超声波加工以及机床设计-机械设计论文设计

1. 绪论1.1 论文的提出及其应用价值1.1.1 课题所属研究领域由于各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造 业提出了一系列迫切需要解决的问题。对这些材料用传统加工方法十分困难，于 是产生了特种加工技术，双面超声波加工就是其中一种。超声波加工（USM）是利用超声波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波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相 互结合的加工方法。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、 深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波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。超声波加工非常适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以是 加工硅工件的理想方法 1 。超声波加工方法是近 50年来逐步发展的一种新型加工方法。在难加工材料和 精密加工中，超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应 用围。超声波加工技术横跨机械学、电学、和声学三个学科，因而可把超声波加 工视为交叉学科 1 。1.1.2 课题的理论意义和应用价值如今的一些材料，如硅晶体具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、 比重低和自润滑等优良特性，已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示 出相当广泛的应用前景。然而，硅材料的加工十分困难，尤其是对于具有复杂型 面的硅材料零件至今尚无有效的加工手段。目前硅材料的加工技术已成为制造业 研究的热点。材料的加工技术中，金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件，而对于较复 杂的型面，如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面，就无能为力了；激光束加 工（LBM技术虽然可用于硅零件的加工，但会使加工表面产生达50 m的微观裂纹，很难适应航空航天重要零件的要求；此外，由于硅材料电导率低且化学稳定 性好的限制，使得电火花（EDM及电化学（ECM加工方法不适于加工硅零件。 而超声波加工（ USM 不需工件导电，可加工任何超硬材料，且不属于热过程，对加工表面损害极小，可稳定地加工出精度为 5 m ,表面粗糙度为 RaK O.510.76 m的零件，已成为加工硅晶体最具潜力的方法之一 。超声波加工（USM）是利用超声波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波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相 互结合的加工方法 5。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、 拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波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。1.2 国外超声波加工研究现状和发展趋势超声波加工技术的研究最早可追溯到1927年和的奠基性工作，并于1954年由L.Balamuch研制出第一台超声波加工机床。从 50年代以来，许多国家都对这一技术进行了研究。日本政府设立了专门的 振动切削研究所，许多大学和研究机构也都设有这个研究课题。原苏联在这方面 的研究也较早，在超声波车削、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。60年代初美国就开始了超声波加工的研究，70年代中期，美国在超声波波钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面， 已处于生产应用阶段 : 超声波车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段 ; 通用超声波振动切削系统已供工业应用，日前已形成部分标准。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工作，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 5。英国Harwe11国家原子能权威机构是此理论的早期探索者之一，他们的研究需 要在耐火材料成形的特殊陶瓷上钻一些 1.016 25.4mm传统机械加工的局限性激 发了他们探索新技术的兴趣。美国从 1969年开始使用金刚石工具的超声波旋转加 工技术。经过近40年的时间，各国的研究者们进行了许多实验，研究出控制参数（如 超声波波振幅、静压力、转速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等）与加工结 果（如材料去除率、工具磨损等）之间的关系。建立了有关材料去除的塑性去除、 脆性去除等多种材料去除模型，并进行了实验验证。1970年, Tyrell用金刚石空心钻在玻璃片边上加工出两个1.Omm勺孔，孔深63.5mm相距仅0.5mm，每个孔的平均加工时间为14分钟。他还使用金刚石空心钻 在厚88.9m的氧化铍1.Om的孔，加工结束后，在钻芯抽出完整的0.4mnil勺工件材料 1 ，51992年，rabhakertalD.和HaselkonM.在大量超声波旋转加工材料去除率试验 研究的基础上，给出预测材料去除率的经验模型，并对各种加工因素及其交互作 用对材料去除率的影响进行了分析和讨论。对超声波旋转加工中材料去除机理的研究，Markov等认为，脆性材料的破裂是大量的微观裂纹及裂纹扩展到一定深度的结果。Markov和Ustinov认为，超声波旋转加工中存在一个被加工材料的脆性断裂特别强烈的过程，它是被加工表面的 微小裂纹交织成网和表面撕扯的结果。Kubota等报道超声波旋转加工中材料以“贝 壳”状的碎片形式去除。 Z.J.Pei,P.M.Ferrira 和M.haselkorn通过实验证明，除 了脆性断裂，塑性流动是超声波旋转加工中材料去除的另一种主要方式 14,15 。硅材料不同加工工艺的研究表明，超声波旋转加工在较低的加工压力和较轻 的表面损伤情况下，有较高的材料去除率，是有潜力的加工方法。 Tyrell 也报道: 使用超声波振动，需要的加工压力小于无超声波加工时的压力。最近，国外又出现了超声波旋转面铣削技术，由于 RU钻深小孔时，其加工面 及碎片很难观察，为了克服这个困难，采用面铣削方法加工硅晶体，用扫描电镜 观察加工面和碎片。研究表明，硅加工中，材料的去除机理包括塑性去除及脆性 去除。在一些加工条件下，塑性去除占主要地位，在另一些加工条件下，脆性去 除占主要地位 ; 通过调整不同的加工参数，可以调整塑性去除及脆性去除的比例。 由于超声波旋转加工只能加工原形孔和型腔，因此配以适当的数控系统，借鉴数 控铣削的方法就可以加工具有复杂三维型面的工程陶瓷，国外许多学者正在开展 三维轮廓微细旋转超声波加工的研究。我国超声波加工技术的研究始于 50年代末。 60年代末，工业大学应用超声波 车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，后这项技术的研究中断了十多年。 1976 年以后，我国再次开展超声波加工的试验研究和理论探讨工作。工业大学、广西 大学以及光学仪器厂等单位率先进行了超声波波车削设备及实验研究。1982年，钢管厂、中科院声学研究所和超声波波仪器厂研制成功超声波拉管设备。1985年以来，超声波波旋转加工机、超声波珩磨装置和变截面细长杆超声波车削装置相 继研制成功 . 到1993年，我国己发表了 300多篇有关超声波加工等的科学研究论文。半个多世纪以来，经过各国学者的不懈努力，超声波加工技术己有了长足的 进步。主要体现在 : 实验出加工参数振幅、频率、静压力、磨料材料及粒度、悬 浮工作液的浓度和工作液循环方式等 ）对加工效率的影响规律 ; 总结出静压力、工 件材料硬度、加工工具材料硬度是影响工具损耗的主要因素 ;总结出磨料粒度及悬 浮工作液的均匀性对工件表面质量有影响规律 ; 利用有限元的方法使变幅杆的设 计更合理；机械增益Q值高的材料用于制作变幅杆、性能优良的 PC用于制作工具 头，使加工效率大大提高 ; 工具头回转的超声波加工使加工效率提高 3至4倍; 采用 性能优良的压电陶瓷换能器使加工机床的体积大大减小，能量利用率大大提高 ；90年代 Suzuki.K. 研制的工程陶瓷无旋转超声波波磨削新技术明显提高了加工效率，也可以用来加工较复杂的型面1 ，5。现在，该技术应用的可行性己经成为一个研究的热点，并在一些国家包括英 国、法国、瑞士、日本等国家得到了研究。现在有些控制旋转超声波加工系统的 CN可以通过购买而使用，例如：Exturde Hone limited （法国）的Son eX300, Eros on ic AG （瑞士）的 Eros on icUS400/US8001410综上所述，超声波加工技术发展机器取得的应用成果是可喜的。一方面材料 加工的客观需求推动和促进了超声波加工技术的发展；另一方面，超声波加工技 术的发展为材料的加工提供了一种强有力的加工手段，而促进了材料加工的发展。 展望未来，超声波加工技术的发展前景是美好的。2. 超声波加工技术概述2.1超声波加工的基本原理和特点超声波波的特性人耳可以听到的声波的频率围约为1620000Hn低于16Hz的声波称为次声波， 高于20000Hz的声波称为迢声波。人们还把频率为0.5 109Hz以上的声波称为特超 声或微波超声。超声波具有如下特性：（1）超声波波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关，可用公式表示：v f（ 2- 1）式中v超声波波传播速度（ms）波长（mf 频率（Hz）（2）超声波波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位 移为：x Acos（ t ）（2-2）式中x-质点运动的位移（mA-振幅（m）3 -圆频率（rad/s ）t-时间（s ）-振动的相位角（rad）（3）超声波波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能量来表示，超声波加工中的能量强度高达几百瓦/平方厘米，且90%乍用于工件表面。（4）超声波波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆 中某处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得更大的超声波加 工能量（如图2-1所示）。这是因为，超声波波在同一弹性杆的一端向另一端传 播时，在不同介质的介面上会产生一次或多次波的反射，结果在有限长弹性杆，将存在若干个周期相同、振幅相等、传播方向相同或相反的波。于是在弹性杆传 播的波，会出现波叠加，致使某处振动始终加强，或某处振动始终减弱，产生波 的干涉现象。图2-1弹性杆质点振动状况11- -反射波2- -合成波3- -人射波b-波节点I -波节点至波反射端的距离如图2-1中t = T/4或3T/4的情况是当弹性杆的长度恰为半波长的整数倍， 且相位相同时，便会出现波的干涉而产生振幅增加的驻波，即波共振现象。而图 2-1中t = 0、T/2和T的情况，则是相位相反时出现的干涉现象，使叠加后的振幅 为零，不产生振动。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(如图 2-1所示)。(5) 超声波波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象， 强化了加工过程的进行3。因超声波波通过悬浮磨粒的液体介质时， 会使液体介质 连续地产生压缩和稀疏区域，由于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩 展而增大，部压力下降，与此同时，受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用， 又使气体空腔压缩而提高压力，于是，转人压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击 波。由于进行的时间极短，因此，会产生更大的冲击力作用于工件表面，从而加 速磨粒的切蚀过程。超声波加工的基本原理超声波加工时，高频电源联接超声波换能器（如图2-2所示），由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声波机械振动， 其根幅仅0.0050.01mm 再经变幅杆放大至0.050.1mm以驱动工具端面作超声波振动。此时，磨料悬浮 液（磨料、水或煤油等）在工具的超声波振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮 液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时， 由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声波振动产 生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里， 而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有 利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循 环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声波加工的目的12。总之，超声波加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声波振动下的冲击、抛磨和 空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的 材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声波加工g工力料+工忡 图2-2超声波加工原理图121- 冷却器，2-磨料悬浮液抽出，3-工具,4-工件，5-磨料悬浮液输入，6-变幅杆,7-磁致伸缩换能器，8-高频发生器超声波加工的特点(1) 适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、硅、锗、硅、石墨 等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或 耐热导电的金属材料，但加工效率较低。(2) 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏 观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra:0. 630. 08 m，尺寸精度可达正负0. 03mm也适于加工薄壁0.63 低刚度零件。(3) 工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较 复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般，超声波加工机床的结 构比较简单，操作、维修也比较方便。(4) 超声波加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低2。2.2超声波加工设备及其组成部分超声波加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超声 波发生器、超声波振动系统、磨料悬浮液循环系统和机床。其主要组成如图2- 3所示。f紐再笈生器超声懺动系统 变帕坪 I工具駁恵!M工帆廉j机未准休”加压机松业工年渥绘机构二件台夙其位聖洒骨机拘、工作液枚備坏系统和惶韻器浄却系统器蠶；篦礁图2-3超声波加工设备的主要组成超声波发生器超声波发生器(又叫超声波频发生器或超声波波电源)的作用是将工频交流 电转换为功率为204000W的超声波频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件 材料的能量。超声波发生器的电路由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源组成(如图2-4所示)。其可以是他激式，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2 0自激频率取决于超声波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”使超声波波发生器的工作频率能自动跟踪 变化，保证超声波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 波发生器应满足如下条件：(1) 输出阻抗与相应的超声波波振动系统输入阻抗匹配；(2) 频率调节围应与超声波波振动系统频率变化围相适应，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。超声波振动系统超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、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能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高 频振动，以进行超声波加工。(I )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。换能器在纵向或压缩模式下工作。工业应用常 使用的有磁致伸缩和压电装置的。因为磁致伸缩式的Q值(Q是对能量峰值尖锐程 度的测量)很低，所以允许变幅杆更大的设计挠度，能够适应工具磨损。另外， 变幅杆可以被许多次的改进设计而不会有太大的振幅损失。磁致伸缩式换能器磁致伸缩效应是指，铁、钻、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 %,铁和钻则在磁场中为伸长，当磁消失后又恢复原有尺寸（如图 2-5所示）。这种材料的棒杆在交变磁场中，长度将突变伸缩，端面将交变振动s.- 图2-5几种材料的磁致伸缩曲线I-75%镍十25%铁2- -49%钻十2 %钒十49%镍3- -6 %镍十94%铁4- -29%镍十71%铁5- -退火钻6- -镍为了减少高频涡流损耗，超声波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。其机械强度较高、输出功率较大，常用于中功率和 大功率的超声波加工。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。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“信频”现 象。信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 避免这种信频现象，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，或并联一个直流励磁绕组，加一恒定的 直流磁场C镍棒长应等于超声波波半波长或其整部数，使之处于共振状态。此外，因铁氧体材料的磁致伸缩效应做成的铁氧体磁致伸缩换能器，其电声 效率高，但机械强度低、单位面积辐射功率小，一般用于功率较小的超声波加工。压电效应换能器 压电效应是指，硅晶体、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（如图 2-6 所示）。若利用上述物质的 压电效应，在两面加16000Hz以上的交变电压，贝U该物质会产生高频的伸缩变形， 使周围的介质作超声波振动。为了获得最大的超声波波强度，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 2 6 压电效应硅晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生0.01 m以下的变形。钛酸钡的压 电效应比硅晶体大 2030 倍，但效率和机械强度不如硅晶体，铬钛酸铅具有二者 的优点，一般可用作超声波波清洗、探测和小功率超声波加工的换能器。可见，磁致伸缩换能器的主要缺陷在于高电能损失（例如涡流损失）和低能 量利用率（ 50%。这些损失表现为热，因此换能器必须水冷或空冷而且体积很 大。与压电式的相比，它也不能产生高的振动强度。典型的压电换能器包括两个 有锆钛酸铅或合成陶瓷做的盘片，厚度大约略少于整个换能器长度的 1/10。压电 换能器能量效率很高（9096%，从而不需要任何冷切。不易于损伤，更容易 构建也更适于旋转加工。（ 2）变幅杆5变幅杆（又称振幅扩大棒）的作用是放大换能器所获得的超声波振动振幅， 以满足超声波加工的需要。变幅杆可以被看作声音耦合器。由于换能器端面振幅 太小以至于不能直接运用于加工，变幅杆被用作放大装置。最佳协调对于每一种 变幅杆材料都是特定的，必需要有好的焊接和铜焊的性质、良好的声音传送能力、 在高变幅环境下耐疲劳强度能力高等。另外，耐腐蚀性能要好以及要有较好的螺 纹连接性能，通常材料为镍铜合金、钛、 AISI304 不锈钢、铝或铝青铜等。常用的变幅杆有外径变化的实心型和径变化的空心型（如图 2-7 所示）。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。（a）锥形 （b） 指数形 （c） 阶梯形 （d） 空心指数形图2-7常见变幅杆截面变化形式1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，应使其长度等于超声波振动波的半 波长或其整倍数。表征变幅杆性能的主要指标，一般是共振频率、振幅扩大比、输入阻抗随频 率和负载变化的特性等。在面积系数（指大小直径比）相同的情况下，锥形变幅 杆的振幅扩大比较小（510倍），但易于制造；指数形变幅杆的振幅扩大比中等（1020倍），使用中性能稳定，但不易制造，阶梯形变幅杆的振幅扩大比较大（20 倍以上），且易于制造，但受到负载阻力时振幅减小的现象比较严重，不稳定， 而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而疲劳断裂，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，一 般也常采用。此外，要求变幅杆的输入阻抗随频率和负载变化比较小。变幅杆一方面是在可变载荷作用下工作，另一方面在传递和放大超声波波的 振动能量的同时会产生温升。因此，要求变幅杆材料应声阻小、热损耗低、抗疲 劳强度高。制造方便、价格适宜。综合考虑，目前常用的变幅杆材料为45钢和工具钢。应该指出，超声波加工并不是整个变幅杆和工具都是在作上下高频振动，与 低频或工频振动概念完全不一样。超声波波在金属棒杆主要以纵波形式传播，引 起杆各点沿波的前进方向按正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端 面，使工具端面作超声波振动。（3）工具5超声波波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使磨粒和工作液以一定的能 量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。工具的形状和尺寸决定于工件表面的形状和尺寸，两者相差一个“加工间 隙”（稍大于平均的磨粒直径）。当工件表面积较小或批量较少时，工具和变幅 杆做成一个整体，否则可将工具用焊接成螺纹联结等方法固定在变幅杆下端。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，会减低振动系统的 共振频率；工具较长时，应对变幅杆进行修正，以满足半个波长的共振条件。整个振动系统的联接部分应接触紧密，否则超声波波传递过程中将损失很大 能量。在螺纹联接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙，因为超声波波通过 空气时会很快衰减。换能器、变幅杆或整个振动系统应选择在振幅为零的驻波节 点。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，从 单方向人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1/2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固紧在机床上（如图2-8所示）。图2-8超声波振动系统的固定51-振幅 2- 波节点在超声波加工中，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1/10。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钢或碳素工具钢做工具材料，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。（4）磨料悬浮液循环系统简单的超声波加工装置，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。大型超声波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，由孔抽吸磨料悬浮液，对提高加工质量有 利。图2-9几种常见的磨料悬浮液输送系统15番2.3超声波加工的应用超声波加工是功率超声波技术在制造业应用的一个重要方面；是一种加工如 陶瓷、玻璃、硅、宝石、锗、硅以及金刚石等硬脆性半导体、非导体材料有效而 重要的方法。即使是电火花粗加工或半精加工后的淬火钢、硬质合金冲压模、拉 丝模、塑料模具等，最终常用超声波抛磨、光整加工。超声波加工从50年代开始实用性研究以来，其应用日益广泛。随着科技和材 料工业的发展，新技术、新材料将不断涌现，超声波加工的应用也会进一步拓宽， 发挥更大的作用。目前，生产上多用于以下几个方面：超声波成形加工超声波加工可以加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、 弯曲孔、微细孔、套料等。虽然其生产率不如电火花、电解加工，但加工精度及 工件表面质量则优于电火花、电解加工。例如，生产上用硬质冶金代替合金工具钢制造深模、拉丝模等模具，其耐用度可提高80100倍。采用电火花加工，工件表面常出现微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。而采用超声波加工则无此 缺陷，且尺寸精度可控制在 0.010.02mm之、孔锥度可修整至8。对硅等半导体硬脆材料进行套料等加工，更显示了超声波加工的特色。例如， 在直径90mm厚0.25mm的硅片上，可套料加工出176个直径仅为1mm的元件，时 间只需1.5min，合格率高达90% -95%，加工精度为正负0.02mm图2-13是超声 波波成形加工出的一些模型上的凹槽和通道。图2-10超声波成形加工出的一些模型上的凹槽和通道超声波切割加工超声波精密切割半导体、铁氧体、硅、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，比 用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点。例如，超声波切割高7mm宽1520mm的锗晶片，可在3.5min切割出厚0.08mm的 薄片；超声波切割单晶硅片一次可切割1020片。再如，在陶瓷厚膜集成电路用的元件中，加工8mm厚0.6mm的陶瓷片，1min可加工4片；在4 1mm勺陶瓷元 件上，加工O.03mm厚的陶瓷片振子，0.51min以，可加工18片，尺寸精度可达 正负0.02mm超声波焊接加工超声波焊接是利用超声波频振动作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本体 表面显露出来，并在两个被焊工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热，亲和 粘接在一起。其不仅可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化股的铝制品等，还可 以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆薄层。由于超声波焊接不需要外加热和 焊剂，焊接热影响区很小，施加压力微小，故可焊接直径或厚度很小的 (O.0150.03mm不同金属材料，也可焊接塑料薄纤维及不规则形状的硬热塑料。 目前，大规模集成电路引线连接等，已广泛采用超声波焊接。234超声波清洗超声波清洗主要用于几何形状复杂、清洗质量要求高的中、小精密零件，特 别是工件上的探小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗。采用其 他清洗方法，效果差，甚至无法清洗，采用超声波清洗则效果好、生产率高。目 前，在半导体和集成电路元件、仪表仪器零件、电真空器件、光学零件、精密机 械零件、医疗器械、放射性污染等的清洗中应用。一般认为，超声波清洗是由于清洗液（水基清洗剂、氯化烃类溶剂、石油熔 剂等）应超声波波作用下产生空化效应的结果。空化效应产生的强烈冲击波，直 接作用到被清洗部位上的污物等，并使之脱落下来；空化作用产生的空化气泡渗 透到污物与被清洗部位表面之间，促使污物脱落；在污物被清洗液溶解的情况下, 空化效应可加速溶解过程。超声波清洗时，应合理选择工作频率和声压强度，以产生良好的空化效应， 提高清洗效果。此外，清洗液的温度不可过高，以防空化效应的减弱，影响清洗 效果。图2-12超声波清洗示意图3. 超声加工系统的计算分析3.1压电换能器纵向振动压电换能器设计计算这种换能器由压电陶瓷片、电极片、声头反射罩和螺母组成，通过一个螺柱紧固 连接LEr LQ儿图3-1 20KHZ纵向振动压电换能器该压电换能器有四块压电陶瓷片，四块电机片，压电陶瓷片厚6mm,外圆直径50mm,圆直径16mm,在装配时，依靠连接螺杆和声头以及螺母的螺纹连接， 将整个换能器固成一体。该换能器的技术条件如下：(1) 压电陶瓷选择PZT-4,直径50mm,中心孔直径20mm，厚度6mm,四片， K33=0.64，p o=7.6g/cm3, Co=3.1 x 106mm/s ;(2) 声头和反射罩均采用铝合金，直径 50mm,p 1= p 2=7.6g/cm3, Ci=C2=5.1 x 106mm/s；(3) 电极选取薄电极片，厚为0.3mm的磷青铜。图3-1所示波节点位于电极片所在的截面上；I 为压电晶堆的厚度，I 1为反射 罩的长度，I 2为声头的长度，曲线U表示振幅变化曲线。在设计时，考虑到压电晶 堆较厚，利用声传输线原理，得谐振频率方程tan k0I01 tan k1I11 k33 Z03 Z1(3-1 )式中,k0CokiZo乙Ci0C01C12 fCo2 fCi带入式3-1后得tan 込 tan2CoflC111k330C01C1（3-2）l01表示为波节面至反射罩端面的距离为l0130.9mm ；K33=0.64;将所有数据带入式3-2得谐振频率为f 19.68KHZ ；以上计算所得的换能器谐振频率数值，以接近要求的20KHZ，但是在理想条件下设计的；当材料和尺寸确定后，它的.4为定值。因为夹心式压电换能器是非 均匀的、多种材料复合而成的，同时由于材料的成分、杂志和加工精度等多方面 因素的影响，谐振频率会产生差异，需要随时修正。一般情况下，若频率偏低， 需增加 4的长度，若频率过高，需要修正过渡面，加大曲率以降低频率。换能器制造为保证换能器的性能，对压电陶瓷片有如下要求：（1）压电陶瓷片银层表面要均匀，附着力好，无裂痕，两表面要求平整；（2）多片压电陶瓷片阻抗要接近，并标好压电陶瓷片的特性，必要时要进行分组。对换能器其他零部件的材料选择及加工要求如下：前后盖板一般采用45号钢或铝合金，电极片要有一定的机械强度，导电导热 性好，膨胀系数尽量与压电陶瓷接近。对于三种零件，材料部均要求结构紧密， 无缩孔，特别是压电陶瓷片与金属块的所有接触面平整度均要求达到几微米。连接螺杆是夹心式压电换能器的关键零件之一，它的质量好坏也直接影响到 换能器的寿命。因为螺杆连接两金属块并要求夹紧压电陶瓷片，它在紧固时收到 一定的拉力，在工作时又收到较大的动态应力，故要求选用40Cr或其他强度较大的材料。为了避免应力集中，螺杆与螺杆头连接处要圆滑过渡。螺杆在满足强度 要求的情况下，要尽量减小截面积，以提高它的动态顺性。夹心式压电换能器装配时，压电陶瓷片与金属块接触良好与否，预紧力的大 小，对谐振频率和阻抗的影响很大。装配前对压电陶瓷片、前后盖板，电极片的 接触面都要进行严格的清洗处理，并保证三者同心。装配时要注意压电片的极化 方向。夹心式换能器的装配工艺关键是确定和保持施加在压电陶瓷片上的预压力。 对于单螺杆结构，拧紧时要使压电陶瓷片与金属块压紧，然后拧紧，对压电陶瓷 片的预应力约为 30003500N/cm2.换能器装配完成后，为提高其稳定性，还需要对换能器进行老化处理。另外， 在超生换能器工作过程中，声波的热效应、各接触面之间的声损耗、摩擦热以及 电声转换过程中的损耗等都会产生大量的热量。因此，换能器工作时必须进行冷 却。换能器的冷却方式因换能器的类型不同而异。常见的冷却方式有：自然风冷、 强迫风冷散热、水冷、热管散热器、半导体制冷、干冷、液氮等。强迫风冷散热 在实践应用中最易实现：在换能器后加一风扇，风扇的开关可由超声波发生器控 制，当超声波发生器工作时，风扇开始工作。试验结果表明，风扇的散热比较理 想1。换能器的测试换能器工作频率有高有低，功率大小不一，使用要求各不相同，并且换能器 的性能参数与输入电功率的大小、环境静压力及湿度有关。因此换能器设计计算 后，应在换能器的实际工作条件下进行其性能参数的测量。由于此比较费时，牵 涉的技术问题较多，目前尚无测试标准。下面介绍一种在一般的实验室设备所能 达到的条件下的测量方法。此种测量方法通常输入功率较小，测量频率一般在几 百赫兹到几千赫兹围。尽管这种测量方法比较简单，但是它能反映换能器在小信 号工作时的性能状况，并且设计的换能器只有经过小功率信号测量以后才能做进 一步的测试。通过分析比较测量得出的参数值可根据实际需要来不断地修正和改 进换能器的结构尺寸。由谐振理论可知，压电换能器在最小阻抗频率 J附近，存在一个使信号电压 与电流同向的频率，这个频率即是换能器的谐振频率。当换能器工作在谐振频率 时，其等效阻抗最小，其主回路中电流值最大。基于以上原理，小功率信号换能 器测试方法的测量电路如图 3-2 所示图3-2小功率信号换能器频率阻抗测试电路压电按能誌亳伏表测试步骤如下：首先将压电换能器接入电路中，改变输入信号的频率，从低 频方向慢慢想高频方向变化，通过毫伏表读取电阻R的电压值的变化，观察流过压电换能器的电流I随输入信号频率f的变化。当信号频率达到某一频率 fm时电 流出现最大值Imax，此时的频率fm即为换能器的谐振频率；继续增大信号频率， 电路随之下降，当信号频率等于另一个频率 fn时，电流出现最小值In。这说明压 电换能器的等效阻抗在随频率的变化而变化。记录下fm和Im的值，此时的频率与电阻值近似为换能器的谐振频率与谐振状态下的等效阻抗。然后将开关打到左侧， 将电阻箱接入电路中，使输入信号的频率保持在fm ；然后通过调整变阻箱的组织， 使通过R电流为Im,记录此时电阻箱电阻的读数，记为 Z0。这就是呀嗲换能器谐 振状态下的等效电阻值，也即换能器的最小阻抗值。上述方法测试费用低，操作简单。目前研究人员正在越来越多的使用先进测 试仪器测试压电换能器的声学参数。3.2变幅杆变截面杆纵向振动的波动方程为了研究方便，现给出几个假设(在杆的横截面尺寸远小于波长时，这些假 设是允许的)(1) 变截面杆由均匀、各向同性材料构成；(2) 机械损耗很小，可以忽略不计；(3) 杆过的弹性波波阵面是平面，即在秆的横截面上应力分布是均匀的；(4) 平面纵波沿杆轴向传播。图3-3为一变截面杆，其对称袖为坐际轴x，作用在小体积元(x,x dx)上的应力为dx，根据牛顿定律可以写出动力学方程xdxx2A 2 dxt2(3-3)式中 a杆的横截面积函数,质点位移函数，应力函数,在简谐振动的情况下，式2E。x(3-3)可写成A K20x x(3-4)式中 K圆波数,c纵波在细棒中的传播速度c . E式(3-4)就是变截面杆纵振动的波动方程。下面将利用式(3-4)来分析超声加工技术中最常用的圆锥形变幅杆。322圆锥形变幅杆图3-4为圆锥形变幅杆，坐标原点x 0处的直径为Di , x l处的直径为D2 ,函数关系为A A 1 x 2D D1 1 x式中D1 D2N 1D1lNlN D1D2设作用在变幅杆两端面的力和振动速度分别为和，此时方程（3-4）的解为a cosKxa2 sin Kx(3-41)a1K sinKx a2K cosKx121x a1 cosKxa2 sin Kx(3-42)（1）频率方程和谐振长度 由式（3-42）及边界条件可得到频率方程(3-43)(3-44)tg KlK1( I 1)KItg(K|)nt;12(Kl )2N 1由式(3-44)求出根KI 0之后，可由下式求出变幅杆的谐振长度KI o(3-45)(2)位移节点由式(3-41)和(3-42)利用边界条件可以确定常数aia2将ai,a2代入式(3-41)得质点位移表达式为cosKx sin Kx axK(3-45)应变分布表达式为1cosKxx 1 xsin Kx K1sin Kx cosKx xK(3-46)在式(3-45)中令得位移节点XoXoarctg K K a(3-47)(3) 放大系数MpMpN cosKl sinKINKl(3-48)（4）输入力阻抗jZoi2N 11ctgKI KIN KI(KI)ctg(KI) N 1(3-49)（5）形状因素应变极大值条件tg(KxMK 1 ax”上12aaxM(3-50)形状因素为2N cos(KI)K cos(Kxm)(3-51)式中， arctgK（6）4的圆锥形变幅杆a、位移节点在大端的情况 边界条件为由式（3-41 ）和（3-42）得频率方程tgKI_D2KID|D2(3-52)式中，D1变幅杆大端直径（mm）;D2变幅杆小端直径（mm）b、位移节点在小端的情况边界条件为由式（3-41 ）和（3-42）得频率方程tgKID2KID1 D2(3-52)323变幅杆的材料对变幅杆的材料的要：(1) 在工作频率围材料的损耗小；(2) 材料的疲劳强度高，而声阻抗小，以获得较大的振动速度和位移振幅；(3) 易于机械加工；(4) 做液体处理应用时，还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀；(5) 变幅杆材料应锻造，纤维仲长方向应与声传输线一致，以提高变幅杆的抗疲 劳性能及声学件能。一般来说，钛合金的性能最好，但价格昂贵，且机械加工较困难，铝合金价 格便宜，易于机械加工，但抗超声空化腐蚀很差；钢价格便宜，放射加工，但损 耗较大；黄铜损耗很大。变幅杆材料应进行探伤，以检查材料有无裂纹和缺陷，否则声能就不能沿着 声传输线传递、材料断裂或引起令人讨厌的噪声。因此有裂纹和缺陷的材料必 须报废1，5。324变幅杆的选用原则各种变幅杆的参数各不相同，加工难易程度也不同，选择变幅杆的类型应当 充分考虑到这些因素。1、当面积系数N相向时，对单一变幅杆而言，阶梯形变幅杆的放大系数最大， 其次是悬链线形、指数形，最小是圆锥形。圆锥形变幅杆的放大系数最大可达到 510倍；指数形变幅杆的放大系数最大可达到 1020倍，使用中性能稳定；阶梯 形变幅杆的放大系数最大可达到 20倍以上，但它受到负载时，振幅减小的现象比 较严重，工作不够稳定，而且在粗细过渡的地方易产生应力集中而造成疲劳断裂。 因此，在设计阶梯形变幅杆时，其界面剧变处，必须有过渡圆弧。为了便了设计 和制造阶梯形变幅杆，这里简单介绍过渡圆弧最佳值的求法，计算过程如下：(1) 根据工作频率f和声速c，算出共振长度I ;(2) 确定变幅秆大端直径Di和小端直径D2，求出面积系数N Di D2 ；(3) 求出长径比Q I ；(4) 根据一直的N、 由图3-5查出对应的R D2 ；(5) 由已知的D2值和从图3-5查出的RD值算出过渡圆弧最佳值R。2、指数形和圆锥形变幅杆的共振长度I随N的增大而增大。在N = 1.011.81 围，悬链线形变幅杆的I随N的增大而变短，以后随N的增大而增大。3、在设计变幅杆时，除要求尽可能大的放大系数外，还需要根据变幅杆的不同工作状态，选择其输入阻抗的特性。一般来说，变幅秆工作在负载变化比较大 的条件下，应该选择输入阻抗变化较小的变幅杆。为便于比较，图3-6给出几种变幅秆输入阻抗随频率偏移的变化特性（Mp都相同，Mp = 4.6）。由图3-6可见，阶 梯形变幅杆的输入阻抗变化最大，但其放大系数在相同的面积系数下最大。同样 可以看出，在空载情况下，悬链线形变幅杆的放大系数和输入阻抗特性都比指数 形变幅杆好。图3-5阶梯形变幅杆R D2与N的关系曲线图3-6几种变幅杆输入阻抗随频率偏侈的变化待性I阶梯形；n指数形；川圆锥形；w悬链锥形；v小端带圆柱的圆锥形；w纵向振动复合形4、在高声强超声应用中（如超声拉管），在变幅杆的输出端需要很大的振动 振幅。变幅杆的最大振动速度除了受杆材料的疲劳强度限制之外也和变幅杆的形状有关。所以在满足所需要的放大系数之外，还应选择形状因数大的变幅杆。阶 梯形变幅杆虽然放大系数大，但其形状因数最小。在面积系数N相同时，有圆锥 指数悬链线阶梯当在变幅秆的输出端需要特别大的振动速度时，用一节变幅杆（包括复合变幅 秆）常常不能达到要求。此时需要两节变幅秆组合。第一节用值不大而放大系数大的变幅杆（例如用带有过渡段的阶梯形变幅杆）。第二节用 值大的变幅杆，如 具有运应力分布的高斯“钟形曲线”变幅杆 值可达5。5、四分之一波长的变幅杆在无损耗时，可以获得无限大的放大系数和无限大 的输入阻抗。它被用作阻抗匹配组合。特别是在超声振动系统总长度要求比较苛 刻（设备上结构限制）的条件下，更有特殊的应用意义。6、加工难易程度不同。阶梯形变幅杆最容易加工，圆锥形变幅杆次之。指数 形、悬链线形、博里叶形、高斯“钟形曲线”变幅杆最难加工。自从数控车床问 世以后，变幅杆的粗加工和半精加工难题巳迎刃而解了，但精加工难题（例如指 数形变幅杆的磨削）依然存在。著者深信，将变截面细长杆超声车削装置安装在 现代数控精密车床上，一定会有效地解决变幅杆的精加工难题，对各种复杂形状 的变幅杆的应用起到推动作用。变幅杆的设计步骤根据实际应用的要求，设计计算变幅杆的一般步骤如下：（1）确定工作频率f及变幅杆输出端的最大位移振幅2 ；（2）选择材料；（3）根据所选择材料的声速c及疲劳强度来估计所需要的形状因数（4）根据换能器辐射面所能得到的位移振幅!来估算总放大系数Mt （Mt2 1）；换能器辐射面的振动速度主要决定于输入换能器的电功率、电声转换效率以及散热情况，一般来说不易超过125cm/s（相当于在20KHZ时位移振幅为10 m）；（5）根据所需要的放大系数 Mt、形状因素、工作稳定性、阻抗特性和振 动方向来选择变幅杆的类型；根据换能器的截面积确定变幅杆输入端（大端）的直径 或面积；因此输出端（小端）的直径或面积也就随之面定丁，但应注意输入端的直径 不能选取过大。否则变幅杆的横向振动就不可忽略，一般取 9.0.25（ D1为变幅杆大端直径，为波长）;如果在实际应用中，工艺要求变幅杆的直径与波长比大干0.25,例如接近 2，则应采取一些措施，例如沿纵向开一些细槽以减小横向 振动；此外，变幅杆两端的直径比或面积比也不能过大，否则变幅杆过于细长， 弯曲劲度不够，会引起不希望出现的其它振动，导致加工效果变差，工具磨损加快;(6) 如果一节变幅杆(包括复合变幅杆)不能满足总放大系数Mt ,或者由于安 装位置的要求，而需要用两节变幅杆串联组合成全波长变幅杆，这时总放大系数Mt为mt m1 m2式中M 1第一节变幅杆的放大系数；M 2第一节变幅杆的放大系数。形状因素需满足2M2式中总形状因数第一节变幅杆形状因数 第二节变幅杆形状因数第一节称推动节，第二节称输出节。总的原则是推动节形状因数9值可以较小，但放大系数较大；输出节应采用形状因数较大的变幅杆。下面列出了推动节和输出节可供选择的变幅杆: 推动节阶梯形变幅杆 指数形变幅杆 恳链线形变幅杆阶梯形变幅杆输出节圆锥形变幅杆圆锥形变幅杆指数形变幅杆高斯“钟形曲线”变幅杆例如，用于冲多孔的超声冲裁装置使用了由两节变幅杆申联组合成的全波长 变幅杆，工艺效果十分显著4. 双面超声加工机床的机构设计4.1 设计任务主要设计参数及依据：1)工作频率：20kHZ2)工具振幅：10 30 11 m3)电功率：500W4)异形工具：、.4、一4如等边三角形工具，边长 10 50mm5)主轴转速：400-2000 转 / 分6)工作围：Z 轴 0300mr，i X, Y轴 0300mm.7)双超声波工具头8)工具不旋转题目说明与要求：本双面超声波加工机具有以下特点：(1) 设振动切削负荷很小，可忽略不计， X 轴与 Y 轴均可采用滚珠丝杠副和直线 滚动导轨副，使工作台进给时灵敏度高，运动平稳，低速进给时无爬行；(2) 工作台具有较高的定位精度和重复定位精度；(3) 二坐标驱动可选用步进电机或高精度交流伺服电动机；(4) 建议机座和滑台采用铝合金，轻便实用。4.2 总体方案确定4.2.1 确定方案思想应根据设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行分析比较和论证， 最后确定总体方案。4.2.2 方案对比分析与确定(1) 系统的运动方式 为了实现超声波双面加工，初步设计双面超声波加工机床为卧式机床。该机 床可以同时驱动六个交流伺服电机工作，其中两个电机能够实现动力头 Z 轴方向 的垂直运动，两个电机能够实现机床床身 X 轴方向的双面直线加工运动，另外两 个电机实现工作台 Y 轴方向的运动，从而对材料进行双面超声加工。(2) 执行机构传动方式的确定为了确保超声加工系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装配时， 通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在 设计中应考虑以下几点： 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导 轨等。 尽量消除传动间隙。 缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动误差。可采 用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副， 丝杠去承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。(3) 工作台及床身的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所