6.1 超声加工的基本原理和特点
6.1.1 超声加工的原理
声波是声能的一种能量传播方式，传播频率低于16 Hz的称为次声波(如地震、海啸等)，传播频率在16～16 000 Hz的称为可闻声波(可闻声波人类的耳朵才能感知)，超过16 000 Hz的称为超声波。超声波可在气体、液体和固体介质中传播，并具有下列性质:
①超声波沿着声能传播方向可传递很强的能量。传播过程是对传播方向上的障碍物施加声压(压力)，这个声压的大小就是超声波的强度或能量，由于超声波的频率很高，其能量密度可达100 W/cm2以上。因固体或液体的介质密度比气体的高得多，超声波在液体或固体中传播时的能量密度比空气中传播的能量大得多而阻力小得多，如空气密度小具有可压缩性，会阻碍超声波的传播。也就是说在相同振幅、频率时，液体、固体中超声波传播的强度或能量密度要比空气中传播高很多，能量损失非常小，而在空气中传播能量损失会很快，因此超声波声学部件的各联接面之间不应有空气间隙。如有间隙，可加入机油或凡士林等固体油脂，以消除空气避免引起的能量衰减。
②超声波经固体或液体介质传播时会连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，会产生压力交变的冲击和空化现象，所谓“空化”现象就是，液体气泡空腔闭合的疏密将产生很大的压力，并对物质产生很大冲击，使零件表面破碎使其破坏的这种效应。
③超声波在传播过程中从一种介质到另一种介质时会发生传播速度的突变，波速的突变会产生反射或折射现象。反射将导致能量的衰减，能量衰减大小取决于传播中两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积)，波阻抗差别越大能量的反射率越大。超声波从液体或固体传入到空气时反射率接近100%，这也是在海洋中探测鱼群或机械零件的超声探伤的原理。
④超声波实质是一种高频机械振动，在一定条件下会产生波的干涉和共振现象，在共振条件下会达到最大振幅，加工中振幅大效率高。
超声加工是依靠工具端面的超声频振荡来去除材料的，这种超声频振荡通过工作液悬浮的磨料传递到一定形状的工具头上，再对脆硬材料进行撞击抛磨的一种成型加工方法。加工原理示意如图6.1所示。加工时，工具中的超声频振荡将通过悬浮工作液中的磨料液悬浮的作用，剧烈冲击位于工具下方工件的被加工表面，使部分材料被击碎成细小颗粒。由流动的磨料工作液带走。加工中的振动还可强迫磨料液在加工的间隙中流动，使变钝了的磨粒能及时更新。随着工具沿加工方向以一定速度移动，实现有控制的加工，并逐渐将工具形状“复印”在工件上(成型加工时)。在工作中，工具头以每秒大于16 000次的振动使工件表面缝隙的空气产生压缩和扩大，或不断被压缩至闭合，使脆性的材料破裂，这种现象称为“空化”现象。这一过程时间极短，空腔闭合压力可达几百兆帕，气泡爆破时可产生水压冲击，引起破碎的材料飞溅出去。同时悬浮液在超声振动下，形成的冲击波还使钝化的磨料崩碎，产生新的刃口，进一步提高加工效率。超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的机械撞击作用是主要的。
图6.1 超声加工原理图
超声加工是基于工件表面局部撞击作用，因此越是脆硬的材料受撞击作用越大，被破坏的程度越大，也就是超声加工效率高。相反，塑性材料的韧性好，它的缓冲作用大，不容易破碎，就很难以加工。既然这样我们选择工具材料时就应考虑到它的寿命，使之既能撞击磨粒，又不易被破坏，如用45钢作工具既有一定的硬度又有一定的韧性，价格便宜，常被用来作为工具材料。
6.1.2 超声加工的特点
超声波加工的特点如下:
①由于是靠超声机械振动的撞击抛磨去除材料，对硬脆材料加工效率高，如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。对于硬度高的金属材料也能进行加工(如淬火钢、硬质合金等)，但加工效率较低。对于有色金属和橡胶等韧性高的材料不能进行加工。
②超声加工对工件表面的宏观切削力很小，不易引起工件变形，适合加工低刚度零件。加工中切削应力、切削热很小，不会产生加工应力和烧伤，表面粗糙度也较好，公差可小于0.01 mm，表面粗糙度值Ra可小于0.4 μm。
③加工是工件对工具的形状复制，也就是工件被加工出与工具形状相一致的复杂形状内表面或成型表面，工具和工件只做直线相对进给运动，没有旋转等成型运动，因此，超声波加工机床的结构也比较简单，机床的操作、维修方便。
④一般超声加工的工件面积不大，工具头与工件有一定的预压力，工具会有磨损，相对生产率较低。
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