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第六章 超声波加工技术6.1 超声波的特性 声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1616000Hz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于16000Hz则称为超声波。超声波是声波的一部分，因此超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播，它遵循声波传播的基本规律，但由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时方向性强，反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同介质中，超声波传播的速度c亦不同(例如c空气=331ms，c水=1430ms：c铁=5850ms)，它与波长和频率f之间的关系可用下式表示c=f （6.1）式中 c-超声波在介质中的传播速度（ms）；-波长（m）；f-频率（Hz）。超声波主要具有下列性质：1. 超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力(声压)。因此，有时可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J来表示，单位为Wcm2 （6.2）式中弹性介质的密度（kg/m3）;c弹性介质中的波速（m/s）;A振动的振幅（mm）；圆频率，=2f（rad/s）。由于超声波的频率 f 很高，其能量密度可达100Wcm2以上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。2. 超声波的空化作用。当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎及各种物理化学作用效应。3. 超声波的反射、透射和折射。超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积c称为波阻抗)，介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近100，此外空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质以消除空气及因它而引起的衰减。图6.1 弹性杆内各质点振动情况4. 超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象，图6.1为超声波在弹性杆中传波时各质点振动的情况。当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着同周期、同振幅、传播方向相反的两个波，这两个完全相同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，其振幅为零(为波节)，而另一些点振幅最大，其振幅为原振幅的两倍(为波腹)。图6.1中x表示弹性杆件任意一点b相距超声波入射端的距离，则入射波造成b点偏离平衡位置的位移为a1，反射波造成b点偏离平衡位置的位移为a2，则有式中xb点距离入射端的距离；振动的波长；T振动的周期；A振动的振幅；t振动的某一时刻。因此，入射波和反射波所造成b点的合成位移ac为： （6.3）由式（6.3）可知：当时（k为正整数），ac最大，b点为波腹；当时（k为正整数），ac为0，b点为波节。由上述分析可知，为了提高超声波加工生产效率，必须使弹性杆处于最大振幅的共振状态，其设计长度为半波的整数倍，杆的支点选在振动过程中的不动点，即波节点上；而杆的工作端部应选在最大振幅的波腹处。6.2 超声波加工的基本原理和特点6.2.1 超声波加工的基本原理超声波加工是近几十年发展起来的一种加工方法，它弥补了电火花加工和电化学加工的不足。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、半导体等。同时超声波还可以用于清洗、焊接、探伤等。超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种l工具；2-工件；3-磨料悬浮液；4、5-变幅杆；6超声换能器；7超声波发生器图6.2 超声波加工原理示意图成型方法。加工原理如图6.2所示。加工时，在工具1和工件2之间加入液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声波发生器7产生的超声频电振荡通过超声换能器6产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆4、5把振幅放大到0.050.1mm左右，驱动工具端面作超声频振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上被打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达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，在工作液体内形成很多微空腔，当工具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，随着磨料悬浮液不断地循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。由此可见，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以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。既然超声加工是基于局部撞击作用，因此就不难理解，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。根据这个道理，人们可以合理选择工具材料，使之既能撞击磨粒，又不致使自身受到很大破坏，例如用45钢作工具即可满足上述要求。6.2.2 超声波加工的特点1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石，金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等，也能进行加工、但加工生产率较低。2) 由于工具可用较软的材料做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。但若需要加工尺寸较大、形状复杂而精密的三维结构的零件，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料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，表面粗糙度也较好，可达Ra0.630. 08m尺寸精度可达0.010.02mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。4) 超声加工设备的几何尺寸较小，设备成本低。5) 超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。6) 圆柱形孔深度以工具直径的5倍为限。7) 工具的磨损使钻孔的圆角增加，尖角变成了圆角，这意味着为了钻出精确的盲孔，更换工具是很重要的。8) 由于进入工具中心处的有效磨粒较少，因悬浮液的分布不适当，使型腔的底往往不能加工得很平。有时由于工具横截面的形状，使重心不在中心线上而产生强烈的横向振动，故加工表面的精度有所降低。在这种情况下，唯一解决的办法是重新设计工具。6.3 超声波加工设备及其组成部分 图6.3 超声波加工设备组成示意图超声波加工设备的功率和结构有所不同，但其组成基本相同。一般包括超声发生器、超声振动系统、磨料悬浮液循环系统及换能器冷却系统和机床本体。其主要组成如图6.3所示。6.3.1 超声波发生器超声波发生器又叫超声频发生器或超声波电源。它的作用是将工频50Hz交流电转换为功率为100-4000W的超声频电振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。超声波发生器由于功率不同，有电子管式、晶闸管式、晶体管式等。大功率的超声波发生器往往是电子管式。但近年来逐渐被晶体管所取代。超声波发生器的电路由振荡级电压放大级功率放大级电源超声换能器图6.4 超声波发生器组成框图振荡级、电压放大级、功率放大级及电源组成（参见图6.4）。其振荡级可以是他激式，也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器。自激频率取决于超声波振动系统的共振频率。当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变化等，会引起超声波振动系统共振频率的变化，可通过“声反馈”或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态。为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件： l）输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配；2）频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调；3）输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工；4）结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修；5）最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。6.3.2 超声波振动系统超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆和工具。其作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动，并通过变幅杆使工具端面以一定的振幅做高频振动，以进行超声波加工。1 换能器换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根据其转换原理的不同，有磁致伸缩式和压电式两种。压电效应式超声波换能器压电效应是指，石英晶体、钛酸钡以及诸钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两端面上产生一定的电荷而形成一定的电势。相反，改变两端面上的电压，也会产生一定的伸缩变形的现象。若利用上述物质的压电效应，在两面加16000Hz以上的交变电压，则该物质会产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振状态，故晶体片厚度应为声波半波长或整倍数。图6.5压电式超声波换能器1 上端块 2 压紧螺钉 3 镍片 4 压电陶瓷 5 下端块 6 变幅杆图6.6 几种材料的磁致伸缩曲线l-75镍+25铁；2-49钴+2钒+49镍；3-6镍+94铁；4-29镍+71铁；5-退火钴；6-镍石英晶体的伸缩量太小，3000V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2030倍，但效率和机械强度不如石英晶体，铬钛酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗、探测和小功率超声加工的换能器。压电陶瓷，常制成圆形薄片，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，如图6.5所示。装夹在机床主轴头的振幅扩大棒(变幅杆)的上端。正极必须与机床主轴绝缘。为了导电引线方便，常用一镍片夹在两压电陶瓷片正极之间作为接线端片。压电陶瓷片的自振频率与其厚薄、上下端块质量及夹紧力等成反比。图6.7 磁致伸缩换能器 磁致伸缩式换能器磁致伸缩效应是指，铁、钴、镍及其合金；或铁氧体等材料的长度可随所处磁场强度的变化而伸缩的现象。镍在磁场中的最大缩短量为其长度的0.004，铁和钴则在磁场中为伸长，当磁消失后又恢复原有尺寸。几种材料的磁致伸缩曲线参见图6.6。这些材料的棒杆在交变磁场中，长度将交变伸缩，其端面将作交变振动。为了减少高频涡流损耗，超声加工中常用纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器，即镍磁致伸缩式换能器。在两芯柱上同向绕上线圈，通以超声波发生器输出的高频电流，使之伸缩振动。如图6.7所示。如果输入磁致伸缩换能器线圈中的电流是交流正弦波形，那么每一周波的正半波和负半波将引起磁场两次大小变化，使换能器也伸缩两次，出现“倍频”现象。倍频现象使振动节奏模糊，并使共振长度变短，对结构和使用均不利。为了避免这种倍频现象，常在换能器的交流励磁电路中引入一个直流电源，叠加一个直流分量，使之成为脉动直流励磁电流（如图6.8所示），或并联一个直流励磁绕组，加一恒定的直流磁场。图6.8 直流励磁1 交流 2 直流 3 脉动直流磁致伸缩式换能器的机械强度较高、输出功率较大，常用于中功率和大功率的超声加工。不足的是镍片的涡流发热损失较大，能量转换效率较低，加工过程中需用风或水冷却，否则随着温度的升高，磁致伸缩效应变小甚至消失，也可能将线圈绕组的绝缘材料烧坏。2 变幅杆图6.9 几种典型变幅杆a) 锥形 b) 指数形 c)阶梯形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0.0050.01mm，不足以直接用于加工。超声波加工需0.010.1mm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棒，也称变幅杆。常用的变幅杆有外径变化的实心型和内径变化的空心型。两种类型的变幅杆沿长度上的截面变化是不同的，但杆上每一截面的振动能量是不变的(不考虑传播损耗)。截面越小，能量密度越大，振动的幅值也就越大，所以各种变幅杆的放大倍数都不相同。变幅杆可制成锥形、指数形或阶梯形等(见图6.9)。锥形的变幅杆“振幅放大比”较小(510倍)，但易于制造；指数形的放大比中等(1020倍)，使用中性能稳定，但不易制造；阶梯形的放大比较大(20倍以上)，也容易制造，但当它受到负载阻力时振幅易减小，性能不稳定，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此须加过渡圆弧。实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形变幅杆；阶梯形变幅杆因设计、制造容易，也常被采用。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等于超声波振动的半波长或其整倍数。必须注意，超声波加工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，引起杆内各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。工具端面的有关参数如下：瞬时位移量 S=Asint最大位移量 Smax=A瞬时速度 v=Acost最大速度 Vmax=A瞬时加速度 a=-2Asint最大加速度 amax=-2A式中 A超声的振幅；超声的角频率，=2f；f超声频率；t时间。设超声振幅A=0.02mm，频率f=20 000Hz，则可算出工具端面的最大速度Vmax= 2fA=2.513m/s，和最大加速度amax=2A=315 829ms2=32 330g由此可见，工具端面的最大加速度是重力加速度g的30 000余倍(g=9.81ms2)，其加速度是很大的。有关变幅杆设计可参阅有关文献。图6.10 声学头的固定1波节点 2振幅 3冷却水按照波动的合成原理，当系统处在共振状态时，只有在此驻波节点平面内，从单方向入射波和反方向反射波引起的质点位移恰好大小相等方向相反，其合成位移始终为零。例如换能器长度L/2处的中间截面上的任何点，即为静止不动的波节点，以后向两端处振幅即逐渐增大，到换能器与变幅杆交界面上振幅为最大，称波腹点。以后振幅又逐渐减小再次出现波节点，到工具端面处再次出现振幅更大的波腹点。整个振动系统应选择波节点支承紧固在机床上，如图6.10所示。3工具超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，工具端面推动磨粒和工作液以一定的能量撞击工件。工具的形状和尺寸由被加工表面的形状和尺寸决定，它们相差一个“加工间隙”(稍大于平均的磨粒直径)。工具和变幅杆可做成一个整体，亦可将工具用焊接或螺纹连接等方法固定在变幅杆的下端。当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但当工具较重时，会减小共振频频率，故工具较长时，应对扩大棒进行修正，使其满足半个波长的共振条件。超声波振动系统所有的连接部分应接触紧密，否则超声波传递过程中将损失很大能量。为此在螺纹连接处应涂以凡士林油，避免空气间隙的存在，因为超声波通过空气时很快衰减。在超声加工中，工具在纵向和横向都会磨损，工具端面的磨损是主要的，侧面的磨损仅占全部磨损的110。这样，不仅直接影响加工速度和加工精度，而且会破坏振动系统的共振条件，降低加工效率。工具磨损量的大小，主要取决于工具材料、结构和工件材料。试验表明，加工一般硬脆材料，多用45钢或碳素工具钢作工具材料，因为这些材料具有抗疲劳强度高、比较耐磨损，加工容易的特点。如果要求加工精度较高时，采用硬质合金或淬火钢较好，必要时可采用金刚石表面镀覆工具。6.3.3 机床图6.11 CSJ-2型超声波加工机床超声波加工机床一般比较简单，它的主要部件是：声学组件、工具进给机构、磨料输送系统、超声发生器、加工压力调整机构。图6.11为一般超声加工机床。如图6.11所示4、5、6为声学组件，安装在一根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、可靠地上下移动。工具的向下进给及对工件施加压力靠声学组件的自重，为了能调节压力大小，在机床后部可改变平衡砝码的重量，也有采用弹簧或液压等其他方法。目前，超声加工机床已形成规模和市场，发达国家则尤其突出，各种机电一体化、自动化、精密化超声加工机床不断进入市场。6.3.4 磨料悬浮液简单的超声加工装置，其磨料是靠人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注在加工区，加工过程中定时抬起工具和补充磨料。也可利用小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后浇注到加工间隙中去。对于较深的加工表面，仍经常应将工具定时抬起以利磨料的更换和补充。大型超声加工机床都采用流量泵自动向加工区供给磨料悬浮液，且品质好，循环良好。此外，工具和变幅杆尺寸较大时，可在工具和变幅杆中间开孔，由孔内抽吸磨料悬浮液，对提高加工质量有利。超声加工中常用的磨料有：氧化铝、碳化硼、碳化硅、金刚砂。硼是最贵的磨料，但其最适合切割硬质合金、工具钢和贵重的宝石。硅的用途最广。采用氧化铝的问题是磨损快，并很快失去其切割能力，氧化铝对切割玻璃、锗和陶瓷是最好的。用金刚砂来切割金刚钻和红宝石是最好的，能保证好的精度、表面粗糙度和切削速率。碳化硼硅是一种新的、有希望的磨料，它含的磨料粉(质量分数)比碳化硼的要多812。磨料的磨粒在2002000#磨粒之间，粗级磨料对粗加工是好的，而细级磨料(例如1000#磨粒)作精加工用。12002000#磨粒的很细级磨料，仅用作很精确的最后几道工序。两种不同大小的颗粒可达到的典型表面粗糙度是：粒度280#磨粒 0.5m表面粗糙度。粒度800#磨粒 0.2m表面粗糙度。实际上加工面的表面粗糙度是由工件材料、工具表面的粗糙度、振动振幅、磨料磨粒的粒度，以及有效悬浮液的循环来控制的。磨料悬浮在液体中，液体应具有以下功能：(1)在工件和振动工具间起着传声器的作用；(2)有助于工件和工具间能量的有效传递；(3)起冷却剂的作用；(4)提供一种为把磨料带到切削区的介质；(5)有助于清除钝化的磨料和切屑。一种好的悬浮介质(液体)的特性是：(1)密度要大致等于磨料的密度；(2)有好的润湿性浸湿工具、工件和磨料；(3)有高的热导率和比热容来有效地带走切削区的热量；(4)粘度低，以便于磨料沿着工具和工件之间孔隙边下落；(5)无腐蚀性以避免腐蚀工件和工具。常常用水作为液载体，因为它能满足大多数要求。通常把某种防腐蚀剂加入水中。6.4 超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素6.4.1 加工速度及其影响因素加工速度又称材料去除率。是指单位时间内去除材料的多少。单位是mm3/min或g/min表示。玻璃的最大加工速度可以达到20004000mm3/min。影响加工速度的主要因素有：工具振动频率、振幅、工具和工件之间的静压力、磨料的种类和粒度、悬浮液的浓度、供给及循环方式、工具与工件材料、加工面积和深度等。1工具的振幅和频率的影响许多学者对这一问题进行了许多深入的研究，但结果并不相同。一般认为随振幅的增大和频率的提高使加工速度增加，但这样会降低声学系统的使用寿命，同时联结处的损耗也增大，表面粗糙度提高。因此，超声加工振幅一般在0.010.1mm，频率在1600025000Hz之间。2磨料的种类和粒度的影响磨料硬度愈高，加工速度愈快，但要考虑价格成本。加工金刚石和宝石等超硬材料时，必须用金刚石磨料；加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时，宜采用硬度较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬材料时，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石英、半导体等材料时，用刚玉之类氧化铝(Al2O3)作磨料即可。在磨粒尺寸对速度关系曲线中有一极限值，即使很粗的粉末亦会产生速率的下降。然而，最佳的尺寸可用工具振动的振幅来控制。在磨粒尺寸与振幅大小类似时，就达到了最佳条件。颗粒尺寸对表面粗糙度的影响很大。尼皮勒斯和福斯克特用玻璃和碳化钨作工件材料取得的数据表明，孔的底面比侧面要光洁，其理由可能是射束把磨粒向下吸人切削区域时，就在侧面上留下了痕迹。图6.12 不同振幅和工具尺寸条件下，静载荷对材料去除率的影响3施加静载荷的影响 切削速度随作用在工具上的静载荷的增加，而达到最大值。如图6.12所示，极值点随着振动的振幅和工具的横截面积的变化而移动。实验发现，表面粗糙度很少受静载荷的影响。用高的载荷没有产生较粗的粗糙度。实际上，由于高载荷把颗粒压碎成小粒度，故表面粗糙度得到改善。4磨料悬浮液的影响磨料悬浮液浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无磨料的现象，使加工速度大大下降。随着悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加。但浓度太高时，磨粒在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的质量比约0.51左右（或体积比为30%40%）。悬浮液压入切削区的压力，对材料切除速率有显著的影响。彭特兰观察到在超声波钻孔时，随着改善悬浮液的循环，可使金属切除速率成倍地增长。增大压送悬浮液的压力，材料切除速率甚至可增加十倍。5被加工材料的影响被加工材料愈脆，则承受冲击载荷的能力愈低，因此愈易被去除加工；反之韧性较好的材料则不易加工。如以玻璃的可加工性(生产率)为100%，则锗、硅半导体单晶为200%250%，石英为50%，硬质合金为2%3%，淬火钢为1%，不淬火钢小于1%。6工具表面的形状的影响工具表面的形状也影响切削速率的最大值。窄的矩形工具，比相同的横截面积的正方形工具会产生更大的最大切削速率。梅特耳金(Metelhn)的研究结果指出，用圆锥形的工具来取代柱形的工具，切削速率增加50。此外，工具的加工截面面积过大，也会显著降低材料去除率。6.4.2 加工精度及其影响因素超声波加工的精度，除受机床、夹具精度的影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及磨损情况、工具的横向振动、加工深度、工件材料性质等因素有关。一般加工孔的尺寸精度达0.020.05mm。1. 孔的加工范围 在通常加工速度下，超声加工最大孔和所需的功率之间的关系见表6-1。一般超声波加工孔径范围约为0.190mm，长径比可达1020以上。表6-1 超声波加工功率和最大加工孔径的关系电源输出功率5010020030050070010001500200025004000最大加工盲孔直径510152025303040405060中空工具最大加工直径152030405060808090902. 加工孔的尺寸精度 当工具尺寸一定时，加工出孔的尺寸比工具尺寸有所扩大，扩大量约为磨粒直径的两倍，加工出孔的最小直径DminDt2de，Dt为工具直径；de为磨粒平均直径。因此，磨粒的大小决定了超声波加工中型腔轮廓的精度。由于磨料沿着孔的侧面向工具的底面流动，所以加工出的孔要比工具大些。为了获得精确和良好的表面粗糙度，最好是使用一套工具和不止一种尺寸等级的磨料，其等级如下：1级 小于实际尺寸的工具，高的频率，粗的磨粒；2级 小于实际尺寸的工具，高的频率，较细的磨粒；3级 与实际尺寸一样大小的工具，低的频率，很细的磨粒；磨料粒度对应的基本尺寸见表6-2。表6-2 磨料粒度及其基本尺寸磨料粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7基本尺寸12510010080806363505040402828202014141010775对于圆孔的加工误差主要是椭圆度和锥度。如果采用工具或工件旋转的方法，可提高孔的圆度和生产率。6.4.3表面质量及其影响因素超声加工具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。超声加工的表面粗糙度也较好，一般可在Ra10.1mm之间，取决于每粒磨料每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨料颗粒的直径，被加工材料的性质，超声振动的振幅以及磨料悬浮工作液的成分等等有关。当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小时，则加工表面粗糙度将得到改善，但生产率则也随之降低。磨料悬浮工作液体的性能对表面粗糙度的影响比较复杂。实践表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度更有所改善。6.5 超声波加工的应用超声波加工的生产率较虽然低，但其加工精度、表面粗糙度都比较好，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料如玻璃、石英、宝石、玉石、钨及合金、玛瑙、金刚石等，除此之外，如宝石轴承、拉丝模、喷丝头还可以用于超声抛光、光整加工、复合加工，也可用于清洗、焊接、医疗、电镀、冶金等许多方面，随着科技的发展，超声波加工应用前景越来越广泛。一、 型腔、型孔加工图6.13 超声波加工的型孔、型腔类型a) 加工圆孔 b) 加工型腔 c)加工异型孔 d) 套料加工 e)加工微细孔超声加工目前在各工业部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等，如图6.13所示。图6.14 超声波切割单晶硅片1变幅杆 2工具(薄钢片)3磨料液 4工件(单晶硅)二、 切割加工用普通机械加工切割脆硬的半导体材料是很困难的，采用超声切割则较为有效。图6.14为用超声加工法切割单晶硅片示意图。用锡焊或铜焊将工具(薄钢片或磷青铜片)焊接在变幅杆的端部。加工时喷注磨料液，一次可以切割1020片。图6.15所示为成批切块刀具，它采用了一种多刃刀具，即包括一组厚度为0.127mm的软钢刃刀片，间隔1.14mm，铆合在一起，然后焊接在变幅杆上。刀片伸出的高度应足够在磨损后可作几次重磨。在最外边的刀片应比其它刀片高出05mm，切割时插入坯料的导槽中，起定位作用。图6.15 成批切槽（块）刀具1变幅杆 2焊缝 3铆钉 4导向片 5软钢刀片加工时喷注磨料液，将坯料片先切割成lmm宽的长条，然后将刀具转过90，使导向片插入另一导槽中，进行第二次切割以完成模块的切割加工。三、 复合加工图6.16 超声电解复合加工小孔 图6.17 电解超声复合抛光1换能器 2变幅杆 3工具 4电解液 1超声波发生器 2换能器 3变幅杆 4导5工件 6直流电源 7超声波发生器 电油石 5电解液喷嘴 6工具手柄 7直流电源在超声加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时，加工速度较低，工具损耗较大。为了提高加工速度及降低工具损耗，可以把超声加工和其它加工方法相结合进行复合加工。例如采用超声与电化学或电火花加工相结合的方法来加工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，可以大大提高加工速度和质量。图6.16为超声电解复合加工小孔和深孔的示意图。工件5接直流电源6的正极，工具3(钢丝、钨丝或铜丝)接负极，工件与工具间施加618V的直流电压，采用钝化性电解液混加磨料作电解液，被加工表面在电解液中产生阳极溶解，电解产物阳极钝化膜被超声频振动的工具和磨料破坏，由于超声振动引起的空化作用加速了钝化膜的破坏和磨料电解液的循环更新，从而使加工速度和质量大大提高。超声与电火花复合加工小孔、窄缝及精微异形孔时，也可获得较好的工艺效果。其方法是在普通电火花加工时引入超声波，使电极工具端面作超声振动。其装置与图6.16类似，超声声学部件夹固在电火花加工机床主轴头下部，电火花加工用的方波脉冲电源(RC线路脉冲电源也可)加到工具和工件上(精加工时工件接正极)，加工时主轴作伺服进给，工具端面作超声振动。当不加超声时电火花精加工的放电脉冲利用率为350，加上超声振荡后，电火花精加工时的有效放电脉冲利用率可提高到50以上，从而提高生产率120倍，愈是小面积、小用量加工，相对生产率的提高倍数愈多。随着加工面积和加工用量(脉宽、峰值电流、峰值电压)的增大