超声波加工

超声加工原理
超声加工是一种基于超声波的加工方法，它利用超声波的高频振动和高能量聚焦特性来实现对材料的切割、焊接、打磨、清洗等加工操作。

超声加工的原理可以归结为以下几个方面：
1. 声波传导和聚焦：超声波通过振子（也称为换能器）传导到材料中，振子通常由压电陶瓷等材料制成。

振子的振动会产生声波，声波在材料中传导时会产生反射、折射和散射等现象。

通过设计适当形状的振子，可以使声波在材料中聚焦，形成高能量密度的声束。

2. 声波与材料的相互作用：当声波聚焦到材料上时，声波的振动能量将与材料中的原子、离子等粒子相互作用。

这种相互作用会导致材料受到力的作用，从而实现加工效果。

例如，在超声切割中，声波的振动能量可以引起材料的应力集中，使材料发生裂纹，并最终实现切割。

3. 材料表面的清洁和修复：超声加工还可以用于清洗和修复材料表面。

声波的高能量振动可以引起材料表面的微小颗粒的脱落，实现表面的清洁。

同时，声波的振动也可以启动材料表面的微小裂纹自愈过程，修复材料的损伤。

需要注意的是，超声加工的效果受到多种因素的影响，包括声波的频率、振幅、震动方式和振子的形状等。

在实际应用中，需要根据加工目的和材料特性来选择适当的超声加工参数。

由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不 过0.005～0.01 mm，而超声波加工却需要0.01～0.1 mm的振
幅，因此必须用上粗下细的变幅杆放大振幅。变幅杆应用
的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变 的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。
变幅杆的常见形式如图8-2所示，加工中工具头与变幅
液循环系统。
超声发生器（超声电源） 超声振动系统包括超声换能器、变幅杆（振幅扩大棒）、工具
机床本体包括工作头、加压机构及工作进给机构、工作台及其
位置调整机构 工作液及循环系统和换能器冷却系统 包括磨料悬浮液循环系统、
换能器冷却系统
1. 超声发生器
超声发生器也称超声波或超声频发生器，其作用是将 工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提 供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。其基本要 求是：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具 有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要求结构 简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。 超声加工用的超声频发生器，由于功率不同，有电子
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图8-5 超声波清洗装置
三、超声加工的特点
(1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的
非金属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、 金刚石等。也可以加工导电的硬质金属材料如淬火钢和
硬质合金等材料，但效率相对较低。
(2) 由于工具可用较软的材料、做成较复杂的形状， 故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动。因此超 声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给， 操作、维修方便。
3. 机床本体和磨料工作液循环系统 超声波加工机床的本体一般很简单，包括支撑声学部
件的机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件

时，速度低，工具损耗大。为了进步加工速度， 降低工具损耗，可采用复合加工。
比方：采用超声波与电化学加工相结合的方法加 工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，能极大的 进步加工速度和加工质量。
4、超声波清洗
超声波清洗的原理主要是利用超声波频振动在 液体中产生的交变冲击波和空化作用。
空化效应产生的强烈冲击波，产生的空化气泡 浸透到污物与被清洗部位外表之间，促使污物 脱落；
四、超声波加工的应用：
1、型孔、型腔加工
a)加工微细孔; b)加工型腔；c)加工异形孔
套料；
切圆；
复杂沟槽
弯曲孔；
刻槽
2、切割加工 超声精细
切割半导体、 铁氧体、石英、 宝石、陶瓷、 金刚石等硬脆 材料，
a)切片；b)多个圆片落料；c)多片圆板落料 ；d〕切割单晶硅片
3、复合加工
超声波加工与其它加工方法相结合。 利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料
整个振动系统的联接部分应接触严密，否则 超声波传递过程中将损失很大能量。在螺纹 联接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间 隙，因为超声波通过空气时会很快衰减。
3 、机床本体
CSJ-2型超声波加工机床 l--工作台；2--上具；3--变幅杆；4--换能器 5--导轨；6--支架；7--平衡重锤
4、 磨料工作液及其循环系统
二、超声加工的特点
1〕合适加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶 瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的 非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、 不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材 料，但加工效率较低。
二、超声加工的特点
1〕合适加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石 英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、 硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料， 但加工效率较低。 2〕由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时部分的冲击作用， 故工件外表的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不 会产生变形及烧伤，外表粗糙度也较低，可达Ra0．630．08um，尺寸精度可达正负0．03mm，也适于加工薄壁、 窄缝、低刚度零件。 3〕工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工 具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔 和型面。一般，超声加工机床的构造比较简单，操作、维修 也比较方便。 4〕超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故消费 率较低。

超声波加工电火花加工和电解加工都只能加工金属导电材料，无法加工不导电的非金属材料，而超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体、锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。

一．超声波加工的原理1.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硬脆材料的一种加工方法2.超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。

1.加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断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不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。

2.与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。

二、超声波加工——特点和应用超声加工的主要特点是：1.不受材料是否导电的限制。

2.工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件。

3.被加工材料的脆性越大越容易加工；材料越硬或强度、韧性越大则越难加工。

4.由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料。

5.工件加工精度高、表面粗糙度低3.可获得较高的加工精度（尺寸精度可达0.005～0.02mm）和较低的表面粗糙度(Ra值为0.05～0.2)，被加工表面无残余应力、烧伤等现象，也适合加工薄壁、窄缝和低刚度零件。