USM

USM（Ultrasonic Machining)超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質中或乾磨料中產生磨料的衝擊、拋磨、液壓衝擊及由此產生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法。幾十年來，超聲加工技術發展迅速，在超聲振動系統、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲複合加工領域均有較廣泛的研究和套用，尤其是在難加工材料領域解決了許多關鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。

基本介紹

• 中文名：超聲加工
• 外文名：USM
• 全稱：Ultrasonic Machining
• 利用原理：超聲振動

超聲加工原理

超聲加工的基本裝置主要由超音波發生器、換能振動系統、磨料供給系統、進給壓力施加系統和工作檯等部分組成。超音波發生器的作用是將 220V 或 380V 的交流電轉換成超聲頻電振盪信號；換能器的作用是將超聲頻電振盪信號轉換為超聲頻機械振動；並藉助於變幅桿把振幅擴大到 0.05~0.1mm 左右（超聲發生器產生的超聲頻振幅很小，僅0.005~0.01mm，一般情況下不能直接用於去除材料的加工），驅動工具作超聲振動。

超聲加工原理如圖所示。超聲加工時，在工件和工具之間加入液體（水或煤油）和磨料混合的懸浮液，並使工具以很小的力F輕輕壓在工件上。超音波發生的超聲頻振盪，通過換能器轉換成16000Hz以上的超聲頻縱向振動，並藉助於變幅桿把振幅放大到0.05~0.1mm左右。變幅桿驅動工具作超聲振動，並以工具端面迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度不斷撞擊和研磨工件表面，把工件加工區域內的材料破碎成很細的微粒並打擊下來。雖然每次打擊下來的材料很少，但由於每秒鐘打擊次數多達16000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時，工作液受工具端面超聲振動作用而產生的高頻、交變的液壓正負衝擊波和“空化”作用，促使工作液鑽入被加工材料的微裂縫處，加劇了機械破壞作用。所謂空化作用，是指當工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內形成負壓和局部真空，在工作液體內形成許多微空腔，當工件端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓衝擊波，可以強化加工過程。此外，正負交變的液壓衝擊也使懸浮工作液在加工間隙中強迫循環，使變鈍了的磨粒及時得到更新。超聲加工是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊和拋磨作用等的綜合結果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。既然是基於局部的撞擊作用，可見，越是硬脆的材料，受到的破壞越大，也就越好加工。反之，脆性和硬度不大的塑性材料，由於有緩衝作用而難加工。

超聲加工規律及特點

3.1超聲微細加工的特點

超聲微細加工具有如下特點：

（1）超音波加工是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊和拋磨作用及超聲空化作用的綜合結果，其中，磨粒的撞擊是主要的，越是脆性材料，受撞擊作用遭受的破壞越大，越易於實施超聲加工。超音波適合於加工多種硬脆材料，特別是難以實施電加工的不導電非金屬材料；

（2）超聲微細加工時，工具頭壓力較低，工件表面的巨觀作用力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起工件變形及燒傷，加工精度較高，尺寸精度可達0.01～0.02mm，表面粗糙度 Ra 可達 0.63～0.08μm，很適合加工薄壁、窄縫及低剛度工件；

（3）可用於加工多種形狀的複雜型腔及型面。工具頭可用相對較軟的材料製作，且易於製成較複雜的形狀，在一般情況下，不需要工具頭和工件作比較複雜的相對運動；

（4）超聲加工工具機結構簡單，易於操作、維護。這些特點決定了微細超聲加工在陶瓷、半導體矽等非金屬硬脆材料加工方面的優勢。對於微細超聲加工，壓電或磁致伸縮換能器端部產生的振幅已能滿足微細加工的要求，有可能不再需要變幅桿，但需要增大系統剛性，提高微細加工精度。

但是，微細超聲加工也存在缺點，如加工面積不夠大，效率較低，加工表面粗糙度及加工精度較難精確控制；對於一些韌性較強的金屬的加工，尚不能取得良好的加工效果，有時甚至無法加工；同時，所使用的工具頭整體尺寸較小，磨料對工具頭的磨損相對較大，對工件的加工精度、表面粗糙度相對有很大的影響。

3.2 超聲加工的工藝規律

影響超聲加工速度的因素

超聲加工速度，一般用單位時間內去除工件材料的質量或體積來衡量(g/min 或mm3/min)，在實際加工中，常用單位時間內在主進給方向上工具頭的進給量來表示相對加工速度(mm/min)，其中雖包含工具頭的損耗，但比較直觀、使用方便。影響超聲加工速度的因素較多，主要有：工具頭共振頻率、振幅、工具頭和工件之間的進給壓力、磨料的種類和粒度、懸浮液的質量分數、工作液供給及循環方式、工具頭及工件材料、工具頭

端面形狀等。

1. 超聲頻率和振幅對加工速度的影響一般認為，在一定範圍內頻率恆定、增加振幅，或振幅一定、增加頻率，都可以提高加工速度。但過大的振幅和過高的頻率都會使工具頭或變幅桿承受很大的交變應力，如果

超過其疲勞強度，使用壽命將會大大降低，甚至遭到破壞；在聯接部件的結合面處的能量損耗也將增大，尤其在螺紋聯接處，往往首先發生斷裂損壞因此，超聲加工頻率套用範圍多從 16kHz~25kHz；位移振幅一般在 10~100μm 範圍之內。

2. 工作壓力對加工速度的影響

超聲加工時，工具頭不是定速剛性進給的，而是通過諸如彈簧、磁、液壓作用或重力來實現適應性進給。工具頭作用在工件上的進給壓力即工作壓力，對加工效率有很大的影響。進給壓力主要取決於加工面積和工件材料，在實際加工中，存在著一個適合提高加工效率的最佳工作壓力，在此壓力下可得到最大的加工速度。壓力過小，工具頭端面與工件加工面間隙大，會減弱磨料對工件的衝擊力及打擊深度，且磨料在衝擊過程中的能量損耗過多，可能衝擊減弱甚至不起作用，從而影響加工速度。壓力過大，則工具頭端面與工件加工面間隙變小，會影響工作液的循環，使“新鮮”的磨料不易進入加工區，被蝕除的材料難以排出，同樣不利於加工效率的提高。

3. 工件材料的性質及磨料懸浮工作液對加工速度的影響

工件材料越脆，則承受撞擊載荷的能力越低，在磨料衝擊下也就越容易被去除；相反，如果是韌性好的材料，則不易被加工。懸浮工作液中，磨料的硬度、粒度，磨料和液體的比例及工作液的黏度、表面張力、

密度、比熱容等物理性質對加工效率都有一定的影響。其中，磨料越硬，加工效率越高但硬度高的磨料價格較貴，因此選用時要考慮性能價格比。在磨粒尺寸對加工速度關係曲線中有一極限值，即粒度過粗的磨粒粉末會導致加工速度的下降。磨料質量分數較低時，加工間隙內磨粒總數偏少，特別是加工面積和深度較大時可能造成加工區局部無磨粒的情況，加工速度下降。隨著磨料質量分數加大，加工速度會增加。但質量分數太高，磨粒在加工區域的循環運動和對工件的撞擊運動相互影響，又會導致加工速度降低，常用的質量

分數為磨粒與水的質量比約為 0.5~1 左右。

4. 工具頭材料及形狀對加工速度的影響

超聲加工工具頭的材料太硬，會促使磨料很快變鈍，工具頭本身也容易過量損耗，對提高加工效率很不利。一般採用 45 鋼作為工具頭材料，不必淬火。此外，如果工具頭外形複雜，則不利於磨料懸浮液的流動，也會影響生產率的提高。所以，在設計超聲加工工具頭時，一定要考慮儘可能有利於工作液的循環、補充。

影響超聲加工精度和加工質量的因素

硬脆材料的超聲加工，尺寸精度和表面粗糙度都能達到較高的水準（尺寸精度可達0.002mm，表面粗糙度可達 Ra=0.025μm）。超聲加工精度受工具機、夾具精度、磨料粒度、工具頭精度及磨損情況、工具頭的橫向

振動、加工深度、工件材料性質等多種因素的影響。影響加工表面質量的因素也很多，其中最主要的是磨料的粒度，該因素不但對加工效率有較大的影響，對加工精度與表面質量的影響也十分明顯。磨料越細，加工精度越高，表面質量也越好，因此要想達到某種等級的加工精度和表面粗糙度，並且還要保持較高的加工速度，選擇磨料粒度的粗細是至關重要的。如超聲加工微細孔，為提高孔的精度，減小圓孔加工誤差，可將加工分為粗、精加工兩步，相應更換磨料粒度。

在超聲加工過程中，磨料會由於衝擊而逐漸磨鈍並破碎，這些已磨鈍和破碎的磨粒會影響加工精度，所以既要選擇均勻性好的磨料，還應經常更新磨料。超聲工具頭的磨損，會使加工出來的孔邊緣出現圓角，故及時更新工具頭也很重要。另外，隨著工具頭振幅的增大，傳遞到磨粒上的能量也增大，磨粒對工件的撞擊烈，工件表面上留下的凹坑也較大，從而使表面粗糙度增大。被加工材料脆性越大，加工表面粗糙度會增大；工件硬度高，加工表面粗糙度會低一些。

假如不用磨料，而只用振動的超聲工具頭直接縱向“錘擊”工件表面，只可能使工件表面產生微弱損傷，實際上並沒有材料巨觀去除。一般認為，常規超聲加工還依靠切變應力將材料去除，磨料在超聲工具頭的衝擊下產生的應力含有切向成分，此切向分量對加工過程中材料的去除起著重要作用。正負交變的液壓衝擊，也強迫磨料懸浮工作液在加工間隙中循環流動，使磨料不斷更新，並帶走被粉碎下來的材料微粒。隨著加工工具頭逐漸“深入”到被加工材料中，加工工具頭的形狀便復現在工件上了。