醫(yī)學教材 超聲加工的基本原理和特點

超聲加工

UltrasonicMachining聲波是一種縱波，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中縱向(前進方向)傳播，在傳播過程中有反射、折射、共振和損耗等現(xiàn)象發(fā)生。聲波傳播速度c與波長

λ和頻率f之間的關(guān)系為：c=λ

f人耳能感受的聲波頻率范圍是16～16000Hz；頻率超過16000Hz的縱波稱為超聲波。頻率低于16Hz的聲波即為次聲波。UltrasonicMachining/USM1.超聲加工的基本原理和特點一、超聲波及其特性

那么，次聲波為何會造成人員不流血卻出現(xiàn)嚴重傷亡的現(xiàn)象呢?科學研究表明：人體的內(nèi)臟，有其固有的振動頻率，而這種頻率也在0.01—20赫茲之間，也就是說，它和次聲波的頻率相似。這樣一來，當外來的次聲波不管是自然形成的，還是人為制造的，一旦它的振動頻率與人體內(nèi)臟的振動頻率相同或接近時，就會引起各種臟器的共振，這一共振便會使人煩躁、耳鳴、頭痛、失眠、惡心、視覺模糊、吞咽困難、肝胃功能失調(diào)紊亂；嚴重時，還會使人四肢麻木、胸部有壓迫感。特別是與人的腹腔、胸腔和顱腔的固有振動頻率一致時，就會與內(nèi)臟、大腦等產(chǎn)生共振，甚至危及性命。一、超聲波及其特性——次聲波

次聲波頻率低、波長長，所以傳播距離很遠。次聲波的另一個重要特性是有較強的穿透能力，既能穿透空氣、海水、土壤，也能穿透飛機機體、艦艇殼件、坦克車體，以及堅固的鋼筋混凝土構(gòu)體。一、超聲波及其特性超聲波的主要性質(zhì)：

1）超聲波能傳遞很強的能量能量的大小以能量密度J（通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量）來衡量。振幅相同時，液體、固體中的超聲波強度、功率、能量密度都比空氣中的聲波高千萬倍。2）超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時，液體質(zhì)點將以極高的頻率振動，液體介質(zhì)中連續(xù)形成壓縮及稀疏區(qū)域，由此產(chǎn)生壓力正、負交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象，在鄰近的零件表面上產(chǎn)生破壞、分散、碎裂等效應ρ

彈性介質(zhì)的密度，c彈性介質(zhì)中的波速，A振幅，ω圓頻率3）超聲波通過不同介質(zhì)時，界面上波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量發(fā)生的大小決定于兩種介質(zhì)的波阻抗(密度與波速的乘積ρc稱為波阻抗)，介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時能量的反射率愈高。一、超聲波及其特性4）在一定條件下，超聲波會產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。當超聲波從彈性桿的一端向另一端傳播時，會在桿的端部發(fā)生反射。入射波反射波振幅最大，波腹位置振幅為零，波節(jié)位置

超聲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空化作用、液壓沖擊的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。二、超聲加工的基本原理

空化作用：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，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔，當工具端面以很大加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓沖擊波，可以強化加工過程。Simulation1）適合于加工硬脆材料；2）工具形狀可以較復雜，而機床結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；3）宏觀切削力很小，所以工件被加工表面完整性較好。三、超聲加工的特點Video傳統(tǒng)的超聲加工原理圖振蕩電路換能器變幅桿靜壓力工具磨料流工件振幅分布四、超聲加工的歷史與發(fā)展——加工技術(shù)的發(fā)展超聲加工技術(shù)最早可追溯到1907年俄國人首次利用超聲能量來加工玻璃；但直到1948年才由美國工程師LewisBalamuth獲得世界上第一項超聲加工專利。傳統(tǒng)的超聲加工(USM)：早期的超聲加工主要依靠工具作超聲頻振動，使懸浮液中的磨料獲得沖擊能量，從而去除工件材料達到加工目的，但加工效率低，并隨著加工深度的增加而顯著降低。旋轉(zhuǎn)式超聲加工(RUM)：1964年英國原子能管理局的技術(shù)官員萊格(Legge)首次發(fā)明了旋轉(zhuǎn)式超聲加工(Rotaryultrasonicmachining)方法，采用燒結(jié)或鍍金剛石的中空工具，既作超聲頻振動，同時又繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)式超聲加工，如圖所示。RUM比一般超聲波加工和磨削加工有更高的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。RUM結(jié)合了傳統(tǒng)金剛石磨削加工技術(shù)和USM技術(shù)，與USM相比有兩大主要區(qū)別：1)RUM使用的磨粒固結(jié)在工具桿上，而USM中利用在工具桿端部和工件之間的游離于液體中的磨料對工件表面進行撞擊而去除材料。2)RUM中工具桿在旋轉(zhuǎn)的同時進行超聲振動，而USM中工具桿只作超聲振動。金剛石磨輪工件冷卻液冷卻液冷卻液超聲振動旋轉(zhuǎn)四、超聲加工的歷史與發(fā)展——加工技術(shù)的發(fā)展旋轉(zhuǎn)式超聲加工原理圖復合超聲加工技術(shù)：隨著新材料的出現(xiàn)和應用領(lǐng)域的擴大以及現(xiàn)代檢測、控制技術(shù)的發(fā)展，近年來，各國研究者深入研究難加工硬脆材料的超聲加工技術(shù)，研究內(nèi)容涉及材料去除機理、加工質(zhì)量和工具磨損機理研究、超聲加工聲學系統(tǒng)設計研究、新型復合加工機床設備研制等；特別是將超聲加工技術(shù)與其他各種不同的傳統(tǒng)加工技術(shù)和特種加工技術(shù)相結(jié)合，揚長避短，形成了硬脆材料新的超聲復合加工技術(shù)：

1)超聲加工技術(shù)與傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)相結(jié)合，如超聲車削、超聲鉆削、超聲磨削、超聲拋光等

。

2)超聲加工技術(shù)與其他特種加工技術(shù)相結(jié)合，如超聲波輔助電火花加工、超聲波輔助電鍍、超聲波輔助電解加工等

。四、超聲加工的歷史與發(fā)展——加工技術(shù)的發(fā)展2.超聲加工設備及其組成部分一、超聲波發(fā)生器超聲發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)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和去除被加工材料的能量?；疽螅狠敵龉β屎皖l率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；具有頻率自動跟蹤和自動微調(diào)功能；結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價格便宜。二、聲學部件聲學部件的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，使工具端面作高頻小振幅振動以進行加工。聲學部件由換能器、變幅桿和工具組成。VibrationengineBooster/HornTool二、聲學部件換能器：將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機械振動。分壓電式及磁致伸縮式。二、聲學部件——換能器磁致伸縮換能器壓電換能器二、聲學部件——變幅桿(1)用來放大位移振幅(或振速)，或者把能量集中在較小的面積上即聚能作用。為了獲得較大的振幅，應使變幅桿的共振頻率(即諧振頻率)和外激振動頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。(一)變幅桿的作用：(2)作為機械阻抗變換器，使換能器與聲負載更好地匹配耦合，更有效地在換能器與聲負載之間傳遞交換超聲能量。(3)用來固定整個機械系統(tǒng)(在波節(jié)處固定)，從而盡可能地減少機械能量的損耗。(4)使換能器和工作媒質(zhì)之間獲得熱學和化學上的隔絕。二、聲學部件——變幅桿(二)變幅桿的性能參數(shù)

超聲變幅桿的性能可以用許多參量來描述。在實際應用中較為常用的是：共振頻率(共振長度)，放大系數(shù)，形狀因數(shù)等等。放大系數(shù)Mp是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度振幅的比值；形狀因數(shù)

是衡量變幅桿所能達到最大振動速度的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，

值越大，所能達到的最大振動速度也越大；

二、聲學部件——變幅桿(三)變幅桿的類型——單一變幅桿階梯形變幅桿：設計制造最簡單，當面積系數(shù)一定時，振幅放大系數(shù)最大，半波共振長度最短；但共振頻率范圍較小，受負載后放大倍數(shù)小，截面變化處應力較大。懸鏈形變幅桿：放大系數(shù)較大，輸入阻抗特性最好；但制造困難，當放大倍數(shù)過大時，常因應力過大而損壞。指數(shù)形變幅桿：一般在大功率、高聲強的狀態(tài)下工作，工作性能穩(wěn)定，振幅放大倍數(shù)相對較大，阻抗較容易匹配；但制造困難，放大系數(shù)小，截面變化不能過大，否則振動無法傳播。圓錐形變幅桿：制造容易，共振長度長，頻率穩(wěn)定性好，機械強度大；但振幅放大倍數(shù)相對較小，半波共振長度最長。在選用變幅桿的類型時，應從三個方面來考慮，一是設計比較簡單，容易獲得較準確的設計數(shù)據(jù)；二是要注意制造的難易程度；三是要根據(jù)振動切削的具體要求，特別是放大倍數(shù)、工作穩(wěn)定性、切削用量等來選擇合適的變幅桿。二、聲學部件——變幅桿(四)變幅桿的材料對材料的要求是：(1)在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗??；(2)材料的疲勞強度高，而聲阻抗率小，以獲得較大的振動速度和位移速度；(3)易于機械加工。作液體處理應用時還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕。適合上述要求的金屬材料有鋁合金、銅鎳合金，如硬質(zhì)合金、鈹青銅及鈦合金等。鈦合金的性能較好，但機械加工較困難，價格昂貴；鋁合金加工容易，但抗超聲空化腐蝕很差，鋼損耗較大。二、聲學部件——工具工具的形狀和尺寸由被加工表面的形狀和尺寸決定，它們之間相差一個“加工間隙”。DMG金剛石刀具三、機床超聲波加工時，工具與工件間作用力很小，加工機床只須實現(xiàn)工具的工作進給運動及調(diào)整工具與工件間相對位置的運動，因此機床構(gòu)造較簡單，一般包括支撐振動系統(tǒng)的機架、工作臺面、進給機構(gòu)以及床身等部分。國產(chǎn)CSJ-2型超聲加工機床是其中的代表，如圖所示。其振動系統(tǒng)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，使導軌能靈活可靠地上下移動。工具的向下進給以及對工件施加壓力靠振動系統(tǒng)自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機床后面有可加減的平衡重錘，除此之外，還有重錘杠桿加載、彈簧加載、液壓或氣壓加載等加壓方式。1-平衡重錘2-支架3-工作臺4-工件5-工具6-懸浮液7-變幅桿8-換能器9-導軌10-標尺CSJ-2型超聲加工機床

三、機床——DMG公司產(chǎn)品DMG公司Ultrasonic系列機床

三、機床——DMG機床在汽車工業(yè)的應用陶瓷剎車片硬質(zhì)鋼壓鑄模具Si3N4聯(lián)軸器模具玻璃陶瓷反射鏡陶瓷軸承陶瓷注塑噴嘴三、機床——DMG機床在半導體工業(yè)的應用硅制波型板硅制波型板架硅制螺桿硅制功能元件PC讀/寫頭上的陶瓷滑塊硅制熱敏/冷敏元件三、機床——DMG機床在光學、醫(yī)學上的應用玻璃/石英砂內(nèi)窺鏡透鏡控制盤牙冠玻璃陶瓷鏡架望遠鏡鏡片三棱鏡三、機床——國外超聲加工機床RotaryCNCSeries10BedmillSonic-Mill超聲磨削機床夫瑯和費研究所三、機床——國外超聲加工機床超音波加工機大阪大學產(chǎn)業(yè)科學研究所USM-100F20S-D超音波工業(yè)株式會社三、機床——國產(chǎn)超聲加工機床CNC三軸精密自動鉆孔臺灣克硬企業(yè)有限公司經(jīng)濟型超聲加工機無錫市超聲電子設備有限公司3.超聲加工工藝指標與影響因素除受機床、夾具精度影響外，主要由磨料粒度、工具制造精度及磨損狀況、工具橫向振動、加工深度、被加工材料性質(zhì)決定。一、加工速度g/min,mm3/min影響因素：

1）工具的振幅與頻率；

2）進給壓力；

3）磨料的種類和粒度；

4）磨料懸浮液濃度；

5）被加工材料。二、加工精度三、表面質(zhì)量

無燒傷及表面變質(zhì)層，表面粗糙度較低。4.超聲加工的應用一、傳統(tǒng)超聲加工型孔、型腔成形、切割加工等二、超聲復合機械加工超聲磨削、超聲鉆削、超聲拋光、超聲珩磨等三、超聲與其他特種加工相復合超聲電化學加工、超聲電火花加工等四、超聲清洗五、超聲焊接ZrO2Al2O3一、傳統(tǒng)超聲加工

一、傳統(tǒng)超聲加工二、超聲復合機械加工玻璃ZrO2超聲磨削二、超聲復合機械加工超聲鉆削超聲清洗機基于超聲頻振動在液體中產(chǎn)生的交變沖擊波和空化作用。強烈沖擊波，直接使被清洗部位上的污物脫落下來；空化作用產(chǎn)生的空化氣泡滲透到污物與被清洗部位表面之間，促使污物脫落；在污物被清洗液溶解的情況下，空化效應可加速溶解過程。四、超聲清洗

利用超聲頻振動作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本體表面顯露出來，并在兩個被焊工件表面分子的高速振動撞擊下，摩擦發(fā)熱，粘接在一起。五、超聲焊接超聲焊接塑料:

用超聲波去帶動焊接頭的高速振動，使兩塊塑料的接合面產(chǎn)生磨擦熱，瞬間熔化接合。五、超聲焊接不僅可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化股的鋁制品等，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆薄層。由于超聲焊接不需要外加熱和焊劑，焊接熱影響區(qū)很小，施加壓力微小，故可焊接直徑或厚度很小的（0.015-0.03）不同金屬材料，也可焊接塑料薄纖維及不規(guī)則形狀的硬熱塑料。目前，大規(guī)模集成電路引線連接等，已廣泛采用超聲焊接。一、原理第二節(jié)水射流切割WaterJetCutting/WJC

二、設備和工具超高壓水射流發(fā)生器（高壓泵）數(shù)控加工平臺數(shù)控系統(tǒng)噴嘴水射流切割是利用高壓高速液流沖擊工件，達到去除材料的目的；有時簡稱水切割，或俗稱水刀。加工前三、應用剛開始加工的瞬間三、應用三、應用三、應用水刀與工廠自動化一項切割技術(shù)的新組合四、磨料水射流工藝四、磨料水射流工藝四、磨料水射流工藝ButterflyEffect

AlteredblownglassbyNoelHart2008

Waterjetcutglasspieces第三節(jié)離子束加工一、離子束加工的原理、分類和特點

離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。IonBeamMachining，簡稱IBM

離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理與電子束加工原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工是靠微觀機械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進行的。（一）離子束加工的原理一、離子束加工的原理、分類和特點（二）離子束加工分類

1）離子刻蝕離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝離，又稱離子銑削，其實質(zhì)是一種原子尺度的切削加工。

2）離子沉積離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。

3）離子鍍離子同時轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強膜材與工件基材之間的結(jié)合力。

4）離子注入離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學成分，從而改變了工件表面層的機械物理性能。Video一、離子束加工的原理、分類和特點（三）離子束加工的特點

1)離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細的加工。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。

2)離子束加工在高真空中進行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工。

3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛件零件進行加工。

4）設備昂貴，加工成本高，應用受到一定限制。二、離子束加工裝置

1）離子源；

2）真空系統(tǒng)；

3）控制系統(tǒng)；

4）電源。三、離子束加工的應用（一）刻蝕加工撞擊、濺射過程集成電路及微電子器件刻蝕（二）離子束鍍膜濺射沉積過程離子鍍（三）離子注入半導體“摻雜”工藝

耐熱玻璃的浮雕離子束刻蝕三、離子束加工的應用

在石英玻璃上刻蝕光柵離子束刻蝕三、離子束加工的應用

對銅質(zhì)基體或鋅鋁合金等基體在真空條件下進行表面的改性處理，加鍍不銹鋼膜層以增強其耐磨損、耐腐蝕性和美觀度。離子鍍膜三、離子束加工的應用鍍氮化鈦離子鍍膜三、離子束加工的應用