題目：超聲波加工的應用研究姓名鄭木彬吉林大學機械科學與工程學院班級41070122長春130022摘要：簡略概述超聲波加工規律及特點，以及超聲波熔焊.塑料焊接機等應用情況.關鍵詞：超聲波.規律.特點.應用引言:超聲波加工作為一種先進的加工工藝正在各行各業得到廣泛的應用和推廣，其先進性也越來越得到更多人的關注，將超聲加工與電加工（如電火花加工和電解加工等）、切削加工結合起來，開辟了復合加工的領域。這種復合加工的方法能改善電加工或金屬切削加工的條件，提高加工效率和質量，這篇論文旨在概括介紹一下這一先進加工工藝的特點和規律，以及在各個行業的應用情況超聲波加工的基本規律影響加工精度的因素超聲加工的精度，除受機床、夾具精度的影響之外，主要與磨料粒度、工具的精度及磨損、橫向振動、加工深度、工件材料性質等有關。超聲加工孔時，其孔的尺寸將比工具尺寸有所擴大，擴大量約為磨料磨粒直徑的兩倍，孔的最小直徑約等于工具直徑加所用磨料磨粒平均直徑的兩倍，即Dmin=Dt+2da（5-9）式中Dmin--工件最小孔徑（mm）；Dt--工具直徑（mm）；da 磨料磨粒平均直徑（um）可見，孔的加工精度直接受到工具精度和磨粒粗細的影響。通常，用#240~#280磨粒時，可獲得正負0.05mm的加工精度，用W28~W7時，可獲得正負0.02mm的加工精度。此外，孔的形狀誤差與工具的不均勻磨損及橫向振動大小有關。一般可采用工具或工件轉動的加工方式來減小孔的圓度誤差。超聲加工孔時，一般容易出現錐度和孔的出口處有環帶。其原因主要是由于變幅桿及工具的橫向振動引起磨料對孔壁的二次沖擊，形成從進口到出口逐漸減小的錐度；出口處環帶則是磨料懸浮液在出口側壁間隙處迅速排出，使磨料循環時間過短所造成的。如用’240碳化硼磨料加5~0mm深的孔，所形成的錐度為1°，若穿孔后再用未磨損的工具作低頻振動修磨，錐度可以減小。在多數情況下，使用精密工具幾乎完全可避免孔的錐度。超聲加工所用的磨料粒度本來就是不均勻的，加工中又要被磨鈍、甚至破碎，更加劇了磨料的不均勻性。因此，不僅影響加工速度更影響加工精度。加工時必須經常攪動磨料懸浮液，保證一定的循環速度，使用10--15h后應及時更換，還可設法向工具端面噴注磨料懸浮液，以提高加工精度。影響加工表面質量的因素超聲加工具有較好的表面質量，非但不會產生燒傷和表面變質層、熱應力，有時反而產生表面壓應力，對提高工件的疲勞強度和抗應力腐蝕能力有益。超聲加工的工件表面粗糙度較低，可達Ra0.63~0.08um，主要取決于每粒磨料每次沖擊工件表面后留下的凹痕大小，并與超聲振動的振幅、磨料領料的直徑、工件材料的性質以及磨料懸浮液的成分等有關。當磨粒比較細，工作材料硬度較高、超聲振幅較小時，工件的表面粗糙度將得到改善，但生產率隨之降低。磨料懸浮液的性能對表面粗糙度的影響比較復雜，且報道較少。資料表明，用煤油或潤滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。超聲波加工的特點不受材料是否導電的限制；工具對工件的宏觀作用力小、熱影響小，因而可加工薄壁、窄縫和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或強度、韌性越大則越難加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度應比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以與其他多種加工方法結合應用，如超聲振動切削、超聲電火花加工和超聲電解加工等。超聲加工主要用于各種硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、鍺、鐵氧體、寶石和玉器等的打孔（包括圓孔、異形孔和彎曲孔等）、切割、開槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面拋光和砂輪修整等方面。超聲打孔的孔徑范圍是0.1?90毫米，加工深度可達100毫米以上，孔的精度可達0.02?0.05毫米。表面粗糙度在采用W40碳化硼磨料加工玻璃時可達1.25?O.63微米，加工硬質合金時可達0.63?0.32微米。 超聲加工機一般由由電源（即超聲發生器）、振動系統（包括超聲換能器和變幅桿）和機床本體三部分組成。超聲發生器將交流電轉換為超聲頻電功率輸出，功率由數瓦全數千瓦，最大可達10千瓦。通常使用的超聲換能器有磁致伸縮的和電致伸縮的兩類。磁致伸縮換能器又有金屬的和鐵氧體的兩種，金屬的通常用于千瓦以上的大功率超聲加工機；鐵氧體的通常用于千瓦以下的小功率超聲加工機。電致伸縮換能器用壓電陶瓷制成，主要用于小功率超聲加工機。變幅桿起著放大振幅和聚能的作用，按截面積變化規律有錐形、指數曲線形、懸鏈線形、階梯形等。機床本體一般有立式和臥式兩種類型，超聲振動系統則相應地垂直放置和水平放置。超聲波塑料焊接加工技術超聲波加工的應用（1） 成形加工超聲波加工各種硬脆材料的圓孔、型孔、型腔、溝槽、異形貫通孔、彎曲孔、微細一孔、套料等。雖然其生產率不如電火花、電解加工，但加工精度及工件表面質量則化于電火花、電解加工。例如，生產上用硬質冶金代替合金工具鋼制造技深模、拉絲模等模具，其耐用度可提高80-100倍。采用電火花加工，工件表面常出現微裂紋，影響了模具表面質量和使用壽命。而采用超聲加工則無此缺陷，且尺寸精度可控制在0.01-0.02mm之內、內孔錐度可修整至8'。對硅等半導體硬脆材料進行套料等加工，更顯示了超聲波加工的特色。例如，在直徑90mm、厚0.25mm的硅片上，可套料加工出176個直徑僅為1mm的元件，時間只需1.5min，合格率高達90%-95%，加工精度為正負0.02mm。此外，近年來，超聲加工已經排除其通向微細加工領域的障礙。圖5-14是日本東京大學工業科學學院采用超聲加工方法，加工出的微小透平勝和玻璃上直徑僅9um的微孔。（2） 切割加工超聲精密切割半導體、鐵氧體、石英、寶石、陶瓷、金剛石等硬脆材料，比用金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產率高、經濟性好的優點。例如，超聲切割高7mm、寬15-20mm的鍺晶片，可在3.5min內切割出厚0.08mm的薄片；超聲切割單晶硅片一次可切割10-20片。再如，在陶瓷厚膜集成電路用的元件中，加工8mm>M0.6mm的陶瓷片，1min內可加工4片；在4X1mm2的陶瓷元件上，加工O.03mm厚的陶瓷片振子，0.5-1min以內，可加工18片，尺寸精度可達正負0.02mm。（3） 焊接加工超聲焊接是利用超聲頻振動作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本體表面顯露出來，并在兩個被焊工件表面分子的高速振動撞擊下，摩擦發熱。親和粘接在一起。其不僅可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化股的鋁制品等，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆薄層。由于超聲焊接不需要外加熱和焊劑，焊接熱影響區很小，施加壓力微小，故可焊接直徑或厚度很小的（O.015-0.03）不同金屬材料，也可焊接塑料薄纖維及不規則形狀的硬熱塑料。目前，大規模集成電路引線連接等，已廣泛采用超聲焊接。（4） 超聲清洗加工主要用于幾何形狀復雜、清洗質量要求高的中、小精密零件，特別是工件上的探小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗。采用其他清洗方法，效果差，甚至無法清洗，采用超聲清洗則效果好、生產率高。目前，在半導體和集成電路元件、儀表儀器零件、電真空器件、光學零件、精密機械零件、醫療器械、放射性污染等的清洗中應用。一般認為，超聲清洗是由于清洗液（水基清洗劑、氯化烴類溶劑、石油熔劑等應超聲波作用下產生空化效應的結果。空化效應產生的強烈沖擊波，直接作用到被清洗部位上的污物等，并使之脫落下來；空化作用產生的空化氣泡滲透到污物與被清洗部位表面之間，促使污物脫落；在污物被清洗液溶解的情況下，空化效應可加速溶解過程。超聲清洗時，應合理選擇工作頻率和聲壓強度，以產生良好的空化效應，提高清洗效果。此外，清洗液的溫度不可過高，以防空化效應的減弱，影響清洗效果。超音波的熔焊應用方法一、 熔接法：以超音波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下，使二塊塑膠的接合面產生磨擦熱而瞬間熔融接合，焊接強度可與本體媲美，采用合適的工件和合理的接口設計，可達到水密及氣密，并免除采用輔助品所帶來的不便，實現高效清潔的熔接。二、 鉚焊法：將超音波超高頻率振動的焊頭，壓著塑膠品突出的梢頭，使其瞬間發熱融成為鉚釘形狀，使不同材質的材料機械鉚合在一起。三、 埋植：藉著焊頭之傳道及適當之壓力，瞬間將金屬零件（如螺母、螺桿等）擠入預留入塑膠孔內，固定在一定深度，完成后無論拉力、扭力均可媲美傳統模具內成型之強度，可免除射出模受損及射出緩慢之缺點。四、 成型：本方法與鉚焊法類似，將凹狀的焊頭壓著于塑膠品外圈，焊頭發出超音波超高頻振動后將塑膠溶融成形而包覆于金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀、此方法多使用在電子類、喇叭之固定成形，及化妝品類之鏡片固定等。五、 點焊：A、 將二片塑膠分點熔接無需預先設計焊線，達到熔接目的。B、 對比較大型工件，不易設計焊線的工件進行分點焊接，而達到熔接效果，可同時點焊多點。六、切割封口：運用超音波瞬間發振工作原理，對化纖織物進行切割，其優點切口光潔不開裂、不拉絲。超聲波塑料焊接機當超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區，由于焊區即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅,所加壓力及焊接時間等三個因素，焊接時間和焊頭壓力是可以調節的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個量相互用有個適宜值，能量超過適宜值時，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能達大。這個最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每1mm的最佳壓力之積。二、超聲波塑料焊接的方法熔接法超聲波振動隨焊頭將超聲波傳導至焊件，由于兩焊件處聲阻大，因此產生局部高溫，使焊件交界面熔化。在一定壓力下，使兩焊件達到美觀、快速、堅固的熔接效果。2、埋插法螺母或其它金屬欲插入塑料工件。首先將超聲波傳至金屬，經高速振動，使金屬物直接埋入成型塑膠內，同時將塑膠熔化，其固化后完成埋插。3、鉚接法欲將金屬和塑料或兩塊性質不同的塑料接合起來，可利用超聲波鉚接法，使焊件不易脆化、美觀、堅固。4、 點焊法利用小型焊頭將兩件大型塑料制品分點焊接，或整排齒狀的焊頭直接壓于兩件塑料工件上，從而達到點焊的效果。5、 成型法利用超聲波將塑料工件瞬間熔化成型，當塑料凝固時可使金屬或其它材質的塑料牢固。6、 切除法利用焊頭及底座的特別設計方式，當塑料工件剛射出時，直接壓于塑料的枝十上，通過超聲波傳導達到切除的效果。三、起聲波塑料焊接機的組成及其作用超聲波塑料焊接機由氣壓傳動系統、控制系統、超聲波發生器、換能器及工具頭和機械裝置等組成。1、氣動傳動系統工作時首先由空壓機驅動沖程氣缸，以帶動超聲換能器振動系統上下移動，動力氣壓在中小功率的超聲波焊接中氣壓根據焊接需要調定。2、控制系統主要功能是：一是控制氣壓傳動系統工作，使其焊接時在定時控制下打開氣路閥門，氣缸加壓使焊頭下降，以一定壓力壓住被焊物件，當焊接完后保壓一段時間，然后控制系統將氣路閥門換向，使焊頭回升復位；二是控制超聲波發生器工作時間，本系統使整個焊接過程實現自動化，操作時只啟動按鈕產生一個觸發脈沖，便能自動地完在本次焊接全過程。整個控制系統的順序是：電源啟動一觸發控制信號氣壓傳動系統，氣缸加壓焊頭下降并壓住焊觸發超聲發生器工作，發射超聲并保持一定焊接時間去除超聲發射繼續保持一定壓力時間退壓，焊頭回升焊接結束。3、超聲波發生器1） 功率較大的超聲波塑料焊接機，發生器信號采用鎖相式頻率自動跟蹤電路，使發生器輸出的頻率基本上與換能器諧振頻率一致。2） 功率在500W以上的超聲波塑料焊接機所用發生器采用自激式功率振蕩器，也具有一定的頻率跟蹤能力。4、超聲波塑料焊接機使用的聲學系統1）換能器超聲波塑料焊接機用的聲學系統包括三個部分：1驅動部分2固定部分3工作部分。在以上三個組成部分中，驅動是核心，一般采用螺栓夾緊的縱向振動換能器，其中半波長縱向振子與四分之一的波長縱向振子，半波長縱向振與半波長聚能器相連接組成一個全波長塑料焊接換能器，而四分之一波長縱向振子與四分之一波長聚能器相連，組成一個半波長換能器。2）工具頭對不同的焊接對象需要有不同工具頭，不管是近場焊接還是傳輸焊接，只有半波長的工具頭才能使焊接端面達到最大的振幅。工