振频率，以获得最大的振幅。

2．进给压力的影响

压力过小，则工具末端与工件加工表面间的间隙增大，从而减弱了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会使工具与工件间的间隙减小，磨料和工件液不能顺利循环更新。都将降低生产率。一般而言，加工面积小时，单位面积最佳静压力可较大，例如采用圆形实心工具在玻璃上加工孔时，加工面积在5~13mm2范围内，最佳静压力约为400kPa，当加工面积在20mm2以上时，最佳静压力约为200~300kPa之间。

3．磨料的种类和粒度的影响

磨料硬度越高，加工速度越快。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，宜采用硬度较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的材料时，可采用碳化硅；加工玻璃、石英、半导体等材料时，用刚玉之类氧化铝作磨料即可。

4．磨料悬浮液浓度的影响

磨料悬浮液浓度低，加工间隙内磨料少，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，使加工速度大下降。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，磨料在加工区域的循环运动和对工件撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的质量比约为0.5~1左右。

5．被加工材料的影响

被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，因此越易被去除加工；反之韧性较好的材料则不易加工。如以玻璃的可加工性为100%，则锗、硅半导体单晶体为200%~250%，石英为50%，硬质合金为2%~3%，淬火钢为1%，不淬火钢小于1%

。

二、加工精度及其影响因素

加工精度影响因素很多，一般加工孔的尺寸精度可达±0.02~0.05mm。

1、孔的加工范围一般超声加工的孔径范围为0.1~90mm，深度可达直径的10~20倍以上。具体见表7-1。

2、加工孔的尺寸精度当工具尺寸一定时，加工出孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大，加工出孔的最小直径Dmin约等于工具直径Dt加所用磨料平均直径ds的两倍，即Dmin=Dt+2ds

表7-2是几种磨料粒度及其基本磨料尺寸范围。

240#~280#磨粒时，可达±0.05mm，采用W28~W7时磨粒时，可达±0.02mm或更高。

三、表面质量及其影响因素

超声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。超声加工的表面粗糙度也较好，一般可在Ra=1～0.1um之间。当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小时，则加工表面粗糙度将得到改善，但生产率则也随之降低。用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度改善。

第四节超声加工的应用

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、宝石、锗、硅甚至金刚石等。在实际生产中，超声波广泛应用于型(腔)孔加工(如图7-4所示)、切割加工(如图7-5所示)、清洗(如图7-6所示)等方面。图7-4超声波加工的型孔、腔孔类型一、型孔、型腔加工图7-5超声波切割加工二、切割加工三、复合加工1、超声电解复合加工三、复合加工2、超声电火花复合加工三、复合加工3、超声电解复合抛光图7-6超声波清洗装置四、超声清洗思考题1、超声加工时，下面哪种说法最正确？（1）工具整体在作超声振动