《特種加工》課件-第6章

第6章超聲波加工6.1超聲波加工的原理及特點(diǎn)6.2超聲波加工的設(shè)備及其組成部分6.3超聲波加工的工藝參數(shù)及其影響因素6.4超聲波加工的應(yīng)用 6.1超聲波加工的原理及特點(diǎn)

6.1.1超聲波簡介

聲波是人耳能感受到的一種縱波，它的頻率在16～16000Hz范圍內(nèi)。當(dāng)頻率超過16000Hz就稱為超聲波。超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體等介質(zhì)中傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，因此傳播時(shí)反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象顯著。超聲波主要具有下列性質(zhì)：（1)超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力(聲壓)，因此，可用這個(gè)壓力的大小來表示超聲波的強(qiáng)度。傳播的波動(dòng)能量越強(qiáng)，則壓力也越大。在液體或固體中傳播超聲波時(shí)，由于介質(zhì)密度和振動(dòng)頻率都比空氣中傳播聲波時(shí)高許多倍，因此為同一振幅時(shí)，液體、固體中的超聲波強(qiáng)度、功率、能量密度要比空氣中的超聲波高千萬倍。（2)當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時(shí)，將以極高的頻率壓迫液體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，而由于液體基本上不可壓縮，因此產(chǎn)生壓力正、負(fù)交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象。這一過程時(shí)間極短，液體空腔閉合壓力可達(dá)幾十個(gè)大氣壓，并可產(chǎn)生巨大的水壓沖擊。這一交變的脈沖壓力作用在鄰近的零件表面上會(huì)使其破壞，引起固體物質(zhì)分散、破碎等效應(yīng)。（3)超聲波通過不同介質(zhì)時(shí)，能在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小決定于兩種介質(zhì)的波阻抗(密度與波速的乘積稱為波阻抗)。兩種介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時(shí)能量的反射率愈高。當(dāng)超聲波從液體或固體過渡到空氣時(shí)（或者相反的情況下），反射率接近100％。此外，由于空氣有可壓縮性，因此阻礙了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相鄰介質(zhì)中的傳遞條件，往往在超聲振動(dòng)系統(tǒng)的各連接面間加入機(jī)油、凡土林作為傳遞介質(zhì)。（4)超聲波在一定條件下，會(huì)產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。當(dāng)超聲波在彈性桿中從桿的一端向另一端傳播時(shí)，會(huì)在桿的端部發(fā)生波的反射。在有限的彈性體中，實(shí)際存在著同周期、同振幅、傳播方向相反的兩個(gè)波，這兩個(gè)完全相同的波從相反的方向會(huì)合，就會(huì)產(chǎn)生波的干涉。當(dāng)桿長符合某一規(guī)律時(shí)，桿上有些點(diǎn)在波動(dòng)過程中位置始終不變，其振幅為零(為波節(jié))，而另一些點(diǎn)振幅最大，其振幅為原振幅的兩倍(為波腹)。當(dāng)然，要將超聲波應(yīng)用于加工領(lǐng)域，就要充分利用其大振幅共振特性。因此，為了使彈性桿處于大振幅共振狀態(tài)，應(yīng)將彈性桿設(shè)計(jì)成半波長的整數(shù)倍，固定彈性桿的支持點(diǎn)應(yīng)該選在振動(dòng)過程中的波節(jié)處，這一點(diǎn)不振動(dòng)。6.1.2超聲波加工的原理

超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，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6－1所示。加工時(shí)，在工具1和工件2之間加入液體(水或煤油等)和磨料混合的懸浮液3，并使工具以很小的力F輕輕壓在工件上。超聲換能器6產(chǎn)生16000Hz以上的超聲頻縱向振動(dòng)，并借助于變幅桿把振幅放大到0.05～0.1mm左右，驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從工件上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料很少，但由于每秒鐘打擊的次數(shù)多達(dá)16000次以上，因此仍有一定的加工速度。循環(huán)流動(dòng)的懸浮液帶走脫落下來的微粒，并使磨料不斷更新。與此同時(shí)，工作液受工具端面超聲頻振動(dòng)作用而產(chǎn)生的高頻，正、負(fù)交變的液壓沖擊波和“空化”作用，促使工作液鉆入被加工材料的微裂縫處，進(jìn)一步加劇了機(jī)械破壞作用。隨著加工的不斷進(jìn)行，最終把工具的形狀“復(fù)印”在工件上，并達(dá)到要求的尺寸。圖6－1超聲波加工原理所謂空化作用，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔；當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可以強(qiáng)化加工過程。此外，正、負(fù)交變的液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，使變鈍了的磨粒及時(shí)得到更新。

綜上所述，超聲波加工是磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。既然超聲波加工中磨粒的撞擊作用是主要的作用力，因此就不難理解，越是脆硬的材料，受撞擊作用遭受的破壞愈大，愈易加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工。根據(jù)這個(gè)道理，人們可以合理選擇工具材料，使之既能撞擊磨粒，又不致使自身受到很大破壞。例如，用45鋼制作工具即可滿足上述要求。6.1.3超聲波加工的特點(diǎn)

超聲波加工具有如下特點(diǎn)：

（1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)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(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料，如淬火鋼、硬質(zhì)合金等，也能進(jìn)行加工，但加工生產(chǎn)率較低。

（2)由于工具可用較軟的材料，做成較復(fù)雜的形狀，因此不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的相對運(yùn)動(dòng)，也因此超聲波加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡單，操作、維修方便。（3)加工精度高，加工表面質(zhì)量好。由于去除加工材料靠的是極小磨料瞬時(shí)局部的撞擊作用，因此加工精度可達(dá)0.01～0.02mm，表面粗糙度也較好，可達(dá)0.63～0.08μm。

（4)工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會(huì)引起變形及燒傷，因此可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。

（5)與電火花加工、電解加工相比，采用超聲波加工硬質(zhì)金屬材料的效率較低。6.2超聲波加工的設(shè)備及其組成部分

超聲波加工設(shè)備又稱超聲加工裝置，它們的功率大小和結(jié)構(gòu)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(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床本體、磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等。超聲加工機(jī)床的主要組成如圖6－2所示。圖6－2超聲加工機(jī)床的主要組成圖6.2.1超聲發(fā)生器

超聲發(fā)生器也稱超聲波或超聲頻發(fā)生器，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動(dòng)和去除被加工材料的能量。

超聲發(fā)生器的組成方框圖類似于圖6－3，分為振蕩級、電壓放大級、功率放大級及電源等四部分。圖6－3超聲發(fā)生器的組成框圖超聲發(fā)生器的作用原理是：振蕩級由電子管或三極管接成電感反饋振蕩電路，調(diào)節(jié)電容量可改變振蕩頻率，即可調(diào)節(jié)輸出的超聲頻率；振蕩級的輸出經(jīng)耦合至電壓放大級進(jìn)行放大后，利用變壓器倒相輸送到末級功率放大管；功率放大管有時(shí)用多管并聯(lián)推挽輸出，經(jīng)輸出變壓器輸至換能器。一般要求超聲發(fā)生器應(yīng)滿足如下條件：

（1)輸出阻抗與相應(yīng)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)輸入阻抗匹配。

（2)頻率調(diào)節(jié)范圍應(yīng)與超聲振動(dòng)系統(tǒng)頻率變化范圍相適應(yīng)，并連續(xù)可調(diào)。

（3)輸出功率盡可能具有較大的連續(xù)可調(diào)范圍，以適應(yīng)不同工件的加工。

（4)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高，便于操作和維修。6.2.2超聲振動(dòng)系統(tǒng)

1.超聲換能器

超聲換能器的作用是將高頻電能(16000Hz以上的交流電)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l率的機(jī)械振蕩(超聲波)。目前，可利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)兩種方法實(shí)現(xiàn)這一目的。

1)壓電效應(yīng)超聲換能器

石英晶體、鈦酸鋇以及鋯鐵酸鉛等物質(zhì)在受到機(jī)械壓縮或拉伸變形時(shí)，在它們兩對面的介面上將產(chǎn)生一定的電荷，形成一定的電勢；反之，在它們的兩對面上加以一定的電壓，則將產(chǎn)生一定的機(jī)械變形，如圖6－4所示，這一現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。如果兩面加上16000Hz以上的交變電壓，則該物質(zhì)產(chǎn)生高頻的伸縮變形，使周圍的介質(zhì)作超聲振動(dòng)。為了獲得最大的超聲波強(qiáng)度，應(yīng)使晶體處于共振狀態(tài)，故晶體片厚度應(yīng)為超聲波半個(gè)波長的整數(shù)倍。圖6－4壓電效應(yīng)圖6－5壓電陶瓷換能器

應(yīng)當(dāng)注意，石英晶體的伸縮量太小，3000V電壓才能產(chǎn)生0.01μm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(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛具有二者的優(yōu)點(diǎn)，一般可用作超聲波清洗、探測和小功率的超聲波加工的換能器，常制成圓形薄片，兩面鍍銀，先加高壓直流電進(jìn)行極化，一面為正極，另一面為負(fù)極。使用時(shí)，常將兩片疊在一起，正極在中間，負(fù)極在兩側(cè)，經(jīng)上下端塊用螺釘夾緊，如圖6－5所示裝夾在機(jī)床主軸頭的振幅擴(kuò)大棒(變幅桿)的上端。正極必須與機(jī)床主軸絕緣。為了電極引線方便，常用一鎳片夾在兩壓電陶瓷片正極之間作為接線端片。壓電陶瓷片的自振頻率與其厚薄、上下端塊質(zhì)量及夾緊力等成反比。

2)磁致伸縮效應(yīng)超聲換能器

鈦、鈷、鎳及其合金的長度能隨著所處的磁場強(qiáng)度的變化而伸縮的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。其中，鎳在磁場中的最大縮短量為其長度的0.004％；鈦和鈷則在磁場中伸長，當(dāng)磁場消失后又恢復(fù)原有尺寸。這種材料制成的棒桿在交變磁場中，其長度將交變伸縮，端面將產(chǎn)生振動(dòng)。

為了減少高頻渦流損耗，超聲波加工中常用純鎳片疊成封閉磁路的鎳棒換能器，如圖6－6所示。在兩芯柱上同向繞以線圈，通入高頻電流使之伸縮，它比壓電式換能器有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較大的輸出功率，常用于中功率和大功率的超聲波加工。其缺點(diǎn)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)將變小甚至消失，也可能把線圈繞組的絕緣材料燒壞。圖6－6磁致伸縮效應(yīng)換能器為了擴(kuò)大振幅，鎳棒的長度應(yīng)等于超聲波半波長的整數(shù)倍，使之處于共振狀態(tài)。但即使在共振條件下，振幅一般也不超過0.005～0.01mm，不能直接用于加工(超聲波加工需0.01～0.1mm的振幅)，必須通過一個(gè)上粗下細(xì)的變幅桿(振幅擴(kuò)大棒)將振幅放大5～20倍。

2.振幅擴(kuò)大棒(變幅桿)

為了擴(kuò)大壓電或磁致伸縮超聲換能器的變形量，必須通過一個(gè)上粗下細(xì)的棒桿將振幅加以擴(kuò)大，此桿即稱為振幅擴(kuò)大棒或變幅桿，如圖6－7所示。圖6－7三種基本形式的變幅桿

（a）圓錐形；（b）指數(shù)形；（c）階梯形圖6－7（a）為圓錐形的變幅桿，其振幅擴(kuò)大比為5～10倍，制造方便；圖6－7（b）為指數(shù)形的變幅桿，其振幅擴(kuò)大比為10～20倍，工作穩(wěn)定但制造較困難；圖6－7（c）為階梯形的變幅桿，其振幅擴(kuò)大比為20倍以上，易于制造，但當(dāng)它受負(fù)載阻力時(shí)振幅衰減嚴(yán)重，而且在其臺(tái)階處容易因應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞斷裂，為此須加過渡圓弧。

變幅桿之所以能擴(kuò)大振幅，是由于通過它的每一截面的振動(dòng)能量是不變的(略去傳播損耗），截面小的地方能量密度較大，振幅也就越大。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的固有振動(dòng)頻率和外激振動(dòng)頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，在設(shè)計(jì)、制造變幅桿時(shí)，應(yīng)使其長度L等于超聲波振動(dòng)的半波長或其整倍數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中，加工小孔、深孔常用指數(shù)形變幅桿；階梯形的因設(shè)計(jì)、制造容易，一般也常采用。

必須注意，超聲波加工時(shí)并不是整個(gè)變幅桿和工具都在作上下高頻振動(dòng)，它和低頻或工頻振動(dòng)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)各點(diǎn)沿波的前進(jìn)方向按正弦規(guī)律在原地作往復(fù)振動(dòng)，并以聲速傳導(dǎo)到工具端面，使工具端面作超聲振動(dòng)。

3.工具

超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)振幅擴(kuò)大棒（變幅桿）放大后傳遞給工具，使磨粒和工作液以一定的能量沖擊工件，并加工出一定尺寸和形狀的工件。

工具的形狀和尺寸決定于被加工表面的形狀和尺寸，它們相差一個(gè)“加工間隙”(稍大于平均的磨粒直徑)。當(dāng)加工表面積較小或批量較少時(shí)，工具和擴(kuò)大棒做成一個(gè)整體，否則可將工具用焊接或螺紋連接等方法固定在擴(kuò)大棒下端。當(dāng)工具不大時(shí)，可以忽略工具對振動(dòng)的影響；當(dāng)工具較重時(shí)，會(huì)減低聲學(xué)頭的共振頻率；工具較長時(shí)，應(yīng)對擴(kuò)大棒進(jìn)行修正，使其滿足半個(gè)波長的共振條件。整個(gè)聲學(xué)頭（包括換能器、振幅擴(kuò)大棒、工具）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多能量。在螺紋連接處應(yīng)涂以凡士林油，絕不可存在空氣間隙，因?yàn)槌暡ㄍㄟ^空氣時(shí)將很快衰減。換能器、擴(kuò)大棒或整個(gè)聲學(xué)頭應(yīng)選擇在振幅為零的“駐波節(jié)點(diǎn)”，夾固支承在機(jī)床上。6.2.3機(jī)床本體

超聲加工機(jī)床一般比較簡單，包括支撐超聲振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)架及工作臺(tái)面，使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床體等部分。圖6－8所示是國產(chǎn)CSJ－2型超聲加工機(jī)床簡圖。如圖所示，4、5、6為超聲振動(dòng)系統(tǒng)，安裝在一根能上下移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上、下兩組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活精密地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給及對工件施加壓力靠的是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后部有可加壓的平衡重錘2。也有采用彈簧或其他辦法加壓的。圖6－8

CSJ－2型超聲加工機(jī)床6.2.4磨料工作液及其冷卻循環(huán)系統(tǒng)

小型超聲加工機(jī)床的磨粒工作液更換及輸送一般都是用手工完成的。若用泵供給，則能使磨粒工作液在加工區(qū)良好循環(huán)。若工具及振幅擴(kuò)大棒較大，可以在工具與擴(kuò)大棒中間開孔，從孔中輸送工作液，以提高加工質(zhì)量。對于較深的加工表面，應(yīng)經(jīng)常將工具定時(shí)抬起，以利于磨料的更換和補(bǔ)充。

作為工作液，效果較好而又最常用的是水。為了提高表面質(zhì)量，有時(shí)也用煤油或機(jī)油做工作液。磨粒一般采用碳化硅、氧化鋁，但是在加工硬質(zhì)合金時(shí)用碳化硼，加工金剛石時(shí)則用金剛石粉。磨粒的粒度大小是根據(jù)加工生產(chǎn)率和精度要求選定的，粒度大的生產(chǎn)率高，但加工精度及表面粗糙度則較差。

6.3超聲波加工的工藝參數(shù)及其影響因素

6.3.1加工速度及其影響因素

加工速度是指單位時(shí)間內(nèi)去除材料的多少，單位通常以g／min或mm3／min表示。加工玻璃的最高速度可達(dá)2000～4000mm3／min。

影響加工速度的主要因素有：工具振動(dòng)頻率、振幅，工具和工件間的靜壓力，磨料的種類和精度，磨料工作液的濃度、供給及循環(huán)方式，工具與工件材料，加工面積，加工深度等。

1.工具的振幅和頻率的影響

加工速度隨工具振動(dòng)振幅增加而線性增加。振動(dòng)頻率提高時(shí)，在一定范圍內(nèi)亦可以提高加工速度，但隨頻率及振幅的提高，變幅桿和工具會(huì)承受較大的交變應(yīng)力，從而會(huì)使它們的壽命縮短；振幅及頻率同時(shí)提高會(huì)使變幅桿與工具及變幅桿與換能器間的能量損耗加大，故在超聲波加工中，一般振幅為0.01～0.1mm，頻率為16000～25000Hz，如圖6－9所示。實(shí)際加工中，應(yīng)將頻率調(diào)至共振頻率，以獲得最大的振幅。圖6－9超聲加工速度與振幅、頻率的關(guān)系曲線

（工具截面：?6.35mm；被加工材料：玻璃）

2.進(jìn)給壓力的影響

加工時(shí)工具對工件應(yīng)有一個(gè)合適的進(jìn)給壓力。若壓力過小，則工具端面與工件加工面間隙加大，令磨粒對工件撞擊力及打擊深度降低，加工速度變??；壓力過大，則工具末端與工件加工面間隙變小，磨料及工作液不能順利更新，加工速度也變慢，如圖6－10所示。

一般而言，加工面積小時(shí)，單位面積最佳靜壓力可較大。例如，采用圓形實(shí)心工具在玻璃上加工孔，加工面積在5~13mm2范圍內(nèi)時(shí)，其最佳靜壓力約為4000kPa；當(dāng)加工面積在20mm2時(shí)，最佳靜壓力約為2000~3000kPa。圖6－10加工速度與進(jìn)給壓力的關(guān)系

3.磨料的種類和粒度的影響

磨料硬度愈高，加工速度愈快，但要考慮價(jià)格成本。加工金剛石和寶石等超硬材料時(shí)，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(shí)，宜采用硬度較高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬材料時(shí)，可采用碳化硅；加工玻璃、石英、半導(dǎo)體等材料時(shí)，用剛玉類，如氧化鋁(Al2O3)作磨料即可，如表6－1所示。

另外，磨料粒度愈粗，加工速度愈快，但精度和表面粗糙度則變差。表6－1磨料選用

4.磨料工作液濃度的影響

磨料工作液濃度低，則加工間隙內(nèi)磨粒少，特別是在加工面積和深度較大時(shí)，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。隨著工作液中磨料濃度的增加，加工速度也增加。但濃度太高時(shí)，磨粒在加工區(qū)域的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和對工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會(huì)導(dǎo)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0.8～1。

工作液的液體類型對加工速度的影響如表6－2所示。由表6－2可見，水的相對生產(chǎn)率最高，其原因是水的粘度小，濕潤性高且有冷卻性，對超聲波加工有利。表6－2幾種工作液的液體相對生產(chǎn)率

5.被加工材料的影響

材料脆度與超聲波可加工性如表6－3所示。材料脆度 ，其中，ρ為切應(yīng)力，σ為斷裂應(yīng)力。被加工材料愈脆，則承受沖擊載荷的能力愈低，因此愈易被去除加工；反之,韌性較好的材料則不易加工。如假設(shè)玻璃的可加工性(生產(chǎn)率)為100％，則鍺、硅半導(dǎo)體單晶的可加工性為200％～250％，石英的可加工性為50％，硬質(zhì)合金的可加工性為2％～3％，淬火鋼的可加工性為1％，不淬火鋼的可加工性小于1％。表6－3材料脆度與超聲波的可加工性

6.3.2加工精度及其影響因素

超聲波加工的精度除受機(jī)床、夾具精度影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及其磨損情況、工具橫向振動(dòng)大小、加工深度、被加工材料性質(zhì)等有關(guān)。一般加工孔的尺寸精度可達(dá)±0.02～0.05mm。在通常加工速度下，超聲波加工最大孔徑和所需功率的大致關(guān)系如表6－4所示。一般超聲波加工的孔徑范圍約為0.1～90mm，深度可達(dá)直徑的10～20倍以上。表6－4超聲波加工功率和最大加工孔徑的關(guān)系超聲波加工的孔一般都有錐度，這與工具磨損及工具的橫向振動(dòng)有關(guān)，如圖6－11所示。為了減小工具磨損對圓孔加工精度的影響，可將粗、精加工分開，并相應(yīng)更換磨粒粒度，合理選擇工具材料。工具及變幅桿的橫向振動(dòng)會(huì)引起磨粒對孔壁的二次加工，在孔深度方向上形成從進(jìn)口端至出口端逐漸減小的錐度。圖6－11工具磨損對圓孔加工精度影響的示意圖當(dāng)工具尺寸一定時(shí)，加工的孔的尺寸將比工具尺寸有所擴(kuò)大，擴(kuò)大量約為磨料磨粒直徑的兩倍，加工的孔的最小直徑Dmin約等于工具直徑D1與磨料磨粒平均直徑ds的兩倍。表6－5給出了幾種常用磨料粒度及其基本磨粒尺寸范圍的關(guān)系。表6－5常用磨料粒度及其基本磨粒尺寸范圍磨粒愈細(xì)，加工孔精度愈高。尤其在加工深孔時(shí)，細(xì)磨粒有利于減小孔的錐度。

在超聲波加工過程中，磨料會(huì)由于沖擊而逐漸磨鈍并破碎，這些破碎和已鈍化的磨粒會(huì)影響加工精度，而且即使新的磨料磨粒也不是完全均勻的。所以，選擇均勻性好的磨料，并在使用10～15h后經(jīng)常更換磨料，對保證加工精度、提高加工速度是十分重要的。

此外，加工圓形孔時(shí)，其形狀誤差主要有橢圓度和錐度。橢圓度大小與工具橫向振動(dòng)大小和工具沿圓周磨損不均勻有關(guān)；錐度大小與工具磨損量有關(guān)。如果采用工具或工件旋轉(zhuǎn)的方法，則可以提高孔的圓度和生產(chǎn)率。6.3.3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(huì)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也較好，一般可在1～0.1μm之間，它取決于每粒磨料每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，與磨料顆粒的直徑、被加工材料的性質(zhì)、超聲振動(dòng)的振幅以及磨料工作液的成份等有關(guān)。

當(dāng)磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時(shí)，加工表面粗糙度將得到改善，但生產(chǎn)率也隨之降低，如圖6－12所示。圖6－12超聲波加工表面粗糙度與磨料粒度的關(guān)系6.3.4工具磨損

超聲波加工過程中，工具也同時(shí)受到磨粒的沖擊及空化作用而產(chǎn)生磨損。表6－6所示為不同材質(zhì)的工具加工玻璃和硬質(zhì)合金的磨損情況。由表6－6可見，用碳鋼或不淬火工具鋼制造工具，磨損較小，制造容易且強(qiáng)度高。表6－6不同材質(zhì)工具加工中的工具磨損情況 6.4超聲波加工的應(yīng)用

6.4.1超聲波的型孔、型腔加工超聲波加工型腔、型孔時(shí)，具有精度高、表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。目前，在各工業(yè)部門中，超聲波主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細(xì)孔等，如圖6－13所示。圖6－13超聲加工的型孔、型腔加工應(yīng)用

（a）加工圓孔；（b）加工型腔；（c）加工異型孔；

（d）套料加工；（e）加工微細(xì)孔加工某些沖模、型腔模、拉絲模時(shí)，先經(jīng)過電火花、電解及激光加工(粗加工)后，再用超聲波研磨拋光，以減小表面粗糙度值，提高表面質(zhì)量。如拉伸模、拉絲模多用合金工具鋼制造，若改用硬質(zhì)合金，以超聲波加工(電火花加工常會(huì)產(chǎn)生微裂紋)，則模具壽命可提高80～100倍。圖6－14所示為硬質(zhì)合金下料陰模（凹模）的加工示意圖。其工藝過程是：

（1）電火花加工出預(yù)制孔，孔壁留大約1mm，作為超聲波加工余量。

（2）超聲波粗加工，磨料粒度為180#～240#，工具直徑按比工件孔徑最終尺寸小0.5mm設(shè)計(jì)，如圖6－14（a）所示。由于超聲波加工后孔有擴(kuò)大量及錐度，因此在入口端單面留有0.15mm加工余量，在出口端單面留有0.21mm加工余量。如圖6－14（b）所示。（3）超聲波精加工，磨料粒度為W20~W10，工具直徑按比工件孔徑最終尺寸減小0.08mm設(shè)計(jì)，如圖6－14（c）所示。由于加工后的孔有擴(kuò)大量及錐度，因此入口端已達(dá)到工件最終尺寸時(shí)，出口端單面仍留有0.025mm的加工余量，如圖6－14（d）所示。

（4）用超聲波加工研磨修整內(nèi)孔，將原來約40′斜度修正為4′，如圖6－14(e)所示。圖6－14硬質(zhì)合金下料陰模加工示意圖6.4.2超聲波切割

用普通機(jī)械加工切割脆硬的半導(dǎo)體材料是很困難的，采用超聲波切割則較為有效。圖6－15所示為用超聲波加工法切割單晶硅片的示意圖。切割時(shí)，首先用鋁焊或銅〖TS)〗焊將工具(薄鋼片或磷青銅片)焊接在變幅桿的端部；加工時(shí)噴注磨料液，一次可以切割10～20片。

圖6－16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(yīng)足夠在磨損后作幾次重磨。最外邊的刀片應(yīng)比其他刀片高出0.5mm，切割時(shí)插入坯料的導(dǎo)槽中，起定位作用。圖6－15超聲波切割單晶硅片加工時(shí)噴注磨料液，將坯料片先切割成1mm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(jìn)行第三次切割以完成模塊的切割加工。圖6－17所示為已切成的陶瓷模塊。圖6－16成批切槽（塊）刀具圖6－17切割成的陶瓷模塊6.4.3超聲清洗

超聲清洗的原理主要基于超聲頻振動(dòng)在液體中產(chǎn)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(shí)，液體分子往復(fù)高頻振動(dòng)，產(chǎn)生正、負(fù)交變的沖擊波，當(dāng)聲波達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，液體中急劇生長微小空化氣泡并瞬時(shí)強(qiáng)烈閉合，產(chǎn)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(xì)小深孔、彎孔中的污物，也很易被清洗干凈。所以，超聲清洗被廣泛用于對噴油嘴、噴絲板、微型軸承、儀表齒輪、手表機(jī)芯、印制電路板、集成電路微電子器件等的清洗，可獲得很高的凈化度。圖6－18所示為超聲清洗裝置示意圖。圖6－18超聲清洗裝置超聲清洗時(shí)，清洗液會(huì)逐漸變臟，對被清洗的零件造成二次污染。采用超聲氣相清洗，可以解決上述弊病，達(dá)到更好的清洗效果。超聲氣相清洗裝置由超聲清洗槽、氣相清洗槽、蒸餾回收槽、水份分離槽、超聲發(fā)生器等組成，如圖6－19所示。圖6－19四槽式超聲氣相清洗機(jī)示意簡圖零件經(jīng)過兩次超聲清洗后，即懸吊于氣相清洗槽上方進(jìn)行氣相清洗。氣相清洗劑選用沸點(diǎn)低(40～50℃)、不易燃、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)溶劑，如三氯乙烯、三氯乙烷或氟里昂等。當(dāng)氣相清洗槽內(nèi)的溶劑加熱后即迅速蒸發(fā)，蒸汽遇零件后即凝結(jié)成霧滴下降，面對零件進(jìn)行淋洗，在槽的上方有冷排管，清洗液蒸汽遇冷后即凝結(jié)下降，也對工件起淋浴清洗作用，最后回落到氣相清洗槽中而不致溢出槽外。超聲清洗劑還可以通過獨(dú)立的蒸餾回收槽回收以重新使用。6.4.4超聲焊接

超聲焊接的原理是利用超聲頻振動(dòng)作用，去除工件表面的氧化膜，顯露出新的本體表面，在兩個(gè)被焊工件表面分子的高速振動(dòng)撞擊下摩擦發(fā)熱并親和粘接在一起。圖6－20為超聲焊接示意圖。圖6－20超聲焊接示意圖超聲焊接可以焊接尼龍、塑料以及表面易生成氧化膜的鋁制品等。由于在超聲焊接時(shí)時(shí)間短，且薄表面層冷卻快，因此獲得的接頭焊接區(qū)是細(xì)晶粒組成的連續(xù)層。目前，超聲焊機(jī)有四種類型，即點(diǎn)焊機(jī)、連續(xù)縫焊機(jī)、直線焊機(jī)和環(huán)焊機(jī)，主要應(yīng)用于焊接電子電器元件及集成電路的接引線、金屬箔包裝件的密封及食品、藥品的包裝等。

此外，利用超聲化學(xué)鍍工藝也可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀及涂覆熔化的金屬薄層。

表6－7所示為可以用超聲焊接的某些成對金屬。從表中可以看出，某些金屬在超聲作用下擴(kuò)大了可焊接性。表6－7某些金屬的超聲焊接性能6.4.5超聲波復(fù)合加工

1.超聲波電解復(fù)合加工

用超聲波電解復(fù)合加工方法來加工噴油嘴、噴絲板上的小孔或窄槽，可以大大提高加工速度和質(zhì)量。

圖6－21所示為超聲電解復(fù)合加工小孔和