超声波加工技术研究本科毕业论文

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1、襄 樊 学 院 理 工 学 院毕业论文 题 目超声波加工技术研究专 业机械设计制造及其自动化（机制方向）班 级姓 名学 号指导教师职 称 装 订 线 襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸超声波加工技术研究摘要：超声波加工技术因为其特有的加工特性被广泛应用于各行各业，尤其在机械加工中，比如研磨、深小孔加工探伤，清洗等。而在再纺织、化工、食品方面也应用颇多，一些普通加工难以完成的工作通过超声波加工可以轻而易举地完成。本论文就超声波加工技术的原理、发展及在以上方面的应用做出初步的研究和探索。首先，对超声波加工的原理和产生机理做出了解，超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具头，通过悬浮液

2、磨料对工件进行成型加工的一种方法。其次，对超声波加工技术再机械加工中的应用做出研究，通过实例分别探讨其在研磨、洗削加工、深小孔加工中的应用，并与常规加工手段进行对比。再者对超声波加工在清洗与探伤中的 应用做出基本的应用探究。关键词：超声波加工，机械加工，其他应用 Application Research of Machining Technology Based on UltrasonicAbstract Ultrasonic machining technology because its peculiar processing characteristics are widely used

3、 in all walks of life, especially in mechanical processing, such as grinding, deep hole processing scald, cleaning, etc. And again in textile, chemical, food, some quite also applies to the finished work of ordinary processing by ultrasonic machining can easily finish. This paper, the principle of t

4、he ultrasonic machining technology development and application of the above make preliminary research and exploration.First, the principle of ultrasonic machining and its mechanism, ultrasonic machining is to know to use vibrations frequency of more than 16,000 Hz, through suspension abrasive tool t

5、o head the forming of a kind of method.Secondly, of ultrasonic machining technology to the application of mechanical processing make research, through examples in this paper the grinding and wash cutprocessing, deep hole processing applications, and compared with the conventional processing methods.

6、Moreover of ultrasonic machining in cleaning and testing the application of the application to make basic study.Key words: Ultrasonic machining, mechanical processing, other applications 目 录第一章 绪论- 1 -1.1超声波的概念- 1 -1.2 超声波的产生- 1 -1.3超声波的两个参数及其特点- 1 -1.5 超声波加工技术的应用现状及发展趋势- 2 -1.6超声波加工技术的基本原理- 4 -1.6.

7、1超声波加工机床简介- 5 -1.6.2 超声振动加工- 5 -1.6.3 超声复合加工- 6 -1.7研究的目的与意义- 8 -第二章 超声波精密研磨- 9 -2.1超声研磨的原理- 9 -2.2 超声波研磨的装置- 11 -第三章 超声波深小孔加工- 13 -3.1超声波振动钻的基本原理- 13 -3.2超声波加工的刀具- 16 -3.3刀具与机体的连接- 17 -3.4 超声波加工深小孔的实际应用对玻璃小孔的钻削加工- 18 -3.4.1磨料选择- 18 -3.4.2工具的振幅与频率的选择- 18 -3.4.3加工压力的选择- 18 -3.4.4磨料悬浮液浓度的参数选择- 18 -3.4

8、.5加工效果与缺陷- 19 -第四章 超声波铣削加工- 20 -4.1 超声波铣削加工的原理与特点- 20 -4.2 超声铣削机床- 21 -4.3超声波铣削加工中材料去除率模型- 21 -4.4分层厚度对材料去除率的影响- 24 -第五章 超声波的其他应用- 25 -5.1.超声波探伤- 25 -5.1.1 超声波探伤的概念- 25 -5.1.2 超声波探伤的原理- 25 -5.1.3.超声波探伤在管道焊缝中的实例应用及分析- 26 -5.1.4 超声波技术在探伤应用中的优缺点- 29 -5.2超声波清洗- 30 -5.2.1超声波清洗的基础- 30 -5.2.2超声波清洗原理- 30 -5

9、.2.3超声波清洗机- 31 -5.2.4超声波清洗的主要技术参数- 31 -5.2.5影响超声波清洗的技术参数- 32 -5.2.6超声波清洗的优点- 32 -第六章 总结- 33 -致 谢- 34 -参考文献- 35 -第一章 绪论超声波加工包括超声振动加工和超声复合加工两种方法这两种超声波加工方式在一些常规加工方式无法解决完成的时候它们能很容易的进行加工。这种精度高、效果明显、效率高的特种加工方式广泛应用于机械加工、纺织、食品加工等方面。1.1超声波的概念 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000Hz。当声波的振动频率大于20

10、KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。1.2 超声波的产生声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的；其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波

11、长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620,000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。1.3超声波的两个参数及其特点超声波的两个主要参数：频率：F20KHz（在实际应用中因为效果相似，通常把F15K的声波也称为超声波）；功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2)，通常p0.3w/cm2， 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时

12、，其功率密0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污垢撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。太小的声波无法产生空化效应。超声波的特点：(一)超声波在传播时，方向性强，能量易于集中；(二)超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；(三)超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。超声波是一种波动形式，它可以作为探

13、测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。1.5 超声波加工技术的应用现状及发展趋势 超声波加工技术的研究最早可追溯到1927年美国物理学家RwWood和A1fred Loomis的奠基性工作，他们利用强烈的超声振动在玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。在19391945年期间，这项技术仅局限于使用金刚石粉末作为切割介质钻削和切割石英晶体、半导体和宝石，后来才用于切割金属及硬质合金。1945年美国工程师L.Balamuth获得第一

14、个超声波加工专利，自此，超声波加工才引起了人们极大的关注，并在工业中有了较大范围的应用。超声波加工曾被称为超声波钻削、超声波切削、超声波尺寸加工、超声波磨削以及悬浮液钻削等，但是从50年代早期以来最普遍的称法还是超声波加工或超声波冲击磨削。早期研究发现使用超声波加工方法，所有的脆性材料，如玻璃、陶瓷、硬质合金、宝石，甚至金刚石都能被加工。从1953年到1955年，根据钻削和铣削加工机床，几个国家研制出单个超声波加工工具原型，并于1954年由L.Balamuch研制出第一台超声波加工机床。到60年代，可以看到各种类型和尺寸的加工工具，一些机型开始进入有规律的生产，此阶段超声波加工的快速进展。二十

15、世纪50年代中期，日本、苏联将超声加工与电加工(如电火花加工和电解加工等)、切削加工结合起来，开辟了复合加工的领域。这种复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件，提高加工效率和质量。60年代初，美国开始了超声加工的研究工作。由于当时超声加工技术还很不成熟，包括声振系统、换能器的设计制造和质量都较差，美国的研究工作曾经停顿了10年。70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，己处于生产应用阶段：超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。自80年代以后，新的合成材料和陶瓷材料进展很快，促进了超声波加工技术的

16、发展。当电火花力HI(EDM)出现后，它代替了超声波加工硬的钢铁，效率更高，应用到许多场合中。80年代中期，随着电火花线切割的成功进展，减少了超声波加工硬质合金的市场，超声波加工的主要应用转变为切割玻璃、石英、陶瓷和硅板等低导电性的硬脆材料。超声具有许多独特的性质和优点，所以超声学的发展很迅速，应用领域十分广泛，并有广阔的应用前景。功率超声是超声学的一个分支，它主要研究大功率和高强度超声的产生，强超声在媒质中的传播规律，强超声和物质的相互作用，以及各种功率超声技术和应用。与检测超声不同，功率超声是利用超声能量来对物质进行处理、加工。最常用的频率范围是从几千赫到几十千赫，而功率由几瓦到几十千瓦。

17、超声处理技术和应用主要有：超声清洗，超声加工，超声节能，超声塑料和金属焊接，超声乳化、粉碎、分散、雾化，超声金属成型，超声处理种子，超声治疗和外科手术等等。近十年来，随着科学技术的发展，超声技术发展极为迅速，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域，在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。超声技术己成为国际上公认的高科技领域，与其有关的技术产品涉及到振动与声、电子、机械及材料等新技术。目前，超声技术正在深入到许多科学领域和生产部门，并且在不断发展，解决了很多日常生活中和生产技术中的难题。1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报

18、道。40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 国内在超声治疗领域起步稍晚，于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从1950年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，至50年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。1.6超声波加工技术的基本原理超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或

19、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(包括复合加工)的发展较为迅速，其工艺技术在深小孔加工、难加工材料加工方面有较广泛的应用,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。将超声能量通过声学系统施加于工具，使其按一定的频率和振幅作圆周方向的扭转振动,形成脉冲力作用的分离型振动切削，消除了普通切削过程中的弹性挤压振动, 使切削过程变为有规律的脉冲状断续切削,切削力可降为普通切削的IP3-IP10，降低了切削温度, 增加了系统刚度。工件

20、作超声振动时,由于等效硬度特性,高频振动导致的内应力对工件的硬度产生影响，使磨削力比降低为23倍,磨削力比随磨削深度、 磨削速度及工件速度的变化不明显，工作力变化不大而能得到良好的加工稳定性和加工精度。工具的磨损会使工具的形状发生变化, 从而导致工件加工精度大大降低。大连理工大学的学者针对陶瓷材料超声旋转加工技术提出一种用简单工具进行超声仿铣加工三维陶瓷工件的新方法, 该技术可实现工具损耗的在线补偿和控制,有效地克服了超声成形加工中,因工具损耗严重,加工间隙中悬浮磨料不均匀现象, 从而提高了复杂型面的加工精度。超精密加工技术在提高机电产品的性能、质量和发展高科技产品等方面具有重要的作用。超声波

21、加工原理图如图1.6所示：图 1.6超声波加工原理图1.6.1超声波加工机床简介上述加工手段这些一般都是通过超声波加工机床进行的,而常见的超声波加床如图1.6-1所示。图1.6-1一般的超声波加工机床1 支架，2平衡重锤，3.工作台，4.工具，5变幅杆，6.换能器，7.导轨，8标尺超声波加工时，工具与工件间的作用力很小，加工机床只需实现工具的工作进给运动及调整工具与工件间相对位置的运动，因此机床构造较简单，一般包括支撑振动系统的机架、工作台面、进给机构以及床身等部分。国产CSJ-2型超声加工机床是其中的代表产品，如图1.6所示。其振动系统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

22、，使导轨能灵活可靠地上下移动。工具的向下进给以及对工件施加压力靠振动系统自重，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减的平衡重锤除此之外，还有重锤杠杆加载、弹簧夹载、液压或气压加载等加压方式。1.6.2 超声振动加工超声振动加工作为新型的特种加工技术，引起国内外专家的广泛关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以成为振动切削理论应用的奠基人的是日本学者隈部淳一郎。他再20世纪5060年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动切削加工等。随后美国也对振动切削进行研究，到了20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、光整加工等均已达到实用阶段,取得一系列的研究成果

23、。俄罗斯学院和英国拉伯运大学对车削振动加工的非线形过程进行了深入地研究,利用流变模型对超声震动切削实验进行了理论解释。通过对超声振动切削的动力学研究,得到了振动工具的非线性振幅特性曲线,并讨论了超超声震动加工的的优越性和应用领域.长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂生产的一种直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验,通过生产现场各种工艺参数实验及小批量试生产,收到令人满意的效果,具有较好的发展前景。北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声震动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深

24、入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工曾进行过深入探索，探讨了超声振动钻削中各项工艺参数对加工效果的影响，并从理论上分析了超声振动钻削时的材料去除机理。上海交通大学也对超声椭圆振动切削技术进行了研究，阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统，分析了超声波椭圆振动切削运动特性，详细介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了问断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了分析，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去

25、除率在较高的静态力作用下减小的原因。美国内布拉斯加大学和内华达大学对陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是

26、。超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。1.6.3 超声复合加工将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。 法国的研究人员系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响。结果表明，超声振动提高了加工速度。粗加工提高10，精加工提高400，并使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，可使稳定加工的面积增大。电极的超声振动能改善加工过程的主要原因是：1)电极表面的高频振动加

27、速了工作液的循环，使间隙充分电离；2)间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金属，使热影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小。以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究，它跟以往的超声电火

28、花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。研究结果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高得越快。研究者认为，这主要由于工件激励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用，有助于改善电火花微细加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率，使加工速度及微细孔电火花加工的深径比得到提高。在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理的微细电火花铣削技术正在受到重视，但该工艺加工效率偏低，同时由于其加工精度主要依赖于电极损耗的轴向补偿，而电极损耗的轴向补偿量则直接取决于电极损耗率，提高微细电火花铣削的加

29、工效率和稳定性是一个重要的课题。哈尔滨工业大学提出了超声辅助分层去除微细电火花加工技术，电极轴向的小幅超声振动对活化极间状态、拉大极间间隙、增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放电稳定性等起到了极为重要的作用，因此该技术能改善微细电火花铣削时的放电状态，提高加工效率。随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。但该工艺的加工机理有待于进一步研究，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加

30、工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗。可以推断，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。1.7研究的目的与意义随着超声学的发展，超声技术也不断的被应用于各领域，其中在聚合物成加工、农产品加工、酒类酿造、化工、纺织品加工、机械加工等尤为突出。几十年来，超声波加工（包括复合加工）的发展都极位迅速，其工艺技术在深小孔加工、难加工材料加工方面都有广泛应用，尤其是在难加工材料方面解决了许多工艺问题。这种特种加工能提高加工精度和降低加工力，并且笑效率也非常高。正因为超声加工在这些方面的优势，使其在工程上的应用非常广泛。超声波在和科学

31、研究方面有着广泛的用途,它已成为近代物理学中一个重要的研究课题,形成为声学的一个新的分支-超声学。超声学的主要任务就是研究超声的特性、作用,用人工产生超声波的方法,以及超声的应用等。超声的应用可分为两大类别,第一类是超声加工和处理技术第二类是超声检测与控制技术。超声加工和处理技术是利用高强度超声波来改变物质的性质和状态的技术,如超声钻孔、清洗、焊接 、粉碎等。超声检测与控制技术是利用较弱的超声波来进行各种检验和测量必要时一可进自动控制技术,如超声探测和超声检漏、超声工业测量技术等。在机械加工中超声波加工使技术起着越来越大的作用,一些用机械加工很难完成的工作利用超声波加工就可轻而易举的完成,甚至

32、用一般机械方法不可能进行加工的项目,用超声波也可完善的解决。例如它能切割最硬的金刚石、玻璃、石英、陶瓷、碳化钨等又硬又脆的材料也可用起声波来加工。并且能将精密零件清洗干净 ,检查机械零件内部的裂缝拐痕迹。因此,在机械加工中广泛应用超声波,对于发展生产和提高生产效率均具有十分重要的意义。本文主要对超声波在超声波精密研磨、深小孔加、铣削加工、探伤、研磨、这多个方面的应用进行一些初步的研究探索。第二章 超声波精密研磨近年来，由于超硬难加工材料的出现，导致了许多新的加工方法的产生，而超声波研磨以其特有的加工性能把传统加工和超声波研磨完美地结合起来，以获得更好的加工质量和效率。在超精密加工中，超精密切削

33、、超精密磨削的实现是依赖于锐利的超硬切削工具、高精度高刚度的设备及其他周边技术的支持。由于其加工机理和环境因素，要实现更高精度的加工十分困难。因此，超精密研磨是实现纳米级、原子级加工的主要方法。本文在分析现有超精密研磨方法的基础上，提出了超声研磨方法，并对其加工机理进行了初步探讨。2.1超声研磨的原理研磨是利用涂敷或压嵌游离磨粒与研磨剂的混合物, 在一定刚性的软质研具上, 研具与工件向磨粒施加一定压力, 磨粒作滚动与滑动, 从被研磨工件上去除极薄的余量, 以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法,如图2.1-1所示。图2.1-1研磨示意图研磨的过程中, 在一定的压力作用下, 众多的磨粒进行微

34、量切削。研磨加工的实质是磨粒的微量切削、研磨表面微小起伏的塑性流动、表面活性物质的化学作用及研具堵塞物与工件表面滑擦作用的综合结果。在超声振动研磨加工中，超声振动工具头的端面和工件表面保持一固定的加工间隙，并在其间充以含微细磨料的工作液。加工过程中工具头固定住，仅起发射超声波的作用，含有磨粒的工作液在超声波作用下，电解液中的磨粒脉冲式冲击工件表面。虽然磨粒的冲击具有随机性，但是对微观表面上凸处冲击到的机率应该高于凹处，并且因为磨粒量大、粒小，对表面的加工是均匀且柔和的。研究表明，超声振动研磨加工硬脆材料主要是依赖表面层微裂纹的扩展、生成，从而使材料脆裂、脱落，因此，对硬脆材料表面层微裂纹的研究

35、非常重要，直接决定材料的去除率、加工效率、加工精度和表面质量。基于机械作用的超精密研磨是靠微细磨粒的机械作用对被加工表面进行微量去除，达到高精度的加工表面。主要有弹性发射加工（EEM）、浮动研磨、磁力研磨等。弹性发射加工是可以得到很高的加工精度和低表面粗糙度的超精密加工方法。 加工原理如图2.1-2所示。图2.1-2超声研磨加工原理工具模型超声振动工具头的端面和工件表面保持一固定的间隙,并在其间充以微细磨料工作液，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对工件表面进行研磨。当工作台作平面运动或曲面运动，即可对整个工件表面进行加工.超声研磨时，大量的磨料以与超声振动相同的

36、频率、脉动式的冲击被加工表面， 除去或改造工件表面原有的损伤层，并在其下面构成新的损伤层，即表面加工层。如果工艺参数 如超声发生器的功率，磨料的硬度、粒度，磨液浓度，间隙等选择恰当,则可使新生成的损伤层更薄、更均匀，从而获得较佳的表面质量，实现超精密加工,理想的状况是获得接近无损伤的表面。超声研磨脆性材料和塑性材料的机理是有所不同的，脆性材料的加工主要是依赖于表面层微裂纹扩展、生成，而使材料脆裂、脱落。超声研磨时，在大量磨粒脉冲式冲击下，更有利于实现上述加工过程。磨粒的冲击具有随机性，但对微观表面上凸起处冲击到的机率应高于凹下处，再因磨粒量大、粒小，对表面的加工是均匀而柔和的。因而可以获得残余

37、应力低、裂纹更微细更浅的高质量的加工表面。塑性材料的加工则主要依赖于表面层的塑性变形，即通过材料的挤压和撕裂将金属从表面扯下来，其残余应力为拉应力。超声研磨时，磨粒对工件表面主要起捣实的作用，类似于轻微的表面强化加工。它可以消除工件表面前工序的加工痕迹，将表面残余应力由拉应力转变为压应力，这对大多数零件的使用性能是有利的。通常的超声波加工，其机理是工具头以一定的压力作用于加工表面，当工具头作超声振动时，工具头刚性地锤击磨料，并通过磨料的“嵌入”作用，使脆性材料表面脆裂、脱落。因而它不适宜加工塑性材料。现有的各种以机械加工为主的研磨方法，则是以磨粒在工件表面的滚压和摩擦为主要的加工手段。由此可知

38、，超声研磨和超声波加工及现有研磨方法有着本质的区别，是一种新的超精密研磨方法。2.2 超声波研磨的装置一般超声研磨装置如2.2-1所示:图2.2-1 引入超声波的机械复合研磨装置1.连接器 2.夹具 3.变幅杆 4.夹套 5.调整套 6.换能器 7.导向杆 8.滑套 9.高度调整环 10.机架 11.自转电机 12.公转电机 13.传动系统 14.研磨盘 15.研磨介质 16.加载装置该装置主要分为三大部分：研磨机系统、超声振动系统和夹具及调节机构，如图2.2.1。该装置的原理：连接器安装在夹具上，一次装夹412个，对称安装；换能器6接收超声电信号并转换为机械波，超声波经过变幅杆3放大后传递到

39、夹具2，最后经连接器的插芯传递到连接器1的端面与研磨介质15之间的界面上；研磨盘14在电机11和12的驱动下能同时自转和公转，转动的速度无级可调；研磨的压力通过加载装置16进行调整；夹具与研磨盘的平行度由调整套5与高度调整环9实现，调整时另有一个专用的对刀块。超声波的引入大大提高了材料去除率，主要原因有以下几个方面：首先，超声波的引入使夹具带动插针体作高频振动，单位时间内磨料相对于工件表面的运动轨迹与单一的机械研磨相比变长，研磨的线速度大大提高，极其有利于实现延性磨削；其次，超声波机械复合研磨时，工件沿加工平面产生切向振动，可以形成一种特殊的耕犁效应（如图2.2.1所示）；再次，研磨时在加工界

40、面上的研磨液产生空化效应。当超声能引入研磨界面后，加工界面的液膜在疏松相和压缩相之间交替变化，在疏松相时#液体内压急剧降低，产生大量蒸汽气泡。富集在材料表面的气泡在瞬间爆裂，产生数百甚至数千个大气压的局部液压冲击波，与上述的耕犁效应协同作用，有效去除工件表面的突出体。（如图2.2-2所示）图2.2-2 交错耕犁及空化效应示意图第三章 超声波深小孔加工众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削

41、温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。由于小孔加工直径很小，在很多情况下孔深与孔径之比远大于10，所以小孔加工通常也是深孔加工。在工艺上，小孔加工被认为是最困难的加工之一，国内外一直十分关注，并始终在探索中。探索新的加工方法，改善硬脆材料的可加工性，最终提高产品质量和加工效率这一客观需要推动了超声加工技术的发展。小深孔加工一直是孔加工中的难题, 并且随着各种高性能、难加工材料的不断出现和日益广泛应用传统钻削工艺愈显出其极大的局限性: (1) 钻头细长、刚性差、入钻定位精度差； (2)

42、 容易钻偏孔的直线度低；(3) 生产效率低等。金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。3.1超声波振动钻的基本原理超声波加工是利用工具作超声频振动,通过磨料悬浮液加工材料。图3.1-1所示为超声波加工原理图。加工时，在工具6和工件7之间加入液体(水或煤油)和磨料混合的悬浮液1，并使工具以一定的压力P压在工件上。超声波换能器4

43、产生17 25kHz 的超声频纵向振动, 并借助于变幅杆把振幅放大到0.010.02mm 驱动工具振动，迫使工作液中的磨粒以很高的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区的材料粉碎成很细的微粒从材料上去除。同时工作液受工具端面的超声振动作用而产生的高频变液压冲击波和空化作用，促使磨料悬浮液渗透到被加工材料的微裂缝内，进一步提高了材料去除效果。图3.1-1 超声波钻削示意图1. 磨料液2 .变幅杆3 . 聚能器4.换能器5.超声波发生器6.工具7.工件超声振动钻削是近代出现的一种先进的切削加工方法，它是在传统的钻削过程中给钻头(或工件)加上有规律的高频振动，在优化切削参数的条件下，改善了

44、钻削性能，提高了加工精度。振动方式主要有3种： 纵向振动； 扭转振动；纵扭复合。其中纵向振动最易于实现，在振动钻削中占主导地位。如图3.1-2所示，振动钻削过程中，并不是利用整个周期，而是在极短的时间内进行切削，刀具在很小的位移上产生很大瞬时速度和加速度，在局部产生很高的能量，对工件作冲击作用。图3.1-2 振动钻削机理超声振动钻削由于其特殊的切削机理引起诸多专家学者的重视。几十年来, 国内外专家学者对超声振动钻削做了大量的理论与实验研究工作, 许多实验和研究结果都表明, 振动钻削可明显提高入钻的定位精度及孔的尺寸精度、表面质量, 降低切削力和切削温度, 延长钻头寿命。超声振动钻削技术的出现为

45、解决小深孔钻削问题提供了一个很好的途径。超声波加工是利用超声频振动的工具端面，通过磨料悬浮液去加工材料的一种工艺方法。当工具为细丝或细管时，就能加工出小孔。超声加工能在各种硬脆材料上打小孔，特别是适于在宝石，陶瓷，玻璃及各种半导体材料上加工小孔。比电火花加工的精度高、表面粗糙度好。尺寸精度可达0.01-0.02mm。表面粗糙度可达Ra0.4-0.1um，且表面无残余应力、烧伤等不良现象。孔径最小可达0.lmm。图3.1.2为细长孔超声波加工机示意图，为提高加工效率，采用双钻头设计，两钻头间距离为110mm。超声波加工机主要运动是主轴箱的Z 轴运动和工作台的X、Y 运动。采用滚珠丝杠传动来实现三

46、维运动，特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。预紧后刚度好，定位精度高（重复定位精度高）。加工时由主轴箱内的电机经过齿轮传递，同时带动两个超声钻头做同方向转动。主轴箱中的刀具运动是由两部分的运动合成的：1. 主轴传过来的旋转运动；2. 声加工系统产生的垂直方向的振动。这个振动是由超声换能器产生的410um 的振幅，再经过变幅杆振幅放大到10100um。然后有变幅杆带动用螺纹连接在它上面的研磨刀具一起振动。刀具运动经过主轴箱的Z 轴运动实现对工件的加工。在加工过程中由于工艺的要求，需要通过控制主轴箱的Z轴的运动

47、从而达到在加工过程中实现恒定进给力。超声钻削加工示意如图3.1-3所示：图3.1-3 细长孔超声波加工机示意图3.2超声波加工的刀具加工过程中，工具受到磨料的作用，产生纵向和横向磨损，这将直接影响加工精度和加工速度。工具纵向磨损大小，主要决定于工具和工件材料的性质。工具横向磨损还与工具横向振动大小和工具截面形状有关。此外，工具纵、横向磨损的不均匀性与磨料悬浮液供给和循环流动的不均匀有很大关系。通常，换能器和变幅杆的长度按半波长整数倍叠加。这时，钻头的长度应满足指定的要求，不能变化太大，否则会导致钻头端部振幅明显减弱。因此，当钻头磨损较大时，就需要更换钻头。当加工很深的小孔时，钻头长度远大于要求

48、的孔深，因此会给钻头的制作增加困难。因此刀具的制作和改进需满足以下条件：金刚石刀具材料；立方氮化硼刀具材料。根据加工材料光学玻璃硬度强，脆性较大的特性，本研究选择聚晶金刚石(PCD)作为加工刀具的材料。聚晶金刚石(PCD)与同类金刚石切削刀具材料相比具有以下优点：晶粒呈无序排列，各向同性，无解理面。因为它不像大单金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度以及耐磨性有很大的差别；具有特别高的强度，较高的抗冲强度，在冲击较大的时候只会产生小晶粒破碎，而不会像单金刚石那样大块崩缺；可制取大块PCD刀具坯料，满足大型加工刀具的需要。耐磨性是衡量聚晶金刚石刀具的一个重要指标，它综合反映了PCD的硬度、强度和断裂

49、韧性等指标。PCD材料的耐磨性首先取决于PCD材料本身的微观结构和组成，金刚石结合界面程度越高，刀具的耐磨性越高；钴含量愈低，其分布越均匀，刀具的耐磨性越高。同时还与聚晶金刚石的晶粒大小密切相关。抗弯强度通常是通过三点弯曲试样的TRS值(边际替代率)来评估的。对于细小晶粒尺寸，强度遵循HallPetch强度关系：式中一断裂强度，MPa；一常数；d一平均晶粒尺寸，m。沿直径方向方向的压缩性能(抗张强度)可由下式决定：式中最大张应力/MPa；开列时的载荷/MN；D试样直径/mm；t试样厚度/mm。若刀具选用长度为80 mm，直径可按下式计算：式中，D一工具直径；d一工件孔径；一所用磨料磨粒的平均直

50、径。钻削加工微晶玻璃的刀具选用表面电镀金刚石的硬质合金钢。如果C=5106mms，频率f=20 kHz，那么波长=c/f=5106/20103=250mm。则：2=125 mm。因此，根据加工工件的孔深，选用长度为125 mm的刀具。3.3刀具与机体的连接超声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，使工具和变幅杆成为一个整体，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

51、，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紧密接触，否则超声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。

52、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。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l/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。3.4 超声波加工深小孔的实际应用对玻璃小孔的钻削加工.3.4.1磨料选择超声波振动加工技术，是利用超声波发生器一换能器一变幅杆一模具头的振动，带动工作液中的磨料振动，在玻璃上产生空化、抛磨等作用，而实现对玻璃进行加工。所以在加工中，磨料的作用很大，

53、有必要对磨料进行选择与分析。磨料硬度越高，加工速度越快，但要考虑成本。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；加工硬度不高的脆硬材料时，可用碳化硅磨料。加工中选择了4种不同粒度的碳化硅作为磨料，磨料与水的混合液作为工作液。碳化硅的目数分别为320、280、240、100。3.4.2工具的振幅与频率的选择过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，可能超过其疲劳强度而缩短使用寿命，而且联接处的损耗也增大，因此一般使用振幅为0.010.1 mm，频率为1625kHz。加工所用的NP-I-15-008000超声波打孔

54、机，其超声振幅与频率都是恒定的，振幅为0.02mm，频率为15kHz。3.4.3加工压力的选择加工时工具对工件应有一个合适的进给压力，压力过小，则工具末端与工件加工表面间的间隙增大，从而减弱了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会使工具与工件间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新，都会降低生产率。一般而言，加工面积小时，单位面积最佳静压力可较大。例如采用圆形实心工具在玻璃上加工小孔时，加工面积在513mm范围内，其静压力约为0.4MPa，当加工面积在20mm以上时，最佳静压力约为0.20.3MPa。加工的工具头是直径9 mm的空心工具，其内圆直径为8mm。则其加工面积是53.38 mm，故

55、其最佳加工压力选为0.20.3MPa。3.4.4磨料悬浮液浓度的参数选择磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒就少，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，加工速度也提高。但浓度太高时，磨料在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度的降低。通常采用的浓度为磨料对水的质量比约为0.51左右。在加工中，磨料与水的比为0.6：1，即磨料悬浮液的浓度为37.5。3.4.5加工效果与缺陷超声波振动磨削加工，一个很难避免的问题是工具入口和出口端的工件材料会发生边崩现象(见图3.4-5)，尤其在出口处边崩现象特别严重。图3.

56、4-5 加工效果图这是由于在超声振动作用下，工具头的内空有一股很大的气流往下流动，能加强力a-T-时工具头与工件间隙的磨料流动。但当加工结束时，这股气流却又使磨料往下流动，造成工具头与工件间的磨料减少，工具头继续振动时易使工件的出口快速震破，以致工件加工出口端的边崩范围明显增大。为避免出现严重边崩的现象发生。可采取如下措施：在进行超声加工时，在工件下面垫一块柔软的垫片，垫片的作用既可起到减振作用，又可保证在加工过程中工件不会产生滑动，改善了边崩的情况；在加工开始和临结束时，适当减少进给压力，以磨削作用为主进行加工。第四章 超声波铣削加工超声波铣削是一种新兴的超声波加工工艺，它利用简单形状工具，

57、基于快速原型中分层制造思想，采用分层去除方法加工硬脆材料，具有工具制作简单，工具与工件问宏观作用力小，工具损耗能够得到补偿，可实现复杂三维轮廓的加工等特点，是具有开发前景的超声波加工技术。4.1 超声波铣削加工的原理与特点在超声波铣削加工中，工具在超声波高频振动的同时，还做旋转运动，同时在CNC系统的控制下，每层做X、Y两个方向的进给运动。磨料颗粒在工具三种运动的综合作用下，不断地锤击、冲击、抛磨和刮擦硬脆材料的工件表面。当工具、磨粒和工件没接触的时候，材料的去除主要是靠磨粒冲击作用，工具的旋转运动的作用比较弱：而当三者接触后，磨粒直接作用于工件表面上，随着加工的进行，一部分磨粒由于工具压力的

58、作用，使之压入工具中，露出的部分刻划工件的表面，在工具旋转运动的作用下，划过圆形轨迹，在工件表面形成弧形凹痕。另一部分磨粒则在工件与工具之间发生滚动，产生滚轧效果，使工件表面产生微裂纹，裂纹扩展后使工件表面产生脆性崩碎形成切屑。同时，工具的进给运动也在工具、磨粒及工件接触时作用较强，在未接触时作用较弱。由于硬脆材料的抗拉强度比抗压强度小，对磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产生微裂纹，工具的旋转和进给运动进一步促进了裂纹扩展。当纵横交错的裂纹扩展并相互交叉时，受裂纹包围的部分就会破裂并崩离出小碎块来。这就是硬脆材料铣削加工时切削生成和表面形成的基本过程。由以上分析可以看出，超声

59、波铣削加工中也同时具有以下三种材料去除机理：1. 冲击：随着工具的旋转，工具端面的磨料颗粒冲击加工表面的不同地方；2. 磨蚀：工具的旋转运动及工具的进给运动，使磨料颗粒在工件的表面刮擦出微小沟槽；3. 超声波空化作用。因此，我们可将整个加工过程分为两个阶段考虑：1、当工具、磨粒、工件三者不接触时，只考虑超声波振动，忽略工具旋转和进给运动的影响；2、当工具、磨粒、工件三者接触后，考虑超声波振动、工具旋转和进给运动的综合作用。超声波铣削加工中总的材料去除率为两部分去除材料之和，其中第一部分中的材料去除较少，第二部分的去除为主要的去除方式。4.2 超声铣削机床超声波加工时，工具与工件问作用力很小，加

60、工机床只需实现工具的工作进给运动及调整工具与工件间相对位置的运动，因此机床构造较简单，一般包括支撑振动系统的机架、工作台面、进给机构以及床身等部分。国产CSJ-2型超声加工机床是其中的代表产品，如图4.2所示。其振动系统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，使导轨能灵活可靠地上下移动。工具的向下进给以及对工件施加压力靠振动系统自重，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减的平衡重锤，除此之外，还有重锤杠杆加载、弹簧夹载、液压或气压加载等加压方式。图4.2 国产CSJ一2型超声加工机床1.支架 2.平衡重锤 3.工作台 4.工具 5.变幅杆 6.换能器 7.导轨 8.标尺4.3

61、超声波铣削加工中材料去除率模型超声波加工中，大量的自由磨粒在工具的超声振动下不断的冲击工件，每个磨粒可以看作一个小压头，其压痕形式和形成的横向裂纹环如图4.3-1所示。超声波铣削加工中工具做旋转运动，同时做超声振动时，情况将与传统超声振动不同。压痕的形式及工件中产生的裂纹如下：当工具回退进入下一个推动磨料冲击工件的循环时，工具旋转到一个新的位置，工具端面下磨料颗粒也相应发生滑动和滚动。因此一个工具冲击周期中产生的压痕大部分与上个周期的压痕重叠在一起。由于压痕作用形成的横向裂纹环被两个环所包围，从而造成切削区大量的刮擦，导致材料的去除。图4.3-1压痕形式和形成的横向裂纹为了建立材料去除率模型，

62、可以假设工件材料为理想的脆性材料，材料去除为脆性断裂方式：所有磨料颗粒尺寸一致，在悬浮液中均匀分布，且在每一个超声振动循环内所有的磨粒都参与切割，超声波振幅、频率、工其直径不变，不考虑加工过程中工具的损耗。在研究单颗磨粒与工件的相互作用的基础上，给出单颗磨粒在一个振动循环内去除的材料体积，然后计算出所有磨粒去除材料之和为整个过程的材料去除率。磨料颗粒在工具端面超声波振动下冲击工件表面，在工件表面形成压痕，每个压痕导致距工件表面深度为Ch的环形横向裂纹，当横向裂纹扩展到工件表面或两相邻的横向裂纹相遇时，一层厚为Ch的工件材料被去除。超声波铣削加工中磨粒受力分析：在超声波铣削加工中，工具上下运动，

63、同时作同步旋转运动。工具端面相对于平衡位置做振幅为A，频率为厂的正弦波运动，其运动方程为y(t)=Asin(2ft)，工具端面的磨料颗粒在工具的推动下做振幅一致的正弦运动，如图4.3-2所示。图4.3-2 工具端面的振动状态在实际超声波加工中，工具头自振幅最高点向下运动，在a时刻接触到磨料颗粒，推动磨粒向下运动，在b时刻磨粒到达其最低位置，由于工件的阻力作用，磨粒能到达最大冲击深度6处。随后工具做反方向运动，在c时刻工具与磨粒脱离接触。因此，由于工具的上下振动，在一个振动周期内，仅部分时间内工具、磨粒及工件发生接触，使磨粒冲击、刮擦工件表面。用t表示一个周期内工件与工具的接触时问，在t2(点a-b)时间内工具端面位移从Y=A-变化为YA，则t值可由下式近似计算： 根据大连理工大学教授冯冬菊在超声波铣削加工材料去除率的理论模型的研究，超声波铣削加工中考虑工具旋转运动后的材料去除率为： (4-3)其中b为比例常数，为每个振动循环中磨粒最大的冲击深度。F为加工静压力，d为磨粒直径, 为工转