1、标题超声波加工技术的研究专业化产业机械设计制造及其自动化(机械方向)教师职称超声波加工技术的研究摘要:超声波加工技术以其独特的加工特点广泛应用于各行各业，特别是在机械加工中，如磨削、深孔加工、探伤、清洗等。但也广泛应用于纺织、化工、食品等行业，一些普通加工难以完成的工作，通过超声波加工可以轻松完成。本文就超声波加工技术的原理、发展和应用在以上几个方面进行了初步的研究和探索。首先，了解超声波加工的原理和产生机理。超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具头，通过悬浮磨料对工件进行成型的一种方法。其次，研究了超声加工技术在再加工中的应用，通过实例讨论了超声加工技术在磨削、清洗和深孔加工中的应
2、用，并与常规加工方法进行了比较。此外，还探讨了超声波加工在清洗和探伤中的应用。关键词:超声波加工、机械加工、其他应用目录TOCo1-3hzuHYPERLINKl_RefHeading_Toc294353960第一章绪论-1-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539611.1超声波的概念-1-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539631.2超声波的产生-1-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539641.3超声波的两个参数与其特点-1-HYPERLINKl_R
3、efHeading_Toc2943539651.5超声波加工技术的应用现状与发展趋势-2-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539661.6超声波加工技术的基本原理-4-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539671.6.1超声波加工机床简介-5-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539681.6.2超声振动加工-5-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539691.6.3超声复合加工-6-HYPERLINKl_RefHeading_T
4、oc2943539701.7研究的目的与意义-8-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294353972第二章超声波精密研磨-9-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539732.1超声研磨的原理-9-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539742.2超声波研磨的装置-11-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294353976第三章超声波深小孔加工-13-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539783.1超声波振动钻的基本原理-1
5、3-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539793.2超声波加工的刀具-16-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539803.3刀具与机体的连接-17-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539813.4超声波加工深小孔的实际应用对玻璃小孔的钻削加工-18-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539823.4.1磨料选择-18-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539833.4.2工具的振幅与频率的选择-18-HY
6、PERLINKl_RefHeading_Toc2943539843.4.3加工压力的选择-18-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539853.4.4磨料悬浮液浓度的参数选择-18-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539863.4.5加工效果与缺陷-19-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294353987第四章超声波铣削加工-20-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539884.1超声波铣削加工的原理与特点-20-HYPERLINKl_R
7、efHeading_Toc2943539894.2超声铣削机床-21-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539924.3超声波铣削加工中材料去除率模型-21-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539934.4分层厚度对材料去除率的影响-24-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294353994第五章超声波的其他应用-25-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539965.1.超声波探伤-25-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294
8、3539975.1.1超声波探伤的概念-25-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539985.1.2超声波探伤的原理-25-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943539995.1.3.超声波探伤在管道焊缝中的实例应用与分析-26-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540005.1.4超声波技术在探伤应用中的优缺点-29-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540015.2超声波清洗-30-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2
9、943540025.2.1超声波清洗的基础-30-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540035.2.2超声波清洗原理-30-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540045.2.3超声波清洗机-31-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540055.2.4超声波清洗的主要技术参数-31-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540065.2.5影响超声波清洗的技术参数-32-HYPERLINKl_RefHeading_Toc2943540075
10、.2.6超声波清洗的优点-32-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294354008第六章总结-33-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294354009致-34-HYPERLINKl_RefHeading_Toc294354010参考文献-35-第一章导言超声加工包括超声振动加工和超声复合加工两种方法。这两种超声波加工方法可以在一些常规加工方法无法解决的问题下轻松加工。这种特殊的加工方法精度高、效果明显、效率高，广泛应用于机械加工、纺织和食品加工。1.1超声波的概念科学家将花费每一秒钟HYPERLINK./%20%2
11、0%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/135986.htmt_blank振动次数称为声音。HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/30964.htmt_blank频率，其单位是赫兹。我们人类HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/106766.htmt_blank耳朵可听声波频率为2020000。HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20
12、/view/38518.htmt_blankHz.当.的时候HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/17777.htmt_blank声波当振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们听不到。所以我们把频率高于20000Hz的声波称为“超声波”。1.2超声波的产生声波是物体。HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/15257.htmt_blank机械振动状态(或能量)的传播形式。所谓振动是指物质的粒子在其HYPERLINK./%2
13、0%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/533000.htmt_blank平衡位置附近进行的来回运动的形式。比如鼓面被击打后，上下振动，这种振动状态通过空气介质向四面八方传播，这就是声波。超声波是指振动频率大于20000赫兹；它每秒的振动频率(频率)很高，超过了人类听觉的上限(20000Hz)。人们称这种听不见的声波为超声波。超声波和HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1053882.htmt_blank可闻声本质上是一样的，它们都有一个共同的机械振动模式，通常与
14、HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/274476.htmt_blank纵波进去的路HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/778.htmt_blank弹性介质通讯是能量传递的一种形式，它的区别在于超声波频率高。HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/45341.htmt_blank波长短，在一定距离内沿直线传播，具有良好的波束特性和指向性。目前腹部超过HYPE
15、RLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/572341.htmt_blank声成象使用的频率在25MHz之间，通常为33.5MHz(每秒一次振动为1Hz，1MHz=106Hz，即每HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/image/8b527d27a32aa147908f9de4t_blank每秒振动100万次，可听波频率在1620000Hz之间)。它是超声波家族的一员。1.3超声波的两个参数和特征超声波的两个主要参数:频率:F20KHz(在实
16、际应用中，F15K的声波由于效果相似，通常称为超声波)；HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2203547.htmt_blank功率密度:p=发射功率(W)/发射面积(cm2)，通常p0.3w/cm2。超声波在液体中传播可以清洗物体表面的污垢，其原理可以用“空化”现象来解释:当超声波在液体中传播的压力达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的峰值压力可以达到真空或负压。这个空腔非常接近真空，当超声压力在反方向达到最大值时，它破裂。断裂产生的强大冲击力会把物体表面的污垢撞碎。这种由无数微小空化气
17、泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。太小HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/823622.htmt_blank声波不能产生空化效应。超声波的特征:(1)超声波在传播时，方向性强，能量容易集中；(2)超声波可以在各种介质中传播，可以传播足够长的距离；(3)超声波与传声介质的相互作用适中，容易携带有关传声介质状态的信息(对传声介质的诊断或作用)。超声波是一种波形，可以作为检测和加载信息的载体或介质(如用于诊断的b超)；同时，超声波是能量的一种形式。当其强度超过一定值时，可以通过与传播超声波的介质的相互作用，影响
19、削和悬浮钻孔等。，但自20世纪50年代初以来，最常用的方法是超声波加工或超声波冲击磨削。早期研究发现，所有脆性材料，如玻璃、瓷器、硬质合金、宝石甚至钻石，都可以通过超声波加工来加工。从1953年到1955年，根据钻铣床的情况，几个国家研制出了单一的超声波加工机床样机，第一台超声波加工机床是由L.Balamuch在1954年研制出来的。到了60年代，已经可以看到各种类型和大小的加工工具，部分型号开始进入正规生产。在这个阶段，超声波加工取得了迅速的进展。50年代中期，日本和美国将超声波加工与电加工(如电火花和电解加工)和切削相结合，开辟了复合加工领域。这种复合加工方法可以改善电加工或金属切削的条件
20、，提高加工效率和质量。20世纪60年代初，美国开始了超声波加工的研究。当时的超声波加工技术还不成熟，包括声振动系统和换能器的设计、制造和质量都很差，所以美国的研究工作已经停止了10年。70年代中期，在美国，超声波钻中心孔、精加工、磨削、拔管、焊接已经处于生产应用阶段:超声波车削、钻孔、镗孔已经处于实验生产设备的样机阶段；通用超声振动切削系统已经在工业上得到应用，目前已经形成了一些标准。20世纪80年代以来，新的合成材料和陶瓷材料取得了飞速的进步，推动了超声加工技术的发展。电火花加工技术的出现，以更高的效率取代了超声波加工硬钢，并应用于许多场合。80年代中期，随着WEDM的成功进展，超声加工硬质
21、合金的市场缩小，超声加工的主要应用转向切割玻璃、应时、陶瓷、硅板等低电导率的硬脆材料。超声波具有许多独特的性质和优点，因此超声波的发展非常迅速，应用领域非常广泛，具有广阔的应用前景。功率超声是超声学的一个分支，主要研究高功率、高强度超声的产生，高强度超声在介质中的传播规律，以及高强度超声与物质的相互作用，以配合各种功率超声技术和应用。与检测超声不同，功率超声利用超声能量对物质进行处理和加工。最常用的频率从几千赫兹到几十千赫兹不等，功率从几瓦到几十千瓦不等。超声波处理技术和应用主要包括:超声波清洗、超声波加工、超声波节能、超声波塑料和金属焊接、超声波乳化、粉碎、分散、雾化、超声波金属成型、超声波
23、于超声波治疗临床效果的文献报告。20世纪40年代末，超声波疗法在欧美兴起。直到1949年召开的第一届国际医学超声学术会议，才交换了有关超声治疗的论文，为超声治疗的发展奠定了基础。1956年，在第二届国际超声医学会议上发表了许多论文，超声治疗开始实际应用。HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/2170605.htmt_blank成熟阶段。中国在超声治疗领域起步较晚。20世纪50年代初，只有几家医院开展超声波治疗。从1950年开始使用频率为800KHz的超声波治疗机治疗各种疾病，到50年代逐渐普及，有了国产仪器。公开文
24、献报道始于1957年。在20世纪70年代，有各种各样的家用超声波治疗仪，HYPERLINK./%20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/33981.htmt_blank超声疗法并扩散到全国各大医院。1.6超声波加工技术的基本原理超声波加工是利用超声波振动工具在液体介质或干磨料中产生磨料冲击、抛光、液压冲击及由此产生的空化作用来去除材料，或对工具或工件施加一定方向的超声波频率振动进行加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。近几十年来，超声波加工(包括复合加工)发展迅速，其技术已广泛应用于深小孔加工和难加工材料加工，特别是难加工材料领域
25、，解决了许多关键技术难题，取得了良好的效果。超声波能量通过声学系统施加到刀具上，使其按一定的频率和振幅沿圆周方向扭转，形成脉冲力单独振动切削，消除了普通切削过程中的弹性挤压振动，使切削过程成为有规律的脉冲状间歇切削。切削力可降至普通切削的IP3-IP10，降低了切削温度，增加了系统的刚性。当工件受到超声波振动时，由于等效硬度特性，高频振动产生的应力对工件硬度产生影响，使磨削力比降低到23倍。磨削力比不随磨削深度、磨削速度和工件速度而发生明显变化，工作力变化很小，从而可以获得良好的加工稳定性和精度。刀具的磨损会改变刀具的形状，大大降低工件的加工精度。根据陶瓷材料的超声旋转加工技术，科大的学者们提
26、出了一种用简单工具超声铣削三维陶瓷工件的新方法。该技术可实现刀具损耗的在线补偿和控制，有效克服超声波成形中因刀具损耗严重而导致的加工间隙中悬浮磨料不均匀的现象，从而提高复杂曲面的加工精度。超精密加工技术对提高机电产品的性能和质量，发展高科技产品具有重要作用。超声波加工的示意图如图1.6所示:图1.6超声波加工示意图1.6.1超声波加工机床简介上述加工手段一般采用超声波加工机床进行，常见的超声波加床如图1.6-1所示。图1.6-1普通超声波加工机床支架、2个配重、3个工作台、4个工具、5个喇叭、6个传感器、7个导轨和8个秤。超声波加工时，刀具与工件之间的作用力很小，加工机床只需实现刀具进给运动，
28、发表了多篇振动切削的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动切削。然后美国也研究了振动切削。到70年代中期，振动车削、振动钻削和光整加工已进入实用阶段，并取得了一系列研究成果。俄罗斯科学院和英国拉伯伦大学对车削振动加工的非线性过程进行了深入研究，并用流变模型对超声振动切削实验进行了理论解释。通过对超声振动切削动力学的研究，得到了振动刀具的非线性振幅特性曲线，并讨论了超声振动切削的优点和应用领域。在汽车工业学院用超声振动切削法对一汽变速箱厂生产的直齿轮进行了滚齿加工工艺试验。通过生产现场的各种技术参数实验和小批量试生产，取得了满意的效果，具有良好的发展前景。航空航天大学和工业大学将超声
29、振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的磨削中，显著提高了磨削效率。在分析聚晶金刚石材料微观结构和去除机理的基础上，深入研究了聚晶金刚石的超声振动磨削机理。指出磨削轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高磨削效率的根本原因。本文对工程陶瓷的超声振动钻削进行了深入的探索，讨论了各种工艺参数对加工效果的影响，并从理论上分析了超声振动钻削的材料去除机理。交大也对超声波椭圆振动切削技术进行了研究，阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统，分析了超声波椭圆振动切削的运动特性，详细介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间歇冲
31、如日立、塔瓦和托瓦，已经开始了这一领域的实践研究。但是.超声振动切削的理论和应用还有许多工作要做。特别是硬脆材料的超精密切削、微零件和微模具的超精密切削需要进一步研究。超声波复合加工超声波加工与其他加工工艺相结合的加工方式称为超声波复合加工。超声波加工强化了原有的加工工艺，明显提高了加工速度，不同程度地提高了加工质量，达到了低耗高效的目的。法国研究人员系统研究了超声波振动对电火花加工性能的影响。结果表明，超声振动提高了加工速度。粗加工提高10%，精加工提高400%，加工过程稳定，特别是精加工，可以增加稳定加工面积。电极的超声振动可以改善加工过程的主要原因是:1)电极表面的高频振动加速了工作流体
32、的循环，使间隙充分电离；2)间隙间较大的压力变化导致更有效的放电，可以从弧坑中去除更多的熔融金属，减少热影响层、热残余应力和微裂纹。以微机械为代表的微制造是现代制造技术的重要组成部分。随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，硬脆材料的高精度三维微加工技术已成为世界各国制造业的重要研究课题。目前，特种加工技术如光刻、电火花加工、激光加工、超声波加工等。可应用于硬脆材料的加工。与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，超声波加工既不依赖于材料的导电性，也不依赖于材料的导电性航空航天大学开展了工件激励超声复合电火花加工微小孔的研究，与以往超声复合电火花加工不同的是，工件的微幅
33、激励改善了微细电火花加工工作液的循环，从而提高了微小孔加工的脉冲利用率和深径比。结果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度越快。研究人员认为，这主要是由于工件被激发后，加工间隙中工作液压力波的冲击和扰动，有助于改善电火花加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率，提高微细孔电火花加工的加工速度和深径比。在微三维轮廓的加工中，基于简单形状电极和分层制造原理的微细电火花铣削技术正受到重视，但其加工效率较低。同时，由于其加工精度主要取决于电极损耗的轴向补偿，而电极损耗的轴向补偿又直接取决于电极损耗率，因此提高微细电火花铣削的加工效率和稳定性是一个重要课题。大学提出了微细电火花超声辅助分层去除技术。电极轴向的
34、微小超声振动对激活极间状态、加宽极间间隙、增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放电稳定性起着极其重要的作用。因此，该技术可以改善微细电火花铣削加工中的放电状态，提高加工效率。随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少或无污染的加工方法。解决这个问题的关键是研究新的工作介质。我校科研人员将超声振动引入气体放电加工技术，对工程陶瓷进行了实验研究，加工效率提高了近3倍。然而，这一过程的加工机制需要进一步研究。超声波加工技术在快速发展的汽车工业中得到了广泛应用。目前主要用于精密模具的孔、腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料零件的焊接，清洁度要求高的小孔、窄间隙零件的清洗。可以推断，超
35、声波加工技术将在世界汽车工业中发挥越来越重要的作用。1.7研究的目的和意义随着超声技术的发展，超声技术不断应用于各个领域，尤其是在聚合物加工、农产品加工、酿酒、化工、纺织加工和机械加工等领域。近几十年来，超声波加工(包括复合加工)的发展极为迅速，其技术已广泛应用于深小孔加工和难加工材料加工，尤其是难加工材料。这种特殊加工可以提高加工精度，降低加工力，笑效率也很高。由于超声加工在这些方面的优势，它在工程中被广泛应用。超声波在科学研究中应用广泛，已成为现代物理学的一个重要研究课题，形成了声学的一个新分支超声学。超声的主要任务是研究超声的特性和功能，人工产生超声，应用超声。超声波的应用可以分为两类。
36、第一类是超声波加工与处理技术，第二类是超声波检测与控制技术。超声波加工处理技术是利用高强度超声波改变物质的性质和状态的技术，如超声波打孔、清洗、焊接、粉碎等。超声波检测与控制技术是一种利用微弱超声波进行各种检测和测量的自动控制技术，如超声波检测和超声波泄漏检测、超声波工业测量技术等。在机械加工中，超声波加工使技术发挥着越来越重要的作用。一些机械加工难以完成的工作，超声波加工可以轻松完成，甚至一般机械方法无法加工的物品，超声波加工也可以完美解决。例如，它可以切割最坚硬的金刚石、玻璃、应时、瓷器、碳化钨等硬脆材料，还可以用声波进行加工。并且可以清洗精密零件，检查机械零件的裂纹和痕迹。因此，超声波在
37、机械加工中的广泛应用对生产的发展和生产效率的提高具有重要意义。本文对超声波在超声精密磨削、深孔钻削、铣削、探伤、磨削等方面的应用进行了初步研究。第二章超声波精密磨削近年来，超硬难加工材料的出现导致了许多新的加工方法的出现，而超声磨削以其独特的加工性能将传统加工与超声磨削完美结合，以获得更好的加工质量和效率。在超精密加工中，超精密切削和超精密磨削的实现依赖于锋利的超硬刀具、高精度高刚性设备等外围技术的支持。由于其加工机理和环境因素，很难实现较高的加工精度。因此，超精密磨削是实现纳米级、原子级加工的主要方法。在分析现有超精密磨削方法的基础上，提出了超声波磨削方法，并初步探讨了其加工机理。2.1超声
38、波研磨的原理磨削是将游离磨粒和磨料的混合物包覆或镶嵌在一定的刚性软磨具中，磨具和工件对磨粒施加一定的压力，使磨粒滚动滑动，从工件上去除极薄的余量，以提高工件精度，降低表面粗糙度的加工方法，如图2.1-1所示。图2.1-1研磨示意图在磨削过程中，在一定的压力下，许多磨粒被微切削。磨削的本质是磨粒的微切削、具有轻微起伏的磨削表面的塑性流动、表面活性物质的化学作用和磨具堵塞与工件表面的滑动作用的综合结果。在超声振动磨削中，在超声振动工具头的端面和工件表面之间保持固定的加工间隙，并且包含细磨料的工作流体填充在其间。在加工过程中，刀头是固定的，只起到发射超声波的作用。在超声波的作用下，电解液脉冲中的磨粒
39、冲击工件表面。虽然磨粒的冲击是随机的，但微观表面凸起部分的冲击概率应该高于凹陷部分，而且由于磨粒数量多，尺寸小，表面加工均匀平缓。研究表明，硬脆材料的超声振动磨削过程主要依靠表面层微裂纹的扩展和产生，使材料变脆脱落。因此，对硬脆材料表层微裂纹的研究非常重要，它直接决定了材料的去除率、加工效率、加工精度和表面质量。基于机械作用的超精密磨削是通过细小磨粒的机械作用去除加工表面，从而获得高精度的加工表面。主要有弹性发射加工、浮动磨削、磁力磨削等。弹性加工是一种加工精度高、表面粗糙度低的超精密加工方法。加工原理如图2.1-2所示。图2.1-2超声波磨削原理的工具模型超声波工具头的端面与工件表面之间保持
40、固定的间隙，其间充满细磨料工作流体。当超声波工具以一定的频率振动时，带动细磨料冲击工件表面，从而磨削工件表面。当工作台在平面或曲面上运动时，可以加工整个工件表面。超声波磨削时，大量的磨料会以与超声波振动相同的频率和脉动冲击加工表面，将工件表面原有的损伤层去除或转化，在其下形成新的损伤层，即表面加工层。如果适当选择超声波发生器的功率、磨料的硬度和粒度、磨削液的浓度和间隙等工艺参数，可以使新产生的损伤层更薄、更均匀，从而获得更好的表面质量，实现超精密加工。理想的情况是获得一个几乎完好无损的表面。超声磨削脆性材料的机理不同于塑性材料。脆性材料的加工主要依靠表面层微裂纹的扩展和生成，使材料变脆脱落。超
41、声波磨削，在大量磨粒的脉冲冲击下，更有利于上述加工过程的实现。磨粒的冲击是随机的，但微观表面凸起部分的冲击概率应该高于凹陷部分。由于磨粒数量多、尺寸小，表面加工均匀平缓。因此，可以获得具有低残余应力、更细和更浅裂纹的高质量加工表面。材料的塑性加工主要依靠表层的塑性变形，即金属被材料的挤压和撕裂而从表面撕裂，其残余应力为拉应力。超声磨削时，磨粒主要是夯实工件表面，类似于轻微的表面强化。它能消除工件表面前道工序的加工痕迹，使表面残余应力由拉应力变为压应力，有利于大部分零件的使用性能。通常超声波加工的机理是工具头以一定的压力作用于被加工表面。当工具头超声振动时，工具头刚性锤击磨料，通过磨料的“嵌入”
42、作用，脆性材料表面变脆脱落。所以不适合加工塑料材料。目前以机械加工为主的各种磨削方法，都是以磨粒在工件表面的滚动和摩擦为主要加工手段。因此，超声磨削和超声加工与现有的磨削方法有着本质的区别，是一种新型的超精密磨削方法。2.2超声波研磨装置一般超声波磨削装置如图2.2-1所示:图2.2-1超声波机械复合研磨装置1.连接器2、夹具3、喇叭4、护套5、调节套6、换能器7、导杆8、滑套9、高度调节环10、框架11、旋转电机12、公转电机13、传动系统14、磨盘15、研磨介质16、加载装置。该装置主要分为三部分:磨床系统、超声波振动系统、夹具和调整机构，如图2.2.1所示。装置原理:连接器安装在夹具上，
44、面切向振动，可形成特殊的犁形效应(如图2.2.1所示)；第三，磨削时，加工界面上的磨削液产生空化效应。当超声能量引入研磨界面时，加工界面处的液膜在松散相和压缩相之间交替变化。在疏松阶段，#液压力急剧下降，产生大量蒸汽气泡。富集在材料表面的气泡瞬间爆裂，产生数百甚至数千个大气压的局部液压冲击波，配合前面提到的犁削效应，可以有效去除工件表面的凸起。(如图2.2-2所示)图2.2-2交错犁和空化效应示意图第三章超声波深孔加工众所周知，在同样的要求和加工条件下，加工孔要比加工轴复杂得多。一般来说，孔加工刀具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下容易变形，从而影响加工质量和效率。特别是对于难加工材料的
46、的局限性也越来越明显:(1)钻头细长，刚性差，定位精度差；(2)易钻偏心孔，直线度低；(3)生产效率低。金属和非金属硬脆材料的应用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有硬度高、耐磨、耐高温、化学稳定性好、不易氧化腐蚀等优点。但由于工程瓷等难加工材料极高的硬度和脆性，其成型加工十分困难，尤其是成型孔的加工，严重阻碍了其应用和推广。因此，国外许多学者对难加工材料的加工方法进行了研究，其中超声波加工较多。3.1超声波振动钻的基本原理超声波加工是利用工具以超声波频率振动，通过磨料悬浮液对材料进行加工。图3.1-1是超声波加工的示意图。加工时，在刀具6和工件7之间加入液体(水或煤油)和磨料的悬浮液1，以一定的
47、压力p将刀具压在工件上。超声换能器4产生纵向振动，超声频率为1725kHz，通过变幅杆将振幅放大到0.010.02mm，带动刀具振动。迫使工作流体中的磨粒以高速和加速度不断撞击和抛光加工表面，并将加工区域中的材料粉碎成细小颗粒并从材料中去除。同时，工作流体的工具端面超声振动产生的高频可变液压冲击波和空化作用，促使磨料悬浮液渗透到被加工材料的微裂纹中，进一步提高材料去除效果。图3.1-1超声波钻孔示意图1.研磨液2。三号喇叭。能量收集器4。传感器5。超声波发生器6。工具7。工件超声波钻削是现代先进的切削方法。它是在传统的钻孔过程中，给钻头(或工件)加上有规律的高频振动。在优化切削参数的条件
49、供了一个很好的途径。超声加工是利用工具端面的超声频率振动，通过磨料悬浮液对材料进行加工的一种工艺方法。当工具是细丝或细管时，可以加工小孔。超声波加工可以在各种硬脆材料上钻孔，特别是宝石、瓷器、玻璃和各种半导体材料。它比电火花加工具有更高的精度和更好的表面粗糙度。精度可以达到0.01-0.02毫米.表面粗糙度可达Ra0.4-0.1um，表面无残余应力、烧伤等不良现象。最小孔径可达0.lmm，图3.1.2为细长孔超声波加工机床示意图。为了提高加工效率，采用了双钻头的设计，两个钻头之间的距离为110mm。超声波加工机床的主要运动是主轴箱的Z轴运动和工作台的X和Y轴运动。采用滚珠丝杠传动实现三维运
50、动，传动效率高(可达90%)，启动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正反向运动效率相同，可实现反向传动。预紧刚度好，定位精度高(重复定位精度高)。加工时，主轴箱的电机通过齿轮传动，带动两个超声波钻头同时同向旋转。刀具在主轴箱中的运动由两部分组成:1.由主轴传递的旋转运动；2.声音处理系统产生的垂直振动。这种振动是由超声波换能器产生410um的振幅，再由变幅杆放大到10100um的振幅。然后变幅杆带动拧在上面的磨具一起振动。刀具通过主轴箱的Z轴运动来实现对工件的加工。在加工过程中，由于工艺要求，需要控制主轴箱的Z轴运动，以实现加工过程中恒定的进给力。超声波钻孔示意图如图
52、刀具材料；立方氮化硼刀具材料。根据光学玻璃高硬度、高脆性的特点，本研究选择聚晶金刚石作为加工工具的材料。与同类金刚石刀具材料相比，聚晶金刚石(PCD)具有以下优点:晶粒排列无序，各向同性，无解理面。因为它在不同晶面上的强度和硬度与大单颗金刚石不同，耐磨性也大相径庭。(2)具有极高的强度和高冲击强度。冲击力大的时候只会碎小颗粒，不会像单颗钻石那样崩塌。可制作大型PCD刀具毛坯，满足大型加工刀具的需要。耐磨性是衡量聚晶金刚石工具的一项重要指标，它综合反映了聚晶金刚石的硬度、强度和断裂韧性。PCD材料的耐磨性取决于其微观结构和成分。金刚石结合界面程度越高，刀具的耐磨性越高。钴含量越低，其分布越均匀，
54、mm。则：2=125mm。所以根据加工工件的孔深，选择长度为125mm的刀具。3.3刀具与机身的连接超声波机械振动经变幅杆放大后传递给刀具，使磨粒和工作流体以一定的能量冲击工件，加工出一定的尺寸和形状。刀具的形状和尺寸是由工件表面的形状和尺寸决定的，两者之差就是一个“加工间隙”(略大于平均磨粒直径)。当工件表面积小或批量小时，刀具和喇叭成为一个整体；否则，可以通过焊接成螺纹连接将工具固定在喇叭的下端。当工具较小时，工具对振动的影响可以忽略，但当工具较重时，振动系统的共振频率会降低。当工具较长时，应对喇叭进行校正，以满足半波长的共振条件。整个振动系统的连接部分要紧密接触，否则在超声波传播过程
55、中会损失大量的能量。螺纹连接处要涂凡士林油，不能有气隙，因为超声波穿过空气会很快衰减。换能器、变幅杆或整个振动系统应选择在零振幅的驻波节点。根据波的合成原理，当系统共振时，只有在这个驻波节点平面内，单向入射波和反向反射波引起的质点位移刚好大小相等，方向相反，其合成位移始终为零。例如，在换能器长度的1/2处的中间截面上的任何一点都是驻波节点，振幅在后端逐渐增大，在换能器和喇叭的界面处达到最大振幅，该点称为波腹点。之后振幅逐渐减小并再次出现波节，在刀具端面再次出现振幅较大的波腹点。整个振动系统应由波节支撑并紧固在机床上。超声加工时，刀具会发生纵向和横向的磨损，刀具端面的磨损为主，侧面的磨损只占总磨
56、损的1/10。这样不仅直接影响加工速度和精度，而且破坏了振动系统的共振条件，降低了加工效率。刀具磨损量主要取决于刀具材料、结构和工件材料。3.4超声波加工深孔的实际应用-钻玻璃孔磨料选择超声波加工技术是利用超声波发生器-换能器-喇叭-模头的振动，带动工作流体中的磨料振动，在玻璃上产生空化和抛光，从而对玻璃进行加工。因此，在加工中，磨料起着非常重要的作用，因此有必要对磨料进行选择和分析。磨料硬度越高，加工速度越快，但要考虑成本。加工钻石、宝石等超硬材料时必须使用金刚石磨具；加工硬质合金、淬火钢等硬脆材料时，应使用硬度较高的碳化硼磨料。加工低硬度的脆硬材料时，可以使用碳化硅磨料。选择四种不同粒度的
57、碳化硅作为磨料，磨料与水的混合物作为工作液。碳化硅的目数分别为320、280、240和100。3.4.2工具振幅和频率的选择过大的振幅和频率会使工具和变幅杆承受很大的应力，可能超过其疲劳强度，缩短其使用寿命，连接处的损耗也会增大。所以一般振幅在0.010.1mm，频率在1625kHz。加工用的NP-I-15-008000超声波钻孔机超声波振幅和频率恒定，振幅0.02mm，频率15kHz。加工压力的选择当加工刀具对工件应有适当的进给压力时，如果压力过小，刀具端面与工件加工面的间隙会增大，从而减弱磨料对工件的冲击力和打击深度；如果压力过高，工具与工件之间的间隙会减小，磨料和工作液不能顺利循环
58、和更新，从而降低生产率。一般来说，当处理面积较小时，单位面积的最佳静压可以较大。例如，当使用圆形实心工具加工玻璃上的小孔时，当加工面积为513毫米时，静压力约为0.4兆帕，当加工面积超过20毫米时，最佳静压力约为0.20.3兆帕。加工工具头是直径为9毫米的空心工具，其圆直径为8毫米。加工面积为53.38毫米，所以最佳加工压力为0.20.3兆帕3.4.4磨料悬浮液浓度的参数选择当磨料悬浮液浓度较低时，加工间隙中的磨粒会较少，特别是加工面积和深度较大时，可能会造成加工区域无磨料的现象，使加工速度大大降低。随着悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加。但浓度过高时，会影响加工区域内磨料的圆周运动和对
59、工件的冲击运动，降低加工速度。通常磨料与水的质量比为0.51左右。加工时，磨料与水的比例为0.6:1，即磨料悬浮液的浓度为37.5%。3.4.5处理效果和缺陷在超声磨削中，一个不可避免的问题是工具入口和出口处的工件材料会塌陷(见图3.4-5)，尤其是出口处。图3.4-5加工效果图这是因为在超声波振动的作用下，刀头内有较大的气流，在施加a-T-力时，可以加强刀头与工件间隙内的磨料流动。然而，当加工完成时，这种气流使磨料再次向下流动，导致工具头和工件之间的磨料减少。当工具头持续振动时，容易使工件出口处快速断裂，导致工件加工出口处崩边周长明显增加。以免发生严重的侧塌。可以采取以下措施:进行超声波
60、加工时，在工件下面垫一个软垫片，既可以减少振动，又可以保证工件在加工过程中不会滑动，从而改善崩边；在加工开始和结束时，应适当降低进给压力，以磨削作用为主要因素进行加工。第四章超声波铣削超声铣削是一种新型的超声加工技术。它使用简单的形状工具，基于快速成型中分层制造的思想，采用分层去除的方法加工硬脆材料。具有刀具制造简单、刀具与工件间的宏观力小、刀具损耗补偿、加工复杂三维轮廓等特点。这是一种很有发展前景的超声波加工技术。4.1超声波铣削的原理和特点超声铣削过程中，刀具在超声高频振动的同时旋转，同时在数控系统的控制下，各层沿X、Y方向运动。磨粒在工具三种运动的综合作用下，不断锤击、冲击、抛光、刮擦硬