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超声波加工 姓名：刘钦 学号：0923830 超声波加工概述 超声加工（USM，Ultrasonic Machining）是利用超声振动的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，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。不仅可加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合于不导电的非金属硬脆材料的精密加工和成形加工。超声波在农业、国防、医疗等方面用途十分广泛。 早期的超声加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的。但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。 近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以1000—5000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小。 超声波加工原理 超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形加工方法，加工原理如图所示。超声波发生器产生1.6万Hz以上高频交流电源，输送给超声换能器，产生超声波振动。 加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.05～0.1mm左右，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 超声波加工特点 （1）适合加工各种硬脆材料，尤其是电火花加工等无法加工的不导电非金属材料，如玻璃、陶瓷、人造宝石、半导体等。 （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 四、应用 （l）加工型腔、型孔。具有精度高表面质量好的优点。加工某些冲模、型腔模、拉丝模时，先经电火花、电解及激光加工后，再用超声波研磨抛光，以减小表面粗糙度值，提高表面质量。 （2） 切割加工 超声精密切割半导体、铁氧体、石英、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，超声切割高7mm、宽15-20mm的锗晶片，可在3.5min内切割出厚0.08mm的薄片；超声切割单晶硅片一次可切割10-20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内可加工4片；在4mm2的陶瓷元件上，加工0.03mm厚的陶瓷片振子，0.5-1min以内，可加工18片，尺寸精度可达正负0.02mm，如图所示。 1—变幅杆；2—工具（薄钢片）； 1—变幅杆；2—焊缝；3—铆钉； 3—磨料液；4—工件 4—导向片；5—软钢刀片 （a）超声切割单晶硅片示意图 （b）刀具 （c）切割成的陶瓷模块 （3）超声清洗超声清洗 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。 超声清洗时，应合理选择工作频率