超聲波加工技術(shù)

超聲波加工技術(shù)1.緒論人耳能感受到的聲波頻率在20—20000HZ范圍內(nèi)，聲波頻率超過20000HZ被稱為超聲波。超聲波加工（UltrasonicMachining簡稱USM）是近幾十年來發(fā)展起來的一種加工方法，它是指給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行加工的方法，或利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕來去除材料，又或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。它彌補了電火花加工的電化學(xué)加工的不足。電火花加工和電化學(xué)加工一般只能加工導(dǎo)電材料，不能加工不導(dǎo)電的非金屬材料。而超聲波加工不僅能加工硬脆金屬材料，而且更適合于加工不導(dǎo)電的硬脆非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等。同時超聲波還可用于清洗、焊接和探傷等。1.1超聲波加工的發(fā)展?fàn)顩r超聲波加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳遞系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)成。超聲波發(fā)生器的作用是將220V或380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號；換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動；變幅桿的作用是將換能器的振動振幅放大；超聲波的機械振動經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使工具以一定的能量與工件作用，進行加工。超聲加工技術(shù)是超聲學(xué)的一個重要分支。超聲加工技術(shù)是伴隨著超聲學(xué)的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。早在1830年，為探討人耳究竟能聽到多高的頻率，F(xiàn).Savrt曾用一多齒的齒輪，第一次人工產(chǎn)生了2.4HZ的超聲波，1876年加爾頓的氣哨實驗產(chǎn)生的超聲波的頻率達到了3HZ，后改用氫氣時，其頻率達到了8HZ.這些實驗使人們開始對超聲波的性質(zhì)有了一定的認(rèn)識。對超聲波的誕生起重大推進作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克號在首航中碰撞冰山后沉沒，這個當(dāng)時震驚世界的悲劇促使科學(xué)家提出用聲學(xué)方法來探測冰山。這些活動啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵查德國潛艇的緊張研究。1916年以法國著名物理學(xué)家郎之萬為首的科學(xué)家開始研究產(chǎn)生和運用水下超聲作為偵測手段，并在1918年發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)可使石英板振動，制成了可用作超聲源的石英壓電振蕩器。這就是現(xiàn)代超聲學(xué)的開端。1927年美國物理學(xué)家伍德和盧米斯最早做了超生加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時并未應(yīng)用在工業(yè)上。1951年，美國的科恩制成了第一臺實用的超生加工機，并引起廣泛的關(guān)注，為超聲加工技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。日本是較早研究超聲加工技術(shù)的國家，20世紀(jì)50年代，日本已經(jīng)設(shè)立專門的振動切削研究所，許多大學(xué)和科研機構(gòu)也都設(shè)有這個研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學(xué)的島川正寭教授，《超聲波工學(xué)—理論和實際》是他的代表作；另外一位是宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授，《精密加工、振動切削基礎(chǔ)和應(yīng)用》是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加工用在普通設(shè)備上，而且在精密機床、數(shù)控機床中也引入了超聲振動系統(tǒng)。1977年日本將超聲振動切削與磨削用于生產(chǎn)，可對直徑為大型船用柴油機缸套進行鏜孔。原蘇聯(lián)的超生加工研究也比較早，20世紀(jì)50年代末60年代初已經(jīng)發(fā)表過很有價值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟效果。為了推動超聲加工的應(yīng)用，1973年原蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟效果和使用價值，對這項新技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。到80年代末期，當(dāng)時蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動鉆削裝置。20世紀(jì)70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削拉管和焊接等方面已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗性生產(chǎn)設(shè)備原型階段。1979年通用超聲振動切削系統(tǒng)已供應(yīng)工業(yè)界應(yīng)用。德國和英國也對超聲波加工的機理和工業(yè)應(yīng)用進行了大量的研究，并發(fā)表了許多有價值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應(yīng)用。例如，英國于1964年提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點，取得了較好的效果。我國超聲加工技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代末，60年代末開始了超聲振動車削的研究，1973年上海超聲波電子儀器廠研制成功CNM-2型超聲研磨機。1982年，上海鋼管廠、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所以及上海超聲波儀器廠研制成功超聲拉管設(shè)備，為我國超聲加工在金屬塑性加工中的應(yīng)用填補了空白。1983年10月，機械電子工業(yè)部科技司委托《機械工藝師》雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動切削專題討論會”，會議充分肯定了振動切削在金屬切削中的重要作用，，交流了研究和應(yīng)用成果，促進了這項新技術(shù)在我國的深入研究和推廣應(yīng)用。1985年，廣西大學(xué)、南京電影機械廠和南京刃具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一套“CZQ-250A型”超聲振動切削系統(tǒng)。同年，機械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶體等硬脆材料的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工中，取得了良好的工藝效果。1987年，北京市電加工研究所在國際上首次提出了超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應(yīng)用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989年，我國研制成功超聲珩磨裝置。1991年研制成功變截面細長桿超聲車削裝置。20世紀(jì)末到本世紀(jì)初的十幾年間，我國的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究，尤其是在金剛石、陶瓷、瑪瑙、玉石、淬火鋼、模具鋼、花崗巖、大理石、石英、玻璃和燒結(jié)永磁體等難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性問題，取得了良好的效果。1.2超聲波加工的基本原理圖1超聲加工的原理圖超聲波加工的原理如上圖1所示，超聲波發(fā)生器7產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過換能器6產(chǎn)生20000Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于變幅桿4把振幅放大到0．05～0．1mm左右，從而使工具1的端面作超聲頻振動。在工具1和工件2之間注入磨料懸浮液3，當(dāng)工具端面迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不斷的撞擊、拋磨被加工表面時，把被加工表面的材料粉碎成很細的微粒，從工件上剝落下來。雖然每次剝落下來的材料很少，但由于每秒鐘撞擊的次數(shù)多達20000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時，當(dāng)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(fù)壓和局部真空，在工件液體內(nèi)形成很多微空腔；當(dāng)工具端面又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，從而強化加工過程。此外正負(fù)交變的液壓沖擊也使懸浮磨料的工作液在加工間隙中強迫循環(huán)，使變鈍的磨粒及時得到更新。由此可見，超聲波加工是磨粒在超聲振動作用下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，其中磨粒的撞擊作用是主要的。1.3超聲波加工的特點1）適合于加工各種硬脆材料。既然超聲波加工是基于微觀局部撞擊作用，所以材料越是脆硬，受撞擊作用所遭受的破壞越大，愈適應(yīng)超聲波加工。例如玻璃、陶瓷、石英、石墨、瑪瑙、寶石等材料，比較適合超聲波加工。相反，脆性和硬度不大卻具有韌性的材料，由于具有緩沖作用而難以采用超聲波加工。因此，選擇工具材料時，應(yīng)選擇既能撞擊磨粒，又不使自身受到很大破壞的材料，例如不淬火的45鋼等。2）由于工具材料較軟，易制成復(fù)雜的形狀，工具和工件又無需做復(fù)雜的相對運動，因此普通的超聲波加工設(shè)備機構(gòu)簡單。但若需要加工較大而復(fù)雜精密的三維機構(gòu)，可以預(yù)見，仍需設(shè)計和制造三坐標(biāo)數(shù)控超聲波加工機床。3）由于去除加工材料是靠極小磨粒瞬時局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度值可達1.0—0.1，加工精度可達0.01—0.02mm，并可加工細小結(jié)構(gòu)和低剛度的工件。2.超聲波加工設(shè)備及其組成部分超聲波加工設(shè)備一般包括超聲波發(fā)生器、超聲波振動系統(tǒng)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)。2.1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器將50HZ工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動和去除被加工材料的能量。其基本要求是輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最好具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調(diào)的功能。此外還要求結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜和體積小等。超聲波發(fā)生器的組成方框圖如圖2所示，由振蕩級、電壓放大級、功率放大級及電源等四部分組成。振蕩級由電子管或三極晶體管接成電感反饋振蕩電路，調(diào)節(jié)電阻或圖2超聲波發(fā)生器的組成方框圖電容量可改變振蕩頻率，以便調(diào)節(jié)輸出的超聲頻率。振蕩級的輸出經(jīng)耦合至電壓放大級放大后，利用變壓器倒相輸送到末級功率放大管，功率放大管有時用多管并聯(lián)推挽輸出，經(jīng)輸出變壓器輸至換能器。2.2超聲波振動系統(tǒng)超聲波振動系統(tǒng)的作用是把超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，使工具端面獲得高頻率及一定振幅的振動。它是超聲波加工機床中最總要的部分，由換能器、振幅擴大棒及工具組成。超聲波換能器換能器的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，目前實現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換常采用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)兩種方式。壓電效應(yīng)超聲波換能器有一些物質(zhì)如石英晶體、鈦酸鋇以及鋯鈦酸鉛等在受到機械壓縮或拉伸變形時，在它們兩相對表面上產(chǎn)生一定的電荷，形成一定的電勢。反之，在它們的兩界面上加一定的電壓，則產(chǎn)生一定的機械變形，如圖3所示。這一現(xiàn)象稱為“壓電效圖3壓電效應(yīng)應(yīng)”。具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料被稱為壓電陶瓷。如果兩相對表面加上20000HZ以上的交變電壓，則該物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)超聲頻的伸縮變形，使周圍的介質(zhì)作超聲頻振動。為了獲得最大的超聲波強度，應(yīng)使壓電陶瓷處于共振狀態(tài)。壓電陶瓷片厚度應(yīng)為聲波半波長、分倍數(shù)或整倍數(shù)。石英晶體的伸縮量極小，300V電壓才能產(chǎn)生0.01以下的變形。鈦酸鋇的壓電效應(yīng)比石英晶體大20—30倍，但效率和機械強度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛則具有前兩者的優(yōu)點，常用作超聲波清洗、探測設(shè)備和小功率超聲波加工設(shè)備的換能器。一般制成圓形薄片，兩面鍍銀，先加高壓直流電進行極化，一面為正極，另一面為負(fù)極。使用事時常將兩片迭在一起，正極在中間，負(fù)極在兩側(cè)，經(jīng)上下端塊用螺釘夾緊，在安裝在機床主軸頭的振幅擴大棒（變形桿）的上端，如圖4所示。正極必須與機床主軸絕緣。為方便引線，常用一鎳片夾在兩壓電陶瓷圖4壓電陶瓷換能器1—上端塊；2—壓緊螺釘；3—導(dǎo)電鎳片；4—壓電陶瓷；5—下端塊；6—變幅桿片正極之間作為接線端片。壓電陶瓷片的自振頻率與其厚度、上下端塊質(zhì)量及夾緊力成反比。磁致伸縮效應(yīng)超聲波換能器鐵、鈷、鎳及其合金的長度能隨所處磁場強度的變化而伸縮的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)，其中鎳在磁場中最大縮短量為其長度的，鐵和鈷則在磁場中伸長，當(dāng)磁場消失后又恢復(fù)原有尺寸。幾種材料的磁致伸縮曲線如圖5所示。這些材料桿件的長度在交變磁場中將交變伸縮，其端面將隨之作交變振動。圖5幾種材料的磁致伸縮曲線1--75%鎳+25%鐵；2--49%鈷+2%釩+49%鎳；3--6%鎳+94%鐵；4--29%鎳——71%鐵；5--退火鈷；6—鎳為減少高頻渦流損耗，常用純鎳片疊成封閉磁路做成超聲波加工裝置的換能器。如圖6所示，在兩芯柱上同向繞以線圈，通入超聲頻電流可使之伸縮，這種換能器比壓電式換能器有較高的機械強度和較大的輸出功率，常用于中等功率和大功率的超聲波加工。其缺點是鎳片的渦流發(fā)熱損失較大，能量轉(zhuǎn)換效率較低，故加工過程中需用風(fēng)或水冷卻，否則隨著溫度升高，磁致伸縮效應(yīng)變小甚至消失，還有可能燒壞線圈的絕緣材料。鎳片的長度也應(yīng)等于超聲波半波長或其整數(shù)倍，使其處于共振狀態(tài)。振幅擴大棒壓電或磁致伸縮的變形量很小（即使在共振條件下振幅也不超過），不足以直接用于加工。超聲波加工的振幅，因此必須通過一個上粗下細的棒桿將振幅加以擴大，此棒桿稱為振幅擴大桿，亦稱變幅桿，如圖7所示。圖6磁致伸縮換能器圖7幾種變幅桿變幅桿能擴大振幅，是由于通過它每個截面的振動能量是不變的（略去傳播損耗），截面小的地方能量密度大，振幅也大。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的固有振動頻率和外激振動頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，在設(shè)計、制造變幅桿時，應(yīng)使其長度L等于超聲振動的半波長或整數(shù)倍。振幅擴大棒可制成錐形的、指數(shù)形的或階梯形的等。錐形的“振幅放大比”較小（5—10倍），但易于制造；指數(shù)形的放大比中等（10—20倍），使用中性能穩(wěn)定，但不易制造；階梯形的放大比較大（20倍以上），也容易制造，但當(dāng)它受到負(fù)載阻力時振幅易減小，性能不穩(wěn)定，而且在粗細過渡的地方容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂，為此需加過渡圓弧。實際生產(chǎn)中，加工小孔、深孔常用指數(shù)形變幅桿；階梯形變幅桿因設(shè)計、制造容易，也常被采用。必須注意，超聲波加工時并不是整個變幅桿和工具都是在作上下高頻振動，它和低頻或工頻振動的概念完全不一樣。超聲波在金屬棒桿內(nèi)主要以縱波形式傳播，引起桿內(nèi)個點沿波的前進方向一般按正弦規(guī)律在原地作往復(fù)振動，并以聲速傳導(dǎo)到工具端面，使工具端面作超聲振動。工具端面的有關(guān)參數(shù)如下：瞬時位移量：S=最大位移量：瞬時速度：最大速度：瞬時加速度：最大加速度：式中：A--超聲的振幅；--超聲的角頻率，；--超聲頻率；--時間。設(shè)超聲振幅，頻率，則可算出工具端面的最大速度和最大加速度由此可見，工具端面的最大加速度是重力加速度的3000余倍（），當(dāng)振幅A=時，工具端部的最大速度、最大加速度都將增大到上述各值的5倍，最大加速度值將是重力加速度的16000余倍。3．工具超聲波的機械振動經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，工具端面推動磨粒和工作液以一定的能量撞擊工件。工具的形狀和尺寸由被加工表面的形狀和尺寸決定，他們相差一個“加工間隙”（稍大于平均的磨粒直徑）。工具盒振幅擴大棒可做成一個整體，亦可將工具用焊條或螺紋連接的方法固定在振幅擴大棒下端。當(dāng)工具不大時，可以忽略工具對振動的影響，但當(dāng)工具較重時，會減小共振頻率，故工具較長時，應(yīng)對擴大棒進行修正，使其滿足半個波長的共振條件。超聲波振動系統(tǒng)所有的連接部分應(yīng)接觸緊密，否則超聲波傳遞過程中將損失很大能量。為此在螺紋連接處應(yīng)涂以凡士林油，避免空氣間隙的存在，因為超聲波通過空氣時很快衰減。2.3機床本體普通超聲波加工機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，包括支撐超聲波振動系統(tǒng)的機架、安裝工件的工作臺、使工具以一定壓力作用在工件上的進給機構(gòu)以及機身等部分，圖8是國產(chǎn)CSJ-2型超聲波加工機床簡圖。超聲波振動系統(tǒng)安裝在能上下移動的導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌由上下兩組滾動導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活精密的上下移動。工具的向下進給以及對工件施加壓力靠超聲波振動系統(tǒng)的自重。為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機床后部可加平衡重錘2，亦可采用彈簧進行平衡。圖8CSJ-2型超聲波加工機床支架；2—平衡重錘；3—工作臺；4—工具；5—振幅擴大棒；6—換能器；7—導(dǎo)軌；8—標(biāo)尺2.4磨料工作液及其循環(huán)系統(tǒng)簡單的超聲波加工裝置，磨料要靠人工輸送和更換，即在加工前將懸浮磨料的工作液澆注堆積在加工區(qū)域，加工過程中需要定時反向抬起工具以補充和更新磨料。較復(fù)雜的超聲波加工機床則利用小型離心泵將磨料懸浮液攪拌后注入加工間隙。對于較深的加工表面，需要經(jīng)常將工具定時抬起以利于磨料的更換和補充。磨料懸浮液中的液體最常用的是水，為了提高表面質(zhì)量，也可用煤油或機油。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化鋁等，其粒度大小需要根據(jù)生產(chǎn)率和精度要求選定，顆粒大的生產(chǎn)率高，但加工精度及表面粗糙度較差。超聲波加工速度、加工精度、表面質(zhì)量及其影響因素3.1加工速度及其影響因素加工速度是指單位時間內(nèi)去除的材料量，單位通常以或表示。加工玻璃的最大速度可達2000--4000。影響加工速度的主要因素有工具振動頻率、振幅、工具作用在工件上的靜壓力、磨料種類和粒度、磨料懸浮液濃度、供給及循環(huán)方式、工具與工件材料、加工面積和加工深度等。工具振幅和頻率的影響超聲波可傳遞很強的能量，尤其體現(xiàn)在對其傳播方向上的障礙物施加壓力（聲壓），能量越強，則壓力也越大。超聲波振動能量的強弱，用能量密度衡量。能量密度是指通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號J表示，單位為。J的計算公式為：式中：--彈性介質(zhì)的密度，；--彈性介質(zhì)中的波速，振動的振幅，；--圓周率，。由于超聲波頻率很高，故其能量密度可達100以上。采用大的振幅和高的頻率可以獲得大的加工能量。但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，甚至超過其疲勞強度而降低使用壽命，而且在連接處的耗損也增大，因此一般使振幅在，頻率在16000—25000HZ之間。進給壓力的影響在加工時，應(yīng)使工具對工件保持一個合適的進給壓力。壓力過小，則工具末端與工件加工表面之間的間隙增大，減小了磨料對工件的撞擊力和打擊深度；壓力過大，會使工具與工件加工表面之間間隙減小，磨料和工作液不能順利循環(huán)更新，都會導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。在通常情況下，當(dāng)加工面積小時，可使單位面積最佳靜壓力較大，反之則較小。例如采用圓形實心工具在玻璃上加工孔時，加工面積在5--15范圍內(nèi)，最佳靜壓力約為4000；當(dāng)加工面積在20以上時，最佳靜壓力在2000--3000之間。磨料種類和粒度的影響磨料硬度愈高，加工速度愈快。通常加工金剛石和寶石等高硬材料時，必須用金剛石磨料；加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等材料時，宜采用硬度較高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的硬脆材料時，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石英、半導(dǎo)體等材料時，用氧化鋁作磨料即可。另外，磨料粒度愈粗，加工速度愈快，精度和表面粗糙度則愈差。磨料懸浮液濃度的影響磨料懸浮液中磨料濃度低，加工間隙內(nèi)磨粒少，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)運動和對工件的撞擊運動受到影響，又會導(dǎo)致加工速度降低。通常采用的濃度為磨料對水的重量比約為0.5—1左右。工件材料的影響材料愈脆，則承受沖擊載荷的能力愈低，愈容易加工；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(dǎo)體單晶為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%。3.2加工精度及其影響因素超聲波加工的精度，除受機床、夾具精度影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及其磨損度、工具在橫向振動的大小、加工深度、被加工材料性質(zhì)等因素有關(guān)。加工孔的尺寸精度一般為。孔的加工范圍采用通常的加工速度，超聲波加工最大孔直徑和所需功率的關(guān)系見表1。一般超生加工的孔徑范圍約為，深徑比可達10—20。表1：超聲波加工功率和最大加工孔徑的關(guān)系2．加工孔的尺寸精度當(dāng)工具尺寸一定時，加工出的孔徑比工具尺寸有所擴大，擴大量約為磨料磨粒直徑的兩倍，即孔的最小直徑約等于工具直徑加磨料直徑的兩倍，即=+2表2是幾種磨料粒度及其基本磨粒尺寸范圍。表2磨料粒度及其基本磨粒尺寸范圍超聲波加工孔的精度，采用磨粒時，一般可達；采用W28—W7時，可達或更高。另外，加工圓孔還可能出現(xiàn)橢圓和錐度。出現(xiàn)橢圓與工具橫向振動和工具沿圓周磨損不均勻有關(guān)。出現(xiàn)錐度與工具磨損有關(guān)。如果采用工具或工件旋轉(zhuǎn)的方法，可以提高孔的圓度和生產(chǎn)率。3.3表面質(zhì)量及其影響因素超聲波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。超聲波加工的表面粗糙度值也較小，一般可達。超聲波加工的表面粗糙度取決于每顆粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，它與磨粒的直徑、被加工材料的性質(zhì)、超聲波振動的振幅以及磨料懸浮工作液的成分等有關(guān)。當(dāng)磨粒尺寸較小、工件材料較硬、超聲波振幅較小時，加工表面粗糙度R值較小，但生產(chǎn)率也隨之降低。磨料懸浮工作液體的性質(zhì)對表面粗糙度的影響比較復(fù)雜。實踐表明，用煤油或潤滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。超聲波加工的應(yīng)用、發(fā)展趨勢和未來展望4.1超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工生產(chǎn)率雖比電火花、電解加工低，但其加工精度和表面粗糙度卻更好，而且能加工非導(dǎo)體、半導(dǎo)體等脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、鍺甚至金剛石等。即使是電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模、塑料模具，還常采用超聲波拋磨法進行光整加工。4.1.1型孔、型腔加工超聲波加工目前在工業(yè)部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料和細微孔等，如圖9所示。圖9超聲波加工的型孔、型腔類型4.1.2切割加工用普通機械加工切割脆硬的半導(dǎo)體材料很困難，采用超聲波切割則較為有效。圖10為用超聲波加工切割單晶硅片示意圖。用錫焊或銅焊講工具（薄鋼片或磷青銅片）焊接在變幅桿的端部。加工時噴注磨料懸浮液，一次可割10—20片。圖10超聲波切割單晶硅片圖11成批切槽（塊）刀具1—變幅桿；2—工具；3—磨料液；4—工件1—變幅桿；2—焊縫；3—鉚釘；4—導(dǎo)向片；5—軟鋼刀片圖11所示為成批切塊刀具，它采用了一種多刃刀具，即包括一組厚度為的軟鋼刃刀片，間隔，鉚合在一起，然后焊接在變幅桿上。刀片伸出的高度應(yīng)足夠在磨鈍后作幾次重磨。最外邊的刀片應(yīng)比其它刀片高出，切割時插入坯料的導(dǎo)向槽中，起定位作用。加工時噴注磨料懸浮液，將坯料片先切割成1寬的長條，然后將刀具轉(zhuǎn)過90°，使導(dǎo)向片插入另一導(dǎo)槽中，進行第二次切割以完成模塊的切割加工。圖12所示為已切割成的陶瓷模塊。圖12切割成的陶瓷模塊4.1.3復(fù)合加工利用超聲波加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等金屬材料時，存在加工速度低、工具損耗大等問題。為了提高加工速度，降低工具損耗，可以把超聲波加工與其它加工方法結(jié)合起來，這就是所謂的復(fù)合加工。例如采用超聲波與電化學(xué)或電火花加工結(jié)合加工噴油嘴、噴絲板上的小孔或窄縫，能極大的提高加工速度和加工質(zhì)量。圖13為超聲波電解復(fù)合加工小孔和深孔的示意圖。工件5接直流電源6的正極，工具3（鋼絲、鎢絲或銅絲）接負(fù)極，在工件與工具間加6—18V的直流電壓，采用20%濃度的硝酸鈉等鈍化性電解液混加磨料作為電解液。工件被加工表面在電解液中產(chǎn)生陽極溶解，電解產(chǎn)物陽極鈍化膜被超聲頻振動的工具和磨料破壞，由于超聲波振動引起的空化作用加速了鈍化膜的破壞和磨料電解液的循環(huán)更新，從而使加工速度和質(zhì)量大大提高。圖13超聲波電解復(fù)合加工小孔拋光原理圖1—換能器；2—變幅桿；3—工具；4—電解液和磨料；5—工件；6—直流電源；7—超聲波發(fā)生器在光整加工中，利用導(dǎo)電油石或鑲嵌金剛石顆粒的導(dǎo)電工具，對工件表面進行電解超聲波復(fù)合拋光加工，更有利于改善表面粗糙度。如圖14所示，用一套超聲波振動系統(tǒng)使工具頭產(chǎn)生超聲頻振動，并在變幅桿上接直流電源陰極，在被加工工件上接直流電源陽極。電解液由外部導(dǎo)管導(dǎo)入工作區(qū)，也可以由變幅桿內(nèi)的導(dǎo)管流入工作區(qū)。于是在工具和工件之間產(chǎn)生電解反應(yīng)，工件表面發(fā)生電化學(xué)陽極溶解，電解產(chǎn)物和陽極鈍化膜不斷的被高頻振動的工具頭刮除并被電解液沖走。這種方法，由于有超聲波的作用，使油石的自礪性好，電解液在超聲波作用下的空化作用，使工件表面的鈍化膜去除加快，增加了金屬表面活性，使金屬表面凸起部分優(yōu)先溶解，從而達到表面平整的效果。工件表面的粗糙度值可達到。圖14手?jǐn)y式電解超聲波復(fù)合拋光原理圖1—超聲波發(fā)生器；2—壓電陶瓷換能器；3—變幅桿；4—導(dǎo)電油石；5—電解液噴嘴；6—工具手柄；7—直流電源4.1.4超聲波清洗超聲清洗的原理主要是利用超聲頻振動在液體中產(chǎn)生的交變沖擊液和空化作用。超聲波在清洗液（汽油、煤油、酒精、丙醇或水）中傳播時，液體分子往復(fù)高頻振動形成正負(fù)交變的沖擊波。當(dāng)聲強達到一定數(shù)值時，液體中產(chǎn)生微小空化氣泡并瞬時強烈閉合，造成的微沖擊波使被清洗物表面的污物脫落下來。由于超聲波無孔不入，即使污物在被清洗物上的窄縫、細小深孔、彎孔中，也容易被清洗干凈。雖然每個微氣泡的作用并不大，但每秒鐘有上億個空化氣泡作用，仍可獲得很好的清洗效果。所以超聲波廣泛用于對噴油嘴、噴絲板、微型軸承、儀表齒輪、手表整體機芯、印制電路板、集成電路微電子器件的清洗。圖15為超聲波清洗裝置示意圖。圖15超聲波清洗裝置示意圖清洗槽；2—硬鉛合金；3—壓緊螺釘；4—換能器壓電陶瓷；5、6—鎳片；7—接線螺釘；8—墊圈；9—鋼墊塊4.1.5超聲波焊接超聲波焊接原理是利用超聲頻振動作用去除工件表面的氧化膜，暴露出新的本體表面，通過兩個工件表面在一定壓力下相互劇烈摩擦、發(fā)熱而親和粘接在一起。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等。圖16為超聲波焊接示意圖。表3為可以采用超聲波焊接的某些成對金屬，有些金屬在超聲波作用下的可焊接性增大。此外，利用超聲波的定向發(fā)射、反射等特性，還可用以測距和探傷等。圖16超聲波焊接示意圖換能器；2—固定軸；3—變幅桿；4—焊接工具頭；5—被焊工件；6—反射體表3：某些金屬的超聲波焊接性能4.2超聲波加工的發(fā)展趨勢和未來展望超聲加工技術(shù)已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用，但有關(guān)工藝與設(shè)備的相關(guān)技術(shù)有待于進一步研究開發(fā)。（1）超聲振動切削技術(shù)隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動切削研究日益深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。a.研制和采用新的刀具材料在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對機械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對刀具材料的開發(fā)與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。b.對振動切削機理深入研究當(dāng)前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方面：在振動切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。振動切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。振動切削機理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。c.超聲橢圓振動切削的研究與推廣超聲波橢圓振動切削已受到國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加波等國的大學(xué)以及國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實用化研究。但是，超聲波橢圓振動切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步研究。d.超聲銑削加工技術(shù)基于分層去除思想的超聲銑削加工技術(shù)，正在被更多的學(xué)者所關(guān)注。大連理工大學(xué)研制了超聲數(shù)控銑削機床，提出了一種新的利用超聲銑削加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零件的途徑?；诜謱尤コ枷氲某暡ㄏ鲾?shù)控加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)超聲加工中工具損耗嚴(yán)重且不能在線補償?shù)碾y題，使加工帶有尖角和銳邊的三維復(fù)雜型面工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷的廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。超聲復(fù)合加工技術(shù)目前超聲電火花機械三元復(fù)合加工技術(shù)已經(jīng)得到較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用超聲電火花磨料三元復(fù)合加工技術(shù)對不銹鋼進行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾，具有較好的應(yīng)用前景。針對現(xiàn)代模具手動光整加工的弊端，華南理工大學(xué)采用超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)對形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工進行了研究，并利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對加工表面粗糙度進行了預(yù)測，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項新的復(fù)合加工技術(shù)，能較好的用于形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。但包括材料去除機理的許多方面的內(nèi)容有待進一步研究。在微小三維型面的加工中，利用簡單形狀電極、基于分層制造原理的微細電火花銑削技術(shù)正在受到重視，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了超聲輔助分層去除微細電火花加工技術(shù)，對電極軸向施加的小幅超聲振動對活化極間狀態(tài)、拉大極間間隙、增加排屑能力、提高有效脈沖利用率和放電穩(wěn)定性等方面起到了重要作用，但是該工藝尚有待于進一步完善已達到實用化。由于新材料(尤其是難加工材料)的涌現(xiàn)和對產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效益的要求不斷提高，新的加工方法也不斷出現(xiàn)。可以預(yù)見，超聲復(fù)合加工將日益顯現(xiàn)出其獨特的魅力，并將拓展其更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。微細超聲加工技術(shù)隨著以微機械為代表的工業(yè)制品的日益小型化及細微化，特別是隨著晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應(yīng)用，硬脆材料的高精度三維微細加工技術(shù)已成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光可加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒有物理作用，