醫(yī)學(xué)教材 超聲加工的基本原理和特點(diǎn)

超聲加工

UltrasonicMachining聲波是一種縱波，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中縱向(前進(jìn)方向)傳播，在傳播過(guò)程中有反射、折射、共振和損耗等現(xiàn)象發(fā)生。聲波傳播速度c與波長(zhǎng)

λ和頻率f之間的關(guān)系為：c=λ

f人耳能感受的聲波頻率范圍是16～16000Hz；頻率超過(guò)16000Hz的縱波稱(chēng)為超聲波。頻率低于16Hz的聲波即為次聲波。UltrasonicMachining/USM1.超聲加工的基本原理和特點(diǎn)一、超聲波及其特性

那么，次聲波為何會(huì)造成人員不流血卻出現(xiàn)嚴(yán)重傷亡的現(xiàn)象呢?科學(xué)研究表明：人體的內(nèi)臟，有其固有的振動(dòng)頻率，而這種頻率也在0.01—20赫茲之間，也就是說(shuō)，它和次聲波的頻率相似。這樣一來(lái)，當(dāng)外來(lái)的次聲波不管是自然形成的，還是人為制造的，一旦它的振動(dòng)頻率與人體內(nèi)臟的振動(dòng)頻率相同或接近時(shí)，就會(huì)引起各種臟器的共振，這一共振便會(huì)使人煩躁、耳鳴、頭痛、失眠、惡心、視覺(jué)模糊、吞咽困難、肝胃功能失調(diào)紊亂；嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使人四肢麻木、胸部有壓迫感。特別是與人的腹腔、胸腔和顱腔的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，就會(huì)與內(nèi)臟、大腦等產(chǎn)生共振，甚至危及性命。一、超聲波及其特性——次聲波

次聲波頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)，所以傳播距離很遠(yuǎn)。次聲波的另一個(gè)重要特性是有較強(qiáng)的穿透能力，既能穿透空氣、海水、土壤，也能穿透飛機(jī)機(jī)體、艦艇殼件、坦克車(chē)體，以及堅(jiān)固的鋼筋混凝土構(gòu)體。一、超聲波及其特性超聲波的主要性質(zhì)：

1）超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量能量的大小以能量密度J（通過(guò)垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量）來(lái)衡量。振幅相同時(shí)，液體、固體中的超聲波強(qiáng)度、功率、能量密度都比空氣中的聲波高千萬(wàn)倍。2）超聲波經(jīng)過(guò)液體介質(zhì)傳播時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)將以極高的頻率振動(dòng)，液體介質(zhì)中連續(xù)形成壓縮及稀疏區(qū)域，由此產(chǎn)生壓力正、負(fù)交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象，在鄰近的零件表面上產(chǎn)生破壞、分散、碎裂等效應(yīng)ρ

彈性介質(zhì)的密度，c彈性介質(zhì)中的波速，A振幅，ω圓頻率3）超聲波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，界面上波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量發(fā)生的大小決定于兩種介質(zhì)的波阻抗(密度與波速的乘積ρc稱(chēng)為波阻抗)，介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過(guò)界面時(shí)能量的反射率愈高。一、超聲波及其特性4）在一定條件下，超聲波會(huì)產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。當(dāng)超聲波從彈性桿的一端向另一端傳播時(shí)，會(huì)在桿的端部發(fā)生反射。入射波反射波振幅最大，波腹位置振幅為零，波節(jié)位置

超聲加工是磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用、液壓沖擊的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。二、超聲加工的基本原理

空化作用：當(dāng)工具端面以很大的加速度離開(kāi)工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大加速度接近工件表面時(shí)，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可以強(qiáng)化加工過(guò)程。Simulation1）適合于加工硬脆材料；2）工具形狀可以較復(fù)雜，而機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；3）宏觀切削力很小，所以工件被加工表面完整性較好。三、超聲加工的特點(diǎn)Video傳統(tǒng)的超聲加工原理圖振蕩電路換能器變幅桿靜壓力工具磨料流工件振幅分布四、超聲加工的歷史與發(fā)展——加工技術(shù)的發(fā)展超聲加工技術(shù)最早可追溯到1907年俄國(guó)人首次利用超聲能量來(lái)加工玻璃；但直到1948年才由美國(guó)工程師LewisBalamuth獲得世界上第一項(xiàng)超聲加工專(zhuān)利。傳統(tǒng)的超聲加工(USM)：早期的超聲加工主要依靠工具作超聲頻振動(dòng)，使懸浮液中的磨料獲得沖擊能量，從而去除工件材料達(dá)到加工目的，但加工效率低，并隨著加工深度的增加而顯著降低。旋轉(zhuǎn)式超聲加工(RUM)：1964年英國(guó)原子能管理局的技術(shù)官員萊格(Legge)首次發(fā)明了旋轉(zhuǎn)式超聲加工(Rotaryultrasonicmachining)方法，采用燒結(jié)或鍍金剛石的中空工具，既作超聲頻振動(dòng)，同時(shí)又繞本身軸線(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)式超聲加工，如圖所示。RUM比一般超聲波加工和磨削加工有更高的生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。RUM結(jié)合了傳統(tǒng)金剛石磨削加工技術(shù)和USM技術(shù)，與USM相比有兩大主要區(qū)別：1)RUM使用的磨粒固結(jié)在工具桿上，而USM中利用在工具桿端部和工件之間的游離于液體中的磨料對(duì)工件表面進(jìn)行撞擊而去除材料。2)RUM中工具桿在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行超聲振動(dòng)，而USM中工具桿只作超聲振動(dòng)。金剛石磨輪工件冷卻液冷卻液冷卻液超聲振動(dòng)旋轉(zhuǎn)四、超聲加工的歷史與發(fā)展——加工技術(shù)的發(fā)展旋轉(zhuǎn)式超聲加工原理圖復(fù)合超聲加工技術(shù)：隨著新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大以及現(xiàn)代檢測(cè)、控制技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，各國(guó)研究者深入研究難加工硬脆材料的超聲加工技術(shù)，研究?jī)?nèi)容涉及材料去除機(jī)理、加工質(zhì)量和工具磨損機(jī)理研究、超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究、新型復(fù)合加工機(jī)床設(shè)備研制等；特別是將超聲加工技術(shù)與其他各種不同的傳統(tǒng)加工技術(shù)和特種加工技術(shù)相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，形成了硬脆材料新的超聲復(fù)合加工技術(shù)：

1)超聲加工技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合，如超聲車(chē)削、超聲鉆削、超聲磨削、超聲拋光等

。

2)超聲加工技術(shù)與其他特種加工技術(shù)相結(jié)合，如超聲波輔助電火花加工、超聲波輔助電鍍、超聲波輔助電解加工等

。四、超聲加工的歷史與發(fā)展——加工技術(shù)的發(fā)展2.超聲加工設(shè)備及其組成部分一、超聲波發(fā)生器超聲發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動(dòng)和去除被加工材料的能量。基本要求：輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；具有頻率自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)微調(diào)功能；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，價(jià)格便宜。二、聲學(xué)部件聲學(xué)部件的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，使工具端面作高頻小振幅振動(dòng)以進(jìn)行加工。聲學(xué)部件由換能器、變幅桿和工具組成。VibrationengineBooster/HornTool二、聲學(xué)部件換能器：將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。分壓電式及磁致伸縮式。二、聲學(xué)部件——換能器磁致伸縮換能器壓電換能器二、聲學(xué)部件——變幅桿(1)用來(lái)放大位移振幅(或振速)，或者把能量集中在較小的面積上即聚能作用。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的共振頻率(即諧振頻率)和外激振動(dòng)頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。(一)變幅桿的作用：(2)作為機(jī)械阻抗變換器，使換能器與聲負(fù)載更好地匹配耦合，更有效地在換能器與聲負(fù)載之間傳遞交換超聲能量。(3)用來(lái)固定整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)(在波節(jié)處固定)，從而盡可能地減少機(jī)械能量的損耗。(4)使換能器和工作媒質(zhì)之間獲得熱學(xué)和化學(xué)上的隔絕。二、聲學(xué)部件——變幅桿(二)變幅桿的性能參數(shù)

超聲變幅桿的性能可以用許多參量來(lái)描述。在實(shí)際應(yīng)用中較為常用的是：共振頻率(共振長(zhǎng)度)，放大系數(shù)，形狀因數(shù)等等。放大系數(shù)Mp是指變幅桿工作在共振頻率時(shí)，輸出端與輸入端的質(zhì)點(diǎn)位移或速度振幅的比值；形狀因數(shù)

是衡量變幅桿所能達(dá)到最大振動(dòng)速度的指標(biāo)之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，

值越大，所能達(dá)到的最大振動(dòng)速度也越大；

二、聲學(xué)部件——變幅桿(三)變幅桿的類(lèi)型——單一變幅桿階梯形變幅桿：設(shè)計(jì)制造最簡(jiǎn)單，當(dāng)面積系數(shù)一定時(shí)，振幅放大系數(shù)最大，半波共振長(zhǎng)度最短；但共振頻率范圍較小，受負(fù)載后放大倍數(shù)小，截面變化處應(yīng)力較大。懸鏈形變幅桿：放大系數(shù)較大，輸入阻抗特性最好；但制造困難，當(dāng)放大倍數(shù)過(guò)大時(shí)，常因應(yīng)力過(guò)大而損壞。指數(shù)形變幅桿：一般在大功率、高聲強(qiáng)的狀態(tài)下工作，工作性能穩(wěn)定，振幅放大倍數(shù)相對(duì)較大，阻抗較容易匹配；但制造困難，放大系數(shù)小，截面變化不能過(guò)大，否則振動(dòng)無(wú)法傳播。圓錐形變幅桿：制造容易，共振長(zhǎng)度長(zhǎng)，頻率穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度大；但振幅放大倍數(shù)相對(duì)較小，半波共振長(zhǎng)度最長(zhǎng)。在選用變幅桿的類(lèi)型時(shí)，應(yīng)從三個(gè)方面來(lái)考慮，一是設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，容易獲得較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；二是要注意制造的難易程度；三是要根據(jù)振動(dòng)切削的具體要求，特別是放大倍數(shù)、工作穩(wěn)定性、切削用量等來(lái)選擇合適的變幅桿。二、聲學(xué)部件——變幅桿(四)變幅桿的材料對(duì)材料的要求是：(1)在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗??；(2)材料的疲勞強(qiáng)度高，而聲阻抗率小，以獲得較大的振動(dòng)速度和位移速度；(3)易于機(jī)械加工。作液體處理應(yīng)用時(shí)還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕。適合上述要求的金屬材料有鋁合金、銅鎳合金，如硬質(zhì)合金、鈹青銅及鈦合金等。鈦合金的性能較好，但機(jī)械加工較困難，價(jià)格昂貴；鋁合金加工容易，但抗超聲空化腐蝕很差，鋼損耗較大。二、聲學(xué)部件——工具工具的形狀和尺寸由被加工表面的形狀和尺寸決定，它們之間相差一個(gè)“加工間隙”。DMG金剛石刀具三、機(jī)床超聲波加工時(shí)，工具與工件間作用力很小，加工機(jī)床只須實(shí)現(xiàn)工具的工作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及調(diào)整工具與工件間相對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床構(gòu)造較簡(jiǎn)單，一般包括支撐振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)架、工作臺(tái)面、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分。國(guó)產(chǎn)CSJ-2型超聲加工機(jī)床是其中的代表，如圖所示。其振動(dòng)系統(tǒng)安裝在一根能上下移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活可靠地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給以及對(duì)工件施加壓力靠振動(dòng)系統(tǒng)自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后面有可加減的平衡重錘，除此之外，還有重錘杠桿加載、彈簧加載、液壓或氣壓加載等加壓方式。1-平衡重錘2-支架3-工作臺(tái)4-工件5-工具6-懸浮液7-變幅桿8-換能器9-導(dǎo)軌10-標(biāo)尺CSJ-2型超聲加工機(jī)床

三、機(jī)床——DMG公司產(chǎn)品DMG公司Ultrasonic系列機(jī)床

三、機(jī)床——DMG機(jī)床在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用陶瓷剎車(chē)片硬質(zhì)鋼壓鑄模具Si3N4聯(lián)軸器模具玻璃陶瓷反射鏡陶瓷軸承陶瓷注塑?chē)娮烊C(jī)床——DMG機(jī)床在半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用硅制波型板硅制波型板架硅制螺桿硅制功能元件PC讀/寫(xiě)頭上的陶瓷滑塊硅制熱敏/冷敏元件三、機(jī)床——DMG機(jī)床在光學(xué)、醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用玻璃/石英砂內(nèi)窺鏡透鏡控制盤(pán)牙冠玻璃陶瓷鏡架望遠(yuǎn)鏡鏡片三棱鏡三、機(jī)床——國(guó)外超聲加工機(jī)床RotaryCNCSeries10BedmillSonic-Mill超聲磨削機(jī)床夫瑯和費(fèi)研究所三、機(jī)床——國(guó)外超聲加工機(jī)床超音波加工機(jī)大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所USM-100F20S-D超音波工業(yè)株式會(huì)社三、機(jī)床——國(guó)產(chǎn)超聲加工機(jī)床CNC三軸精密自動(dòng)鉆孔臺(tái)灣克硬企業(yè)有限公司經(jīng)濟(jì)型超聲加工機(jī)無(wú)錫市超聲電子設(shè)備有限公司3.超聲加工工藝指標(biāo)與影響因素除受機(jī)床、夾具精度影響外，主要由磨料粒度、工具制造精度及磨損狀況、工具橫向振動(dòng)、加工深度、被加工材料性質(zhì)決定。一、加工速度g/min,mm3/min影響因素：

1）工具的振幅與頻率；

2）進(jìn)給壓力；

3）磨料的種類(lèi)和粒度；

4）磨料懸浮液濃度；

5）被加工材料。二、加工精度三、表面質(zhì)量

無(wú)燒傷及表面變質(zhì)層，表面粗糙度較低。4.超聲加工的應(yīng)用一、傳統(tǒng)超聲加工型孔、型腔成形、切割加工等二、超聲復(fù)合機(jī)械加工超聲磨削、超聲鉆削、超聲拋光、超聲珩磨等三、超聲與其他特種加工相復(fù)合超聲電化學(xué)加工、超聲電火花加工等四、超聲清洗五、超聲焊接ZrO2Al2O3一、傳統(tǒng)超聲加工

一、傳統(tǒng)超聲加工二、超聲復(fù)合機(jī)械加工玻璃ZrO2超聲磨削二、超聲復(fù)合機(jī)械加工超聲鉆削超聲清洗機(jī)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。強(qiáng)烈沖擊波，直接使被清洗部位上的污物脫落下來(lái)；空化作用產(chǎn)生的空化氣泡滲透到污物與被清洗部位表面之間，促使污物脫落；在污物被清洗液溶解的情況下，空化效應(yīng)可加速溶解過(guò)程。四、超聲清洗

利用超聲頻振動(dòng)作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本體表面顯露出來(lái)，并在兩個(gè)被焊工件表面分子的高速振動(dòng)撞擊下，摩擦發(fā)熱，粘接在一起。五、超聲焊接超聲焊接塑料:

用超聲波去帶動(dòng)焊接頭的高速振動(dòng)，使兩塊塑料的接合面產(chǎn)生磨擦熱，瞬間熔化接合。五、超聲焊接不僅可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化股的鋁制品等，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆薄層。由于超聲焊接不需要外加熱和焊劑，焊接熱影響區(qū)很小，施加壓力微小，故可焊接直徑或厚度很小的（0.015-0.03）不同金屬材料，也可焊接塑料薄纖維及不規(guī)則形狀的硬熱塑料。目前，大規(guī)模集成電路引線(xiàn)連接等，已廣泛采用超聲焊接。一、原理第二節(jié)水射流切割WaterJetCutting/WJC

二、設(shè)備和工具超高壓水射流發(fā)生器（高壓泵）數(shù)控加工平臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)噴嘴水射流切割是利用高壓高速液流沖擊工件，達(dá)到去除材料的目的；有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)水切割，或俗稱(chēng)水刀。加工前三、應(yīng)用剛開(kāi)始加工的瞬間三、應(yīng)用三、應(yīng)用三、應(yīng)用水刀與工廠(chǎng)自動(dòng)化一項(xiàng)切割技術(shù)的新組合四、磨料水射流工藝四、磨料水射流工藝四、磨料水射流工藝ButterflyEffect

AlteredblownglassbyNoelHart2008

Waterjetcutglasspieces第三節(jié)離子束加工一、離子束加工的原理、分類(lèi)和特點(diǎn)

離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。IonBeamMachining，簡(jiǎn)稱(chēng)IBM

離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理與電子束加工原理基本類(lèi)似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實(shí)現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍，故在電場(chǎng)中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能。離子束加工是靠微觀機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。（一）離子束加工的原理一、離子束加工的原理、分類(lèi)和特點(diǎn)（二）離子束加工分類(lèi)

1）離子刻蝕離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個(gè)剝離，又稱(chēng)離子銑削，其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工。

2）離子沉積離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。

3）離子鍍離子同時(shí)轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。

4）離子注入離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當(dāng)大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械物理性能。Video一、離子束加工的原理、分類(lèi)和特點(diǎn)（三）離子束加工的特點(diǎn)

1)離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。

2)離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。

3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。

4）設(shè)備昂貴，加工成本高，應(yīng)用受到一定限制。二、離子束加工裝置

1）離子源；

2）真空系統(tǒng)；

3）控制系統(tǒng)；

4）電源。三、離子束加工的應(yīng)用（一）刻蝕加工撞擊、濺射過(guò)程集成電路及微電子器件刻蝕（二）離子束鍍膜濺射沉積過(guò)程離子鍍（三）離子注入半導(dǎo)體“摻雜”工藝

耐熱玻璃的浮雕離子束刻蝕三、離子束加工的應(yīng)用

在石英玻璃上刻蝕光柵離子束刻蝕三、離子束加工的應(yīng)用

對(duì)銅質(zhì)基體或鋅鋁合金等基體在真空條件下進(jìn)行表面的改性處理，加鍍不銹鋼膜層以增強(qiáng)其耐磨損、耐腐蝕性和美觀度。離子鍍膜三、離子束加工的應(yīng)用鍍氮化鈦離子鍍膜三、離子束加工的應(yīng)用