[科普中国]-超声加工

超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，英文简称为 USM。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。

简介超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。超声加工在几十年里的到了迅猛发展，尤其是在难加工材料领域解决了很多关键的工艺问题，取得了良好的效果。难加工材料促进了超声加工技术的发展，从而进一步促进了新材料的发展，可以预测，超声加工技术的应用将会越来越广泛1。

历史1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上；1951年，美国的科恩制成第一台实用的超声加工机。

二十世纪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。1964年，英国又提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时，加工速度低和精度差的缺点。

工作原理超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型2。

使用材料超声波加工塑性材料用刚玉磨料，脆性材料用碳化硅磨料，加工硬质合金用碳化硼磨料，加工金刚石则用金刚石粉磨料。

焊接原理通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续，有些许保压时间，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料本体强度2。

应用方法一、 熔接法：

以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。

二、 铆焊法：

将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。

三、 埋植：

藉着焊头之传道及适当之压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留入塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。

四、 成型：

本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压着于塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶溶融成形而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。

五、 点焊：

A、 将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。

B、 对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。3

六、 切割封口：

运用超音波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

主要特点不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。

超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的精度可达0.02～0.05毫米。表面粗糙度在采用W40碳化硼磨料加工玻璃时可达1.25～O.63微米，加工硬质合金时可达0.63～0.32微米。

超声加工机一般由由电源(即超声发生器)、振动系统(包括超声换能器和变幅杆)和机床本体三部分组成。

超声发生器将交流电转换为超声频电功率输出，功率由数瓦至数千瓦，最大可达10千瓦。通常使用的超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类。磁致伸缩换能器又有金属的和铁氧体的两种，金属的通常用于千瓦以上的大功率超声加工机；铁氧体的通常用于千瓦以下的小功率超声加工机。电致伸缩换能器用压电陶瓷制成，主要用于小功率超声加工机。

变幅杆起着放大振幅和聚能的作用，按截面积变化规律有锥形、余弦线形、指数曲线形、悬链线形、阶梯形等。机床本体一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置1。

超声加工的发展二维超声技工技术随着难加工材料精度要求的提高，特别是航空 航天零件，一维超声加工已经明显不能满足生产的需要，二维超声振动加工应运而生了。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。 Chandra Nath 等人研究硬质合金刀尖圆弧半径在超声椭圆振动切削下的影响中，阐述了刀具的几何形状，特别是刀具的圆弧半径对一维超声振动切削性能的影响。利用实验表明了刀具圆弧半径在 0.6mm 或更低（例如0.2mm 或 0.4mm）和更高的圆弧半径（例如 0.8mm）下，超声椭圆振动切削在各个方面明显表现更好。N.Suzuki 等人利用超声椭圆振动切削钨合金模具的光学玻璃零件中表明，由于传统振动切削不能获得更准确的精度，主要是因为刀具的快速磨损，脆性材料的破裂及黏糊在刀具上。而超声椭圆切削能获得更实用的超精密模具，成功应用于玻璃的成型。我国设计出高频超声椭圆振动精密切削，其相对一般的椭圆振动和普通低频超声振动具有减低切削力、提高加工精度的效果，并且可采用更高切削速度，从而可以提高工作效率。但是，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深入研究2。

超声振动切削技术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,收到了令人满意的效果,具有较好的发展前景。

北京装甲兵技术学院提出了一种超声微振车削的新工艺。其特点是功率小(50 W)、振幅小(2~5μm),同样可获得一般振动车削的效果。

超声振动切削的应用也日趋广泛，对其的研究主要应从几个方面进行：

（1）研制和采用新的刀具材料；

（2）研制和采用高效的振动切削系统；

（3）对振动切削机理深入研究；

（4）超声椭圆振动切削的研究与推广；

（5）超声铣削加工技术。

微细超声加工微细超声加工在原理上与常规的超声加工相似，是通过减小工具直径、磨料粒度和超声振幅来实现。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、工程陶瓷等脆硬材料在微机械中的广泛应用，使脆硬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。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热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。

数控超声加工当前，制造业现代化水平不断提高，机床向数控方向不断发展，而我国制造行业和企业的生产加工装备绝大多数仍是传统的机床，比如车床、铣床、磨床、钻床、镗床等，其刀具相对工件作直线运动，使得其加工精度远远不能满足需求，直接影响企业的生存和发展。将超声加工技术应用到数控机床上，使得刀具相对工件作不规则运动，使工件精度得以进一步提高2。

结语超声加工不仅是克服了一些特殊材料不易被加工的缺点，而且还提高了加工精度，缩短了加工时长，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。

超声加工技术的新进展，比如微细超声加工、数控超声加工技术等。这些技术的研究又促进了我们对新材料的研究，又反过来促进技术的发展，这使得超声加工技术的不断发展与完善。超声加工不仅仅是在工业上得到了应用，而且还在医学、生活中等得到了应用。在生活中得到广泛应用的就是超声清洗技术，它帮助人们解决了对一些物品清洗困难的问题，比如抽油烟机、手表整体机芯、表带等。

因此，可以预见，超声加工技术在未来将得到不可限量的发展，不断的覆盖到各个领域与行业1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学