超声波加工：原理及应用范围

声波是人耳能感受到的一种纵波，它的频率在16～16kHz范围内，当频率超过16kHz超出一般人耳听觉范围时，就称为超声波，其特点是频率高、波长短、能量大，传播时有显著的反射、折射、共振及损耗等现象。

超声波加工是指利用作超声频振动的工具端面，带动零件和工具之间的磨料悬浮液，冲击和抛磨加工硬脆材料的一种成型方法。其加工原理如图9-6所示。加工时，超声波发生器将工频交流电能转变为有一定输出功率的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声波机械振动。但此时振动的振幅很小，不能直接用来对零件进行加工，需通过变幅杆将振幅放大，驱动工具端面做超声振动，从而迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断冲击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从零件上被打下来。随着工作液的循环流动，磨料不断更新并带走被粉碎下来的零件材料微粒。工具不断进给，逐步深入到零件中，最后，工具的形状便复印在零件上。

图9-6 超声波加工原理图

1—工具 2—零件 3—磨料悬浮液 4、5—变幅杆 6—换能器 7—超声波发生器

1）加工范围广，适合于加工各种硬、脆材料，特别是适合电火花、电解加工无法加工的不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。也能加工导电的硬质金属材料，如淬火钢、硬质合金等，但加工生产效率较低。对于脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对冲击有缓冲作用则不易加工。

2）由于韧性好的材料对冲击有缓冲作用，既能撞击磨粒，又不会使自身受到很大的破坏，因此工具可用较软的材料（如45钢）做成较复杂的形状，不需要使工具和零件做比较复杂的相对运动。所以，超声波加工机床的结构较简单，只需按一个方向轻压进给，操作维修方便。

3）加工精度好，由于是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用去除加工材料，故零件表面的宏观切削力很小，切削应力、热影响很小，不会引起变形及烧伤，可加工结构复杂的型腔、型孔、薄壁零件、窄缝和小孔等。能获得较好的加工质量，表面粗糙度Ra值可达0.1～0.8μm，尺寸精度可达0.01～0.02mm。

（1）型孔、型腔加工

目前，超声波加工主要用于加工硬脆材料的圆孔、异形孔、微细孔和各种型腔，以及进行套料加工等，如图9-7所示。(www.xing528.com)

（2）切割加工

主要用于切割硬脆的半导体材料。

（3）超声清洗

超声清洗是超声波在液体中产生交变冲击波和超声空化的作用下，当声强达到一定数值时，产生的微冲击波使被清洗物表面的污物遭到破坏并脱落下来。加上超声波作用无处不入，即使是被清洗物上的窄缝、细小深孔、弯孔中的污物，也能很容易清洗干净。

图9-7 型孔、型腔加工类型

（4）超声焊接

主要用于焊接表面易生成氧化物的铝制品及尼龙、塑料等高分子制品，还可以在陶瓷等非金属材料表面上挂锡、挂银和涂熔化的金属薄层，从而改善这些材料的可焊接性。