超声波精密加工换能器试验研究  

摘要：人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ范围内，声波频率超过20000HZ被称为超声波。超声波精密加工换能器（Ultrasonic Machining简称USM）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或利用超声振动的工具在有磨料的液体介质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来去除材料，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

关键字：超声波 加工 精度高 效率高

1.1 超声波精密加工换能器的基本原理

 

              图1超声加工的原理图

超声波精密加工换能器的原理如上图1所示，超声波发生器7产生的超声频电振荡通过换能器6产生20000 Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆4把振幅放大到0．05～0．1 mm左右，从而使工具1的端面作超声频振动。在工具1和工件2之间注入磨料悬浮液3，当工具端面迫使磨料悬浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不断的撞击、抛磨被加工表面时，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上剥落下来。虽然每次剥落下来的材料很少，但由于每秒钟撞击的次数多达20000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工件液体内形成很多微空腔；当工具端面又以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而强化加工过程。此外正负交变的液压冲击也使悬浮磨料的工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨粒及时得到更新。

由此可见，超声波精密加工换能器是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的.

1）适合于加工各种硬脆材料。既然超声波精密加工换能器是基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏越大，愈适应超声波精密加工换能器。例如玻璃、陶瓷、石英、石墨、玛瑙、宝石等材料，比较适合超声波精密加工换能器。相反，脆性和硬度不大却具有韧性的材料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波精密加工换能器。因此，选择工具材料时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很大破坏的材料，例如不淬火的45钢等。

2）由于工具材料较软，易制成复杂的形状，工具和工件又无需做复杂的相对运动，因此普通的超声波精密加工换能器设备机构简单。但若需要加工较大而复杂精密的三维机构，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波精密加工换能器机床。

3）由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度值可达1.0—0.1，加工精度可达0.01—0.02mm，并可加工细小结构和低刚度的工件。

超声波精密加工换能器设备一般包括超声波发生器、超声波振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。

      超声波发生器将50HZ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，最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。此外还要求结构简单、工作可靠、价格便宜和体积小等

      超声波振动系统的作用是把超声频电振荡转变为机械振动，使工具端面获得高频率及一定振幅的振动。它是超声波精密加工换能器机床中最总要的部分，由换能器、振幅扩大棒及工具组成。

1. 超声波换能器

      换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸缩效应两种方式

2. 如振幅扩大棒

      压电或磁致伸缩的变形量很小（即使在共振条件下振幅也不超过），不足以直接用于加工。超声波精密加工换能器的振幅，因此必须通过一个上粗下细的棒杆将振幅加以扩大，此棒杆称为振幅扩大杆，亦称变幅杆，图7所示。

图6 磁致伸缩换能器                     图7 几种变幅杆

变幅杆能扩大振幅，是由于通过它每个截面的振动能量是不变的（略去传播损耗），截面小的地方能量密度大，振幅也大。

      为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度L等于超声振动的半波长或整数倍。必须注意，超声波精密加工换能器时并不是整个变幅杆和工具都是在作上下高频振动，它和低频或工频振动的概念完全不一样。超声波在金属棒杆内主要以纵波形式传播，引起杆内个点沿波的前进方向一般按正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超声振动。

      普通超声波精密加工换能器机床的结构比较简单，包括支撑超声波振动系统的机架、安装工件的工作台、使工具以一定压力作用在工件上的进给机构以及机身等部分，图8是国产CSJ-2型超声波精密加工换能器机床简图。超声波振动系统安装在能上下移动的导轨上。导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活精密的上下移动。工具的向下进给以及对工件施加压力靠超声波振动系统的自重。为了能调节压力大小，在机床后部可加平衡重锤2，亦可采用弹簧进行平衡。

图8 CSJ-2型超声波精密加工换能器机床

1— 支架；2—平衡重锤；3—工作台；4—工具；5—振幅扩大棒；6—换能器；7—导轨；8—标尺

 

      加工速度是指单位时间内去除的材料量，单位通常以或表示。加工玻璃的最大速度可达2000--4000。

      影响加工速度的主要因素有工具振动频率、振幅、工具作用在工件上的静压力、磨料种类和粒度、磨料悬浮液浓度、供给及循环方式、工具与工件材料、加工面积和加工深度等

      超声波精密加工换能器的精度，除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损度、工具在横向振动的大小、加工深度、被加工材料性质等因素有关。加工孔的尺寸精度一般为

      超声波精密加工换能器具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。超声波精密加工换能器的表面粗糙度值也较小，一般可达。超声波精密加工换能器的表面粗糙度取决于每颗粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒的直径、被加工材料的性质、超声波振动的振幅以及磨料悬浮工作液的成分等有关。

      当磨粒尺寸较小、工件材料较硬、超声波振幅较小时，加工表面粗糙度R值较小，但生产率也随之降低。

      超声波精密加工换能器生产率虽比电火花、电解加工低，但其加工精度和表面粗糙度却更好，而且能加工非导体、半导体等脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、锗甚至金刚石等。即使是电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具，还常采用超声波抛磨法进行光整加工。另外还可应用于超声波清洗，超声波焊接等。

      超声加工技术已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用，但有关工艺与设备的相关技术有待于进一步研究开发。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术的发展又为材料的加工提供了一种强有力的加工手段，而促进了材料加工的发展。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。

深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。   

 

 

                 总结 

    随着各行业对于新型材料需求的增加，超声加工技术的发展和研究也倍受关注使得在超声加工工艺以及超声加工机床的研制方面取得了丰富的成果。但是，旋转超声加工相对其他特种加工方法在航空航天以及军工和国防工业中的应用，并没有凸现其固有的优势。这在很大程度上受限于超声加工技术的发展相对缓慢，主要因为数字化高性能的超声加工机床出现时间不长，而且大功率超声加工机床稳定工作还存在一些需要攻克的难题。如市场化的数控旋转超声加工机床，满额超声功率在500W以下，而且长时间工作下只推荐使用几十瓦甚至是十几瓦的超声功率。因此超声加工硬脆材料潜能的开发还有待于机床性能的进一步完善。同样，超声加工刀具的研究相对于传统切磨削加工刀具而言也没有得到广泛的关注。而在超声加工中，实现刀具与超声振动系统之间的有效连接，能否平稳传递超声能量，是机床能否正常工作的关键所在。在刀具的设计与制造方面，可以借鉴传统超硬磨料刀具制作的工艺方法和相关的研究成果，结合超声加工的特点，对超声刀具的结构参数以及工作端面磨料层的制备，包括磨料的种类和粒度、浓度和制作工艺等方面因素作详尽的研究，从而有效地提高加工刀具的寿命，保证加工表面的质量。我们相信，在超声加工机床性能日益完善的条件下，随着超声加工工艺条件的不断优化和提高以及适宜于超声加工的刀具的开发和应用，超声加工技术的应用领域将得到大大的扩展，它必将在航空和国防工业中广泛使用的先进复合材料以及功能晶体材料的精密加工上大有作为。