超声波加工技术的优化与应用探究

1.超声波加工的工作原理

超声波加工也称为超声加工。人耳能感受的声波频率是在16～16 000 Hz范围内，而超声波是指频率f在16 000 Hz以上的振动波。超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播，但由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反向、折射、共振及损耗现象更显著，可对传播方向上的障碍物施加很大的压力。

图2-126　超声加工原理示意图

1—工具；2—工件；3—磨料悬浮液；4，5—变幅杆；6—换能器；7—超声发生器

超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工，使工件成形的一种方法。工作原理如图2-126所示。加工时，在工具1和工件2之间加入液体（水或煤油等）和磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声发生器7将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器6将超声频电振荡转变为超声机械振动。其振幅很小，一般只有0.005～0.01mm，再通过上粗下细的变幅杆4、5，使振幅增大到0.01～0.15 mm，固定在变幅杆上的工具即产生超声振动（频率在16 000～25 000Hz之间）。迫使工作液中悬浮的磨粒高速不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达16 000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。加工中的振荡还强迫磨料液在加工区工件和工具间的间隙中流动，使变钝了的磨粒能及时更新。随着工具沿加工方向以一定速度移动，实现有控制的加工，逐渐将工具的形状“复制”在工件上，加工出所要求的形状。

2.超声加工的特点

1）适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷（氧化铝、氮化硅）、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料，如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工生产率低。

2）由于工具可用较软的材料，可以制成较复杂的形状，工具和工件之间的运动简单，因而超声加工机床的结构比较简单，操作、维修方便。(www.xing528.com)

3）由于去加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度Ra值可达1～0.1μm，加工精度可达0.01～0.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

3.超声加工的应用

1）超声加工目前在各部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等。

2）用普通机械加工切割脆硬的半导体材料十分困难，但超声切割则较为有效。

3）用于一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具型腔的最终抛磨光整加工。

4）超声加工还可以用于清洗、焊接和探伤等。如图2-127所示为超声波清洗机和焊接机。

图2-127　超声波清洗机和超声波焊接机

5）在用超声波直接加工金属材料时，其自身加工效率较低，工具消耗大。超声加工可以和其他加工方法结合进行的复合加工，如超声电火花加工、超声电解加工、超声调制激光打孔、超声振动切削加工等。这些复合加工方法，由于把两种或两种以上加工方法的工作原理结合在一起，起到取长补短的作用，使生产率、加工精度及工件表面质量都有显著提高，因而应用越来越广泛。例如超声与电火花复合加工，不附加超声波时电火花精加工的放电脉冲利用率仅为3%～5%，附加超声波后电火花精加工时的有效放电脉冲利用率可提高到50%以上，从而提高生产率2～20倍。越是小面积、小用量的加工，超声波复合加工相对生产率的提高倍数越多。而在金属切削加工中引入超声振动，可以大大降低切削力，改善加工表面粗糙度，延长刀具寿命，提高加工效率。