超声波加工机床本体

1 序言近年来，先进工程材料在航空航天、汽车、半导体、3C和医疗等制造业领域中不断涌现，如钛合金、高温合金、工程陶瓷、陶瓷基复合材料以及蜂窝复合材料等，这些材料具有优异的使用性能，然而机械加工性能很差，属于典型的难加工材料[1]。

在使用传统的机械制造技术对这些材料进行精密加工时遇到了一定的瓶颈，一种新型的制造工艺技术——超声加工技术，即Ultrasonic Machining（UM），受到越来越多的关注并得到大量的应用。

超声加工技术是一种通过超声波振动能量实现难加工材料精密去除的工艺技术，该技术是将超声波振动能量通过一系列结构的传播和变换聚焦在刀具的工作区域，从而形成被切削材料的冲击去除效果，进而可以提高众多难加工材料的可加工性能。

该技术在加工过程中具有众多优点，如：降低切削力和减少切削热、减小刀具磨损和崩边毛刺、优化切屑形态、提高表面质量、降低亚表面损伤以及提高加工效率等（每个加工工艺具体的改善效果因超声刀具、材料、工艺等的不同而存在一定的差别）。

超声加工技术是一种基于功率超声技术发展起来的特种加工技术，它本质上是一个物理去除过程，不涉及材料性质的改变。

随着市场化的需求越来越强烈，超声加工技术中商用标准化系统也成为了目前市场需求的重点，相关的超声加工技术开始走出实验室，在众多典型难加工材料的精密加工中得到应用，如：光学玻璃、蓝宝石、陶瓷、氧化铝陶瓷、钛合金、高温合金、碳纤维复合材料以及铝基碳化硅复合材料等，其应用领域及典型案例如图1所示。

近几年，国内难加工材料的大量应用，带来了较多的超声加工技术应用需求，促使了该技术的市场化，多家科研机构和制造企业纷纷开始进行超声加工技术的产业化应用。

图1超声加工应用领域及典型案例2 超声加工技术发展现状“工欲善其事，必先利其器”，超声加工技术是针对难加工材料精密加工的利器。

在大多数切削加工领域，超声加工更确切的名称应该为“超声辅助精密加工”，即在传统切削加工技术上辅助超声振动，从而实现特殊的材料去除效果。

超声波加工机床的结构设计与动力系统优化一、引言超声波加工机床是一种利用超声波振动进行加工的先进设备。

它具有精度高、效率高、能耗低等优点，因此在现代工业中得到了广泛应用。

本文将对超声波加工机床的结构设计与动力系统进行分析与优化，旨在进一步提高其加工质量和性能。

二、超声波加工机床的结构设计1. 传动系统设计超声波加工机床的传动系统是保证加工过程中能量传递和工具运动的关键部分。

采用传动系统可以将电机的转速转换为工作台或工具的运动速度。

传动系统的设计应保证其结构紧凑、刚性良好、传动效率高和稳定性强。

2. 悬挂系统设计超声波加工机床的悬挂系统用于支撑工具和工作台，使其在超声波振动下能够稳定运动。

悬挂系统应具备足够的刚性和稳定性，能够有效抵抗振动的影响。

同时，悬挂系统还应具备一定的调节能力，以适应不同加工任务的要求。

3. 结构刚度设计超声波加工机床在加工过程中需要承受较大的力和振动。

因此，其结构刚度设计至关重要。

合理的结构刚度设计可以提高加工精度，减小振动的影响，并降低设备的故障率和维修成本。

结构刚度设计需要考虑材料的选择、结构的合理性和加工工艺等因素。

三、超声波加工机床的动力系统优化1. 电机选择与匹配超声波加工机床的电机是动力系统的核心部分，对其性能和稳定性有重要影响。

电机的选择应根据加工机床的负载要求、工作条件和精度要求等因素进行选择。

同时，电机的匹配应保证其输出扭矩和速度与机床需求相匹配，以提高加工效率和精度。

2. 控制系统设计与优化超声波加工机床的控制系统对于保证加工过程的稳定性和精度至关重要。

控制系统应具备快速响应、精准调整和稳定运行的能力。

通过优化控制算法和调整控制参数，可以进一步提高加工机床的稳定性和控制精度。

3. 能源系统优化超声波加工机床的能源系统包括供电系统和能量转换系统两部分。

供电系统应能够稳定地为机床提供所需电能，以保证其正常运行。

能量转换系统应具备高效转换能量的能力，以提高能源利用率和机床的工作效率。

什么是超声波加工超声波加工（USM，Ultrasonic Machining）是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

超声波加工技术是随着机械制造和仪器制造中各种脆硬材料（如玻璃，陶瓷，半导体，铁氧体等）和难以加工材料（如高温及难溶合金，硬质合金等）的不断出现而应用和发展起来的新加工方法。

当经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，连续形成压缩和稀疏区域产生液体冲击和空化现象，引起邻近固体物质分散，破碎等效应。

超声波加工比电火花，电解加工的生产效率低，但加工精度和表面粗糙度比前者好。

并且能加工半导体和非半导体。

因此，当前国内模具行业一般先用电火花加工和半精加工，最后用超声波进行抛磨精加工。

早期的超声加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的。

但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。

后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。

近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以1000—5000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。

目前，已用于航空、原子能工业，效果良好。

1 超声波加工基本原理加工时工具以一定的静压力作用于工件上，在工具和工件之间加入磨料悬浮液（水或煤油和磨料的混合物）。

超声波换能器产生16kHz以上的超声频轴向振动，并借助变幅杆把振幅放大到0.02~0.08mm，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击，抛磨被加工表面，把加工区的材料粉碎成非常小的微粒。

名词解释气浮导轨P24：运动导轨的底平面和两侧导轨面通有压缩空气，使运动部件浮起的这种导轨形式称为气浮导轨。

非接触抛光P47：非接触抛光是一种研磨抛光新技术，是指在抛光中工件与抛光盘互不接触，依靠抛光剂冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状的抛光方法。

精密研磨P44：精密研磨属于游离磨粒切削加工，是在刚性研具上注入磨料，在一定压力下，通过研具与工件的相对运动，借助磨粒的微切削作用，去除微量的工件材料，以达到高级几何精度和优良表面粗糙度的加工方法。

电解磨削P156：是电解作用与机械磨削相结合的一种特种加工方法，具有较好的加工精度和表面粗糙度，比机械磨削具有较高的生产率。

超声波加工P192：超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形加工方法。

固结磨料加工P38：就是利用固结磨具（砂轮、油石）或涂覆磨具（砂带）对黑色金属、硬脆材料的精密加工方法。

微细加工：微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产技术。

从广义角度来说，微细加工包含了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法，从狭义的角度来说，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术。

电火花加工极性效应P58：仅由于正负极性接法不同而正极和负极材料电蚀量不一样的现象叫极性效应。

激光焊接P186：焊接过程属传导焊接，即激光辐照加热工件表面，产生的热量通过热传导向内部传递。

在工件上形成一定深度的熔池，冷却凝固以后就将工件焊接完成。

离子镀膜P213：是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或者反应物沉积在基片上成膜。

、表面光泽如镜的磨削镜面磨削P41：镜面磨削是指加工表面粗糙度达到R a0.02～0.01m方法。

空气静压轴承P19：在转轴和轴承瓦之间，通入压缩空气，将轴承和转轴分开，以压缩空气承受径向载荷的一种轴承形式。

等脉冲电源P72：是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。

超声波加工机床的振动特性与动态响应分析简介超声波加工机床是一种利用超声波作为能量源进行材料加工的机械装置。

它利用超声波的高频振动，在添加一定的切削液的条件下，对工件表面进行高效加工。

然而，超声波加工机床的运动过程中会产生振动，这些振动对机床的性能和加工质量有着重要影响。

本文将对超声波加工机床的振动特性进行深入分析，并探讨其动态响应。

一、超声波加工机床的振动特性超声波加工机床在工作过程中会发生多种类型的振动，包括弹性振动、旋转振动、冲击振动等。

这些振动特性会直接影响到机床的性能和加工质量。

弹性振动是超声波加工机床最常见的一种振动形式。

它是由于机床结构、工作部件以及切削过程中的力作用等因素引起的。

弹性振动的频率与机床的结构刚度及质量密切相关，刚度越大，频率越高。

旋转振动是由转子的不平衡或不同质量部件之间的摩擦力导致的。

这种振动会引起机床的不稳定性，影响到加工质量。

冲击振动是由机床在微动状态下突然受到冲击作用引起的。

这种振动往往会导致机床的破坏以及加工质量下降。

二、超声波加工机床的动态响应超声波加工机床的动态响应是指机床在外界激励下的运动反应。

了解动态响应对于优化机床结构、提高加工效率至关重要。

机床的动态响应包括振动位移、振动速度和振动加速度等。

通过对这些参数的分析，可以了解机床在加工过程中的运动情况，进一步研究振动对机床性能的影响。

在进行动态响应分析时，常采用有限元方法、频域分析和时域分析等方法。

有限元方法可以模拟机床的振动特性，并通过模态分析预测机床振动频率和振型。

频域分析可以通过傅里叶变换将信号从时域转换为频域，进一步分析机床的频谱特征。

时域分析可以实时监测振动信号，并用于故障诊断和性能评估。

三、改进措施与应用前景针对超声波加工机床的振动特性和动态响应，我们可以采取一系列改进措施来提升机床的性能和加工质量。

首先，可以通过增加机床的刚度来降低弹性振动的幅值和频率。

这包括优化机床的结构设计和选用更高刚度的材料。

超声波加工机床在精密机械加工中的应用研究超声波加工机床是一种利用高频振动将声波能量转化为机械能的专用设备。

它在精密机械加工领域具有广泛的应用，可以用于加工各种材料，如金属、陶瓷、塑料等。

本文将对超声波加工机床在精密机械加工中的应用进行深入研究，并探讨其优势和发展前景。

一、超声波加工机床的基本原理超声波加工机床利用高频振动的原理进行加工，其基本原理可以概括为以下几点：1.1 超声波传导：超声波在材料中的传导速度较高，使得能量传递到工件表面时能够迅速产生切削效果。

1.2 液体介质：超声波加工通常是在液体介质中进行的，液体可有效传导声波，减少工件表面的摩擦和磨损。

1.3 脉冲能量：超声波加工机床通常以脉冲形式输出能量，利用脉冲能量的瞬时冲击力来实现加工效果。

二、超声波加工机床在精密机械加工中的应用领域2.1 集成电路加工：超声波加工机床可以用于集成电路的微细加工，例如微孔加工、蚀刻、刻蚀等。

2.2 珠宝首饰加工：超声波加工机床在珠宝首饰加工中具有较大的优势，可以用于切割、打磨、雕刻等工艺。

2.3 高硬度材料加工：超声波加工机床可以用于高硬度材料的切削和表面处理，如金刚石、硬质合金等。

2.4 医疗器械加工：超声波加工机床可以用于医疗器械的加工和组装，保证产品的精度和质量。

三、超声波加工机床的优势超声波加工机床相比传统机床在精密机械加工中具有以下几个优势：3.1 高精度：超声波加工机床可以实现精细加工和高精度加工，提高产品质量和精度。

3.2 低热影响区：超声波加工机床所产生的热影响区较小，不会对工件产生过多的热变形和残余应力。

3.3 切削力小：超声波加工机床采用脉冲形式输出能量，切削力小，不易造成刀具磨损和工件表面损伤。

3.4 特殊材料加工：超声波加工机床可以用于加工各种特殊材料，如玻璃、陶瓷等，具有广泛的适应性。

四、超声波加工机床的发展前景超声波加工机床作为一种高效、高精度的加工设备，在精密机械加工领域有着广阔的应用前景。