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(diǎn)

一.加工原理 超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過(guò)20000Hz的工具頭，通過(guò)懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)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(dāng)工具以20000Hz以上的振動(dòng)頻率作用于懸浮液磨料時(shí)，磨料便以極高的速度強(qiáng)力沖擊加工表面；同時(shí)由于懸浮液磨料的攪動(dòng)，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(dòng)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(dāng)工具端面以很大的加速度離開(kāi)工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在磨料液內(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，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(jìn)行，工具的形狀就逐漸“復(fù)制”在工件上。由此可見(jiàn)，超聲波加工是磨粒的機(jī)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(jìn)行超聲波加工。

二、特點(diǎn) 超聲波加工的主要特點(diǎn)如下：

(1)適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導(dǎo)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(duì)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(shí)宏觀切削力很小，不會(huì)引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達(dá)0.2μm，加工精度可達(dá)0.05～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。

(4)加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)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(diǎn)。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(dòng)系統(tǒng)(聲學(xué)部件)、機(jī)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(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。

2、聲學(xué)部件 聲學(xué)部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能器、振幅擴(kuò)大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)；振幅擴(kuò)大棒又稱(chēng)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(guò)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(xì)(按指數(shù)曲線設(shè)計(jì))的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^(guò)變幅桿的每一截面的振動(dòng)能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增大。 變幅桿的常見(jiàn)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(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)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(duì)磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)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(jī)床本體 超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)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(shí)用煤油或機(jī)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(shí)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(dá)2000~4000mm3/min。

1、工具的振幅和頻率的影響過(guò)大的振幅和過(guò)高的頻率會(huì)使工具和變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，可能超過(guò)它的疲勞強(qiáng)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(shí)際加工中應(yīng)調(diào)至共振頻率，以獲得最大的振幅。

2．進(jìn)給壓力的影響

壓力過(guò)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(duì)工件的撞擊力和打擊深度；壓力過(guò)大，會(huì)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(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時(shí)，加工面積在5~13mm2范圍內(nèi)，最佳靜壓力約為400kPa，當(dāng)加工面積在20mm2以上時(shí)，最佳靜壓力約為200~300kPa之間。

3．磨料的種類(lèi)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(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)，用剛玉之類(lèi)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(shí)可能造成加工區(qū)局部無(wú)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(shí)，磨料在加工區(qū)域的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和對(duì)工件撞擊運(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(duì)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(dǎo)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(dá)±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(dá)直徑的10~20倍以上。具體見(jiàn)表7-1。

2、加工孔的尺寸精度當(dāng)工具尺寸一定時(shí)，加工出孔的尺寸將比工具尺寸有所擴(kuò)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(shí)，可達(dá)±0.05mm，采用W28~W7時(shí)磨粒時(shí)，可達(dá)±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(huì)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(dāng)磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時(shí)，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(rùn)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(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。在實(shí)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(lèi)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(shí)，下面哪種說(shuō)法最正確？（1）工具整體在作超聲振動(dòng)