1、第八章第八章 超声波加工超声波加工 超声加工（超声加工（Ultrasonic Machining简称简称USM）有时也）有时也称超声波加工。电火花加工和电化学加工都只能加工金属称超声波加工。电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。脆硬材料，同时还可以用于清洗、
2、焊接和探伤等。一、超声波及其特性一、超声波及其特性声波是人耳能感受的一种纵波，它的频率在声波是人耳能感受的一种纵波，它的频率在1616000Hz范围内。当频率超过范围内。当频率超过16000 Hz超出一般人耳听觉范围，就称超出一般人耳听觉范围，就称为超声波。为超声波。超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中纵超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中纵向（前进方向）传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，向（前进方向）传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同介质中，超声波传播的速度
3、介质中，超声波传播的速度c亦不同（如亦不同（如c空气空气=331m/s；c水水=1430m/s；c铁铁=5850m/s），它与波长和频率之间的关系可用），它与波长和频率之间的关系可用下式表示：下式表示：fc=超声波主要具有下列特性：超声波主要具有下列特性：1）超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是）超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。因此，有时对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。因此，有时可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。量越强，则压力也越大。振动能量的
4、强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J来表示，单位为来表示，单位为W/cm2()221=AcJ 由于超声波的频率很高，其能量密度可达由于超声波的频率很高，其能量密度可达100W/cm2以以上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高固体中
5、的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。千万倍。2）当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压）当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件
6、表面上会使其破坏，引起固体物脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎等效应。质分散、破碎等效应。3）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种产生波的反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗。介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面介质的波阻抗。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。当超声波从液体或固体传入到空气时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近或者相反从空气传入液体或固体的情况下
7、，反射率都接近100%，因为空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播。，因为空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质，以消除件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质，以消除空气及因它而引起的衰减。空气及因它而引起的衰减。4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现）超声波在一定条件下，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，在杆的端象。当超声波从弹性杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着部
8、将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着同周期、同振幅、传播方向相反的两个波，这两个完全相同周期、同振幅、传播方向相反的两个波，这两个完全相同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。当杆长符同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，其振幅为零（为波节），而另一些点振幅最大，其振幅为其振幅为零（为波节），而另一些点振幅最大，其振幅为原振幅的两倍（为波腹）。原振幅的两倍（为波腹）。为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，应将弹性杆设为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，应将弹性杆设计成半波长的
9、整数倍；而固定弹性杆的支持点，应该选在计成半波长的整数倍；而固定弹性杆的支持点，应该选在振动过程中的波节处，这一点不振动。振动过程中的波节处，这一点不振动。二、超声波加工的原理二、超声波加工的原理超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。加工原理如图所示。浮液加工脆硬材料的一种成型方法。加工原理如图所示。加工时，在工具加工时，在工具1和工件和工件2之间加入液体（水或煤油等）和之间加入液体（水或煤油等）和磨料混合的悬浮液磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力，并使工具以很小的力F轻轻压在工件轻轻压在工件上。超声换能
10、器上。超声换能器6产生产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到借助于变幅杆把振幅放大到0.050.lmm左右，驱动工具端左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上被打击下来。料粉碎成很细的微粒，从工件上被打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达次数多达16000次以上，所以仍有
11、一定的加工速度。与此次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和变的液压正负冲击波和“空化空化”作用，促使工作液钻入被作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓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，在工作液体内件表面时，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，当工具端面以很大的加速度接近工件表面形成很多微空腔，当
12、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，可以强化加工过程。时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞由此可见，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的综合结果，其中磨粒的撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。击作用是主要的。超声加工是基于局部撞击作用，越是脆硬的材料，受撞超声加工是基于局部撞击作用，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。相反，脆性和硬度击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓
13、冲作用而难以加工。不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。三、超声加工的特点三、超声加工的特点(1)适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的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、非金属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。也可以加工金刚石等。也可以加工导电的硬质金属材料如导电的硬质金属材料如淬火钢和淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。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，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相对运动。因此超故不需要使工具和工
14、件作比较复杂的相对运动。因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。操作、维修方便。(3)加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。表加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。表面粗糙度面粗糙度Ra值很小，可达值很小，可达0.1m，加工精度可达，加工精度可达0.010.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。(4)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。四、四、超声波加工设备超声波加工设备 超声加工设备又称超声加工装置，它们的功率大小超
15、声加工设备又称超声加工装置，它们的功率大小和结构形状虽有所不同，但其组成部分基本相同，一般和结构形状虽有所不同，但其组成部分基本相同，一般包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。液循环系统。超声发生器（超声电源）超声发生器（超声电源）超声振动系统包括超声换能器、变幅杆（振幅扩大棒）、工具超声振动系统包括超声换能器、变幅杆（振幅扩大棒）、工具 机床本体包括工作头、加压机构及工作进给机构、工作台及其机床本体包括工作头、加压机构及工作进给机构、工作台及其位置调整机构位置调整机构 工作液及循环系统和换能器冷却系统工作液及循环系统和换能
16、器冷却系统 包括磨料悬浮液循环系统、包括磨料悬浮液循环系统、换能器冷却系统换能器冷却系统1.超声发生器超声发生器2.超声发生器也称超声波或超声频发生器，其作用是超声发生器也称超声波或超声频发生器，其作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。其基本提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。其基本要求是：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能要求是：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要求结具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要
17、求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。超声加工用的超声频发生器，由于功率不同，有电子超声加工用的超声频发生器，由于功率不同，有电子管的，也有晶体管的，且结构大小也很不同。大功率的（管的，也有晶体管的，且结构大小也很不同。大功率的（1 kW以上）超声频发生器，过去往往是电子管式的，但近年以上）超声频发生器，过去往往是电子管式的，但近年来逐渐有被晶体管取代的趋势。来逐渐有被晶体管取代的趋势。2.声学部件声学部件 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，使工具端面作高频率小振幅的振动以进行加工。它是超声波加工机
18、床面作高频率小振幅的振动以进行加工。它是超声波加工机床中很重要的部件。声学部件由换能器、变幅杆（振幅扩大棒）中很重要的部件。声学部件由换能器、变幅杆（振幅扩大棒）及工具组成。及工具组成。换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动，目前实换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动，目前实现这一目的可利用压电效应和磁致伸缩效应两种方法。现这一目的可利用压电效应和磁致伸缩效应两种方法。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的变幅杆
19、放大振幅。变幅杆应用幅，因此必须用上粗下细的变幅杆放大振幅。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。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8-2所示，加工中工具头与变幅所示，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，如性材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损
20、。工具的钢，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(略大于磨料直径略大于磨料直径)。(a)锥形(b)指数形(c)阶梯形图8-2 几种形式的变幅杆 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。效果较好
21、而又最常用的工作液是水，为了提高表面质量，效果较好而又最常用的工作液是水，为了提高表面质量，有时也用煤油或机油作工作液。有时也用煤油或机油作工作液。常用的磨料有碳化硼、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。粗糙度及生产率的要求。四、超声波加工的应用四、超声波加工的应用超声波加工的生产率虽然比电火花、电解加工等低，但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
22、加工半导体、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石等。在实际生产中，超声波广泛应用于型(腔腔)孔加工孔加工(如图如图8-3所示所示)、切割加工、切割加工(如图如图8-4所示所示)、清洗、清洗(如图如图8-5所示所示)等方面。等方面。在超声加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时，加工速在超声加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时，加工速度较低，工具损耗较大。为了提高加工速度及降低工具损耗，度较低，工具损耗较大。为了提高加工速度及降低工具损耗
23、，可以把超声加工和其它加工方法相结合进行复合加工。例如可以把超声加工和其它加工方法相结合进行复合加工。例如采用超声与电化学或电火花加工相结合的方法来加工喷油嘴、采用超声与电化学或电火花加工相结合的方法来加工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，可以大大提高加工速度和质量。喷丝板上的小孔或窄缝，可以大大提高加工速度和质量。图8-3 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)套料加工(e)加工微细孔图8-4 超声波切割加工 123454321(a)超声切割单晶硅片示意图1变幅杆；2工具(薄钢片)；3磨料液；4工件(单晶硅)(b)刀具1变幅杆；2焊缝；3铆钉；4导向片；5软钢刀片(c)切割成的陶瓷模块图8-5 超声波清洗装置1234567891清洗槽；2变幅杆；3压紧螺钉；4压电陶瓷换能器；5镍片()；6镍片()；7接线螺钉；8垫圈；9钢垫块
