第7章超声波加工技术..ppt

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1、第第7章章 超声波加工技术超声波加工技术7.1 超声波加工的原理和特点超声波加工的原理和特点超超声声波波加加工工（Ultrasonic MachiningUSM），又又叫叫超超声声加加工工，特特别别适适合合对对导导体体、非非导导体体的的脆脆硬硬材材料料进进行行有有效效加加工工，是是对对特特种种加加工工工工艺艺的的有有益益补补充充，目目前前主主要要的的工工艺有：艺有：打孔、切割、清洗、焊接、探伤打孔、切割、清洗、焊接、探伤等。等。人人耳耳能能感感受受的的声声波波频频率率是是在在1616000Hz，超超声声波波是是一一种种频频率率超超过过16000Hz的的纵纵波波，它它具具有有很很强强的的能能量量

2、传传递递能能力力，能能够够在在传传播播方方向向上上施施加加压压力力；在在液液体体介介质质传传播播时时能能形形成成局局部部“伸伸”“缩缩”冲冲击击效效应应和和空空化化现现象象；通通过过不不同同介介质质时时，产产生生波波速速突突变变，形形成成波波的的反反射射和和折折射射；一一定定条条件能产生件能产生干涉、共振干涉、共振。利用超声波特性来进行加工的工艺称为利用超声波特性来进行加工的工艺称为超声波加工超声波加工。7.1.1 超声波加工的基本原理超声波加工的基本原理超声换能器利用超声换能器利用磁致伸缩效应磁致伸缩效应，将高频，将高频电电振荡振荡变为高频变为高频机械振动机械振动，再借助变幅杆把振，再借助变

3、幅杆把振幅放大，驱使工具振动，从而锤击工件表面幅放大，驱使工具振动，从而锤击工件表面的磨料，通过磨料加工工件的表面。的磨料，通过磨料加工工件的表面。超声加工时，高频超声波发生器联接超声换超声加工时，高频超声波发生器联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其振幅仅于工件表面的超声机械振动，其振幅仅0005001mm，再经变幅杆放大至再经变幅杆放大至00501mm，以驱动工具端面作超声振动。以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等磨料、水或煤油等）在工具的超声振动和一定压力下，高速不）在工

4、具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和微粒和粉末粉末。同时同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面高速抛磨工件表面，又由于超，又由于超声振动产生的声振动产生的空化现象，空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用强化了机械抛磨工件材料的作用

5、，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的声加工的目的。总之总之，超超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。用的结果。其中，其中，以磨粒不断冲击为主以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加

6、工。易被破坏，故尤其适于超声加工。5.1.2 超声加工的特点超声加工的特点1）适合加工各种硬脆材料适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。但加工效率较低。2）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不宏观切削力很小，

7、切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达可达Ra063-008um，尺寸精度可达正负尺寸精度可达正负003mm，也适于加工薄壁、窄也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。缝、低刚度零件。3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。和型面。一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。也比较方便。4）超声加工的面积不够大，而

8、且工具头磨损较大，故）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产生产率较低。率较低。7.2 超声波加工设备及其组成部分超声波加工设备及其组成部分超声加工设备的功率不同，其结构也有所不同，但其基本组成相同。一超声加工设备的功率不同，其结构也有所不同，但其基本组成相同。一般包括般包括超声发生器超声发生器、超声振动系统超声振动系统、磨料悬浮液循环系统磨料悬浮液循环系统和和机床机床。7.2.1 超声波发生器超声波发生器超声波发生器（又叫超声频发生器或超声波电源）的作用是将超声波发生器（又叫超声频发生器或超声波电源）的作用是将工频交流工频交流电电转换为功率为转换为功率为20-4000W的的超声频振

9、荡超声频振荡，以供给工具端面往复振动和，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。去除工件材料的能量。对超声波发生器的要求：对超声波发生器的要求：1）为实现不同工艺的加工，要求超声波发生器的输出功率和频率在一定）为实现不同工艺的加工，要求超声波发生器的输出功率和频率在一定范围内连续可调。范围内连续可调。2）为了当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变）为了当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变化等，引起化等，引起超声波振动系统共振频率的变化超声波振动系统共振频率的变化，因此，最好具有可通过，因此，最好具有可通过“声反馈声反馈”或或“电反馈电反馈”使超声波发生

10、器的工作频率能自动跟踪变化，保使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态的作用。证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态的作用。3）要求超声波发生器结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。）要求超声波发生器结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。7.2.2 超声波振动系统超声波振动系统超声波振动系统主要包括超声波振动系统主要包括换能器换能器、变幅杆变幅杆、工具工具。其作用。其作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进行超并通过变幅杆使工具端面作小振

11、幅的高频振动，以进行超声加工。声加工。1、换能器换能器换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根据其转换原理的不同，有据其转换原理的不同，有磁致伸缩式磁致伸缩式和和压电式压电式两种。两种。1）压电效应超声波换能器）压电效应超声波换能器压电效应是指，石英晶体、钛酸压电效应是指，石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅等物质在受到机钡以及锆钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两端械压缩或拉伸变形时，在其两端面上产生一定的电荷而形成一定面上产生一定的电荷而形成一定的的电势电势。相反，改变两端面上的。相反，改变两端面上的电压，也会产生一定的伸缩变形

12、电压，也会产生一定的伸缩变形的现象。的现象。若利用上述物质的压电效应，在若利用上述物质的压电效应，在两面加两面加16000Hz以上的交变电压，以上的交变电压，则该物质会产生高频的伸缩变形，则该物质会产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。使周围的介质作超声振动。为了获得最大的超声波强度，应为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振状态，故使晶体处于共振状态，故晶体片晶体片厚度应为声波半波长或整倍数厚度应为声波半波长或整倍数。石英晶体的伸缩量太小，石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生电压才能产生001um以下的变形。钛以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大酸钡的压电效应比石英晶体大

13、2030倍倍，但，但效率和机械强度效率和机械强度不如石英晶体，不如石英晶体，锆钛酸铅具有二者的优点，一般可用作锆钛酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗超声波清洗、探测探测和和小功率超声小功率超声加工的换能器加工的换能器。2）磁致伸缩式换能器）磁致伸缩式换能器磁致伸缩效应是指，磁致伸缩效应是指，铁铁、钴钴、镍镍及及其其合金合金或或铁氧体铁氧体等材料的长度可随等材料的长度可随所处磁场强度的变化而伸缩的现象。所处磁场强度的变化而伸缩的现象。镍在磁场中的最大缩短量为其长度镍在磁场中的最大缩短量为其长度的的0004，铁和钴则在磁场中伸，铁和钴则在磁场中伸长，当磁消失后又恢复原有尺寸。长，当磁消失后又

14、恢复原有尺寸。这种材料的棒杆在交变磁场中，长这种材料的棒杆在交变磁场中，长度将突变伸缩，端面将交变振动。度将突变伸缩，端面将交变振动。l-75镍十镍十25铁；铁；2-49钴十钴十2钒十钒十49镍；镍；3-6镍十镍十94铁；铁；4-29镍十镍十71铁；铁；5-退火钴；退火钴；6-镍镍超声加工中常用超声加工中常用纯镍片叠成封闭磁路纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器，即的镍棒换能器，即镍磁镍磁致伸缩式换能器致伸缩式换能器。其机械强度较高、输出功率较大，常用于。其机械强度较高、输出功率较大，常用于中功率和大功率中功率和大功率的超声加工。不足的是镍片的的超声加工。不足的是镍片的涡流发热损失较涡流发热损失较大

15、大，能量转换效率较低，加工过程中需用，能量转换效率较低，加工过程中需用风或水冷却风或水冷却，否则随，否则随着温度的升高，磁致伸缩效应变小甚至消失，也可能将线圈着温度的升高，磁致伸缩效应变小甚至消失，也可能将线圈绕组的绝缘材料烧坏。绕组的绝缘材料烧坏。2、振幅扩大棒、振幅扩大棒(变幅杆）变幅杆）振幅扩大棒振幅扩大棒作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。以满足超声加工的需要。变幅杆能扩大振幅，变幅杆能扩大振幅，是由于是由于通过它每个截面的振动能量通过它每个截面的振动能量是不变的（略去传播损耗），截面小的地方能量密度大，是不变的（略去传播损

16、耗），截面小的地方能量密度大，振幅也大。振幅也大。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于激振动频率相等，处于共振状态共振状态，为此，在设计、制造，为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度变幅杆时，应使其长度L等于超声波振动的等于超声波振动的半波长或整数半波长或整数倍倍。常用的变幅杆有常用的变幅杆有外径变化的实心型外径变化的实心型和和内径变化的空心型内径变化的空心型。实际生产中，加工小孔、深孔常用实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形变幅杆指数形变幅杆；阶梯形变；阶梯形变 幅杆因设计制造容易，幅杆因设计制造容易，一般也常采

17、用。此外，一般也常采用。此外，要求变幅杆的输入阻抗随频率和负载变化比较小。要求变幅杆的输入阻抗随频率和负载变化比较小。变幅杆在传递和放大超声波的振动能量的同时会产生温升。变幅杆在传递和放大超声波的振动能量的同时会产生温升。因此，因此，要求变幅杆材料要求变幅杆材料应应声阻小声阻小、热损耗低热损耗低、抗疲劳强度高抗疲劳强度高。制造方便、价格适宜制造方便、价格适宜。综合考虑，目前常用的变。综合考虑，目前常用的变幅杆材料为幅杆材料为45钢钢和和工具钢工具钢。应该指出，应该指出，超声加工并不是整个变幅杆和工具都是在作上下高频振动，与低频或工频超声加工并不是整个变幅杆和工具都是在作上下高频振动，与低频或工

18、频振动概念完全不一样。超声波在金属棒杆内主要以振动概念完全不一样。超声波在金属棒杆内主要以纵波形式传播纵波形式传播，引起杆内各点沿波，引起杆内各点沿波的前进方向按的前进方向按正弦规律正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超声振动。超声振动。在面积系数（指大小直径比）相同的情况下，在面积系数（指大小直径比）相同的情况下，锥形变幅杆锥形变幅杆的的“振幅扩大比振幅扩大比”较小较小（510倍）倍），但易于制造；，但易于制造；指数形变幅杆指数形变幅杆的的“振幅扩大振幅扩大比比”中等中等（1020倍），使用中性能稳定，但倍），使

19、用中性能稳定，但不易制造，不易制造，阶梯形变幅杆阶梯形变幅杆的的“振幅扩大比振幅扩大比”较大较大（20倍以上），且易于制造，但受到负倍以上），且易于制造，但受到负载阻力时振幅减小的现象比较严重，不稳定，载阻力时振幅减小的现象比较严重，不稳定，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而疲劳断裂，疲劳断裂，为此须加过渡圆弧为此须加过渡圆弧。3、工具、工具超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使磨粒和工作超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。液以一定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。工具的形状

20、和尺寸决定于工件表面的形状和尺寸，两者相差工具的形状和尺寸决定于工件表面的形状和尺寸，两者相差一个一个“加工间隙加工间隙”（稍大于平均的磨粒直径）。当工件表面（稍大于平均的磨粒直径）。当工件表面积较小时，积较小时，工具和变幅杆做成一个整体工具和变幅杆做成一个整体，否则可将工具用焊，否则可将工具用焊接或螺纹联结等方法固定在变幅杆下端。当接或螺纹联结等方法固定在变幅杆下端。当工具不大时工具不大时，可，可以忽略工具对振动的影响，但以忽略工具对振动的影响，但当工具较重时当工具较重时，会减低振动系，会减低振动系统的共振频率；统的共振频率；工具较长时工具较长时，应对变幅杆进行修正，以满足，应对变幅杆进行修

21、正，以满足半个波长的共振条件。半个波长的共振条件。整个振动系统的联接部分应整个振动系统的联接部分应接触紧密接触紧密，否则超声波传递过程，否则超声波传递过程中将损失很大能量。在螺纹联接处应涂以凡士林油，绝不可中将损失很大能量。在螺纹联接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙，因为超声波通过空气时会很快衰减。存在空气间隙，因为超声波通过空气时会很快衰减。7.2.3 机床本体机床本体超声加工机床一般比较简单，包括超声加工机床一般比较简单，包括支撑振动系统的支撑振动系统的机架机架及及工作台面工作台面。使工具以一定压力作用在工件上的使工具以一定压力作用在工件上的送给机构送给机构，以及，以及床身床身等部分。

22、等部分。振动系统振动系统，安装在一根能上下移动，安装在一根能上下移动的导轨上；导轨由上下两组滚动的导轨上；导轨由上下两组滚动导导轮定位轮定位，使导轨能灵活可靠地上下，使导轨能灵活可靠地上下移动。工具的向下进给及对工件施移动。工具的向下进给及对工件施加压力靠振动系统加压力靠振动系统自重自重，为了能调，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减节压力大小，在机床后面有可加减的的平衡重锤平衡重锤，也有采用，也有采用弹簧或其他弹簧或其他办法加压的办法加压的。目前，超声加工机床已形成规模和目前，超声加工机床已形成规模和市场，发达国家则尤其突出，各种市场，发达国家则尤其突出，各种机电一体化、自动化、精密化超声

23、机电一体化、自动化、精密化超声加工机床不断进入市场。加工机床不断进入市场。CSJ-2型超声波加工机床型超声波加工机床l-工作台；工作台；2-上具；上具；3-变幅杆；变幅杆；4-换能器换能器5-导轨；导轨；6-支架；支架；7-平衡重锤平衡重锤7.2.4 磨料工作液及其循环系统磨料工作液及其循环系统简单的超声加工装置简单的超声加工装置，其磨料是靠，其磨料是靠人工输送和更换的人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注在加工区，加工过即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注在加工区，加工过程中定时抬起工具和补充磨料。程中定时抬起工具和补充磨料。也可利用也可利用小型离心泵使小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后浇

24、注到加工间隙中去。对于较深的加磨料悬浮液搅拌后浇注到加工间隙中去。对于较深的加工表面，仍经常应将工表面，仍经常应将工具定时抬起工具定时抬起以利磨料的更换和补以利磨料的更换和补充。充。大型超声加工机床大型超声加工机床都采用都采用流量泵自动向加工区供给流量泵自动向加工区供给磨料磨料悬浮液，且品质好，循环良好。此外，悬浮液，且品质好，循环良好。此外，工具和变幅杆尺工具和变幅杆尺寸较大时寸较大时，可在工具和变幅杆中间开孔，由孔内抽吸磨，可在工具和变幅杆中间开孔，由孔内抽吸磨料悬浮液，对提高加工质量有利。料悬浮液，对提高加工质量有利。7.3 超声波加工速度、加工精度、表面质量及其影响因素超声波加工速度、

25、加工精度、表面质量及其影响因素7.3.1 加工速度及其影响因素加工速度及其影响因素加工速度是指单位时间内去除材料的多少，单位通常以加工速度是指单位时间内去除材料的多少，单位通常以g/min或或mm3min表示表示。超声加工的加工速度比较低，一超声加工的加工速度比较低，一般为般为15mm3/min。加工玻璃的最大速度可达加工玻璃的最大速度可达20004000mm3/min。影响加工速度的因素有：影响加工速度的因素有：工具振动频率、振幅、工具和工件工具振动频率、振幅、工具和工件的静压力、工具与工件材料、磨料种类及粒度、磨料悬浮液的静压力、工具与工件材料、磨料种类及粒度、磨料悬浮液的浓度、磨料悬浮液

26、的循环与供给、加工面积、加工深度等。的浓度、磨料悬浮液的循环与供给、加工面积、加工深度等。l）工具的振动振幅和频率的影响工具的振动振幅和频率的影响随着工具振动振幅和频率的增大，加工速度明显提随着工具振动振幅和频率的增大，加工速度明显提高。高。J=c(A）2/2但是，但是，过大过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，承受很大的内应力，严重时会严重时会超过工具和变幅杆材超过工具和变幅杆材料的疲劳强度，降低其使用寿命；料的疲劳强度，降低其使用寿命；随着随着工具振动振工具振动振幅和频率的增加，加大了工具与变幅杆、变幅杆与幅和频率的增加，加大了工具与变幅

27、杆、变幅杆与换能器之间联接处的能量损耗。换能器之间联接处的能量损耗。因此，因此，要求超声加工工具振动振幅为要求超声加工工具振动振幅为00101mm，频率为频率为1600025000Hz。实际加工时，应调至共振实际加工时，应调至共振频率，以获得最大的振幅。频率，以获得最大的振幅。2）进给压力的影响）进给压力的影响进给压力指工具对工件的静压力。进给压力指工具对工件的静压力。进给压力主要取决于进给压力主要取决于加工面积加工面积和和工件材料工件材料。试验表明，在一定加。试验表明，在一定加工条件下总有一个最佳送给压力。工条件下总有一个最佳送给压力。压力过大，压力过大，工具与工件间的磨料工具与工件间的磨料

28、空间狭小，难以形成空化抛击，空间狭小，难以形成空化抛击，严重时可能无空隙而难以实现振严重时可能无空隙而难以实现振动加工；动加工；压力过小，压力过小，工具与工件工具与工件的间隙增大，磨粒冲击过程中的的间隙增大，磨粒冲击过程中的能量损耗过多，可能冲击微弱、能量损耗过多，可能冲击微弱、甚至不起作用。甚至不起作用。此外，此外，进给压力与加工面积、工进给压力与加工面积、工件材料、磨粒粗细有关，一般可件材料、磨粒粗细有关，一般可通过实验加以优化。通过实验加以优化。1-43mm；2-1mm 3）磨料的种类和粒度的影响）磨料的种类和粒度的影响磨料的种类必须根据工件材料合理选择磨料的种类必须根据工件材料合理选择

29、。例如：。例如：加工加工金刚石和宝石等超硬材料时金刚石和宝石等超硬材料时，必须用金刚石磨料；，必须用金刚石磨料；加加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时，宜采用硬度，宜采用硬度较高的碳化硼磨料；较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬材料时加工硬度不太高的脆硬材料时，可采用碳化硅；而可采用碳化硅；而加工玻璃、石英、半导体等材料时加工玻璃、石英、半导体等材料时，用刚玉之类的氧化铝磨料。用刚玉之类的氧化铝磨料。磨料的粒度与加工速度的关系：磨料的粒度与加工速度的关系：在工件材料和加工振在工件材料和加工振幅一定的条件下，粒度越大，加工速度越大，但精度幅一定的条件下，粒度越

30、大，加工速度越大，但精度和表面粗糙度减小。和表面粗糙度减小。4）磨料悬浮液的类型及浓度的影响）磨料悬浮液的类型及浓度的影响磨料悬浮液有磨料悬浮液有水、汽油、煤油、酒精、亚麻仁油、变水、汽油、煤油、酒精、亚麻仁油、变压器油、甘油压器油、甘油等，等，其中其中水的冷却性和湿润性良好，相水的冷却性和湿润性良好，相对生产率最高，对生产率最高，其次其次是汽油或煤油。是汽油或煤油。磨料悬浮液的浓度，直接影响加工速度磨料悬浮液的浓度，直接影响加工速度。磨料悬浮液。磨料悬浮液浓度浓度低低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无磨料的现象，使较大时

31、可能造成加工区局部无磨料的现象，使加工速加工速度大大降低度大大降低。随着悬浮液中磨料浓度的。随着悬浮液中磨料浓度的增加增加，加工速，加工速度也度也增加增加。但但浓度太高浓度太高时，磨粒在加工区域的循环和对工件的冲时，磨粒在加工区域的循环和对工件的冲击都受到影响，也会导致加工速度降低。通常采用的击都受到影响，也会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的重量比约浓度为磨料对水的重量比约 051左右。左右。5）工件和工具材料的影响）工件和工具材料的影响超声加工尤其适用于超声加工尤其适用于高脆度高脆度（脆度是材料的剪切应力（脆度是材料的剪切应力与断裂应力之比）材料的工件。工件材料愈脆，所承与断裂应

32、力之比）材料的工件。工件材料愈脆，所承受冲击载荷的能力愈低，也就愈易被去除加工；而韧受冲击载荷的能力愈低，也就愈易被去除加工；而韧性较好的工件材料则不易加工。性较好的工件材料则不易加工。工具材料工具材料应根据工件材料、加工面积和深度等因素来应根据工件材料、加工面积和深度等因素来选择，以耐磨损、加工方便为宜。也可由实验确定。选择，以耐磨损、加工方便为宜。也可由实验确定。5.3.2 加工精度及其影响因素加工精度及其影响因素超声加工的精度，除受机床、夹具精度的影响之外，主要与超声加工的精度，除受机床、夹具精度的影响之外，主要与磨料粒度磨料粒度、工具的精工具的精度及磨损度及磨损、横向振动横向振动、加工

33、深度加工深度、工件材料性质工件材料性质等有关。等有关。1、孔的加工范围、孔的加工范围一般超声波加工的孔径范围约为一般超声波加工的孔径范围约为0.190mm,深径比可达深径比可达1020。超声波电源输出功率超声波电源输出功率/W5010020030050070010001500200025004000最大加工盲孔直径最大加工盲孔直径/mm510152025303040405060用中空工具加工最大通孔直径用中空工具加工最大通孔直径/mm152030405060808090902、加工孔的尺寸精度、加工孔的尺寸精度超声加工孔时，其孔的尺寸将比工具尺寸超声加工孔时，其孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大有所

34、扩大，扩大量约为磨料磨粒直，扩大量约为磨料磨粒直径的两倍，孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍，径的两倍，孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍，即即 DminD12d 式中式中：Dmin-工件最小孔径（工件最小孔径（mm）；）；D1-工具直径（工具直径（mm）；）；da磨料磨粒平均直径（磨料磨粒平均直径（um）超声波加工功率和最大加工孔径的关系超声波加工功率和最大加工孔径的关系通常，用通常，用240#280#磨粒时，可获得磨粒时，可获得0.05mm的加工精度，的加工精度，用用W28W7时，可获得时，可获得 002mm的加工精度。此外，的加工精度。此外，孔的孔

35、的形状误差与工具的不均匀磨损及横向振动大小有关形状误差与工具的不均匀磨损及横向振动大小有关。一般可。一般可采用工具或工件转动的加工方式来减小孔的圆度误差。采用工具或工件转动的加工方式来减小孔的圆度误差。超声加工孔时，一般容易出现超声加工孔时，一般容易出现锥度锥度和孔的出口处有和孔的出口处有环带环带。其其原因原因主要是由于变幅杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的主要是由于变幅杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的二次冲击二次冲击，形成从进口到出口逐渐减小的，形成从进口到出口逐渐减小的锥度锥度；出口处环带出口处环带则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处迅速排出，使磨料循环时则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处迅速排出

36、，使磨料循环时间过短所造成的。间过短所造成的。磨粒粒磨粒粒度度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7基本磨基本磨粒尺寸粒尺寸范围范围um12510010080806363505040402828202014141010775可见，可见，孔的加工精度直接受到孔的加工精度直接受到工具精度工具精度和和磨粒粗细磨粒粗细的影响的影响。7.3.3 表面质量及其影响因素表面质量及其影响因素超声加工具有超声加工具有较好的表面质量较好的表面质量，不会产生烧伤和表面变质层、，不会产生烧伤和表面变质层、热应力。热应力。超声加工的工件超声加工的工件表面粗糙度较好表面粗糙度较好，可达

37、，可达Ra101um，主要主要取决于每粒磨料每次冲击工件表面后留下的凹痕大小，并与取决于每粒磨料每次冲击工件表面后留下的凹痕大小，并与超声振动的振幅、磨料磨粒的直径、工件材料的性质以及磨超声振动的振幅、磨料磨粒的直径、工件材料的性质以及磨料悬浮液的成分等有关。料悬浮液的成分等有关。当当磨粒比较细，工作材料硬度较高、超声振幅较小时磨粒比较细，工作材料硬度较高、超声振幅较小时，工件，工件的表面粗糙度将得到改善，但生产率随之降低。磨料悬浮液的表面粗糙度将得到改善，但生产率随之降低。磨料悬浮液的性能对表面粗糙度的影响比较复杂，且报道较少。资料表的性能对表面粗糙度的影响比较复杂，且报道较少。资料表明，用

38、明，用煤油或润滑油煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。代替水可使表面粗糙度有所改善。7.4 超声波加工的应用超声波加工的应用超声波加工是的生产率虽比电火花、电解加工低，但其超声波加工是的生产率虽比电火花、电解加工低，但其加工加工精度和表面质量好精度和表面质量好。是一种加工如陶瓷、玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石是一种加工如陶瓷、玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等硬脆性半导体、非导体材料有效而重要的等硬脆性半导体、非导体材料有效而重要的方法方法。即使是电。即使是电火花粗加工或半精加工后的淬火钢、硬质合金冲压模、拉丝火花粗加工或半精加工后的淬火钢、硬质合金冲压模、拉丝模、塑料模具等，最终

39、常用模、塑料模具等，最终常用超声抛磨、光整加工超声抛磨、光整加工。超声加工从超声加工从50年代年代开始实用性研究以来，其应用日益广泛。开始实用性研究以来，其应用日益广泛。随着科技和材料工业的发展，新技术、新材料将不断涌现，随着科技和材料工业的发展，新技术、新材料将不断涌现，超声加工的应用也会进一步拓宽，发挥更大的作用。目前，超声加工的应用也会进一步拓宽，发挥更大的作用。目前，生产上多用于以下几个方面：生产上多用于以下几个方面：7.4.1 型孔、型腔加工型孔、型腔加工下图为超声加工各种硬脆材料的下图为超声加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、

40、弯曲孔、微细一孔、套料等曲孔、微细一孔、套料等。虽然其生产率不如电火花、电解加工，但加工精。虽然其生产率不如电火花、电解加工，但加工精度及工件表面质量则化于电火花、电解加工。度及工件表面质量则化于电火花、电解加工。例如，例如，生产上用硬质冶金代替生产上用硬质冶金代替合金工具钢制造拉丝模等模具，其耐用度可提高合金工具钢制造拉丝模等模具，其耐用度可提高80-100倍倍。采用电火花加工，。采用电火花加工，工件表面常出现微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。而采用超声加工工件表面常出现微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。而采用超声加工则无此缺陷，且尺寸精度可控制在则无此缺陷，且尺寸精度可控制在0.0

41、1-0.02mm之内、内孔锥度可修整至之内、内孔锥度可修整至8。a)加工微细孔加工微细孔;b)加工型腔；加工型腔；c)加工异形孔加工异形孔弯曲孔；弯曲孔；刻槽刻槽 套料；套料；切圆；切圆；复杂沟槽复杂沟槽7.4.2 切割加工切割加工a)切片；切片；b)多个圆片落料；多个圆片落料；c)多片圆板落料多片圆板落料；d）切割单晶硅片切割单晶硅片超声精密切割半导体、铁超声精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，金刚石等硬脆材料，比用比用金刚石刀具切割具有金刚石刀具切割具有切片切片薄薄、切口窄切口窄、精度高精度高、生生产率高产率高、经济性好经济性好的的优点优点。

42、例如例如，超声切割高，超声切割高7mm、宽宽15-20mm的锗晶片，可的锗晶片，可在在35min内切割出厚内切割出厚0.08mm的薄片；超声切割的薄片；超声切割单晶硅片一次可切割单晶硅片一次可切割10-20片。片。再如，再如，在陶瓷厚膜集在陶瓷厚膜集成电路用的元件中，成电路用的元件中，加工加工8mm、厚厚06mm的陶瓷片，的陶瓷片，1min内可加工内可加工4片；在片；在4X1mm2的陶瓷的陶瓷元件上，加工元件上，加工003mm厚的陶瓷片振子，厚的陶瓷片振子，05-1min以内，可加工以内，可加工18片，片，尺寸精度可达尺寸精度可达 0.02mm。7.4.3 复合加工复合加工超声波加工与其它加工

43、方法相结合。超声波加工与其它加工方法相结合。利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料时，利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料时，速速度低，工具损耗大度低，工具损耗大。为了为了提高加工速度，降低工具损耗，提高加工速度，降低工具损耗，可采用可采用复合加工复合加工。比如：比如：采用超声波与电化学加工相结合的方法加工喷油采用超声波与电化学加工相结合的方法加工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，能极大的提高加工速度和嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，能极大的提高加工速度和加工质量。加工质量。7.4.4 超声波清洗超声波清洗超声波清洗的原理主要是利用超声波频振动在液体中产生的超声波清洗的原理主要是利用超声波频振

44、动在液体中产生的交变冲击交变冲击波波和和空化作用空化作用。空化效应产生的空化效应产生的强烈冲击波强烈冲击波，直接作用到被清洗部位上的污物等，并，直接作用到被清洗部位上的污物等，并使之脱落下来；使之脱落下来；空化作用产生的空化作用产生的空化气泡空化气泡渗透到污物与被清洗部位表面之间，促使污渗透到污物与被清洗部位表面之间，促使污物脱落；物脱落；在污物被清洗液溶解的情况下，空化效应可加速溶解过程。在污物被清洗液溶解的情况下，空化效应可加速溶解过程。超声清洗时，应合理选择工作频率和声压强度，以产生良好的空化效超声清洗时，应合理选择工作频率和声压强度，以产生良好的空化效应，提高清洗效果。此外，清洗液的温

45、度不可过高，以防空化效应的应，提高清洗效果。此外，清洗液的温度不可过高，以防空化效应的减弱，影响清洗效果。减弱，影响清洗效果。超声波清洗机超声波清洗机7.4.5 超声波焊接超声波焊接超声焊接是利用超声焊接是利用超声频振动作用超声频振动作用，去除工件表面的氧化膜，使新，去除工件表面的氧化膜，使新的本体表面显露出来，并在两个被焊工件表面分子的高速振动撞的本体表面显露出来，并在两个被焊工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热而亲和粘接在一起。击下，摩擦发热而亲和粘接在一起。不仅可以焊接不仅可以焊接尼龙尼龙、塑料塑料及表面易生成氧化股的及表面易生成氧化股的铝制品铝制品等，还可等，还可以在以在陶瓷等非金属

46、表面挂锡、挂银、涂覆薄层陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆薄层。由于超声焊接不需要外加热和焊剂，焊接热影响区很小，施加压由于超声焊接不需要外加热和焊剂，焊接热影响区很小，施加压力微小，故可焊接直径或厚度很小的（力微小，故可焊接直径或厚度很小的（0015-0.03）不同金属材不同金属材料，也可焊接塑料薄纤维及不规则形状的硬热塑料。目前，大规料，也可焊接塑料薄纤维及不规则形状的硬热塑料。目前，大规模集成电路引线连接等，已广泛采用超声焊接。模集成电路引线连接等，已广泛采用超声焊接。本本章章重点：重点：1、超声波加工的原理及特点、超声波加工的原理及特点2、超声波加工速度及其影响因素、超声波加工速度及其影响因素工具振幅和频率的影响工具振幅和频率的影响进给压力的影响进给压力的影响磨料种类和粒度的影响磨料种类和粒度的影响工件材料的影响工件材料的影响3、超声波加工的应用、超声波加工的应用