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一文让你知道什么是超声波加工

来源: | 发布日期:2022-03-28

人耳可以听到的声波频率范围为16Hz~20kHz,人们通常把频率低于16Hz的声波称为次声波,频率大于 20kHz的声波称为超声波,超声波频率的上限是1014 Hz。人们还把频率在0.5×109Hz以上的波称为特超声或微波超声,见表1-1。人耳听不见的次声和超声,很多动物都能感受到,比如鲸鱼、海豚等可以用超声波来指路,蝙蝠能发出超声,再接收其回声,借以探路和捕食等。可见次声波和超声波也是客观存在的。

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由于人耳听不到超声,所以对它的研究比较晚,直到20世纪生产和科学有了相当发展,对超声的研究和应用有了可能和需要之后,超声学才发展起来。除遵循声波传播的基本规律外,超声波还有许多独特的性质和优点。例如,超声波传播的方向性较强;超声波传播过程中,介质质点振动的加速度非常大;在液体介质中,当超声波的强度达到一定值后便产生空化现象等。这些特点使得超声学得到了快速的发展,同时,其应用领域也非常广泛,并具有广阔的应用前景。超声加工技术是超声学的一个分支。

超声加工(ultrasonic machining, USM)是利用超声振动的工具,在有磨料的液体介质或千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,或在工具或工件上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。超声加工具有很强的工艺优势,切削力小、切削热低、工件表面质量高、 精度高、切屑易处理、刀具耐用高、加工稳定、生产率高,能很好地解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件加工问题,作为新兴的特种加工技术受到了国内外专家和学者的广泛关注,是机械加工行业的一个重要发展方向之一。

超声加工一词最早出现在文献上大约在1940年。早在1927 年,美国物理学家伍德(R. W. Wood)和卢米斯(A. L. Loomis)最早做了超声加工试验,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。直到在文献上第一次出现超声加工。工艺技术描述以后,超声加工才吸引了大家的注感,并且逐渐融入到其他工业领城。1957年,美国的A.S科恩制造成第一台实用的超声加工机,并引起广泛关注,为超声加工技术的发展奠定了基础。

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我国超声加工技术的研究始手20世纪50年代未,由于当时超声波发生器、换能器、声振系统的不成熟,缺乏合理的组织和持续的研究工作,很快就冷了下来。60年代末开始了超声振动车削的研究,1973 年上海超声波电子仪器厂研制成功 CNM-2型超声研磨机。1982年,上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器斥研制成功超声拉管设备,为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1983年10月,原机械电子工业部科技司委托 《机械工艺师》杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”,会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用,交流了研究和应用成果,促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。1985 年,广西大学、南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一套“CZQ-250A 型”超声振动切削系统。同年,原机械电子工业部第 11 研究所研制成功超声旋转加工机,在玻璃、陶瓷、YAG 激光晶体等硬脆材料的钻孔、 套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中,取得了良好的工艺效果。1987 年,北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、 拋光加工技术,并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。1989年,我国研制成功超声珩磨装置。1991年研制成功变截面细长杆超声车削装置。到 1993 年为止,我国己发表了300 多篇有关超声加工方面的科学研究论文。

20世纪末到本世纪初的十几年间,我国的超声加工技术发展迅速,在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究,尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体 等难加工材料领域解决了许多关键性问题,取得了良好的效果。例如,哈尔滨工业大学谢涛等采用有限元法对传统拉丝和超声拉丝过程进行仿真研究,并研制了一套拉丝实验系统,通过研究超声振动对金属丝拉拔过程的影响,发现超声拉丝明显降低了拉拔力,改善了表面质量,金属丝不均匀变形减小,为更好地掌握超声波在拉丝加工中的作用机理及拉丝加工的塑性成形规律提供了科学依据。吕正兵、徐家文对工程陶瓷超声加工进行了基础的实验研究,得出了工程陶瓷超声加工的一些规律,为今后工程陶瓷的应用提供了更为广周的前景。王超群等利用改装后的数控超声加工装置对Al2O3,进行了工艺试验,其数控超声加工是对传统超声加工的技术创新,具有传统超声加工所无法比拟的特点,初步掌握了对Al2O3的加工工艺规律。郑建新等通过数学物理模型分析超声加工声学系统的动力学规律,探讨工具杆的局部共振现象,得出当工具杆发生局部共振时,变幅杆和工具杆连接处为位移节点,且此时系统处于谐振状态的结论,并推导了超声波发生器的可调频率范围与刀具杆的磨损率关系。

可以相信,随着超声加工设备的不断完善和理论研究的不断深人,超声加工技术必将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。

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