一  超声波加工的基本原理和特点
   

   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16—16000Hz。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。具有如下特性：

   

    1）超声波可在气体、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  
 

     C=λf （5－1） 
 

    式中 C--超声波传播速度（m／S）； 
 

    λ--波长（m）； 
 

    f--频率（HZ）。

   

   2）超声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＝A*cos（ω*t + ψ） （5－2） 
 

    式中 x--质点运动的位移（m）； 
 

    A--振幅（m）； 
 

   ω--圆频率（rad／S）； 
 

    t--时间（s）； 
 

    ψ--振动的相位角（rad）。 

   

    3）超声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,超声加工中的能量强度高达几百瓦／平方厘米，且90％作用于工件表面。

   

    4）超声波会产生反射、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加工能量。这是因为，超声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。

   

    5）超声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。因超声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，内部压力下降，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。

 

 

     2、超声波加工的基本原理
   

    超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．01mm，再经变幅杆放大至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，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，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、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，故尤其适于超声加工.

 

     3、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、石英、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Ra0．63—0．08um，尺寸精度可达正负0．03mm，也适于加工薄壁、窄缝、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，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。

   

   4）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

 

 

    4、超声加工设备的主要组成
   

    l）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）的作用是将工频交流电转换为功率为20--4000W的超声频振荡，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。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。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：  
  

   ① 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。

   

   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、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，以进行超声加工。

   

    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。 
 
   

    ①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。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. 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。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加工。

   

 

    ②压电效应超声波换能器 
   

 

    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。

   

 

    3）变幅杆
   

     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振动振幅，以满足超声加工的需要。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。