超聲波加工技術(shù)論文

　　超聲波加工是利用工具斷面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。這是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的超聲波加工技術(shù)論文，僅供參考!

　　超聲波加工技術(shù)論文篇一

　　超聲加工的應(yīng)用及發(fā)展

　　摘要：陶瓷、光學(xué)玻璃、功能晶體、金剛石、寶石和先進(jìn)復(fù)合材料等具有優(yōu)越的物理、化學(xué)和機械性能，在航空、航天、軍工、電子、汽車和生物工程等領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，并且其應(yīng)用還在不斷向新的領(lǐng)域擴展。與此同時，人們開始探索特種加工方式來加工這些難加工材料。超聲加工技術(shù)就是在此背景下發(fā)展起來的，實踐證明，它是加工上述難加工硬脆材料的高效和經(jīng)濟有效的方法之一。

　　超聲技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)10～20年代，它是以經(jīng)典聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，同時結(jié)合電子技術(shù)、計量技術(shù)、機械振動和材料學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的成就發(fā)展起來的一門綜合技術(shù)。超聲技術(shù)的應(yīng)用可劃分為功率超聲和檢測超聲兩大領(lǐng)域。其中，功率超聲是利用超聲振動形成的能量使物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變，或者使這種狀態(tài)改變加快的一門技術(shù)。功率超聲在機械加工方面的應(yīng)用，按其加工工藝特征大致分為2類，一類是帶磨料的超聲磨料加工(包括游離磨料和固結(jié)磨料)，另一類是采用切削刀具與其他加工方法相結(jié)合形成的超聲復(fù)合加工。

　　關(guān)鍵詞：超生加工 發(fā)展 特點及優(yōu)勢 應(yīng)用潛能

　　一、超聲加工技術(shù)的發(fā)展

　　1927年，美國物理學(xué)家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗，利用超聲振動對玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔。但當(dāng)時超聲加工并未應(yīng)用到工業(yè)上，直到大約1940年在文獻(xiàn)上第一次出現(xiàn)超聲加工(USM-Ultrasonic Machining)工藝技術(shù)描述以后，超聲加工才吸引了大家的注意，并且逐漸融入到其他的工業(yè)領(lǐng)域。1951年，科恩研制了第一臺實用的超聲加工機，為超聲加工技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　USM提供了比常規(guī)機械加工技術(shù)更多的優(yōu)點。例如，導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料它都可以加工，并且加工復(fù)雜的三維輪廓也可以像簡單形狀那樣快速。此外，超聲加工過程不會產(chǎn)生有害的熱區(qū)域，同時也不會在工件表面帶來化學(xué)/ 電氣變化，而且加工時在工件表面上所產(chǎn)生的有壓縮力的殘余應(yīng)力可以增加被加工零件的高周期性疲勞強度。

　　然而，在USM中必須供給磨料工作液，并且要保證加工過程中能有效清除刀具和工件

　　間隙中的切屑和磨損磨粒。因此，材料的去除速率相當(dāng)慢，甚至于在切削深度較大時會停止工作。而且，在磨粒及切屑混合液的流通過程中，對已加工表面或者孔壁會造成二次磨蝕，導(dǎo)致工件加工精度的降低，尤其是小孔加工。此外，磨料工作液還會磨蝕刀具本身，它將引起刀具端面及徑向的大量磨損，從而很難保證加工精度。

　　為了克服這些問題，P. Legge提出采用固結(jié)金剛石刀具，結(jié)合工件的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行孔加工的方法，形成了最初的旋轉(zhuǎn)超聲加工。這種加工方法克服了普通超聲加工中游離超硬磨料液在刀具和工件之間流通不暢，以及磨料對加工刀具和加工孔壁的磨蝕等問題，同時使加工精度和材料的去除率得到了顯著提高。后來研制了一種具有旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)的超聲加工機床，固結(jié)式金剛石刀具以一定的靜壓力作用到工件材料上，并以一定振幅作軸向超聲頻振動，同時還作相對于工件的高速旋轉(zhuǎn)運動，并且冷卻液不斷地被輸送到刀具和工件表面之間，這種方法已被證實是一種高效低成本的硬脆性材料加工方法。

　　因此，旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)一直倍受各國研究學(xué)者的關(guān)注。英、美、蘇、德、日和中等國家己對超聲旋轉(zhuǎn)加工設(shè)備的研制以及工藝方法作了一些研究。

　　當(dāng)前，旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的應(yīng)用范圍，已由最初的旋轉(zhuǎn)超聲孔鉆削加工，擴展到旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工、旋轉(zhuǎn)超聲平面銑削加工等加工方式。

　　通過對超聲加工刀具與工件間運動學(xué)關(guān)系的分析以及對加工工件表面質(zhì)量和刀具磨損等方面的研究，大家普遍認(rèn)為旋轉(zhuǎn)超聲加工的機理主要包含以下幾個相互作用的因素：刀具頭上金剛石磨料在超高加速度下對工件材料表面的錘擊作用，致使工件的局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的斷裂極限，這種應(yīng)力使材料表面產(chǎn)生壓痕，導(dǎo)致微細(xì)裂紋的產(chǎn)生、擴展，最終形成微觀局部破碎去除;同時，金剛石刀具相對于工件材料的高速旋轉(zhuǎn)，使得嵌入工件表面的磨粒在工件表面上劃擦、磨拋以及撕扯工件材料，這種磨拋作用大大加速了微裂紋的擴展，造成了材料的宏觀破碎去除。A.I.Markov，D. Prabhakar 和Z.J . Pei等人先后推導(dǎo)出基于脆性斷裂去除模式的旋轉(zhuǎn)超聲鉆削中材料去除率理論模型。后來Z . J . Pei等人研究發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)超聲鉆削先進(jìn)陶瓷中，材料的去除機理包括脆性去除和塑性去除，于是在1998 年提出了基于塑性變形去除模式的旋轉(zhuǎn)超聲鉆削中材料去除率理論模型。此外，超聲加工中工作液受刀具端面超聲振動作用而產(chǎn)生高頻、交變的正負(fù)液壓沖擊波和空化作用，促使工作液進(jìn)入被加工材料的微裂縫，加劇了機械破壞作用，加工過程得到加強。而且，超聲空化爆破作用和刀具的旋轉(zhuǎn)運動使碎屑始終處于運動狀態(tài)，同時阻止了碎屑的沉積過程，促進(jìn)了碎屑在工作液中流動，加速了碎屑的排出，推進(jìn)了加工的進(jìn)行。上述幾個加工機理的相互促進(jìn)和綜合作用，大大地提高了材料的去除率。

　　二、旋轉(zhuǎn)超聲加工的特點及優(yōu)勢

　　隨著各種先進(jìn)材料應(yīng)用需求的不斷擴大，激光加工、高壓水切割、電火花加工、電子束加工和電化學(xué)加工等特種加工方法均得到了較快的發(fā)展，相比傳統(tǒng)加工方法，其特色和優(yōu)越性得到較好的展示。激光加工的特點是切縫小、速度快、能大量節(jié)省原材料和可以加工形狀復(fù)雜的工件，但是加工表面熱損傷很難控制;高壓水切割的特點是切口質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)完整性好以及速度快，特別適宜金屬基復(fù)合材料的切割，但是加工系統(tǒng)復(fù)雜;電火花加工和電化學(xué)加工則要求加工工件具有導(dǎo)電性。旋轉(zhuǎn)超聲加工是集普通超聲加工與磨粒磨削加工為一體的復(fù)合加工，是加工硬脆性材料的一種高效方法，相比其他特種加工方法，它具有其獨特的優(yōu)勢：

　　(1)超聲加工可以加工導(dǎo)電和非導(dǎo)電等各種硬脆性材料，如陶瓷、寶石、硅、金剛石和大理石等非金屬材料;也適用于加工低塑性和硬度高于HRC40的金屬材料，如淬火鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金等金屬材料;

　　(2)由于工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削熱就少，不會因產(chǎn)生變形及燒傷而改變工件表面的化學(xué)/ 電性質(zhì)，故加工精度和加工表面質(zhì)量都比較好。與其他材料去除過程相比，超聲加工能達(dá)到更高的精度和表面光潔度，同時還能延長刀具壽命;

　　(3) 旋轉(zhuǎn)超聲加工采用固結(jié)磨粒的刀具對加工工件進(jìn)行高頻、斷續(xù)加工，是超聲加工和切、磨削加工的復(fù)合加工方式，比單純的超聲加工和切磨削加工具有更突出的優(yōu)勢，可以有效地提高已加工表面的耐磨性和耐腐蝕性。同時，旋轉(zhuǎn)超聲加工的復(fù)合加工機理，更適宜于硬脆性材料的加工，其去除率可以達(dá)到普通切磨削的6～10倍，是普通超聲加工材料去除率的10倍。

　　三、超聲加工技術(shù)在航空航天制造中的應(yīng)用潛能

　　現(xiàn)代航空航天制造業(yè)已不是傳統(tǒng)意義上的機械制造業(yè)，它是集機械、電子、光學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、激光學(xué)和管理學(xué)等學(xué)科的最新成就為一體的一個新技術(shù)與新興工業(yè)的綜合體。航空航天制造工程的發(fā)展水平對飛機、火箭、導(dǎo)彈、激光武器和航天器的可靠性和使用壽命的提高，綜合技術(shù)性能的改善，研制和生產(chǎn)成本的降低，甚至總體設(shè)計思想能否得到具體實現(xiàn)均起著決定性的作用。

　　航空航天技術(shù)的發(fā)展對材料性能的要求愈來愈高，如比強度和比剛度高、有一定的耐高溫和抗低溫性能、有良好的耐老化和抗腐蝕能力、有足夠的斷裂韌性和良好的抗疲勞性能。因此，高溫合金、鈦合金、高強度鋼、先進(jìn)復(fù)合材料和工程陶瓷等材料得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如碳基復(fù)合材料具有密度低、比強度和比模量高、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能好和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。截至2008年，波音B787飛機上復(fù)合材料的用量已突破性地達(dá)到了50%，其后空客公司制造的A350 飛機上復(fù)合材料的用量也將達(dá)到52%。

　　再者，功能晶體材料由于其優(yōu)異的物理、化學(xué)和光學(xué)性能在航空航天、國防軍工、信息、微電子及光電子等尖端科技領(lǐng)域得到越來越廣泛而特殊的應(yīng)用。如何實現(xiàn)光學(xué)晶體材料零件的高效精密與超精密加工已成為當(dāng)前各國關(guān)注的新焦點。

　　對于功能晶體材料零件，除要求滿足機械尺寸精度外，還要保證零件的光學(xué)功能特性，傳統(tǒng)的加工工藝流程(磨削后進(jìn)行研磨和拋光)工序多、周期長、成本高，相應(yīng)地產(chǎn)品廢品率較大，特別是脆性光學(xué)零件的精密磨削加工，容易造成加工表面和亞表面損傷。大量理論和試驗研究表明，由于超聲振動的引入，材料在加工過程中的變形行為、加工機制和刀具受力狀態(tài)等會發(fā)生完全不同于常規(guī)機械加工的變化，具有特殊的工藝效果，如切削力小、切削熱少，因而不會或者較少引起加工表面的熱損傷以及由此引起的電/ 化學(xué)及光學(xué)性質(zhì)的變化，從而可顯著提高零件加工質(zhì)量，并且加工過程平穩(wěn)，刀具的使用壽命得以大幅度提高，是脆性材料精密、高效加工的一種有效方法。而如何利用這些優(yōu)勢實現(xiàn)光學(xué)晶體材料的精密超聲加工，降低加工表面和亞表面質(zhì)量損傷，并沒有得到充分有效的發(fā)揮和應(yīng)用。

　　近兩年，國內(nèi)軍工企業(yè)也引進(jìn)了幾臺高水平的旋轉(zhuǎn)超聲加工機床，嘗試用于脆性材料的精密加工，但由于對超聲加工機理和工藝缺乏系統(tǒng)的研究，使用效果并不理想。在超聲加工機床和工藝參數(shù)范圍既定的情況下，刀具參數(shù)的選擇對于加工效果有著至關(guān)重要的影響。為了拓展超聲加工在航空航天及軍工國防領(lǐng)域的應(yīng)用，單就超聲加工刀具方面，作者認(rèn)為應(yīng)該從以下幾個方面給予充分考慮。

　　1 超聲加工刀具基體材料選擇

　　在功率超聲加工中，要求刀具必須能夠承受高頻交變載荷，有效傳導(dǎo)由變幅桿傳遞過來的超聲能量，因此，對刀具基體的尺寸、截面形狀及材料等提出了特殊要求。功率超聲加工主要考慮刀具與超聲振動系統(tǒng)的匹配連接，使得超聲能量得以有效傳遞，并且在刀具的輸出端面上有最大的能量(振幅)輸出。因此，要求刀具基體材料具有較低的聲阻抗和較高的超聲能量極限強度，否則會因為超聲能量在傳遞過程中的耗損而引發(fā)刀具發(fā)熱，嚴(yán)重時可導(dǎo)致刀具斷裂、超聲振動系統(tǒng)不工作甚至是超聲波電源功率器件或線路的燒毀損壞。

　　由此，在超聲加工的實際應(yīng)用中，考慮上述旋轉(zhuǎn)超聲加工對金剛石刀具基體材料的要求，同時結(jié)合變幅桿的材料選擇以及刀具與變幅桿的聲阻有效匹配，需要合理選擇金剛石刀具的基體材料。超聲加工要求基體材料內(nèi)部晶粒細(xì)小、勻質(zhì)，不能出現(xiàn)內(nèi)部裂紋或者氣穴等缺陷，否則振動能量會產(chǎn)生反射和衍射，導(dǎo)致能量衰減劇增，從而無法實現(xiàn)超聲能量的有效傳遞，并可能導(dǎo)致裂紋迅速擴展，致使刀具失效。必要時，要對材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚{(diào)質(zhì)材料內(nèi)部晶粒均勻性，降低材料的聲阻抗，同時增大其強度。

　　2 超聲加工刀具基體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　旋轉(zhuǎn)超聲加工是超聲振動和金剛石刀具切削相結(jié)合的高效加工方法，其去除率大大高于單一的傳統(tǒng)超聲加工和金剛石刀具切磨削加工方法。因此，提高排屑能力和金剛石刀具冷卻效果是保證旋轉(zhuǎn)超聲加工效率和刀具壽命的重要手段。

　　根據(jù)不同功率大小超聲加工機床的實際情況，從能量的有效傳遞和利用的角度出發(fā)，對刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計，尤其是工作端面的優(yōu)化設(shè)計，包括工作端面截面大小、形狀、壁厚以及水槽的有無和大小等因素。刀具基體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面要避免刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不當(dāng)造成的熱和應(yīng)力集中，另一方面要使得刀具有效地工作在換能振子的工作頻帶范圍內(nèi)。 3 超聲加工刀具磨料層的制備

　　在旋轉(zhuǎn)超聲加工刀具的設(shè)計與制造方面，相比傳統(tǒng)超硬磨料刀具在磨削和拋光加工中所引起的廣泛注意力，目前關(guān)注的還比較少。而刀具作為材料去除的關(guān)鍵因素，其工作端面的幾何參數(shù)、超硬磨料的種類和粒度、濃度以及制作的工藝等方面都關(guān)系到刀具的壽命以及加工表面質(zhì)量的優(yōu)劣。

　　目前，國內(nèi)外用于旋轉(zhuǎn)超聲振動加工的工具均為電鍍或者粉末冶金燒結(jié)而成的金剛石工具。但是，由于在電鍍或者粉末冶金燒結(jié)中很難形成金屬與金剛石磨料的有效化學(xué)冶金結(jié)合，因而電鍍層或者金屬結(jié)合劑對金剛石磨料的把持力較小，在較重負(fù)荷加工中，金剛石磨料的非正常脫落現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致工具磨損也較為嚴(yán)重，這些都直接制約了旋轉(zhuǎn)超聲加工的普及和推廣。而釬焊金剛石工具能在結(jié)合界面上實現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，從根本上改善磨料、結(jié)合劑(釬焊合金材料)和基體三者間的結(jié)合強度，在高速高效率磨削中能夠承受較大的負(fù)荷。作者在前期的旋轉(zhuǎn)超聲加工研究中，已經(jīng)證實釬焊工具完全能夠勝任旋轉(zhuǎn)超聲加工中的高頻沖擊加工，而且在加工過程中基本不存在磨粒的脫落和破碎磨損，其工作過程也較為平穩(wěn)。這為航空和航天等高科技領(lǐng)域中廣泛使用的功能晶體材料的精密加工提供了一個非常有利的條件。通過加工工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇，配合高效釬焊工具的使用，能夠克服在傳統(tǒng)精密磨削晶體材料時，由于工具的自銳及砂輪上磨粒的破碎和脫落對加工表面的二次損傷，從而提高零件表面的完整性。

　　四、結(jié)束語

　　隨著各行業(yè)對于新型材料需求的增加，超聲加工技術(shù)的發(fā)展和研究也倍受關(guān)注，使得在超聲加工工藝以及超聲加工機床的研制方面取得了豐富的成果。但是，旋轉(zhuǎn)超聲加工相對其他特種加工方法在航空航天以及軍工和國防工業(yè)中的應(yīng)用，并沒有凸現(xiàn)其固有的優(yōu)勢，在很大程度上受限于超聲加工技術(shù)的發(fā)展相對緩慢，主要因為數(shù)字化高性能的超聲加工機床出現(xiàn)時間不長，而且大功率超聲加工機床穩(wěn)定工作還存在一些需要攻克的難題。因此超聲加工硬脆材料潛能的開發(fā)還有待于機床性能的進(jìn)一步完善。

　　同樣，超聲加工刀具的研究相對于傳統(tǒng)切磨削加工刀具而言也沒有得到廣泛的關(guān)注。而在超聲加工中，實現(xiàn)刀具與超聲振動系統(tǒng)之間的有效連接，能否平穩(wěn)傳遞超聲能量，是機床能否正常工作的關(guān)鍵所在。在刀具的設(shè)計與制造方面，可以借鑒傳統(tǒng)超硬磨料刀具制作的工藝方法和相關(guān)的研究成果，結(jié)合超聲加工的特點，對超聲刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作端面磨料層的制備，包括磨料的種類和粒度、濃度和制作工藝等方面因素作詳盡的研究，從而有效地提高加工刀具的壽命，保證加工表面的質(zhì)量。

　　我們相信，在超聲加工機床性能日益完善的條件下，隨著超聲加工工藝條件的不斷優(yōu)化和提高 以及適宜于超聲加工的刀具的開發(fā)和應(yīng)用，超聲加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫酱蟠蟮臄U展，它必將在航空和國防工業(yè)中廣泛使用的先進(jìn)復(fù)合材料以及功能晶體材料的精密加工上大有作為。

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　　超聲波加工技術(shù)論文篇二

　　超聲波加工

　　摘要：超聲波加工是利用工具斷面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。它能廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，特別對于一些常規(guī)加工方式無法完成的或者加工精度無法達(dá)到要求的工件。目前經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超聲波加工技術(shù)已逐步成熟，并已在一些要求條件高、加工工藝復(fù)雜、精度要求高的領(lǐng)域逐步發(fā)展起來，相信隨著技術(shù)的發(fā)展它的應(yīng)用范圍及領(lǐng)域會越來越廣。

　　關(guān)鍵詞：超聲波;研究前沿;應(yīng)用領(lǐng)域

　　引言：超聲波隨著技術(shù)的發(fā)展越來越為人們所應(yīng)用，他通過自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉絲模、深小孔加工等的地位。特別在現(xiàn)代這個迅猛發(fā)展的社會它的地位越來越重要，我們應(yīng)該加快它的發(fā)展速度，為我們所用。

　　超聲波加工(USM)是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法。超聲波加工是磨料在超聲波振動作用下的機械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結(jié)果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。加工時在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動方向加上一個不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機械振動，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動工具端面作超聲振動，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。

　　與此同時，懸浮液受工具端部的超聲振動作用而產(chǎn)生的液壓沖擊和空化現(xiàn)象促使液體鉆入被加工材料的隙裂處，加速了破壞作用，而液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強迫循環(huán)，使變鈍的磨料及時得到更新。

　　一、超聲波加工的原理

　　1.1 超聲波概述

　　“超聲波”這個名詞術(shù)語，用來描述頻率高于人耳聽覺頻率上限的一種振動波，通常是指頻率高于16kHz以上的所有頻率。超聲波的上限頻率范圍主要是取決于發(fā)生器，實際用的最高頻率的界限，是在5000MHz的范圍以內(nèi)。在不同介質(zhì)中的波長范圍非常廣闊，例如在固體介質(zhì)中傳播，頻率為25kHz的波長約為200mm;而頻率為500MHz的波長約為0.008mm。

　　超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時反射、折射、共振以及損耗等現(xiàn)象更顯著。在不同的介質(zhì)中，超聲波傳播的速度c亦不同，例如c空氣=331m/s;c水=1430m/s

　　c鐵=5850m/s。速度c與波長λ和頻率f之間的關(guān)系可用下式表示：

　　c

　　f

　　超聲波具有如下幾種主要性質(zhì)：

　　1、超聲波能傳遞很強的能量;

　　2、超聲波的空化作用;

　　3、超聲波的反射、透射、折射;

　　4、超聲波的衍射;

　　5、超聲波的干涉和共振。

　　1.2 超聲波加工原理

　　超聲波加工是利用工具斷面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法，加工原理如圖1.1所示。加工時，在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動方向加上一個不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機械振動，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動工具端面作超聲振動，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。與此同時，懸浮液受工具端部的超聲振動作用而產(chǎn)生的液壓沖擊和空化現(xiàn)象促使液體鉆入被加工材料的隙裂處，加速了破壞作用，而液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強迫循環(huán)，使變鈍的磨料及時得到更新。

　　1.3 超聲波的加工特點

　　1、加工范圍廣;

　　a.可加工淬硬鋼、不銹鋼、鈦及其合金等傳統(tǒng)切削難加工的金屬、非金屬材料;特別是一些不導(dǎo)電的非金屬材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石及各種半導(dǎo)體等，對導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金也能加工，但生產(chǎn)率低;

　　b.適合深小孔、薄壁件、細(xì)長桿、低剛度和形狀復(fù)雜、要求較高零件的加工;

　　c.適合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。

　　2、切削力小、切削功率消耗低;

　　由于超聲波加工主要靠瞬時的局部沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小。

　　3、工件加工精度高、表面粗糙度低;

　　可獲得較高的加工精度(尺寸精度可達(dá)0.005～0.02mm)和較低的表面粗糙度(Ra值為0.05～0.2)，被加工表面無殘余應(yīng)力、燒傷等現(xiàn)象，也適合加工薄壁、窄縫和低剛度零件。

　　4、易于加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔和成型表面等;

　　5、工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀;

　　6、超聲波加工設(shè)備結(jié)構(gòu)一般比較簡單，操作維修方便。

　　二、超聲波研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

　　2.1 超聲波深小孔加工

　　在相同的要求及加工條件下,加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來說,孔加工

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　　工具的長度總是大于孔的直徑,在切削力的作用下易產(chǎn)生變形,從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對難加工材料的深孔鉆削來說,會出現(xiàn)很多問題。例如,切削液很難進(jìn)入切削區(qū),造成切削溫度高;刀刃磨損快,產(chǎn)生積屑瘤,使排屑困難,切削力增大等。其結(jié)果是加工效率、精度降低,表面粗糙度值增加,工具壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問題。

　　前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機床。在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時作軸向振動進(jìn)行孔加工已取得了較好的效果。日本已經(jīng)制成新型UMT-7三坐標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機，功率450 W,工作頻率20 kHz，可在玻璃上加工孔徑1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圓度可達(dá)0.005mm，圓柱度為0.02 mm。英國申請了電火花超聲復(fù)合穿孔的專利，該裝置主要用于加工在導(dǎo)電基上有非導(dǎo)電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個加工過程分兩個階段進(jìn)行：首先用超聲振動將非導(dǎo)電層去除掉,當(dāng)傳感器感知金屬層出現(xiàn)時，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法進(jìn)行加工。該裝置有效地解決了具有導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層零件孔的加工問題。

　　2.2 拉絲模及型腔模具研磨拋光

　　聚晶金剛石拉絲模超聲研磨拋光技術(shù)在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用，新的超聲研磨拋光方法和設(shè)備已出現(xiàn)。北京市電加工研究所提出的“超硬工具材料電火花超聲波復(fù)合拋光方法”，其特點是：采用超聲頻信號調(diào)制高頻電火花脈沖電源與超聲加工復(fù)合進(jìn)行聚晶金剛石拉絲模研磨拋光。該技術(shù)已獲得國家專利，并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。

　　2.3 難加工材料的超聲波加工

　　金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了對難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。

　　英國阿伯丁大學(xué)國王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時工藝參數(shù)對材料去除率的影響，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對沖擊力的特性進(jìn)行了研究,提出了一種新的材料去除率的計算方法,

　　這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對材料去除機制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯位，而高沖擊力會導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機理、過程動力學(xué)以及發(fā)展趨勢，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。

　　2.4 超聲波振動切削

　　超聲振動切削作為新興的特種加工技術(shù)，引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛興趣和極大關(guān)注。最早對振動切削進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究、可以稱為振動切削理論與應(yīng)用技術(shù)奠基人的是日本學(xué)者隈部淳一郎。他在20世紀(jì)50~60年代發(fā)表了許多振動切削方面的論文，系統(tǒng)地提出了振動切削理論，并成功地實現(xiàn)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(jìn)行研究，到20世紀(jì)70年代中葉，振動車削、振動鉆孔、振動磨削、光整加工等均已達(dá)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(yōu)越性，取得了一系列研究成果，并在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。

　　2.5超聲波復(fù)合加工

　　將超聲加工與其他加工工藝組合起來的加工模式，稱為超聲復(fù)合加工。超聲復(fù)合加工，強化了原加工過程，使加工的速度明顯提高，加工質(zhì)量也得到不同程度的改善，實現(xiàn)了低耗高效的目標(biāo)。

　　三、超聲波加工技術(shù)發(fā)展趨勢及應(yīng)用

　　3.1 超聲振動切削技術(shù)

　　長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校采用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠生產(chǎn)的一直齒齒輪的滾齒加工進(jìn)行了工藝實驗[31],通過生產(chǎn)現(xiàn)場各種工藝參數(shù)實驗及小批量試生產(chǎn),收到了令人滿意的效果,具有較好的發(fā)展前景。

　　北京裝甲兵技術(shù)學(xué)院提出了一種超聲微振車削的新工藝[2]。其特點是功率小(50 W)、振幅小(2~5μm),同樣可獲得一般振動車削的效果。

　　超聲振動切削的應(yīng)用也日趨廣泛，對其的研究主要應(yīng)從幾個方面進(jìn)行：

　　1、研制和采用新的刀具材料;

　　2、研制和采用高效的振動切削系統(tǒng);

　　3、對振動切削機理深入研究;

　　4、超聲橢圓振動切削的研究與推廣;

　　5、超聲銑削加工技術(shù)。

　　3.2 超聲復(fù)合加工技術(shù)

　　目前,超聲波、電火花、機械三元復(fù)合加工技術(shù)的研究較快的發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用超聲波、電火花、磨料復(fù)合加工技術(shù)對不銹鋼進(jìn)行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾,具有較好的應(yīng)用前景。

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具的應(yīng)用越來越廣泛，對模具精度和表面質(zhì)量的要求也越來越高。在模具制造過程中，光整加工工序?qū)δ＞哔|(zhì)量影響很大，但目前該工序在很大程度上仍依賴手工完成，嚴(yán)重制約了模具加工技術(shù)的發(fā)展，是一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。華南理工大學(xué)采用超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)對形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工進(jìn)行了研究，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對加工表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測，取得了良好的效果。超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)是一項新的復(fù)合加工技術(shù)，能較好地適用于形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。但尚有許多方面的內(nèi)容有待進(jìn)一步研究，特別是各主要加工因素對加工表面粗糙度的影響以及表面金屬的去除機理等。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始探索對環(huán)境污染少甚至沒有污染的加工方法，研究新的工作介質(zhì)是解決這個問題的關(guān)鍵。近年來，日本東京農(nóng)工大學(xué)對氣體介質(zhì)中的電火花脈沖放電加工技術(shù)進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，為電火花脈沖放電加工技術(shù)開辟了一條嶄新的途徑，但該技術(shù)在加工過程中短路頻繁。山東大學(xué)的研究人員將超聲振動引入氣中放電加工技術(shù)，并對工程陶瓷進(jìn)行了加工實驗研究，加工效率提高了近3倍。但該工藝的加工機理有待于進(jìn)一步研究。

　　3.3微細(xì)超聲加工技術(shù)

　　以微機械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分，晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應(yīng)用，使硬脆材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。目前可適用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、電火花加工、激光加工、超聲加工等特種加工技術(shù)。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。隨著東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所增澤研究室對微細(xì)工具的成功制作及微細(xì)工具裝夾、工具回轉(zhuǎn)精度等問題的合理解決，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為5μm的微孔，從而使超聲加工作為微細(xì)加工技術(shù)成為可能。

　　四、結(jié)語

　　由于超聲振動切削具有許多獨特的特點，因而大大擴大了切削加工的范圍。例如，對于難切削的材料淬硬鋼、鈦及其合金、石材等都能加工;能加工易變形的細(xì)長桿，小徑深孔和薄壁零件;對要求精度及光潔度高且不生成毛刺的零件，可用超聲方法加工;對于一些形狀復(fù)雜、要求精度高而又不宜用其他方法加工的零件，用超聲振動切削可以解決。

　　超聲波在機械加工的應(yīng)用除上面這些外，還在金屬件連接，工件拋光，擠壓和鉚鐓等方面均有很好的應(yīng)用。相信隨著科技的進(jìn)步和技術(shù)的不斷完善超聲波加工技術(shù)將會在更多的領(lǐng)域突顯他的優(yōu)勢。

　　現(xiàn)代加工技術(shù)這一門課是給我們大學(xué)畫上圓滿句號的一課，從大一入學(xué)我們學(xué)習(xí)的公共基礎(chǔ)課、專業(yè)課、學(xué)科任選課，大多數(shù)都是對一門知識的入門認(rèn)識，我們學(xué)習(xí)的基本上都屬于在社會上已經(jīng)淘汰的設(shè)備、儀器，通過那些傳統(tǒng)的機械來學(xué)習(xí)加工原理。而現(xiàn)代加工技術(shù)則是讓我們接觸到了當(dāng)今最先進(jìn)的加工技術(shù)、加工原理，讓我們對世界科技的發(fā)展層次有了更清晰的了解。所以能夠有這樣一門課程，是對我們的知識的歸納、總結(jié)，也是對我們的一種鞭策。通過對電火花加工、電子束加工、激光加工以及超聲波加工等特種加工的學(xué)習(xí)，我們了解到更多的先進(jìn)加工技術(shù)，對自己的思維是一種擴展，也利于以后在實際問題中尋找更好的解決方法。

　　超聲波加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。一方面,材料加工的客觀需要推動和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展;另一方面，超聲加工技術(shù)提供的強有力加工手段，又促進(jìn)了新材料的發(fā)展。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。

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