1、超聲波加工技術超聲波加工技術緒論人耳能感受到的聲波頻率在2020000HZ范圍內，聲波頻率超過20000HZ被稱為超聲波。超聲波加工（Ultrasonic Machining簡稱USM）是近幾十年來發展起來的一種加工方法，它是指給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行加工的方法，或利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕來去除材料，又或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法。它彌補了電火花加工的電化學加工的不足。電火花加工和電化學加工一般只能加工導電材料，不能加工不導電的非金屬材料。而超聲波加工不僅能加工硬脆金屬材料，而且更適合于加工不導電的硬

2、脆非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導體鍺和硅片等。同時超聲波還可用于清洗、焊接和探傷等。超聲波加工的基本原理圖1超聲加工的原理圖超聲波加工的原理如上圖1所示，超聲波發生器7產生的超聲頻電振蕩通過換能器6產生20000 Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于變幅桿4把振幅放大到00501 mm左右，從而使工具1的端面作超聲頻振動。在工具1和工件2之間注入磨料懸浮液3，當工具端面迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不斷的撞擊、拋磨被加工表面時，把被加工表面的材料粉碎成很細的微粒，從工件上剝落下來。雖然每次剝落下來的材料很少，但由于每秒鐘撞擊的次數多達20000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時

3、，當工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內形成負壓和局部真空，在工件液體內形成很多微空腔；當工具端面又以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓沖擊波，從而強化加工過程。此外正負交變的液壓沖擊也使懸浮磨料的工作液在加工間隙中強迫循環，使變鈍的磨粒及時得到更新。由此可見，超聲波加工是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。超聲波加工的特點1）適合于加工各種硬脆材料。既然超聲波加工是基于微觀局部撞擊作用，所以材料越是脆硬，受撞擊作用所遭受的破壞越大，愈適應超聲波加工。例如玻璃、陶瓷、石英、石墨、瑪瑙、寶石等材料，比較適

4、合超聲波加工。相反，脆性和硬度不大卻具有韌性的材料，由于具有緩沖作用而難以采用超聲波加工。因此，選擇工具材料時，應選擇既能撞擊磨粒，又不使自身受到很大破壞的材料，例如不淬火的45鋼等。2）由于工具材料較軟，易制成復雜的形狀，工具和工件又無需做復雜的相對運動，因此普通的超聲波加工設備機構簡單。但若需要加工較大而復雜精密的三維機構，可以預見，仍需設計和制造三坐標數控超聲波加工機床。3）由于去除加工材料是靠極小磨粒瞬時局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度值可達1.00.1，加工精度可達0.010.02mm，并可加工細小結構和低剛度的工件。超

5、聲加工技術的應用目前超聲加工主要應用于：超聲切削加工、超聲磨削加工、超聲光整加工、超聲塑性加工、磨料沖擊加工、超聲焊接等，隨著超聲加工研究的不斷深入，它的應用范圍還將繼續擴大。超聲振動切削日本學者隈部淳一郎在 20 世紀 5060 年代首先發表了許多振動切削方面的論文，系統地提出了振動切削理論，并成功地實現了振動車削、振動銑削、振動鏜削、振動刨削、振動磨削等。隨后，美國也對振動切削進行了研究， 20 世紀 70 年代中葉，到振動車削、振動鉆孔、振動磨削、光整加工等均已達到實用階段，超聲加工在難加工材料和高精度零件的加工方面顯示了很大的優越性，并在生產中得到推廣應用。日本學者采用低頻率（3000

6、5000Hz）振動切削方法，并用于切削纖維型材料（如金屬短纖維） 。程雪利等人在對超聲振動切削 SiCp/Al 復合材料的刀具磨損進行研究中，分別采用了超聲切削和普通切削兩種方式對 SiCp/Al 復合材料進行了車削試驗，研究了切削參數對硬質合金 YG6 刀具磨損的影響規律，并在同等條件下與聚晶金剛石 ( PCD) 刀具進行了對比。研究發現，超聲切削的刀具磨損量要小于PCD 刀具的磨普通切削的刀具磨損量；超聲切削時，損量約為 YG6 刀具磨損量的 1/10，這點和普通切削十分相似。丁黎光、李建光在超聲振動切削夾片的應用研究中，利用振動切削機理，針對錨具夾片精加工存在的問題，研究將超聲振動切削用

7、于夾片加工。實驗分析表明，該方法不僅保證了加工質量，還可提高加工效率、減輕勞動強度和降低產品成本等。馬春翔、胡德金對超聲橢圓振動切削技術進行了研究，闡述了超聲波橢圓振動切削原理和刀具橢圓振動系統，分析了超聲波橢圓振動切削運動特性，介紹了超聲波橢圓振動切削的實際切削效果。隨著科學技術的發展和進步，超聲波振動切削作為一種新技術正在逐步滲透到各個領域，對超聲波振動切削的研究和開發也越來越受到人們的普遍重視。顯然，加強對超聲波振動切削技術的研究、推廣和應用，對提高機械制造業的加工水平和加快新產品開發具有十分重要的意義。超聲磨削加工超聲磨削加工是一種復合特種加工過程，其利用工件的脆性，使電鍍金剛石的工具

8、磨頭以超聲頻（20kHz 左右）和一定的振幅（20m 或更大）振動，并加以高速旋轉，通過磨削液中的磨粒對工件進行高速撞擊、超聲空化、電鍍金剛石砂輪磨粒的磨削，達到材料去除的目的。其優點是加工效率高，缺點是加工變質層較深。日本學者對傳統無心磨削進行改進，提出一種超聲輔助磨削的加工方法超聲制動無心磨削。該方法是利用帶超聲振動的制動塊端部產生橢圓形軌跡對工件旋轉速度進行控制和支撐，能加工出直徑小于 100m 和大長徑比的圓柱形件。于思遠等人做了超聲磨削加工工程陶瓷小孔的實驗研究，李瑜等人在對納米 ZrO 2 陶瓷二維超聲磨削溫度影響因素分析中，采用了人工熱電偶法，通過普通磨削和二維超聲振動磨削的對比

9、實驗，回歸分析了磨削深度、砂輪速度、工作臺速度等磨削參數對納米 ZrO 2陶瓷磨削溫度的影響。另外，對納米 ZrO 2 陶瓷這種非線性材料的磨削加工進行有限元仿真，比較實驗測量數據與仿真結果，確定了仿真分析對實際情況的指導作用。目前，許多學者在對工程陶瓷加工技術進行研究，而以超聲磨削技術研究為最多。超聲磨削技術加工能有效抑制砂輪堵塞，因此可使用普通的金屬結合劑砂輪，這可減少金剛石砂輪的消耗，降低成本。超聲振動磨削最顯著的特點是加工效率比普通磨削高一倍以上：一是可采用較大磨削用量；二是明顯減少了砂輪修整時間。因而利用超聲振動磨削技術加工工程陶瓷具有廣闊的研究和應用前景。超聲光整加工超聲光整加工的

10、應用目前包括超聲珩磨、超聲珩齒、超聲拋光、超聲研磨、電火花超聲復合加工、超聲強化等等。已有研究證明：將電解加工、機械研磨及超聲加工相復合形成一種新型的光整加工技術電化學超精密研磨，選取適當的工藝參數進行光整加工，可以獲得表面粗糙度 R a 0.025m ，效率較普通研磨提高 10 倍以上。祝錫晶、王愛玲等人采用超聲珩磨在發動機缸套光整加工中的應用研究中發現，由于普通珩磨導致油石堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨銅、 鈦合鋁、金等韌性材料管件時，油石極易堵塞，從而導致油石壽命的過早結束，零件加工表面質量差，加工效率很低。而采用的新型特種加工方法超聲珩磨技術，相對普通珩磨具有珩磨力小、珩磨溫度低、精度

11、高、表面質量高及油石磨損小、效率高等特點。丁金福等人在對超聲振動的擠滾壓光整加工變幅特性分析及應用中得出，利用超聲振動擠滾壓裝置以車削式加工方法代替磨削及拋光兩道加工工序，極大地提高了生產效率，降低了生產成本，并在一定程度上達到了表面強化的效果，對提高工件表面強度、耐磨性及耐蝕性起到了積極的作用。鑒于超聲光整加工應用在解決韌性材料、硬脆材料加工問題上開辟了一條新的途徑，具有廣闊的應用前景。特別是超聲珩磨加工工藝，能高效地加工出高精度、高表面質量、高耐磨性的缸套（尤其是薄壁缸套） 對我國提升汽車、，拖拉機、摩托車等行業的加工水平大有益處。超聲塑性加工超聲塑性加工的獨特優點，人們已在許多工藝中進行

12、了超聲應用研究，如管料拉拔、棒料拉絲、板材成形與深拉深、擠壓成形、粉末成形、沖裁、鐓鉚等。其優點有：降低成型力、降低流動應力、減少磨具與工件間的摩擦、能獲得較好的制品表面質量和高的尺寸精度。何勍、聞邦椿在研究超聲塑性加工系統的非線性動力學模型中，分析了振動傳輸系統的動力學建模問題，建立了超聲塑性加工非線性定解問題的數學模型。溫彤、陳霞利用振動塑性加工及其在輕合金成形中的應用中得出，振動塑性加工是一項具有特色的材料成形技術。較之普通的塑性成形方法，它能夠有效降低材料塑性變形所需的成形力、提高材料塑性變形極限并改善產品加工的質量。由于超聲塑性加工能大幅度降低加工過程中的變形抗力并附帶其他對產品有利

13、的影響，其技術的經濟意義是不言而喻的，超聲塑性加工不但有利于普通金屬材料的塑性加工，還有利于難加工材料的成形，如用于鈦、鎳等金屬的拉拔。隨著金屬的特種塑性加工工藝的發展，超聲塑性加工的理論及應用也在進行著自身的完善與演變。其他應用（1）磨料沖擊加工磨料沖擊加工是在工具和工件之間充滿含有磨料的切削液，工具作超聲頻振動，使磨料反復加壓和沖擊加工表面，進行切削、壓碎和研磨的加工。磨料沖擊加工可用于硬脆材料的淺孔加工和切斷，一般適用于對小面積（1000mm2）的加工，其應用范圍有：對半導體材料（鍺和石英）的成形元件的切斷和切槽，與普通加工方法相比，具有切除率高、精度高、裂紋少等優點；對釹鐵硼 NdFe

14、B 材料（系合金永磁材料）的切斷；在玻璃、淬硬鋼和硬質合金上雕刻；用陶瓷、金屬和礦石等材料制造的噴絲頭噴嘴的加工；對寶石材料的切割和加工。（2）超聲焊接超聲焊接包括超聲金屬焊接和超聲塑料焊接。超聲金屬焊接是在外接靜壓力作用下，在兩個相互緊壓在一起的金屬表面分界面上，引入超聲振動，經過一段時間，就能把它們焊接起來。其特點有：可進行點焊、連續焊、焊接速度快；超聲焊接焊點強度高；金屬超聲焊接不需使用焊條，焊接區不通電，不直接對被焊金屬加熱；由于超聲波發生器是功率電子線路，易于實現電氣控制，能很好地和計算機配合進行焊接控制從而達到高精度的焊接，并且易于實現焊接的信息化與自動化。超聲塑料焊接是將超聲能轉

15、化為熱能，使塑料局部熔化粘接在一起的一種焊接方法。其特點有：焊接時間短；無表面損壞；熔接部分以外的區域不發熱；焊接前不需要任何前處理；焊接后能保證密封性；無需另行加工，能保證產品的一致性；操作簡單，既能手工操作也能自動操作；省電，工作場所基本無異味，對環境基本無污染。目前超聲焊接應用到醫藥、汽車、手機、建筑和包裝等行業，除此之外，還研究超聲焊接進行鉚接、埋植、切割、成型、封口等。超聲波加工的發展趨勢和未來展望 超聲加工技術已經涉及到許多領域，在各行各業發揮了突出的作用，但有關工藝與設備的相關技術有待于進一步研究開發。（1）超聲振動切削技術 隨著傳統加工技術和高新技術的發展，超聲振動切削技術的應

16、用日益廣泛，振動切削研究日益深入，主要表現在以下幾個方面。a.研制和采用新的刀具材料 在現代制造業中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對機械零件加工質量的要求越來越高。為了更好地發揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉為對刀具材料的開發與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質合金材料的研究和應用為主要方向。b.對振動切削機理深入研究 當前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方面：在振動切削狀態下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。振動切削中刀具與工件相互作用的力學分析。振動切削機理的微觀研究及數學描

17、述。c.超聲橢圓振動切削的研究與推廣 超聲波橢圓振動切削已受到國際學術界和企業界的重視。美國、英國、德國和新加波等國的大學以及國內的北京航空航天大學和上海交通大學已開始這方面的研究工作。日本企業界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實用化研究。但是，超聲波橢圓振動切削在理論和應用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步研究。d. 超聲銑削加工技術 基于分層去除思想的超聲銑削加工技術，正在被更多的學者所關注。大連理工大學研制了超聲數控銑削機床，提出了一種新的利用超聲銑削加工技術數控加工工程陶瓷零件的途徑。基于分層去除思想

18、的超聲波削數控加工技術解決了傳統超聲加工中工具損耗嚴重且不能在線補償的難題，使加工帶有尖角和銳邊的三維復雜型面工程陶瓷零件成為可能，為工程陶瓷的廣泛應用提供了有力的技術支持。（2） 超聲復合加工技術 目前超聲電火花機械三元復合加工技術已經得到較快的發展。哈爾濱工業大學利用超聲電火花磨料三元復合加工技術對不銹鋼進行加工，解決了電火花小孔加工中生產率和表面質量不能兼顧的矛盾，具有較好的應用前景。 針對現代模具手動光整加工的弊端，華南理工大學采用超聲電解磨粒復合加工技術對形狀復雜的模具型腔光整加工進行了研究，并利用BP人工神經網絡對加工表面粗糙度進行了預測，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復合加工技術

19、是一項新的復合加工技術，能較好的用于形狀復雜的模具型腔光整加工。但包括材料去除機理的許多方面的內容有待進一步研究。 在微小三維型面的加工中，利用簡單形狀電極、基于分層制造原理的微細電火花銑削技術正在受到重視，哈爾濱工業大學研究了超聲輔助分層去除微細電火花加工技術，對電極軸向施加的小幅超聲振動對活化極間狀態、拉大極間間隙、增加排屑能力、提高有效脈沖利用率和放電穩定性等方面起到了重要作用，但是該工藝尚有待于進一步完善已達到實用化。由于新材料(尤其是難加工材料)的涌現和對產品質量與生產效益的要求不斷提高，新的加工方法也不斷出現。可以預見，超聲復合加工將日益顯現出其獨特的魅力，并將拓展其更加廣闊的應用領域。（3） 微細超聲加工技術隨著以微機械為代表的工業制品的日益小型化及細微化，特別是隨著晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣