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1簡(jiǎn)介

超聲波隨著技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越為人們所應(yīng)用，他通過(guò)自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉絲模、深小孔加工等的地位。超聲加工在幾十年里的到了迅猛發(fā)展，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了很多關(guān)鍵的工藝問(wèn)題，取得了良好的效果。難加工材料促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展，從而進(jìn)一步促進(jìn)了新材料的發(fā)展，可以預(yù)測(cè)，超聲加工技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

2歷史

1927年，美國(guó)物理學(xué)家伍德和盧米斯早作了超聲加工試驗(yàn)，利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上；1951年，美國(guó)的科恩制成臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)。
二十世紀(jì)50年代中期，日本、蘇聯(lián)將超聲加工與電加工（如電火花加工和電解加工等）、切削加工結(jié)合起來(lái)，開(kāi)辟了復(fù)合加工的領(lǐng)域。這種復(fù)合加工的方法能改善電加工或金屬切削加工的條件，提高加工效率和質(zhì)量。1964年，英國(guó)又提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)，加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。

3工作原理

超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動(dòng)，通過(guò)振幅擴(kuò)大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，迫使磨料懸浮液高速地不斷撞擊、拋磨被加工表面使工件成型。

4使用材料

超聲波加工塑性材料用剛玉磨料，脆性材料用碳化硅磨料，加工硬質(zhì)合金用碳化硼磨料，加工金剛石則用金剛石粉磨料。

5焊接原理

通過(guò)上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個(gè)焊接的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個(gè)塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)，有些許保壓時(shí)間，使其凝固成型，這樣就形成一個(gè)堅(jiān)固的分子鏈，達(dá)到焊接的目的，焊接強(qiáng)度能接近于原材料本體強(qiáng)度 [2]  。

6應(yīng)用方法

一、 熔接法：
以超音波超高頻率振動(dòng)的焊頭在適度壓力下，使二塊塑膠的接合面產(chǎn)生磨擦熱而瞬間熔融接合，焊接強(qiáng)度可與本體媲美，采用合適的工件和合理的接口設(shè)計(jì)，可達(dá)到水密及氣密，并免除采用輔助品所帶來(lái)的不便，實(shí)現(xiàn)清潔的熔接。
二、 鉚焊法：
將超音波超高頻率振動(dòng)的焊頭，壓著塑膠品突出的梢頭，使其瞬間發(fā)熱融成為鉚釘形狀，使不同材質(zhì)的材料機(jī)械鉚合在一起。
三、 埋植：
藉著焊頭之傳道及適當(dāng)之壓力，瞬間將金屬零件（如螺母、螺桿等）擠入預(yù)留入塑膠孔內(nèi)，固定在一定深度，完成后無(wú)論拉力、扭力均可媲美傳統(tǒng)模具內(nèi)成型之強(qiáng)度，可免除射出模受損及射出緩慢之缺點(diǎn)。
四、 成型：
本方法與鉚焊法類(lèi)似，將凹狀的焊頭壓著于塑膠品外圈，焊頭發(fā)出超音波超高頻振動(dòng)后將塑膠溶融成形而包覆于金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀、此方法多使用在電子類(lèi)、喇叭之固定成形，及化妝品類(lèi)之鏡片固定等。
五、 點(diǎn)焊：
A、 將二片塑膠分點(diǎn)熔接無(wú)需預(yù)先設(shè)計(jì)焊線，達(dá)到熔接目的。
B、 對(duì)比較大型工件，不易設(shè)計(jì)焊線的工件進(jìn)行分點(diǎn)焊接，而達(dá)到熔接效果，可同時(shí)點(diǎn)焊多點(diǎn)。 [3] 
六、 切割封口：
運(yùn)用超音波瞬間發(fā)振工作原理，對(duì)化纖織物進(jìn)行切割，其優(yōu)點(diǎn)切口光潔不開(kāi)裂、不拉絲。

7主要特點(diǎn)

不受材料是否導(dǎo)電的限制；工具對(duì)工件的宏觀作用力小、熱影響小，因而可加工薄壁、窄縫和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或強(qiáng)度、韌性越大則越難加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度應(yīng)比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以與其他多種加工方法結(jié)合應(yīng)用，如超聲振動(dòng)切削、超聲電火花加工和超聲電解加工等。
超聲加工主要用于各種硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、鍺、鐵氧體、寶石和玉器等的打孔（包括圓孔、異形孔和彎曲孔等）、切割、開(kāi)槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面拋光和砂輪修整等方面。
超聲打孔的孔徑范圍是0.1～90毫米，加工深度可達(dá)100毫米以上，孔的精度可達(dá)0.02～0.05毫米。表面粗糙度在采用W40碳化硼磨料加工玻璃時(shí)可達(dá)1.25～O.63微米，加工硬質(zhì)合金時(shí)可達(dá)0.63～0.32微米。
超聲加工機(jī)一般由由電源（即超聲發(fā)生器）、振動(dòng)系統(tǒng)（包括*和變幅桿）和機(jī)床本體三部分組成。
超聲發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻電功率輸出，功率由數(shù)瓦至數(shù)千瓦，大可達(dá)10千瓦。通常使用的*有磁致伸縮的和電致伸縮的兩類(lèi)。磁致伸縮換能器又有金屬的和鐵氧體的兩種，金屬的通常用于千瓦以上的大功率超聲加工機(jī)；鐵氧體的通常用于千瓦以下的小功率超聲加工機(jī)。電致伸縮換能器用壓電陶瓷制成，主要用于小功率超聲加工機(jī)。
變幅桿起著放大振幅和聚能的作用，按截面積變化規(guī)律有錐形、余弦線形、指數(shù)曲線形、懸鏈線形、階梯形等。機(jī)床本體一般有立式和臥式兩種類(lèi)型，超聲振動(dòng)系統(tǒng)則相應(yīng)地垂直放置和水平放置 [1]  。

8超聲加工的發(fā)展

二維超聲技工技術(shù)

隨著難加工材料精度要求的提高，特別是航空?航天零件，一維超聲加工已經(jīng)明顯不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，二維超聲振動(dòng)加工應(yīng)運(yùn)而生了。超聲波橢圓振動(dòng)切削已受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和新加波等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開(kāi)始這方面的研究工作。日本企業(yè)界（如日立、多賀和?Towa?公司等）已開(kāi)始這方面的實(shí)用化研究。?Chandra?Nath?等人研究硬質(zhì)合金刀尖圓弧半徑在超聲橢圓振動(dòng)切削下的影響中，闡述了刀具的幾何形狀，特別是刀具的圓弧半徑對(duì)一維超聲振動(dòng)切削性能的影響。利用實(shí)驗(yàn)表明了刀具圓弧半徑在?0.6mm?或更低（例如0.2mm?或?0.4mm）和更高的圓弧半徑（例如?0.8mm）下，超聲橢圓振動(dòng)切削在各個(gè)方面明顯表現(xiàn)更好。N.Suzuki?等人利用超聲橢圓振動(dòng)切削鎢合金模具的光學(xué)玻璃零件中表明，由于傳統(tǒng)振動(dòng)切削不能獲得更準(zhǔn)確的精度，主要是因?yàn)榈毒叩目焖倌p，脆性材料的破裂及黏糊在刀具上。而超聲橢圓切削能獲得更實(shí)用的超精密模具，成功應(yīng)用于玻璃的成型。我國(guó)設(shè)計(jì)出高頻超聲橢圓振動(dòng)精密切削，其相對(duì)一般的橢圓振動(dòng)和普通低頻超聲振動(dòng)具有減低切削力、提高加工精度的效果，并且可采用更高切削速度，從而可以提高工作效率。但是，超聲波橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步深入研究 [2]  。

超聲振動(dòng)切削技術(shù)

長(zhǎng)春汽車(chē)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校采用超聲振動(dòng)切削方法對(duì)一汽變速箱廠生產(chǎn)的一直齒齒輪的滾齒加工進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn),通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)及小批量試生產(chǎn),收到了令人滿(mǎn)意的效果,具有較好的發(fā)展前景。
北京裝甲兵技術(shù)學(xué)院提出了一種超聲微振車(chē)削的新工藝。其特點(diǎn)是功率小（50?W）、振幅小（2~5μm）,同樣可獲得一般振動(dòng)車(chē)削的效果。
超聲振動(dòng)切削的應(yīng)用也日趨廣泛，對(duì)其的研究主要應(yīng)從幾個(gè)方面進(jìn)行：
（1）研制和采用新的刀具材料；
（2）研制和采用的振動(dòng)切削系統(tǒng)；
（3）對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理深入研究；
（4）超聲橢圓振動(dòng)切削的研究與推廣；
（5）超聲銑削加工技術(shù)。

微細(xì)超聲加工

微細(xì)超聲加工在原理上與常規(guī)的超聲加工相似，是通過(guò)減小工具直徑、磨料粒度和超聲振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)。以微機(jī)械為代表的微細(xì)制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，晶體硅、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在微機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，使脆硬材料的高精度三維微細(xì)加工技術(shù)成為世界各國(guó)制造業(yè)的一個(gè)重要研究課題。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴(lài)于材料的導(dǎo)電性又沒(méi)有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術(shù)在陶瓷、半導(dǎo)體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

數(shù)控超聲加工

當(dāng)前，制造業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高，機(jī)床向數(shù)控方向不斷發(fā)展，而我國(guó)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)加工裝備絕大多數(shù)仍是傳統(tǒng)的機(jī)床，比如車(chē)床、銑床、磨床、鉆床、鏜床等，其刀具相對(duì)工件作直線運(yùn)動(dòng)，使得其加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，直接影響企業(yè)的生存和發(fā)展。將超聲加工技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上，使得刀具相對(duì)工件作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使工件精度得以進(jìn)一步提高 [2]  。

9結(jié)語(yǔ)

超聲加工不僅是克服了一些特殊材料不易被加工的缺點(diǎn)，而且還提高了加工精度，縮短了加工時(shí)長(zhǎng)，提高了效率。而且它在切削、磨削、光整加工中的地位是不可替代的。
超聲加工技術(shù)的新進(jìn)展，比如微細(xì)超聲加工、數(shù)控超聲加工技術(shù)等。這些技術(shù)的研究又促進(jìn)了我們對(duì)新材料的研究，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，這使得超聲加工技術(shù)的不斷發(fā)展與完善。超聲加工不僅僅是在工業(yè)上得到了應(yīng)用，而且還在醫(yī)學(xué)、生活中等得到了應(yīng)用。在生活中得到廣泛應(yīng)用的就是超聲清洗技術(shù)，它幫助人們解決了對(duì)一些物品清洗困難的問(wèn)題，比如抽油煙機(jī)、手表整體機(jī)芯、表帶等。
因此，可以預(yù)見(jiàn)，超聲加工技術(shù)在未來(lái)將得到不可*的發(fā)展，不斷的覆蓋到各個(gè)領(lǐng)域與行業(yè) 。