定义

超声加工原理

超声加工规律及特点(3.1超声微细加工的特点 3.2 超声加工的工艺规律)

定义

USM（Ultrasonic Machining)超声加工是利用超声振动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。几十年来，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和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。

超声加工原理

超声加工的基本装置主要由超声波发生器、换能振动系统、磨料供给系统、进给压力施加系统和工作台等部分组成。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；并借助于变幅杆把振幅扩大到 0.05~0.1mm 左右（超声发生器产生的超声频振幅很小，仅0.005~0.01mm，一般情况下不能直接用于去除材料的加工），驱动工具作超声振动。

超声加工原理如图所示。超声加工时，在工件和工具之间加入液体（水或煤油）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声波发生的超声频振荡，通过换能器转换成16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05~0.1mm左右。变幅杆驱动工具作超声振动，并以工具端面迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击和研磨工件表面，把工件加工区域内的材料破碎成很细的微粒并打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击次数多达16000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，是指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，在工作液体内形成许多微空腔，当工件端面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，可以强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用等的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。既然是基于局部的撞击作用，可见，越是硬脆的材料，受到的破坏越大，也就越好加工。反之，脆性和硬度不大的塑性材料，由于有缓冲作用而难加工。

超声加工规律及特点

3.1超声微细加工的特点

超声微细加工具有如下特点：

（1）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及超声空化作用的综合结果，其中，磨粒的撞击是主要的，越是脆性材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易于实施超声加工。超声波适合于加工多种硬脆材料，特别是难以实施电加工的不导电非金属材料；

（2）超声微细加工时，工具头压力较低，工件表面的宏观作用力很小，切削应力、切削热很小，不会引起工件变形及烧伤，加工精度较高，尺寸精度可达0.01～0.02mm，表面粗糙度 Ra 可达 0.63～0.08μm，很适合加工薄壁、窄缝及低刚度工件；

（3）可用于加工多种形状的复杂型腔及型面。工具头可用相对较软的材料制作，且易于制成较复杂的形状，在一般情况下，不需要工具头和工件作比较复杂的相对运动；

（4）超声加工机床结构简单，易于操作、维护。这些特点决定了微细超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面的优势。对于微细超声加工，压电或磁致伸缩换能器端部产生的振幅已能满足微细加工的要求，有可能不再需要变幅杆，但需要增大系统刚性，提高微细加工精度。

但是，微细超声加工也存在缺点，如加工面积不够大，效率较低，加工表面粗糙度及加工精度较难精确控制；对于一些韧性较强的金属的加工，尚不能取得良好的加工效果，有时甚至无法加工；同时，所使用的工具头整体尺寸较小，磨料对工具头的磨损相对较大，对工件的加工精度、表面粗糙度相对有很大的影响。

3.2 超声加工的工艺规律

影响超声加工速度的因素

超声加工速度，一般用单位时间内去除工件材料的质量或体积来衡量(g/min 或mm3/min)，在实际加工中，常用单位时间内在主进给方向上工具头的进给量来表示相对加工速度(mm/min)，其中虽包含工具头的损耗，但比较直观、使用方便。影响超声加工速度的因素较多，主要有：工具头共振频率、振幅、工具头和工件之间的进给压力、磨料的种类和粒度、悬浮液的质量分数、工作液供给及循环方式、工具头及工件材料、工具头

端面形状等。

1. 超声频率和振幅对加工速度的影响一般认为，在一定范围内频率恒定、增加振幅，或振幅一定、增加频率，都可以提高加工速度。但过大的振幅和过高的频率都会使工具头或变幅杆承受很大的交变应力，如果

超过其疲劳强度，使用寿命将会大大降低，甚至遭到破坏；在联接部件的结合面处的能量损耗也将增大，尤其在螺纹联接处，往往首先发生断裂损坏因此，超声加工频率应用范围多从 16kHz~25kHz；位移振幅一般在 10~100μm 范围之内。

2. 工作压力对加工速度的影响

超声加工时，工具头不是定速刚性进给的，而是通过诸如弹簧、磁、液压作用或重力来实现适应性进给。工具头作用在工件上的进给压力即工作压力，对加工效率有很大的影响。进给压力主要取决于加工面积和工件材料，在实际加工中，存在着一个适合提高加工效率的最佳工作压力，在此压力下可得到最大的加工速度。压力过小，工具头端面与工件加工面间隙大，会减弱磨料对工件的冲击力及打击深度，且磨料在冲击过程中的能量损耗过多，可能冲击减弱甚至不起作用，从而影响加工速度。压力过大，则工具头端面与工件加工面间隙变小，会影响工作液的循环，使“新鲜”的磨料不易进入加工区，被蚀除的材料难以排出，同样不利于加工效率的提高。

3. 工件材料的性质及磨料悬浮工作液对加工速度的影响

工件材料越脆，则承受撞击载荷的能力越低，在磨料冲击下也就越容易被去除；相反，如果是韧性好的材料，则不易被加工。悬浮工作液中，磨料的硬度、粒度，磨料和液体的比例及工作液的黏度、表面张力、

密度、比热容等物理性质对加工效率都有一定的影响。其中，磨料越硬，加工效率越高但硬度高的磨料价格较贵，因此选用时要考虑性能价格比。在磨粒尺寸对加工速度关系曲线中有一极限值，即粒度过粗的磨粒粉末会导致加工速度的下降。磨料质量分数较低时，加工间隙内磨粒总数偏少，特别是加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无磨粒的情况，加工速度下降。随着磨料质量分数加大，加工速度会增加。但质量分数太高，磨粒在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动相互影响，又会导致加工速度降低，常用的质量

分数为磨粒与水的质量比约为 0.5~1 左右。

4. 工具头材料及形状对加工速度的影响

超声加工工具头的材料太硬，会促使磨料很快变钝，工具头本身也容易过量损耗，对提高加工效率很不利。一般采用 45 钢作为工具头材料，不必淬火。此外，如果工具头外形复杂，则不利于磨料悬浮液的流动，也会影响生产率的提高。所以，在设计超声加工工具头时，一定要考虑尽可能有利于工作液的循环、补充。

影响超声加工精度和加工质量的因素

硬脆材料的超声加工，尺寸精度和表面粗糙度都能达到较高的水准（尺寸精度可达0.002mm，表面粗糙度可达 Ra=0.025μm）。超声加工精度受机床、夹具精度、磨料粒度、工具头精度及磨损情况、工具头的横向

振动、加工深度、工件材料性质等多种因素的影响。影响加工表面质量的因素也很多，其中最主要的是磨料的粒度，该因素不但对加工效率有较大的影响，对加工精度与表面质量的影响也十分明显。磨料越细，加工精度越高，表面质量也越好，因此要想达到某种等级的加工精度和表面粗糙度，并且还要保持较高的加工速度，选择磨料粒度的粗细是至关重要的。如超声加工微细孔，为提高孔的精度，减小圆孔加工误差，可将加工分为粗、精加工两步，相应更换磨料粒度。

在超声加工过程中，磨料会由于冲击而逐渐磨钝并破碎，这些已磨钝和破碎的磨粒会影响加工精度，所以既要选择均匀性好的磨料，还应经常更新磨料。超声工具头的磨损，会使加工出来的孔边缘出现圆角，故及时更新工具头也很重要。另外，随着工具头振幅的增大，传递到磨粒上的能量也增大，磨粒对工件的撞击烈，工件表面上留下的凹坑也较大，从而使表面粗糙度增大。被加工材料脆性越大，加工表面粗糙度会增大；工件硬度高，加工表面粗糙度会低一些。

假如不用磨料，而只用振动的超声工具头直接纵向“锤击”工件表面，只可能使工件表面产生微弱损伤，实际上并没有材料宏观去除。一般认为，常规超声加工还依靠切变应力将材料去除，磨料在超声工具头的冲击下产生的应力含有切向成分，此切向分量对加工过程中材料的去除起着重要作用。正负交变的液压冲击，也强迫磨料悬浮工作液在加工间隙中循环流动，使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具头逐渐“深入”到被加工材料中，加工工具头的形状便复现在工件上了。