醫(yī)學教材 超聲波加工

第二章超聲波加工

超聲波加工有時也稱超聲加工(UltrasonicMachining)。超聲波加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導體鍺、硅片等不導電的非金屬脆硬材料，同時還可以應用于清洗、焊接、探傷、測量、冶金等其他方面。第一節(jié)超聲波加工的基本原理和特點

一、超聲波及其特性“超聲波”這個名詞術語，用來描述頻率高于人耳聽覺頻率上限的一種振動波，通常是指頻率高于16kHz以上的所有頻率。超聲波的上限頻率范圍主要是取決于發(fā)生器，實際用的最高頻率的界限，是在5000MHz的范圍以內。在不同介質中的波長范圍非常廣闊，例如在固體介質中傳播時，頻率為25kHz的波長約為200mm；而頻率為500MHz的波長約為0.008mm。

超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質中傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。在不同的介質中，超聲波傳播的速度c亦不同;例如c空氣=331m／s；c水~=1430m／s；c鐵=5850m／s。速度c與波長λ和頻率，f之間的關系可用下式表示：（2-1）超聲波具有下列主要性質：

(1)超聲波能傳遞很強的能量超聲波的作用主要是對其傳播方向的物體施加壓力(聲壓)。因此，可用這個壓力的大小表示超聲波的強度，傳播的波動能量越強，則壓力越大。振動能量的強弱，用能量密度來衡量。能量密度就是通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號J來表示，單位為W／cm2

（2-2）式中ρ——彈性介質的密度(kg／m3)；

c——彈性介質中的波速(m／s)；

A——振動的振幅(mm)；

ω——圓頻率(rad／s)，ω=2πf。由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達100W／m2以上。超聲波在液體或固體中傳播時，由于介質密度ρ和振動頻率f比空氣中傳播聲波時高許多倍，因此同一振幅時，液體、固體中的超聲波強度、功率、能量密度要比空氣中的聲波高千萬倍。(2)超聲波的空化作用當超聲波經過液體介質傳播時，將以極高的頻率壓迫液體質點振動，在液體介質中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域。由于液體介質的不可壓縮性，由此產生正、負交變的壓力變化。由于這一過程時間極短，液體中的氣體在此脈沖壓力作用下，會破開，發(fā)生沖擊波，局部產生極大的沖擊力、瞬時高溫、物質的分散，破碎及各種物理化學作用。圖2-1為超聲波作用于液體時產生的流動，圖a是為便于觀察，在液體中加入鋁粉后拍攝的圖片。(3)超聲波的反射、透射、折射超聲波通過不同介質時，在界面發(fā)生波速突變，產生波的反射、透射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質的波阻抗(密度與波速的乘積ρc稱為波阻抗)。二、超聲波加工的基本原理

超聲波加工是利用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法，加工原理如圖2-5所示。加工時，在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13，同時使工具以一定的力作用在工件上。超聲換能器1產生16kHz以上超聲波的縱向振動，并通過變幅桿4(連接換能器錐體6)把振幅放大到0.05-0.1mm。驅動工具端面作超聲振動，迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的加速度和速度不斷地錘擊、沖擊被加工表面，使工件材料被加工下來。與此同時，工作液受工具端面的超聲振動作用而產生的高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化”作用，加劇了機械破壞‘作用。

超聲加工是基于局部的撞擊作用，因此就不難理解，愈是脆硬的材料，受到的破壞愈大。相反，脆性和硬度不大的韌性材料則難以加工。因此，可以選擇合理工具材料，如用45鋼就是一種比較理想的超聲加工工具。

三、超聲波加工的特點

1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導電的硬質金屬材料，如淬火鋼、硬質合金等，也能進行加工，但加工生產率較低。

2)由于工具可用較軟的材料，做成較復雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復雜的相對運動，因此超聲加工機床的結構比較簡單，操作、維修方便。3)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時的局部撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較低，可達Ra=1—0．1μm，加工精度可達0．01—0．02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。

第二節(jié)超聲波加工設備

超聲波加工設備又稱超聲加工裝置，它們的功率大小和結構形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)。其主要組成如下：一、超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器的作用是將工頻交流電轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩，以提供工具端面往復振動的機械能。其基本要求是：可靠性好、效率高、結構簡單、成本低；其次是功率和頻率在一定范圍內連續(xù)可調，對共振頻率有自動跟蹤和自動微調功能。

二、超聲波換能器

超聲波換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設備利用超聲波換能器的作用，將超聲波發(fā)生器產生的超聲頻電能轉換為機械振動。實現(xiàn)這一目的有兩種方法，即壓電效應和磁致伸縮效應。

(一)壓電效應超聲換能器

在1880年，JCurl、PCurie發(fā)現(xiàn)了壓電效應。1881年證實了壓電效應是可逆的。根據(jù)這一原理，1917年PLanqevin用石英制成了超聲波發(fā)生器?，F(xiàn)在超聲技術中廣泛應用的壓電材料是人工燒制的多晶壓電陶瓷。這些壓電陶瓷不僅價格低廉，而且其主要性能比石英強得多。(二)磁致伸縮效應換能器

磁致伸縮換能器是基于某些鐵磁材料及鐵氧體陶瓷材料所具有的磁致伸縮效應而制成的一種機聲轉換器件。傳統(tǒng)的磁致伸縮材料包括金屬磁致伸縮材料，如鎳、鋁鐵合金、鐵鈷釩合金、鐵鈷合金以及鐵氧體材料等。由于磁致伸縮換能器的機電轉換效率較低，而且其激勵電路較復雜。磁致伸縮換能器的應用范圍已經很小，

磁致伸縮效應

磁致伸縮換能器是利用磁致伸縮效應來實現(xiàn)機電轉換的。磁致伸縮效應可以通過圖2-22和圖2-23加以說明。圖中一個鐵磁材料棒和一個線圈組成了簡單的回路。當電流流過線圈時，在磁性材料棒中產生磁場，并使磁棒磁化。根據(jù)磁學原理，磁棒中將產生一定的應力和應變。這一過程是可逆的，即當在磁化了的磁棒兩端施加應力或應變時化，從而在線圈中產生電壓。三、超聲波變幅桿超聲波變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)工作過程中，由超聲換能器輻射面所產生的振動幅度較小，當工作頻率在20kHz范圍內超聲換能器輻射面的振幅只有幾微米，而在超聲加工、超聲焊接、超聲搪錫、超聲破壞細胞、超聲金屬成型(包括超聲冷拔管絲和鉚接)等大量高強度超聲應用中所需要的振幅大約為幾十至幾百微米，所以必須借助變幅桿的作用將機械振動質點的位移量和運動速度進行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產生聚能作用。圖2-29所示是常見變幅桿類型。變幅桿可以制成單一形狀的，如指數(shù)形、懸鏈形、圓錐形、階梯形；還可以制成復合形狀，如圓柱形復合、圓錐形復合、高斯形變幅桿、傅里葉形變幅桿等。必須注意，超聲加工時并不是整個變幅桿和工具都在作上下高頻振動，它和低頻或工頻振動的概念完全不一樣。超聲波在金屬桿內主要以縱波形式傳播，引起桿內各點沿波的前進方向一般按正弦規(guī)律作往復振動，并以聲速傳導到工具端面，使工具端面作超聲振動。四、超聲波加工機床超聲波加工機床一般比較簡單，它的主要部件是：聲學組件、工具進給機構、磨料輸送系統(tǒng)、超聲發(fā)生器、加工壓力調整機構。圖2-33為一般超聲加工機床。圖2-33中4、5、6為聲學組件，安裝在一根能上下移動的導軌上，導軌由上下兩組滾動導輪定位，使導軌能靈活精密地上下移動。工具的向下進給及對工件施加壓力靠聲學組件的自重，為了能調節(jié)壓力大小，在機床后部可改變．平衡砝碼的重量，也有采用彈簧或液壓等其他方法。圖2-34為高效超聲加工機床。五、磨料懸浮液

磨料懸浮液由液體(稱為工作液)及懸浮于其中的磨料組成，是超聲加工中起切削作用的部分。磨料懸浮液的循環(huán)流動對生產加工質量有較大的影響。1．磨料超聲加工中常用的磨料有：氧化鋁、碳化硼、碳化硅、金剛砂。2．工作液。工作液的空化作用對超聲加工是非常重要的。工作液還起著傳遞振動、冷卻(有效地帶走切削區(qū)的熱量)、輸送磨料、清除鈍化的磨料和切屑等作用。常用的工作液為水。為了提高表面質量，有時也使用煤油或機油。3．循環(huán)系統(tǒng)磨料懸浮液的循環(huán)系統(tǒng)不斷更新加工區(qū)的磨料懸浮液、帶走鈍化的磨料和切屑及冷卻切削區(qū)等作用。小型超聲加工機床的磨粒懸浮液更換及輸送一般都是用手工完成的。若用泵供給，則能使磨粒懸浮液在加工區(qū)內良好循環(huán)。若工具及變幅桿較大，可以在工具與變幅桿中間開孔，從孔中輸送懸浮液，以提高加工質量。第三節(jié)超聲波加工速度、加工精度、表面質量及其影響因素

一、超聲波加工速度及其影響因素加工速度又稱材料去除率，是指單位時間內去除材料的多少，單位用g／min或mm3／min表示。影響加工速度的主要因素有：工具振動頻率、振幅、工具和工件之間的靜壓力、磨料的種類和粒度、懸浮液的濃度、供給及循環(huán)方式、工具與工件材料、加工面積和深度等。(1)工具的振幅和頻率的影響一般認為隨振幅的增大和頻率的提高使加工速度增加；但這樣會降低聲學系統(tǒng)的使用壽命，同時表面粗糙度也增大。因此，在超聲加工中；一般控制振幅在0．01~0．1mm，頻率在16—25kHz之間。(2)磨粒直徑的影響在磨粒尺寸對速度關系曲線中有一極限值，即使很粗的粉末亦會產生速率的下降(圖2—35)。然而，最佳的尺寸可用工具振動的振幅來控制。在磨粒尺寸與振幅大小類似時，就達到了最佳條件。顆粒尺寸對表面粗糙度的影響很大。尼皮勒斯和福斯克特用玻璃和碳化鎢作工件材料取得的數(shù)據(jù)表明，孔的底面比側面要光潔，其理由可能是射束耙磨粒向下吸人切削區(qū)域時，就在側面上留下了痕跡。

磨粒的大小，決定了超聲波加工中型腔輪廓的精度。由于磨料沿著孔的側面向工具的底面流動，所以加工出的孔要比工具大些。為了獲得精確和良好的表面粗糙度，最好是使用一套工具和不止一種尺寸等級的磨料，其等級如下：

1級小于實際尺寸的工具，高的頻率，粗的磨粒。

2級小于實際尺寸的工具，高的頻率，較細的磨粒。

3級與實際尺寸一樣大小的工具，低的頻率，很細的磨粒。(3)施加靜載荷的影響切削速度隨作用在工具上的靜載荷的增加，而達到最大值。如圖2-35所示，極值點隨著振動的振幅和工具的橫截面積的變化而移動。實驗發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度很少受到靜載荷的影響。與預期的相反，用高的載荷沒有產生較大的表面粗糙度。實際上，由于高載荷把顆粒壓碎成小粒度，故表面粗糙度得到改善。(4)懸浮液、工具材料和工件材料的影響增加懸浮液的濃度可以提高切削速率。尼皮勒斯和福斯克特已經提出了材料和磨料特性對材料切除速率的影響的詳細資料。尼皮勒斯進一步確定了，當懸浮液混合物的磨料和水的體積分數(shù)為30％—40％時，就產生飽和現(xiàn)象(圖2—36)。實驗結果指出，材料切除速率隨粘度的增加而急劇下降。懸浮液壓人切削區(qū)的壓力，對材料切除速率有顯著的影響。彭特蘭觀察到在超聲波鉆孔時，隨著改善懸浮液的循環(huán)，可使金屬切除速率成倍地增長。增大壓送懸浮液的壓力，材料切除速率甚至可增加十倍。工具表面的形狀，也影響切削速率的最大值。窄的矩形工具，比相同的橫截面積的正方形工具會產生更大的最大切削速率。梅特耳金(Metelkin)的研究結果指出，用圓錐形的工具來取代柱形的工具，切削速率增加50％。工件材料的脆性，在確定切削速率方面是重要的。脆性的非金屬材料，可用比韌性材料更高的切削速率切割。二、超聲波加工精度及其影響因素

超聲加工的精度，除受機床、夾具精度的影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及磨損情況、工具的橫向振動、加工深度、工件材料性質有關。一般孔的尺寸精度達±(0.02~0.05)mm。

(1)孔的加工范圍在通常加工速度下，超聲加工最大孔徑和所需的功率之間的關系見表2-8。一般超聲加工孔徑范圍約為0.1-90mm，長徑比可達10—20以上。(2)孔的加工精度當工具尺寸一定，加工出孔的尺寸比工具尺寸有所擴大，擴大量約為磨粒直徑的兩倍，加工出孔的最小直徑Dmin=Dt十2de，Dt為工具直徑；de為磨粒平均直徑。超聲加工圓孔時，其形狀誤差主要有錐度和圓度。錐度是由于工具的磨損產生的，其大小與工具磨損量有關，如圖2—37所示。工具磨損是在超聲加工過程中，因工具也同時受到磨粒的沖擊和空化作用而產生的。實踐表明，當采用碳鋼或不淬火工具鋼制造工具時，磨損較小，制造容易，且疲勞強度高。圓度大小與工具橫向振動大小和工具沿圓周密損不均勻有關。如果采用工具或工件旋轉的方法，可以提高孔的圓度和生產率。(3)超聲加工的缺點超聲加工的主要缺點是其切削速度比較低，圓柱形孔深度以工具直徑的5倍為限。工具的磨損使鉆孔的圓角增加，尖角變成了圓角，這意味著為了鉆出精確的不通孔，更換工具是很重要的。由于進入工具中心處的有效磨粒較少，因懸浮液的分布不適當，使型腔往往不能加工得很平。有時由于工具橫截面的形狀，使重心不在中心線上而產生強烈的橫向振動，故加工表面的精度有所降低。第四節(jié)超聲波加工材料去除機理超聲波加工是一個復雜的過程，其材料去除率受許多加工參數(shù)的影響。超聲波材料加工機理和材料去除率模型，主要可以概括為：

1)磨料顆粒的直接錘擊作用，導致工件材料去除和磨料顆粒破碎。

2)自由運動的磨料顆粒以一定速度沖擊工件表面造成的微裂紋。

3)磨料懸浮液空化作用對工件表面的腐蝕。

4)伴隨流體產生的化學作用。上述機理的單一或復合作用在工件上形成材料去除，主要通過剪切、裂紋(對于硬的材料)、工件表面材料的移位(非移除，塑性變形)等形式去除，上述效果可以在同一加工表面上同時發(fā)生，如圖2—38所示。第五節(jié)超聲波加工的應用超聲加工雖然生產率較低，但其加工精度、表面粗糙度都比較好，而且能加工半導體、非導體的脆硬材料如玻璃、石英、寶石、玉石、鎢及合金、瑪瑙、金剛石等，除此之外，如寶石軸承、拉絲模、噴絲頭還可以用于超聲拋光、光整加工、復合加工，也可用于清洗、焊接、醫(yī)療、電鍍、冶金等許多方面，

超聲加工目前在各工業(yè)部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔等，如圖2-39所示。一、型孔、型腔加工二、切割加工

用普通機械加工切割脆硬的半導體材料是很困難的，采用超聲切割則較為有效。圖2-40為用超聲加工法切割單晶硅片示意圖。用錫焊或銅焊將工具(薄鋼片或磷青銅片)焊接在變幅桿的端部。加工時噴注磨料液，一次可以切割10—20片。

圖2-41所示為成批切槽(塊)刀具，它采用了一種多刃刀具，即包括一組厚度為0.127mm的軟鋼刃刀片，間隔1.14mm，鉚合在一起，然后焊接在變幅桿上。刀片伸出的高度應足夠在磨損后可作幾次重磨。在最外邊的刀片應比其他刀片高出0.5mm，切割時插入坯料的導槽中，起定位作用。加工時噴注磨料液，將坯料片先切割成1mm寬的長條。然后將刀具轉過90°，使導向片插入另一導槽中，進行第二次切割以完成模塊的切割加工。三、超聲清洗超聲清洗的原理主要是基于超聲頻振動在液體中產生的交變沖擊波和空化作用。超聲波在清洗液(汽油、煤油、酒精、丙酮或水等)中傳播時，液體分子往復高頻振動產生正負交變的沖擊波。當聲強達到一定數(shù)值時，液體中急劇生長微小空化氣泡并瞬時強烈閉合，產生的微沖擊波使被清洗物表面的污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來。即使是被清洗物上的窄縫、細小深孔、彎孔中的污物，也很容易清洗干凈。

所以，超聲振動被廣泛用于噴油嘴、噴絲板、微型軸承、儀表齒輪、手表整體機芯、印刷電路板、集成電路微電子器件的清洗，可獲得很高的凈化度。圖2-43為超聲清洗裝置示意圖。圖2-44為超聲波清洗機，采用整體式結構，外形美觀，操作簡單。適合小零件小批量清洗。適用于鏡片、硅片、半導體、線路板、眼鏡、玻璃瓶罐、首飾等的清洗。四、焊接加工超聲焊接的原理是利用超聲頻振動作用去除工件表面的氧化膜，顯露出新的本體表面，在兩個被焊工件表面分子的高速振動撞擊下，摩擦發(fā)熱并親和粘接在一起。它不僅可以焊接尼龍、塑料，以及表面易生成氧化膜的鋁制品等，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆熔化的金屬薄層。圖2-45為超聲焊接示意圖。可以用超聲焊接的某些成對金屬，亦即某些金屬在超聲作用下擴大了焊接性。圖2—46為高精密型超聲波焊接機。

五、超聲波處理

超聲處理指利用超聲能量使物質的一些物理、化學、生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變，或者使這種改變的速度變化的過程。1、冶金在冶金工業(yè)中，超聲波主要應用于控制結晶過程，增加擴散和分散作用以改善材料的性能。其中最顯著的作用是晶粒細化。2．乳化超聲波的機械攪拌和空化作用能使油和水混合在一起，這種現(xiàn)象稱之為乳化。超聲乳化指利用超聲的空化效應把兩種互不相溶的液體互相分散成均勻乳濁液的工藝過程。這種工藝在農藥制取、油水混合成乳化液等方面有廣泛的應用。在冶金學中，一些合金是非熔成合金，重金屬相和輕金屬相各自保持粗粒狀態(tài)。注入超聲波后，也起類似乳化作用，把這些不同相金屬細密地混合在一起，圖2-47是鋁-鉛在超聲波處理前后的合金組織。同樣，超聲波可以使石墨分散在銅中。3．超聲搪錫超聲搪錫是利用超聲在熔融的錫液中產生的空化作用，使浸于錫液中的金屬表面的氧化層被剝碎去除并被聲流帶走，使錫液能更牢固地與潔凈的金屬表面均勻附著的一種工藝過程。很多待焊的金屬表面都有一層氧化膜，這給焊接或搪錫造成很大困難。傳統(tǒng)的搪錫方法是先進行表面處理，工藝復雜且成本高、效率低、質量難以保證。超聲搪錫比較容易地解決了這一難題。在熔化了的錫液中引入超聲振動，利用超聲空化效應的作用，就可以達到高質量搪錫的目的。4．超聲粉碎在超聲的作用下，使液體中的固體顆?；蛏锝M織等破碎的過程叫超聲粉碎。超聲粉碎裝置由超聲頻電源、換能器、變幅桿和工作槽組成。在強超聲振動下，由于超聲空化和聲流的共同作用，液體中的固體顆?；蛏锝M織被破碎并在液體中擴散。

超聲粉碎一般采用較低的超聲振動頻率和較高的聲強度，保證被處理物質不變質，且易于產生空化。低頻高聲強帶來的問題是噪聲大，因此，為了降低噪聲對周圍環(huán)境的影響，有些超聲粉碎處理需要加消聲裝置，如在消聲箱中進行處理等。超聲粉碎在化工、醫(yī)藥、生物等領域有較多的應用。例如用超聲粉碎染料，比一般機械磨碎法所得的顆粒更小、更均勻，提高了染色質量；在膠體感光乳濁液中，用超聲粉碎溴化銀微粒，可以制得微粒更細的感光膠片。超聲粉碎細胞在生物學的某些研究中有重要意義。5．超聲霧化在超聲的作用下，液體在氣相中分散而形成微細霧滴的過程稱為超聲霧化。

6．超聲凝聚當超聲通過有懸浮粒子的流體媒質時，懸浮粒子開始與媒質一起振動，但二者的振幅和相位都不相同。由于大小不同的粒子具有不同的相對振動速度，粒子將會相互碰撞、粘合，體積和重量都變大。另外由于粒子變大不能跟隨聲振動運動，而是做無規(guī)則運動，繼續(xù)碰撞、粘合、變大，最后沉降下來，這就是超聲凝聚的大體過程。7、超聲除氣在超聲振動的作用下，溶于液體中的氣體形成空化泡，這些微小氣泡在聲波的低壓區(qū)釋放出來，與附近的其他氣泡合并變成較大的氣泡。這些氣泡將移動到攪動小的區(qū)域，在那里再產生合并，生長并聚合成更大的氣泡。當這些氣泡達到一定大小后即上升到液體表面。這就是超聲除氣的作用機理。

超聲除氣常被用來清除液態(tài)玻璃中的氣體。把熔化的玻璃溫度維持在1350℃，然后在冷卻時用超聲輻射30min即可達到除氣的目的。此方法已用于制造結構完全均勻的光學玻璃的工藝過程中。超聲除氣被用在化工和其他一些行業(yè)中，對各種粘度不同的液體進行除氣處理。在除氣過程中，不會引起溶液的物理或化學性質的變化，是比較理想的除氣方法，超聲除氣在感光化工中的應用就是一個很好的例子。感光材料的彩色乳劑及保持膜(明膠)都是粘性大、易產生氣泡的溶液。溶液中如有氣泡存在，底片上就會出現(xiàn)一個沒有涂上乳劑的白點，膠片拍成電影映在銀幕上時，圖像要放大240倍，一個針尖大小的白點都會對膠片質量造成很大的影響。采用超聲除氣工藝在彩色涂片流水線中對流動著的乳劑進行除氣處理，取得了很好的效果，既保證無氣泡，又不影響底片的照相性能，并且提高了工效，節(jié)約了能源等成本。超聲除氣可以用于對熔融金屬、液態(tài)玻璃等除氣，以減少其在凝固過程中形成的孔隙。8．超聲加速過濾超聲加速過濾指在待過濾的液體中引入強超聲，能夠提高液體通過多孔濾網的效率。在待濾液體中引入強超聲，液體中質點運動被加速，濾網因超聲的作用也產生振動，這種振動使被過濾的液體中的分子團比較難于粘連在網孔邊沿上，從而減少膜上的沉積物，減輕了阻塞，達到提高過濾效率的目的。其裝置原理如圖2—54所示。人們在過濾很多污油等液體時，常用超聲振動裝置來加速過濾速度。如過濾臟馬達油和煤油懸浮液時，加以超聲振動能大大提高過濾速度。9．超聲振動篩超聲振動篩指篩分各種細小固體顆粒物的振動篩作業(yè)過程中同時進行超聲振動的設備系統(tǒng)。超聲振動篩是在原有振動篩網的中心引入一個超聲振動源。超聲振動系統(tǒng)由超聲頻電源、換能器、變幅桿和控制系統(tǒng)組成;該系統(tǒng)將超聲振動傳遞給篩網的經緯線，使篩網進行低幅高頻機械振動。這種高頻低幅振動使超微細粉粒接受巨大的超聲加速度，從而抑制粘附、摩擦、平降、楔人等堵網因素，提高篩分效率和清網效率。超聲篩分不產生對粉體的污染；保持網格尺寸或不產生清網時間；篩分精度穩(wěn)定；改善低密度粉粒在重力沉降中的平降、滑移效應，改善高密度金屬在網口的滯留或楔人，改善帶靜電粉體的粘附效應，從而提高篩分效率和篩分質量；設備投資較小.10．超聲陳化酒的陳化時間一般長達幾年乃至十幾年，用超聲處理可以大大縮短陳化時間。對一般酒類，用超聲處理10min相當于縮短一年的陳化時間。生產啤酒時用超聲處理還能節(jié)約原料，如在50℃時用175kHz的超聲處理30min，酒花的用量可節(jié)省三分之一。用超聲處理合成香料能縮短生產周。11．超聲疲勞試驗金屬材料在重復或交變載荷的作用下，會由于疲勞而破壞。金屬材料承受重復或交變載荷而不被破壞的能力，稱為該材料的疲勞強度或耐疲勞強度。金屬材料的疲勞強度不僅與材料的性質有關，而且與許多工藝因素、結構和使用因素有關。材料的疲勞強度都是通過試驗來確定的。利用超聲測定材料疲勞強度的試驗就是超聲疲勞試驗。12．聲懸浮技術聲和超聲懸浮是在20世紀70年代以后才迅速發(fā)展起來的新技術，指利用強駐波聲場中的輻射壓力，使懸浮物體穩(wěn)定懸浮在聲場中或在空中移動的技術，其原理如圖2-57所示?；钊曉囱b在長圓管下部，在活塞輻射面的對面設置有反射器，在其間建立駐波聲場，輻射面與反射面相距為半波長的整數(shù)倍。當聲場中的輻射壓力與物體的重力相對平衡時，物件即懸浮在空間。如果改變反射器的距離或振動器的頻率，則可以移動物體在空間的位置。三軸聲懸浮裝置可實現(xiàn)懸浮液滴的振蕩，也可實現(xiàn)懸浮體的聲致旋轉。超聲懸浮技術有鮮明的特點，聲懸浮技術可懸浮任何材料，包括磁性和非磁性體，導體和絕緣體；定位方便、穩(wěn)定，不容易失控；可以方便地實現(xiàn)樣品的輸送，如從高溫區(qū)輸送到低溫區(qū)；能使樣品旋轉、振動和變形，有利于樣品保持球形、脫氣、表面涂敷和材料的分選；利用空化效應，可以使材料混合破碎和霧化等。

聲懸浮無容器技術是一種新的獨特的材料加工技術，也是科學研究的新手段，在物理學、流體力學及生物學等領域都有廣泛的應用。利用聲懸浮技術可以實現(xiàn)一種無明顯機械接觸的理想實驗環(huán)境，消除容器對所制備材料的污染，得到純度很高的材料；有些材料的性質不能在容器中測量，如過冷和過熱液體、過飽和溶液、高純度或高活性物質等，其表面張力、粘度等在無容器條件下測量是合適的。此外，空化還兼有乳化作用，可使晶粒變細；用于材料的外形或表面加工，可以得到球、片和絲等形狀的材料，可以進行表面涂敷等。第六節(jié)超聲振動切削加工一、振動切削概述

振動切削的實質是在傳統(tǒng)的切削過程中給刀具或工件加上某種有規(guī)律的振動，使切削速度、進給量、切削深度按一定規(guī)律變化。振動切削改變了工具與工件之間的空間--時間存在條件(關系)，從而改變了加工(切削)機理，達到減小切削力、切削熱，提高加工質量和效率的目的。

(一)振動切削的分類

(1)按振動性質分可分為自激振動切削和強迫振動切削兩種。自激振動切削是利用切削過程中產生的振動進行切削的。如柴油機缸套內孔的波紋形孔面的加工。強迫振動切削是利用專門設置的振動裝置，使刀具(或工件)產生某種有規(guī)律的可控振動。(2)按振動頻率分可分為高頻振動切削和低頻振動切削兩種。振動頻率在200Hz以下的振動切削稱為低頻振動切削。低頻振動切削的振動主要靠機械裝置來實現(xiàn)。而高頻振動切削是指頻率高于16kHz以上，是利用超聲波原理實現(xiàn)的。所以又稱超聲振動切削。而頻率在10kHz左右的振動是一種令人生厭的噪聲，所以一般不采用。

(3)按刀具振動方向分可分為吃刀抗力方向、進給抗力方向和主切削力方向的三種切削，如圖2-58所示。

(二)振動切削的工藝效果(1)切削力小振動切削時，切削速度的大小和方向產生周期性的變化.刀具在每一個振動周期內純切削時間tc非常短，被加工材料在局部微小體積內物理、力學性能發(fā)生重大變化。在振動影響下，摩擦因數(shù)大大降低，僅為普通切削的1／10左右，使超聲振動切削力下降到普通切削的1／2-1／10。大幅度地降低了切削力。

(2)切削溫度低振動切削時，由于刀具和工件摩擦副的摩擦因數(shù)大幅度降低，且切削力與切削熱都以脈沖形式出現(xiàn)，使切削熱的平均值大幅度下降，切屑的平均溫度僅為40℃左右。這是普通切削不可想象的。

(3)表面質量好振動切削破壞了產生切削瘤的條件，又由于切削力小，切削溫度低，使加工表面的粗糙度和幾何精度有大幅度改善。大大提高了加工精度和表面質量。

(三)關于振動切削機理的主要觀點

1．摩擦因數(shù)降低理論摩擦因數(shù)降低的原因，主要有以下三種觀點：1)超聲振動能使互相接觸材料的動、靜摩擦因數(shù)降低。

2)摩擦因數(shù)降低的原因是由于冷卻液充分發(fā)揮作用的結果。

3)在前刀面上生成氧化層從而降低了摩擦因數(shù)。

2．剪切角增大理論

振動切削時，刀具沖擊材料產生的裂紋大于切削長度，使實際的剪切角增大。

3．工件的剛性化理論這一理論通過數(shù)學模型描述等效工件系統(tǒng)對振動力的穩(wěn)態(tài)響應來描述,

靜變形量x2≈xxt-=F2／K2

………..

如果T／tc=3~10，則K=(3~10)K2。由于采用超聲振動切削使脈沖力發(fā)生作用，其等效彈性系數(shù)K是原來彈性系數(shù)K2的T／tc倍。因此得到了如同加工大直徑工件(直徑大，剛性好)的加工效果。根據(jù)同樣道理，可以得到鏜桿的剛性化效果以及鉸刀、鉆頭的剛性化效果。4．應力和傳遞能量集中的觀點認為超聲振動使切削力集中在刀刃局部很小范圍內，被切工件材料受力范圍很小，這樣，材料原始晶格結構變化小，因此可以得到與母材近似的金相組織和物理特性;

刀具對被加工材料的沖擊作用使變形過程發(fā)生很大變化。當?shù)毒邔α慵牧袭a生動力影響時，應力集中范圍小，因而變形分布也就小。5．切削速度對切削發(fā)生影響的觀點1)振動切削實際上是提高了切削速度。切削速度的提高有助于塑性金屬趨向脆性狀態(tài)及減小塑性變形，從而改善切削狀態(tài)。

2)因超聲振動切削硬化層較淺，切削時，刀具切人未經硬化(或輕微硬化)的金屬層內，所以在一個振動周期內可產生的平均接觸壓力比普通切削小，故有降低切削力、切削溫度的效果。

3)每一種材料都存在一個硬化范圍，在這個范圍內由于切削變形狀態(tài)良好而得到最大的切削效率，這是超聲振動鉆孔效率高的原因。在超聲振動鉆削中，因為鉆頭沖擊引起金屬加工硬化，正好在鉆頭的切削作用之前滿足了上述條件，所以效果十分明顯。

6．相對凈切削時間觀點超聲振動切削時，其相對凈切削時間tc／T≈1／3，即在每個振動周期內僅有約1／3的時間在切削(大部分時間刀具與工件分離)，而振動切削的切削力又小，切削力的平均值就小。切削熱也有相似的情況。這種觀點的另一種說法是，振動切削把短時間切削與提高切削速度結合起來，因而不存在普通高速切削中刀具耐用度低的問題。

(四)振動切削過程的特點超聲振動切削對切削過程的影響可大致歸納成下列幾個方面：

1)周期性地改變了實際切削速度的大小和方向。

2)周期性地改變了刀具運動角度，包括前角、后角、刃傾角等。

3)周期性地改變了被切金屬層的厚度。

4)改變了所加載荷的性質，使刀具由靜載荷變?yōu)閯虞d荷。

5)改變了已加工表面的形成條件，從而改善了表面質量，提高了加工精度。

6)改善了切削液到達切削區(qū)的條件。

7)改變了刀具工作表面的接觸條件，減小了切屑形成區(qū)的變形，降低了切削力。

8)改變了工藝系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，從而得到振動切削特有的切削效果——振動切削的消振效果。

9)改變了消耗在切削過程中的功率P，使能量分布發(fā)生了變化由于機床功率P機床可以大大減小，所以總的功率P總也相應降低。幾點定量地說明(P85)1)振動切削中一般情況下tc/T只有1/3-1/10，因此，其平均切削力僅為普通切削力的1/3~1/10。

2)普通切削中為了提高加工質量，總是盡可能提高切削速度,切削速度的提高必將產生大量的切削熱。這將導致降低刀具使用壽命，加工表層硬化，產生殘留應力等。振動切削中，F(xiàn)sinωt不是靠刀具的擠壓而是依靠振動系統(tǒng)本身產生的。而其脈沖狀切削力tc的時間極短，僅10萬分之一秒，刀具在這樣短時間內很難產生大量的切削熱。即使在切削中產生切削熱，熱量是以脈沖狀形式出現(xiàn)其中只占1/5時間，而4／5時間是散熱時間，所以其平均熱量是十分微小的，這就是切削溫度低的原因。3)消除或減小了切削振動，脈沖狀切削力最善于利用車刀與工件的振動過渡過程。由于超聲振動切削的實際．切削時間極短，這個時間遠遠小于車刀、工件振動的過渡時間。也就是車刀車削工件時，迫使工件振動，但還沒有來得及振動時刀具已經離開工件了，這就是振動切削減小甚至消除切削振動的原因。由于消除或減小了切削振動，使加工精度和表面粗糙度明顯改善。

三、超聲振動切削的應用(P85)

雖然超聲振動切削的研究超過二、三十年的時間，振動切削的理論已經非常簡明，但它的物理意義卻極為深遠，而且應用范圍也相當廣泛。如在外圓加工、平面加工、孔加工、螺紋和齒輪加工、切槽與切斷加工、磨料磨削加工、塑性加工中都取得理想的效果。

1．小孔的振動鏜削

切削條件：振動頻率29kHz，振幅18μm，輸出功率50W，刀片材料：硬質合金圓弧尖刀(R≈0．3mm)，進給量0．08mm／r，主軸轉速220r／min，切削液，機油+定子油。加工精度見表2-140由此可見，對這樣薄壁零件的內表面能進行精密加工，達到21μm的圓度誤差，是因為工件轉速低，切削力小，夾緊力小，同時也是脈沖切削力波形效果和鏜桿剛性化的結果。

為了進一步說明振動切削與普通切削的切屑在收縮系數(shù)、形狀尺寸上的差別，我們舉例子加以說明。當振動頻率為18．4kHz、振幅為0.05mm、刨刀前角為20°、切削速度為0.2m／min、背吃刀量1.5mm，刨削長度為60mm的不同材料時，從起點切削約50mm處停止進給，所得切屑如圖2—78所示：振動切削的切屑很長，切屑收縮系數(shù)≈1，而且切削力下降到普通切削時的1／5--1／10左右；普通切削時的切屑又厚又短，切屑收縮系數(shù)約為3--5。為了能直觀地比較同一材料采用不同加工方法所得切屑的差別，對長50mm、厚度1mm的鋁板，在振動頻率21.7kHz，振幅20μm，刨刀前角0°，切削速度1m／min的條件下進行切削。每次切深0．2mm，刨刀從頭開始切削，在不到終點時停止切削，以比較留在工件上的切屑，結果如圖2—78所示。

普通切削和振動切削時所得切屑有很大差別：振動切削時，切屑又薄又長，不產生加工硬化，在封閉的空間內很容易卷曲成形；普通切削時，切屑又短又厚，硬化現(xiàn)象嚴重，不易卷曲，而且切屑的側面有很大的毛刺和裂紋，這樣的切屑在封閉的空間內就要求有較大的容屑空間。

此外，在振動切削的情況下，切屑對前刀面相對運動的加速度很大。例如當?shù)毒咭?0kHz的振動頻率作x=asinωt的簡諧振動，其最大加速度x=4π2af2，在振幅a=15μm時，為自由落體加速度的24000多倍。在這種條件下，振動切削時切屑在前刀面上的運動就像零件在振動料斗中跳躍前進一樣，摩擦阻力很小，在切削液的推動下切屑很容易排除。綜上所述，不論是高頻振動切削，還是低頻振動切削，基本上解決了孔加工中的排屑問題，因而為改善孔加工(其中包括小孔和深孔加工)提供了新的工藝措施，為進一步提高深孔加工的加工質量和效率展現(xiàn)了廣闊的前景。

振動切削的實質是在傳統(tǒng)的切削過程中給刀具或工件加工某種有規(guī)律的振動，使切削速度、進給量、背吃刀量按一定規(guī)律變化。振動切削改變了工具與工件之間的空間一時間存在條件，從而改變了加工(切削)機理，達到減小切削力、切削熱，提高加工質量和效率的目的。

2．超聲振動車削

超聲振動車削是給刀具(或工件)在某一方向上施加一定頻率和振幅的振動，以改善車削效能的車削方法。振動車削有兩種：一種是以斷屑為主要目的，這時多采用低頻(最高幾百赫茲)、大振幅(最大可達幾毫米)的進刀方向振刀；另一種是以改善加工精度和表面粗糙度、提高車削效率、擴大車削加工適應范圍為主要目的，則要用高頻、小振幅(最大約30μm)振刀。經驗表明，在車削速度方向振刀效果最好，這就是下面介紹的超聲振動車削。

超聲振動系統(tǒng)的原理是：超聲波發(fā)生器將交流電(50Hz，220V或380V)轉換成超聲頻的正弦電振蕩信號，換能器將電振蕩信號轉換成超聲頻機械振動，變幅桿將換能器的縱向振動放大后傳遞給超聲車刀。超聲車削裝置的作用是使車刀獲得一定振幅的超聲頻機械振動，將超聲振動系統(tǒng)和車刀固定在刀架上實現(xiàn)超聲車削加工。超聲車削裝置有縱向振動、彎曲振動和扭轉振動三種形式，分別如圖2-79~圖2-81所示。

3、超聲振動銑削

超聲波加工適合于加工硬脆材料，可以加工復雜的三維型腔，而傳統(tǒng)的超聲波加工需要制作復雜的三維形狀工具，復雜工具的加工成本高、周期長。利用簡單形狀工具，采用分層去除方法加工硬脆材料的超聲波銑削加工技術，具有工具加工、制作簡單，工具與工件間無宏觀作用力，可實現(xiàn)復雜三維輪廓的加工等特點。研究和探索這種加工方法的工藝規(guī)律，加速其實用化進程具有十分重要的意義。超聲波銑削加工機床是由旋轉式超聲波加工裝置、磨料循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和機床本體等部分組成。超聲波銑削加工系統(tǒng)示意圖如圖2-82所示。

4．超聲振動磨削

磨削是零件獲得高尺寸精度、低表面粗糙度的主要方法，因此被廣泛用在機械加工中。但是，由于產品質量要求的不斷提高和材料的不斷更新，尤其是一些難加工材料的大量使用，普通磨削中經常出現(xiàn)的砂