[科普中國]-超聲加工

超聲加工是利用超聲頻作小振幅振動的工具，并通過它與工件之間游離于液體中的磨料對被加工表面的捶擊作用，使工件材料表面逐步破碎的特種加工，英文簡稱為 USM。超聲加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和拋光。

簡介超聲波隨著技術(shù)的發(fā)展越來越為人們所應用，他通過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域解決了很多關(guān)鍵的工藝問題，取得了良好的效果。難加工材料促進了超聲加工技術(shù)的發(fā)展，從而進一步促進了新材料的發(fā)展，可以預測，超聲加工技術(shù)的應用將會越來越廣泛1。

歷史1927年，美國物理學家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，但當時并未應用在工業(yè)上；1951年，美國的科恩制成第一臺實用的超聲加工機。

二十世紀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，開辟了復合加工的領域。這種復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，加工速度低和精度差的缺點。

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械振動，通過振幅擴大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振產(chǎn)生超聲波振動，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2。

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。

焊接原理通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)，有些許保壓時間，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料本體強度2。

應用方法一、 熔接法：

以超音波超高頻率振動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，焊接強度可與本體媲美，采用合適的工件和合理的接口設計，可達到水密及氣密，并免除采用輔助品所帶來的不便，實現(xiàn)高效清潔的熔接。

二、 鉚焊法：

將超音波超高頻率振動的焊頭，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)的材料機械鉚合在一起。

三、 埋植：

藉著焊頭之傳道及適當之壓力，瞬間將金屬零件（如螺母、螺桿等）擠入預留入塑膠孔內(nèi)，固定在一定深度，完成后無論拉力、扭力均可媲美傳統(tǒng)模具內(nèi)成型之強度，可免除射出模受損及射出緩慢之缺點。

四、 成型：

本方法與鉚焊法類似，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、喇叭之固定成形，及化妝品類之鏡片固定等。

五、 點焊：

A、 將二片塑膠分點熔接無需預先設計焊線，達到熔接目的。

B、 對比較大型工件，不易設計焊線的工件進行分點焊接，而達到熔接效果，可同時點焊多點。3

六、 切割封口：

運用超音波瞬間發(fā)振工作原理，對化纖織物進行切割，其優(yōu)點切口光潔不開裂、不拉絲。

主要特點不受材料是否導電的限制；工具對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)合應用，如超聲振動切削、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100毫米以上，孔的精度可達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可達1.25～O.63微米，加工硬質(zhì)合金時可達0.63～0.32微米。

超聲加工機一般由由電源(即超聲發(fā)生器)、振動系統(tǒng)(包括超聲換能器和變幅桿)和機床本體三部分組成。

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，最大可達10千瓦。通常使用的超聲換能器有磁致伸縮的和電致伸縮的兩類。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；鐵氧體的通常用于千瓦以下的小功率超聲加工機。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。

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。機床本體一般有立式和臥式兩種類型，超聲振動系統(tǒng)則相應地垂直放置和水平放置1。

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)明顯不能滿足生產(chǎn)的需要，二維超聲振動加工應運而生了。超聲波橢圓振動切削已受到國際學術(shù)界和企業(yè)界的重視，美國、英國、德國和新加波等國的大學以及國內(nèi)的北京航空航天大學和上海交通大學已開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）已開始這方面的實用化研究。 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一維超聲振動切削性能的影響。利用實驗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，超聲橢圓振動切削在各個方面明顯表現(xiàn)更好。N.Suzuki 等人利用超聲橢圓振動切削鎢合金模具的光學玻璃零件中表明，由于傳統(tǒng)振動切削不能獲得更準確的精度，主要是因為刀具的快速磨損，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用的超精密模具，成功應用于玻璃的成型。我國設計出高頻超聲橢圓振動精密切削，其相對一般的橢圓振動和普通低頻超聲振動具有減低切削力、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，超聲波橢圓振動切削在理論和應用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步深入研究2。

超聲振動切削技術(shù)長春汽車工業(yè)高等專科學校采用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠生產(chǎn)的一直齒齒輪的滾齒加工進行了工藝實驗,通過生產(chǎn)現(xiàn)場各種工藝參數(shù)實驗及小批量試生產(chǎn),收到了令人滿意的效果,具有較好的發(fā)展前景。

北京裝甲兵技術(shù)學院提出了一種超聲微振車削的新工藝。其特點是功率小(50 W)、振幅小(2~5μm),同樣可獲得一般振動車削的效果。

超聲振動切削的應用也日趨廣泛，對其的研究主要應從幾個方面進行：

（1）研制和采用新的刀具材料；

（2）研制和采用高效的振動切削系統(tǒng)；

（3）對振動切削機理深入研究；

（4）超聲橢圓振動切削的研究與推廣；

（5）超聲銑削加工技術(shù)。

微細超聲加工微細超聲加工在原理上與常規(guī)的超聲加工相似，是通過減小工具直徑、磨料粒度和超聲振幅來實現(xiàn)。以微機械為代表的微細制造是現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分，晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在微機械中的廣泛應用，使脆硬材料的高精度三維微細加工技術(shù)成為世界各國制造業(yè)的一個重要研究課題。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術(shù)相比，既不依賴于材料的導電性又沒有熱物理作用，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、半導體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

數(shù)控超聲加工當前，制造業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高，機床向數(shù)控方向不斷發(fā)展，而我國制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)加工裝備絕大多數(shù)仍是傳統(tǒng)的機床，比如車床、銑床、磨床、鉆床、鏜床等，其刀具相對工件作直線運動，使得其加工精度遠遠不能滿足需求，直接影響企業(yè)的生存和發(fā)展。將超聲加工技術(shù)應用到數(shù)控機床上，使得刀具相對工件作不規(guī)則運動，使工件精度得以進一步提高2。

結(jié)語超聲加工不僅是克服了一些特殊材料不易被加工的缺點，而且還提高了加工精度，縮短了加工時長，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)的新進展，比如微細超聲加工、數(shù)控超聲加工技術(shù)等。這些技術(shù)的研究又促進了我們對新材料的研究，又反過來促進技術(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)上得到了應用，而且還在醫(yī)學、生活中等得到了應用。在生活中得到廣泛應用的就是超聲清洗技術(shù)，它幫助人們解決了對一些物品清洗困難的問題，比如抽油煙機、手表整體機芯、表帶等。

因此，可以預見，超聲加工技術(shù)在未來將得到不可限量的發(fā)展，不斷的覆蓋到各個領域與行業(yè)1。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學