1、襄 樊 学 院 理 工 学 院毕业论文 题 目 超声波加工技术研究专 业 机械设计制造及其自动化（机制方向）班 级姓 名学 号指导教师职 称襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸 装 订 线 超声波加工技术研究摘要：超声波加工技术因为其特有的加工特性被广泛应用于各行各业，尤其在机械加工中，比如研磨、深小孔加工探伤，清洗等。而在再纺织、化工、食品方面也应用颇多，一些普通加工难以完成的工作通过超声波加工可以轻而易举地完成。本论文就超声波加工技术的原理、发展及在以上方面的应用做出初步的研究和探索。首先，对超声波加工的原理和产生机理做出了解，超声波加工是利用振动频率超过 16000Hz 的工具头，通
2、过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法。其次，对超声波加工技术再机械加工中的应用做出研究，通过实例分别探讨其在研磨、洗削加工、深小孔加工中的应用，并与常规加工手段进行对比。再者对超声波加工在清洗与探伤中的 应用做出基本的应用探究。关键词：超声波加工，机械加工，其他应用 襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸 装 订 线 Application Research of Machining Technology Based on UltrasonicAbstract Ultrasonic machining technology because its peculiar processing
3、characteristics are widely used in all walks of life, especially in mechanical processing, such as grinding, deep hole processing scald, cleaning, etc. And again in textile, chemical, food, some quite also applies to the finished work of ordinary processing by ultrasonic machining can easily finish.
4、 This paper, the principle of the ultrasonic machining technology development and application of the above make preliminary research and exploration.First, the principle of ultrasonic machining and its mechanism, ultrasonic machining is to know to use vibrations frequency of more than 16,000 Hz, thr
5、ough suspension abrasive tool to head the forming of a kind of method.Secondly, of ultrasonic machining technology to the application of mechanical processing make research, through examples in this paper the grinding and wash cutprocessing, deep hole processing applications, and compared with the c
6、onventional processing methods.Moreover of ultrasonic machining in cleaning and testing the application of the application to make basic study.Key words: Ultrasonic machining, mechanical processing, other applications 襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸 装 订 线 目 录第一章 绪论 .- 1 -1.1 超声波的概念 .- 1 -1.2 超声波的产生 .- 1 -1.3 超
7、声波的两个参数及其特点 .- 1 -1.5 超声波加工技术的应用现状及发展趋势 .- 2 -1.6 超声波加工技术的基本原理 .- 4 -1.6.1 超声波加工机床简介 .- 5 -1.6.2 超声振动加工 .- 5 -1.6.3 超声复合加工 .- 6 -1.7 研究的目的与意义 .- 8 -第二章 超声波精密研磨 .- 9 -2.1 超声研磨的原理 .- 9 -2.2 超声波研磨的装置 .- 11 -第三章 超声波深小孔加工 .- 13 -3.1 超声波振动钻的基本原理 .- 13 -3.2 超声波加工的刀具 .- 16 -3.3 刀具与机体的连接 .- 17 -3.4 超声波加工深小孔的
8、实际应用 对玻璃小孔的钻削加工 .- 18 -3.4.1 磨料选择 .- 18 -3.4.2 工具的振幅与频率的选择 .- 18 -3.4.3 加工压力的选择 .- 18 -3.4.4 磨料悬浮液浓度的参数选择 .- 18 -3.4.5 加工效果与缺陷 .- 19 -第四章 超声波铣削加工 .- 20 -4.1 超声波铣削加工的原理与特点 .- 20 -4.2 超声铣削机床 .- 21 -4.3 超声波铣削加工中材料去除率模型 .- 21 -4.4 分层厚度对材料去除率的影响 .- 24 -襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸 装 订 线 第五章 超声波的其他应用 .- 25 -5.1.超
9、声波探伤 .- 25 -5.1.1 超声波探伤的概念 .- 25 -5.1.2 超声波探伤的原理 .- 25 -5.1.3.超声波探伤在管道焊缝中的实例应用及分析 .- 26 -5.1.4 超声波技术在探伤应用中的优缺点 .- 29 -5.2 超声波清洗 .- 30 -5.2.1 超声波清洗的基础 .- 30 -5.2.2 超声波清洗原理 .- 30 -5.2.3 超声波清洗机 .- 31 -5.2.4 超声波清洗的主要技术参数 .- 31 -5.2.5 影响超声波清洗的技术参数 .- 32 -5.2.6 超声波清洗的优点 .- 32 -第六章 总结 .- 33 -致 谢 .- 34 -参考文
10、献 .- 35 -襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸- 1 - 装 订 线 第一章 绪论超声波加工包括超声振动加工和超声复合加工两种方法这两种超声波加工方式在一些常规加工方式无法解决完成的时候它们能很容易的进行加工。这种精度高、效果明显、效率高的特种加工方式广泛应用于机械加工、纺织、食品加工等方面。1.1 超声波的概念科 学 家 们 将 每 秒 钟 振动的 次 数 称 为 声 音 的 频率， 它 的 单 位 是 赫 兹 。 我 们 人类 耳朵 能 听 到 的 声 波 频 率 为 20 20000Hz。 当 声波 的 振 动 频 率 大 于 20KHz 或 小于 20Hz 时 ， 我 们
11、便 听 不 见 了 。 因 此 ， 我 们 把 频 率 高 于 20000 赫 兹 的 声 波 称 为“超 声 波 ”。1.2 超声波的产生声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz 以上的；其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，
12、其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 2 5 兆 Hz 之间，常用为 3 3.5 兆 Hz（每秒振动 1 次为 1Hz， 1 兆 Hz=106Hz,即每 秒振动 100万次，可闻波的频率在 16 20,000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。1.3 超声波的两个参数及其特点超 声 波 的 两 个 主 要 参 数 ：频 率 ： F 20KHz（ 在 实 际 应 用 中 因 为 效 果 相 似 ， 通 常 把 F 15K 的 声 波 也 称为 超 声 波 ） ；功 率 密 度 ： p=发 射 功 率 (W)/发 射
13、 面 积 (cm2)， 通 常 p0.3w/cm2， 在 液 体 中传 播 的 超 声 波 能 对 物 体 表 面 的 污 物 进 行 清 洗 ， 其 原 理 可 用 “空 化 ”现 象 来 解 释 ：超 声 波 振 动 在 液 体 中 传 播 的 音 波 压 强 达 到 一 个 大 气 压 时 ， 其 功 率 密襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸- 2 - 装 订 线 0.35w/cm2， 这 时 超 声 波 的 音 波 压 强 峰 值 就 可 达 到 真 空 或 负 压 ， 但 实 际 上 无 负 压存 在 ， 因 此 在 液 体 中 产 生 一 个 很 大 的 压 力 ， 将 液
14、体 分 子 拉 裂 成 空 洞 空 化 核 。此 空 洞 非 常 接 近 真 空 ， 它 在 超 声 波 压 强 反 向 达 到 最 大 时 破 裂 ， 由 于 破 裂 而 产 生 的强 烈 冲 击 将 物 体 表 面 的 污 垢 撞 击 下 来 。 这 种 由 无 数 细 小 的 空 化 气 泡 破 裂 而 产 生 的冲 击 波 现 象 称 为 “空 化 ”现 象 。 太 小 的 声 波 无 法 产 生 空 化 效 应 。超 声 波 的 特 点 ：(一 )超 声 波 在 传 播 时 ， 方 向 性 强 ， 能 量 易 于 集 中 ；(二 )超 声 波 能 在 各 种 不 同 媒 质 中 传
15、播 ， 且 可 传 播 足 够 远 的 距 离 ；(三 )超 声 波 与 传 声 媒 质 的 相 互 作 用 适 中 ， 易 于 携 带 有 关 传 声 媒 质 状 态 的 信 息（ 诊 断 或 对 传 声 媒 质 产 生 效 应 ） 。超 声 波 是 一 种 波 动 形 式 ， 它 可 以 作 为 探 测 与 负 载 信 息 的 载 体 或 媒 介 （ 如 B超 等 用 作 诊 断 ） ； 超 声 波 同 时 又 是 一 种 能 量 形 式 ， 当 其 强 度 超 过 一 定 值 时 ， 它 就可 以 通 过 与 传 播 超 声 波 的 媒 质 的 相 互 作 用 ， 去 影 响 ， 改 变
16、 以 致 破 坏 后 者 的 状 态 ，性 质 及 结 构 （ 用 作 治 疗 ） 。1.5 超声波加工技术的应用现状及发展趋势超声波加工技术的研究最早可追溯到 1927 年美国物理学家 Rw Wood 和A1fred Loomis 的奠基性工作，他们利用强烈的超声振动在玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。在 19391945 年期间，这项技术仅局限于使用金刚石粉末作为切割介质钻削和切割石英晶体、半导体和宝石，后来才用于切割金属及硬质合金。1945 年美国工程师 L.Balamuth 获得第一个超声波加工专利，自此，超声波加工才引起了人们极大的关注，并在工业中有了较大范围的应用。
17、超声波加工曾被称为超声波钻削、超声波切削、超声波尺寸加工、超声波磨削以及悬浮液钻削等，但是从 50 年代早期以来最普遍的称法还是超声波加工或超声波冲击磨削。早期研究发现使用超声波加工方法，所有的脆性材料，如玻璃、陶瓷、硬质合金、宝石，甚至金刚石都能被加工。从 1953 年到 1955 年，根据钻削和铣削加工机床，几个国家研制出单个超声波加工工具原型，并于 1954 年由 L.Balamuch 研制出第一台超声波加工机床。到 60 年代，可以看到各种类型和尺寸的加工工具，一些机型开始进入有规律的生产，此阶段超声波加工的快速进展。二十世纪 50 年代中期，日本、苏联将超声加工与电加工(如电火花加工
18、和电解襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸- 3 - 装 订 线 加工等)、切削加工结合起来，开辟了复合加工的领域。这种复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件，提高加工效率和质量。60 年代初，美国开始了超声加工的研究工作。由于当时超声加工技术还很不成熟，包括声振系统、换能器的设计制造和质量都较差，美国的研究工作曾经停顿了10 年。70 年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，己处于生产应用阶段：超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。自 80 年代以后，新的合成材料和陶瓷材料进展很快，促进了超
19、声波加工技术的发展。当电火花力 HI(EDM)出现后，它代替了超声波加工硬的钢铁，效率更高，应用到许多场合中。80 年代中期，随着电火花线切割的成功进展，减少了超声波加工硬质合金的市场，超声波加工的主要应用转变为切割玻璃、石英、陶瓷和硅板等低导电性的硬脆材料。超声具有许多独特的性质和优点，所以超声学的发展很迅速，应用领域十分广泛，并有广阔的应用前景。功率超声是超声学的一个分支，它主要研究大功率和高强度超声的产生，强超声在媒质中的传播规律，强超声和物质的相互作用，以及各种功率超声技术和应用。与检测超声不同，功率超声是利用超声能量来对物质进行处理、加工。最常用的频率范围是从几千赫到几十千赫，而功率
20、由几瓦到几十千瓦。超声处理技术和应用主要有：超声清洗，超声加工，超声节能，超声塑料和金属焊接，超声乳化、粉碎、分散、雾化，超声金属成型，超声处理种子，超声治疗和外科手术等等。近十年来，随着科学技术的发展，超声技术发展极为迅速，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域，在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。超声技术己成为国际上公认的高科技领域，与其有关的技术产品涉及到振动与声、电子、机械及材料等新技术。目前，超声技术正在深入到许多科学领域和生产部门，并且在不断发展，解决了很多日常生活中和生产技术中的难题。1922 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。1939 年发表了有关超声波治
21、疗取得临床效果的文献报道。40 年代末期超声治疗在欧美兴起，直到 1949 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸- 4 - 装 订 线 熟阶段。国内在超声治疗领域起步稍晚，于 20 世纪 50 年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从 1950 年首先在北京开始用 800KHz 频率的超声治疗机治疗多种疾病，至 50 年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于 1957 年。到了70 年代有了各型国产超
22、声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。1.6 超声波加工技术的基本原理超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀来去除材料, 或给工具或工件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。几十年来, 超声加工(包括复合加工)的发展较为迅速，其工艺技术在深小孔加工、难加工材料加工方面有较广泛的应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题, 取得了良好的效果。将超声能量通过声学系统施加于工具，使其按一定的频率和振幅作圆周方向的扭转振动,形成脉冲力作用的分离型振动切削，消除了普通切削过程中的弹性挤压振动
23、, 使切削过程变为有规律的脉冲状断续切削,切削力可降为普通切削的 IP3-IP10，降低了切削温度, 增加了系统刚度。工件作超声振动时,由于等效硬度特性,高频振动导致的内应力对工件的硬度产生影响，使磨削力比降低为 23 倍,磨削力比随磨削深度、 磨削速度及工件速度的变化不明显，工作力变化不大而能得到良好的加工稳定性和加工精度。工具的磨损会使工具的形状发生变化, 从而导致工件加工精度大大降低。大连理工大学的学者针对陶瓷材料超声旋转加工技术提出一种用简单工具进行超声仿铣加工三维陶瓷工件的新方法, 该技术可实现工具损耗的在线补偿和控制,有效地克服了超声成形加工中,因工具损耗严重,加工间隙中悬浮磨料不
24、均匀现象, 从而提高了复杂型面的加工精度。超精密加工技术在提高机电产品的性能、质量和发展高科技产品等方面具有重要的作用。超声波加工原理图如图 1.6 所示：襄樊学院理工学院 毕业论文（设计）报告纸- 5 - 装 订 线 图 1.6 超声波加工原理图1.6.1 超声波加工机床简介上述加工手段这些一般都是通过超声波加工机床进行的,而常见的超声波加床如图 1.6-1 所示。图1.6-1一般的超声波加工机床1 支架，2平衡重锤，3.工作台，4.工具，5变幅杆，6.换能器，7.导轨，8标尺超声波加工时，工具与工件间的作用力很小，加工机床只需实现工具的工作进给运动及调整工具与工件间相对位置的运动，因此机床构造较简单，一般包括支撑振动系统的机架、工作台面、进给机构以及床身等部分。国产CSJ-2型超声加工机床是其中的代表产品，如图1.6所示。其振动系统安装在一根能上下移动的导轨上，导轨由上下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活可靠地上下移动。工具的向下进给以及对工件施加压力靠振动系统自重，为了能调节压力大小，在机床后面有可加减的平衡重锤除此之外，还有重锤杠杆加载、弹簧夹载、液压或气压加载等加压方式。1.6.2 超声振动加工超声振动加工作为新型的特种加工技术，引起国内外专家的广泛关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以成为振动切削理论应用的奠基人的是日本学者
