第7章 超聲加工

7超聲波加工技術(shù)

第一節(jié)超聲加工的基本原理和特點

一.加工原理 超聲波加工是利用振動頻率超過20000Hz的工具頭，通過懸浮液磨料對工件進行成型加工的一種方法，其加工原理如圖7-1所示。圖7-1超聲波加工原理圖

當工具以20000Hz以上的振動頻率作用于懸浮液磨料時，磨料便以極高的速度強力沖擊加工表面；同時由于懸浮液磨料的攪動，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超聲振動而產(chǎn)生交變的沖擊波和“空化現(xiàn)象”。所謂空化現(xiàn)象，是指當工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內(nèi)形成負壓和局部真空，在磨料液內(nèi)形成很多微空腔；當工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局部疲勞，引起顯微裂紋。

這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不斷進行，工具的形狀就逐漸“復(fù)制”在工件上。由此可見，超聲波加工是磨粒的機械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進行超聲波加工。

二、特點 超聲波加工的主要特點如下：

(1)適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對較低。

(2)由于工具材料硬度不高，故易于制造形狀復(fù)雜的型孔。

(3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達0.2μm，加工精度可達0.05～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。

(4)加工機床結(jié)構(gòu)和工具均較簡單，操作維修方便。

(5)生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點。第二節(jié)超聲波加工裝置

超聲波加工裝置如圖所示。盡管不同功率大小、不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)(聲學部件)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。

1、高頻發(fā)生器 高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供給工具往復(fù)運動和加工工件的能量。

2、聲學部件 聲學部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機械振動，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學部件主要由換能器、振幅擴大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為機械振動；振幅擴大棒又稱變幅桿，其作用是將振幅放大。

由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過0.005～0.01mm，而超聲波加工卻需要0.01～0.1mm的振幅，因此必須用上粗下細(按指數(shù)曲線設(shè)計)的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因為通過變幅桿的每一截面的振動能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會增大。 變幅桿的常見形式如圖7-3所示，加工中工具頭與變幅桿相連，其作用是將放大后的機械振動作用于懸浮液磨料對工件進行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性材料，如45#鋼，這樣可以減少工具的相對磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個加工間隙值(略大于磨料直徑)。圖7-3幾種形式的變幅桿

3、機床本體 超聲波加工機床的本體一般很簡單，包括支撐聲學部件的機架、工作臺面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進給機構(gòu)等。

4、磨料工作液及循環(huán)系統(tǒng)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、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時用煤油或機油。磨料的粒度大小取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。

第三節(jié)超聲加工速度、精度、表面質(zhì)量及其影響因素

一、加工速度及其影響

加工速度是指單位時間內(nèi)去除材料的多少，通常以g/min或mm3/min表示。超聲加工的最大加工速度可達2000~4000mm3/min。

1、工具的振幅和頻率的影響過大的振幅和過高的頻率會使工具和變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，可能超過它的疲勞強度而降低使用壽命，而且聯(lián)結(jié)處的損耗也增大，因此一般振幅在0.01~0.1mm，頻率在20000~25000Hz之間。實際加工中應(yīng)調(diào)至共振頻率，以獲得最大的振幅。

2．進給壓力的影響

壓力過小，則工具末端與工件加工表面間的間隙增大，從而減弱了磨料對工件的撞擊力和打擊深度；壓力過大，會使工具與工件間的間隙減小，磨料和工件液不能順利循環(huán)更新。都將降低生產(chǎn)率。一般而言，加工面積小時，單位面積最佳靜壓力可較大，例如采用圓形實心工具在玻璃上加工孔時，加工面積在5~13mm2范圍內(nèi)，最佳靜壓力約為400kPa，當加工面積在20mm2以上時，最佳靜壓力約為200~300kPa之間。

3．磨料的種類和粒度的影響

磨料硬度越高，加工速度越快。加工金剛石和寶石等超硬材料時，必須用金剛石磨料；加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬脆性材料時，宜采用硬度較高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的材料時，可采用碳化硅；加工玻璃、石英、半導體等材料時，用剛玉之類氧化鋁作磨料即可。

4．磨料懸浮液濃度的影響

磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)磨料少，特別在加工面積和深度較大時可能造成加工區(qū)局部無磨料的現(xiàn)象，使加工速度大下降。隨著懸浮液中磨料濃度的增加，加工速度也增加。但濃度太高時，磨料在加工區(qū)域的循環(huán)運動和對工件撞擊運動受到影響，又會導致加工速度降低。通常采用的濃度為磨料對水的質(zhì)量比約為0.5~1左右。

5．被加工材料的影響

被加工材料越脆，則承受沖擊載荷的能力越低，因此越易被去除加工；反之韌性較好的材料則不易加工。如以玻璃的可加工性為100%，則鍺、硅半導體單晶體為200%~250%，石英為50%，硬質(zhì)合金為2%~3%，淬火鋼為1%，不淬火鋼小于1%

。

二、加工精度及其影響因素

加工精度影響因素很多，一般加工孔的尺寸精度可達±0.02~0.05mm。

1、孔的加工范圍一般超聲加工的孔徑范圍為0.1~90mm，深度可達直徑的10~20倍以上。具體見表7-1。

2、加工孔的尺寸精度當工具尺寸一定時，加工出孔的尺寸將比工具尺寸有所擴大，加工出孔的最小直徑Dmin約等于工具直徑Dt加所用磨料平均直徑ds的兩倍，即Dmin=Dt+2ds

表7-2是幾種磨料粒度及其基本磨料尺寸范圍。

240#~280#磨粒時，可達±0.05mm，采用W28~W7時磨粒時，可達±0.02mm或更高。

三、表面質(zhì)量及其影響因素

超聲加工具有較好的表面質(zhì)量，不會產(chǎn)生表面燒傷和表面變質(zhì)層。超聲加工的表面粗糙度也較好，一般可在Ra=1～0.1um之間。當磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時，則加工表面粗糙度將得到改善，但生產(chǎn)率則也隨之降低。用煤油或潤滑油代替水可使表面粗糙度改善。

第四節(jié)超聲加工的應(yīng)用

超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能加工半導體、非導體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。在實際生產(chǎn)中，超聲波廣泛應(yīng)用于型(腔)孔加工(如圖7-4所示)、切割加工(如圖7-5所示)、清洗(如圖7-6所示)等方面。圖7-4超聲波加工的型孔、腔孔類型一、型孔、型腔加工圖7-5超聲波切割加工二、切割加工三、復(fù)合加工1、超聲電解復(fù)合加工三、復(fù)合加工2、超聲電火花復(fù)合加工三、復(fù)合加工3、超聲電解復(fù)合拋光圖7-6超聲波清洗裝置四、超聲清洗思考題1、超聲加工時，下面哪種說法最正確？（1）工具整體在作超聲振動