题目：超声波加工的应用研究姓名郑木彬吉林大学机械科学与工程学院班级41070122 长春130022摘要：简略概述超声波加工规律及特点，以及超声波熔焊.塑料焊接机等应用情况.关键词：超声波.规律.特点.应用引言：超声波加工作为一种先进的加工工艺正在各行各业得到广泛的应用和推广，其先进性也越来越得到更多人的关注，将超声加工与电加工(如电火花加工和电解加工等)、切削加工结合起来，开辟了复合加工的领域。

这种复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件，提高加工效率和质量，这篇论文旨在概括介绍一下这一先进加工工艺的特点和规律，以及在各个行业的应用情况。

超声波加工的基本规律1.影响加工精度的因素超声加工的精度，除受机床、夹具精度的影响之外，主要与磨料粒度、工具的精度及磨损、横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。

超声加工孔时，其孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大，扩大量约为磨料磨粒直径的两倍，孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍，即Dmin＝Dt＋2da （5-9）式中 Dmin--工件最小孔径（mm）；Dt--工具直径（mm）；da——磨料磨粒平均直径（um）可见，孔的加工精度直接受到工具精度和磨粒粗细的影响。

通常，用#240~#280磨粒时，可获得正负0.05mm的加工精度，用W28~W7时，可获得正负0．02mm 的加工精度。

此外，孔的形状误差与工具的不均匀磨损及横向振动大小有关。

一般可采用工具或工件转动的加工方式来减小孔的圆度误差。

超声加工孔时，一般容易出现锥度和孔的出口处有环带。

其原因主要是由于变幅杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的二次冲击，形成从进口到出口逐渐减小的锥度；出口处环带则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处迅速排出，使磨料循环时间过短所造成的。

如用’240碳化硼磨料加5~0mm深的孔，所形成的锥度为1°，若穿孔后再用未磨损的工具作低频振动修磨，锥度可以减小。

在多数情况下，使用精密工具几乎完全可避免孔的锥度。

超声加工所用的磨料粒度本来就是不均匀的，加工中又要被磨钝、甚至破碎，更加剧了磨料的不均匀性。

因此，不仅影响加工速度更影响加工精度。

加工时必须经常搅动磨料悬浮液，保证一定的循环速度，使用10--15h后应及时更换，还可设法向工具端面喷注磨料悬浮液，以提高加工精度。

2.影响加工表面质量的因素超声加工具有较好的表面质量，非但不会产生烧伤和表面变质层、热应力，有时反而产生表面压应力，对提高工件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力有益。

超声加工的工件表面粗糙度较低，可达Ra0．63~0．08um，主要取决于每粒磨料每次冲击工件表面后留下的凹痕大小，并与超声振动的振幅、磨料领料的直径、工件材料的性质以及磨料悬浮液的成分等有关。

当磨粒比较细，工作材料硬度较高、超声振幅较小时，工件的表面粗糙度将得到改善，但生产率随之降低。

磨料悬浮液的性能对表面粗糙度的影响比较复杂，且报道较少。

资料表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。

超声波加工的特点不受材料是否导电的限制；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；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；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；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。

超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的精度可达0.02～0.05毫米。

表面粗糙度在采用W40碳化硼磨料加工玻璃时可达1.25～O.63微米，加工硬质合金时可达0.63～0.32微米。

超声加工机一般由由电源(即超声发生器)、振动系统(包括超声换能器和变幅杆)和机床本体三部分组成。

超声发生器将交流电转换为超声频电功率输出，功率由数瓦至数千瓦，最大可达10千瓦。

通常使用的超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类。

磁致伸缩换能器又有金属的和铁氧体的两种，金属的通常用于千瓦以上的大功率超声加工机；铁氧体的通常用于千瓦以下的小功率超声加工机。

电致伸缩换能器用压电陶瓷制成，主要用于小功率超声加工机。

变幅杆起着放大振幅和聚能的作用，按截面积变化规律有锥形、指数曲线形、悬链线形、阶梯形等。

机床本体一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置。

超声波塑料焊接加工技术超声波加工的应用（l）成形加工超声波加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细一孔、套料等。

虽然其生产率不如电火花、电解加工，但加工精度及工件表面质量则化于电火花、电解加工。

例如，生产上用硬质冶金代替合金工具钢制造技深模、拉丝模等模具，其耐用度可提高80-100倍。

采用电火花加工，工件表面常出现微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。

而采用超声加工则无此缺陷，且尺寸精度可控制在0.01-0.02mm之内、内孔锥度可修整至8'。

对硅等半导体硬脆材料进行套料等加工，更显示了超声波加工的特色。

例如，在直径90mm、厚0．25mm的硅片上，可套料加工出176个直径仅为1mm的元件，时间只需1．5min，合格率高达90％-95％，加工精度为正负0.02mm。

此外，近年来，超声加工已经排除其通向微细加工领域的障碍。

图5－14是日本东京大学工业科学学院采用超声加工方法，加工出的微小透平胜和玻璃上直径仅9um的微孔。

（2）切割加工超声精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点。

例如，超声切割高7mm、宽15-20mm的锗晶片，可在3．5min内切割出厚0.08mm的薄片；超声切割单晶硅片一次可切割10-20片。

再如，在陶瓷厚膜集成电路用的元件中，加工8mm、厚0．6mm的陶瓷片，1min内可加工4片；在4X1mm2的陶瓷元件上，加工O．03mm厚的陶瓷片振子，0．5-1min以内，可加工18片，尺寸精度可达正负0.02mm。

（3）焊接加工超声焊接是利用超声频振动作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本体表面显露出来，并在两个被焊工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热。

亲和粘接在一起。

其不仅可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化股的铝制品等，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆薄层。

由于超声焊接不需要外加热和焊剂，焊接热影响区很小，施加压力微小，故可焊接直径或厚度很小的（O．015-0.03）不同金属材料，也可焊接塑料薄纤维及不规则形状的硬热塑料。

目前，大规模集成电路引线连接等，已广泛采用超声焊接。

（4）超声清洗加工主要用于几何形状复杂、清洗质量要求高的中、小精密零件，特别是工件上的探小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗。

采用其他清洗方法，效果差，甚至无法清洗，采用超声清洗则效果好、生产率高。

目前，在半导体和集成电路元件、仪表仪器零件、电真空器件、光学零件、精密机械零件、医疗器械、放射性污染等的清洗中应用。

一般认为，超声清洗是由于清洗液（水基清洗剂、氯化烃类溶剂、石油熔剂等应超声波作用下产生空化效应的结果。

空化效应产生的强烈冲击波，直接作用到被清洗部位上的污物等，并使之脱落下来；空化作用产生的空化气泡渗透到污物与被清洗部位表面之间，促使污物脱落；在污物被清洗液溶解的情况下，空化效应可加速溶解过程。

超声清洗时，应合理选择工作频率和声压强度，以产生良好的空化效应，提高清洗效果。

此外，清洗液的温度不可过高，以防空化效应的减弱，影响清洗效果。

超音波的熔焊应用方法一、熔接法：以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。

二、铆焊法：将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。

三、埋植：藉着焊头之传道及适当之压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留入塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。

四、成型：本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压着于塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶溶融成形而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。

五、点焊：A、将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。

B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。

六、切割封口：运用超音波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

超声波塑料焊接机当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。

又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。

当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。

超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。

这三个量相互用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能达大。

这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。

二、超声波塑料焊接的方法熔接法超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此产生局部高温，使焊件交界面熔化。

在一定压力下，使两焊件达到美观、快速、坚固的熔接效果。

2、埋插法螺母或其它金属欲插入塑料工件。

首先将超声波传至金属，经高速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋插。

3、铆接法欲将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合起来，可利用超声波铆接法，使焊件不易脆化、美观、坚固。

4、点焊法利用小型焊头将两件大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊头直接压于两件塑料工件上，从而达到点焊的效果。

5、成型法利用超声波将塑料工件瞬间熔化成型，当塑料凝固时可使金属或其它材质的塑料牢固。

6、切除法利用焊头及底座的特别设计方式，当塑料工件刚射出时，直接压于塑料的枝干上，通过超声波传导达到切除的效果。