為什么說(shuō)微細(xì)超聲波加工是硬脆材料的“克星”

超聲波的特性

超聲波是聲波的一部分，它可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播，但由于超聲波頻率高、波長(zhǎng)短、能量大，所以傳播時(shí)方向性強(qiáng)，反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。超聲波具有傳遞很強(qiáng)的能量、空化作用、反射、透射和折射現(xiàn)象、在一定條件下會(huì)產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象等性質(zhì)。

超聲波加工的基本原理

超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過(guò)磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成形方法。超聲波加工原理如圖1所示。加工時(shí)，由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的16000Hz以上的高頻電流作用在超聲波換能器振動(dòng)系統(tǒng)上產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)變幅桿放大后可在工具端面產(chǎn)生縱向振幅達(dá)0.01～0.1mm的超聲波振動(dòng)。工具的形狀和尺寸取決于被加工面的形狀和尺寸，常由韌性材料制成，如未淬火的碳素鋼。工具與工件之間充滿工作液，工作液通常是在水或煤油中混有碳化硼、氧化鋁等磨料的懸浮液。加工時(shí)，由超聲波換能器引起的工具端部的振動(dòng)傳送給工作液，使磨料獲得巨大的加速度，猛烈撞擊工件表面，再加上超聲波工作液中的空化作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)磨料對(duì)工件的沖擊破碎，完成切削功能。通過(guò)選擇不同工具的端部形狀和不同的運(yùn)動(dòng)方法，可進(jìn)行不同的微細(xì)加工。圖2所示為超聲波發(fā)生器。圖1

超聲波加工原理1—工具

2—工件3—磨料懸浮液4、5—變幅桿6—超聲換能器7—超聲波發(fā)生器

圖2

所示為超聲波發(fā)生器由此可見(jiàn)，超聲波加工是磨粒在超聲波振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。既然超聲加工是基于局部撞擊作用，因此就不難理解，越是脆硬的材料，受撞擊作用遭受的破壞大：越易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工，根據(jù)這個(gè)道理，人們可以合理選擇工具材料，使之既能撞擊磨粒，又不致使自身受到破壞，例如用45鋼作工具即可滿足上述要求。超聲波加工的特點(diǎn)

1）適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料。例如，玻璃、陶瓷（氧化鋁、氮化硅等）、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石，金剛石等。對(duì)于導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鈦合金等，也能進(jìn)行加工，但加工生產(chǎn)率較低。

2）由于工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，故不需要使工具和工件做比較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此超聲波加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只需一個(gè)方向輕壓進(jìn)給，操作、維修方便。但若需要加工尺寸較大、形狀復(fù)雜而精密的三維結(jié)構(gòu)的零件，仍需設(shè)計(jì)和制造三坐標(biāo)數(shù)控超聲波加工機(jī)床。

3）去除加工材料是靠極小磨料瞬時(shí)局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會(huì)引起變形及燒傷，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.63~0.08μm尺寸精度可達(dá)0.01～0.02mm，也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。

4）超聲波加工設(shè)備的幾何尺寸較小，設(shè)備成本低。

5）超聲波加工的面積不夠大，而且工具頭磨損較大，故生產(chǎn)率較低。

6）圓柱形孔深度以工具直徑的5倍為限。

7）工具的磨損使鉆孔的圓角增加，尖角變成了圓角，這意味著為了鉆出精確的不通孔，更換工具是很重要的。

8）由于進(jìn)入工具中心處的有效磨粒較少，因懸浮液的分布不適當(dāng)，使型腔的底部面產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)，故加工表面的精度有所降低。在這種情況下，唯一的解決辦法是重新設(shè)計(jì)工具。超聲波加工的應(yīng)用

超聲波加工的生產(chǎn)率雖然較低，但其加工精度、表面粗糙度都比較好，而且能加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、玉石、鎢及合金、瑪瑙、金剛石等，除此之外，也可以加工寶石軸承、拉絲模、噴絲頭，還可以用于超聲拋光、光整加工、復(fù)合加工，也可用于清洗、焊接、醫(yī)療、電鍍、治金等許多方面，隨著科技的發(fā)展，超聲波加工應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛。

（1）型腔、型孔加工。超聲波加工目前在各工業(yè)部門(mén)中主要用于對(duì)脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細(xì)孔等。

（2）切割加工。用普通機(jī)械加工切割脆硬的半導(dǎo)體材料是很困難的，采用超聲波切割則較為簡(jiǎn)單。圖3所示為用超聲波加工法切割單晶硅片。圖3

用超聲波切割單晶硅片

（3）復(fù)合加工。在超聲波加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等硬質(zhì)金屬材料時(shí)，加工速度較低，工具損耗較大。為了提高加工速度及降低工具損耗，可以把超聲液加工和其他加工方法相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合加工。例如采用超聲波與電化學(xué)或電火花加工相結(jié)合的方法來(lái)加工噴油嘴、噴絲板上的小孔或窄縫、可以大大提高加工速度和質(zhì)量。

（4）超聲波清洗。超聲波清洗的原理主要是基于超聲頻振動(dòng)在液體中產(chǎn)生的交變沖擊波和空化作用。超聲波在清洗液（汽油、酒精、丙酮等）中傳播時(shí)液體分子往復(fù)高頻振動(dòng)產(chǎn)生正負(fù)交變的沖擊波。當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，液體中急劇生長(zhǎng)微小空化氣泡并瞬時(shí)強(qiáng)烈閉合，產(chǎn)生的微沖擊波使被清洗物表面的污物遭到破壞，并從被清洗表面上脫落下來(lái)。即使是被清洗物上的窄縫、細(xì)小深孔、彎孔中的污物，也很易被清洗干凈。雖然每個(gè)微氣泡的作用并不大，但每秒鐘有上億個(gè)空化氣泡在作用，就具有很好的清洗效果。

圖4

所示為超聲波清洗機(jī)

（5）超聲波焊接。超聲波焊接的原理是利用超聲頻振動(dòng)作用，去除工