超声波加工技术
1.绪论
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。超声波加工（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。它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。
1.1超声波加工的发展状况
超声波加工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，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。
超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。
早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.4410HZ的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频
率达到了3410HZ，后改用氢气时，其频率达到了8410HZ.这些实验使人们开始对超声波的性质有了一定的认识。
对超声波的诞生起重大推进作用的是1912年豪华客轮泰坦尼克号在首航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来探测冰山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦查德国潜艇的紧张研究。1916年以法国著名物理学家郎之万为首的科学家开始研究产生和运用水下超声作为侦测手段，并在1918年发现压电效应可使石英板振动，制成了可用作超声源的石英压电振荡器。这就是现代超声学的开端。
1927年美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超生加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。1951年，美国的科恩制成了第一台实用的超生加工机，并引起广泛的关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。
日本是较早研究超声加工技术的国家，20世纪50年代，日本已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正寭教授，《超声波工学—理论和实际》是他的代表作；另外一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，《精密加工、振动切削基础和应用》是他的代表作。日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系统。1977年日本将超声振动切削与磨削用于生产，可对直径为mm600大型船用柴油机缸套进行镗孔。
原苏联的超生加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表过很有价值的论文。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。为了推动超声加工的应用，1973年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和使用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。到80年代末期，当时苏联已经生产系列超声振动钻削装置。
20世纪70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削拉管和焊接等方面已处于生产应用阶段，超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段。1979年通用超声振动切削系统已供应工业界应用。
德国和英国也对超声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。例如，英国于1964年提出使用烧结或
电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果。
我国超声加工技术的研究始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削的研究，1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声研磨机。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所以及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1983年10月，机械电子工业部科技司委托《机械工艺师》杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。1985年，广西大学、南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一套“CZQ-250A型”超声振动切削系统。同年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了良好的工艺效果。1987年，北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术，并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。1989年，我国研制成功超声珩磨装置。1991年研制成功变截面细长杆超声车削装置。
20世纪末到本世纪初的十几年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。
1.2超声波加工的基本原理
图1超声加工的原理图
超声波加工的原理如上图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，超声波加工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。
1.3超声波加工的特点
1）适合于加工各种硬脆材料。既然超声波加工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，愈适应超声波加工。例如玻璃、陶瓷、石英、石墨、玛瑙、宝石等材料，比较适合超声波加工。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加工。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，因此普通的超声波加工设备机构简单。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加工机床。
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aR值可达1.0—0.1m，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。
2.超声波加工设备及其组成部分
超声波加工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。
2.1超声波发生器
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。
超声波发生器的组成方框图如图2所示，由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源等四部分组成。振荡级由电子管或三极晶体管接成电感反馈振荡电路，调节电阻或
图2 超声波发生器的组成方框图
电容量可改变振荡频率，以便调节输出的超声频率。振荡级的输出经耦合至电压放大级放大后，利用变压器倒相输送到末级功率放大管，功率放大管有时用多管并联推挽输出，
经输出变压器输至换能器。
2.2超声波振动系统
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。它是超声波加工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。
（1） 压电效应超声波换能器
有一些物质如石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅等在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们两相对表面上产生一定的电荷，形成一定的电势。反之，在它们的两界面上加一定的电压，则产生一定的机械变形，如图3所示。这一现象称为“压电效
图3 压电效应
应”。具有压电效应的陶瓷材料被称为压电陶瓷。如果两相对表面加上20000HZ以上的交变电压，则该物质产生相应超声频的伸缩变形，使周围的介质作超声频振动。为了获得最大的超声波强度，应使压电陶瓷处于共振状态。压电陶瓷片厚度应为声波半波长、分倍数或整倍数。
石英晶体的伸缩量极小，300V电压才能产生0.01m以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大20—30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅则具有前两者的优点，常用作超声波清洗、探测设备和小功率超声波加工设备的换能器。一般制成圆形薄片，两面镀银，先加高压直流电进行极化，一面为正极，另一面为负极。使用事时常将两片迭在一起，正极在中间，负极在两侧，经
上下端块用螺钉夹紧，在安装在机床主轴头的振幅扩大棒（变形杆）的上端，如图4所示。正极必须与机床主轴绝缘。为方便引线，常用一镍片夹在两压电陶瓷
图4 压电陶瓷换能器
1—上端块；2—压紧螺钉；3—导电镍片；4—压电陶瓷；5—下端块；6—变幅杆
片正极之间作为接线端片。压电陶瓷片的自振频率与其厚度、上下端块质量及夹紧力成反比。
（2） 磁致伸缩效应超声波换能器
铁、钴、镍及其合金的长度能随所处磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应，其中镍在磁场中最大缩短量为其长度的%004.0，铁和钴则在磁场中伸长，当磁场消失后又恢复原有尺寸。几种材料的磁致伸缩曲线如图5所示。这些材料杆件的长度在交变磁场中将交变伸缩，其端面将随之作交变振动。