青岛科技大学本科毕业设计（论文）
(a)超声加工装置 （b）加工区的放大图图
图1-2 超声加工系统构成示意图 Figure1-2 Scheme of ultrasonic machining system
1-超声波发生器； 2-换能器； 3-变幅杆； 4-工具头； 5-磨料； 6-工件； 7-容器； 8-泵；9-磨料
供给管头； 10-工作台；11-进给压力 F；12-工具振动方向；13-振动位移振幅分布
超声加工时，在成形工具头和工件之间加入液体和磨料混合的悬浮液（磨料常采用氧化铝、碳化硼、碳化硅、金刚石粉等，液体常用水或煤油等），使工具头以一定的作用力压在工件上。这样，当工具头作纵向振动时冲击磨料颗粒，迫使液体中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面。
超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用，由于超声振动的加速度非常大，所以磨料颗粒的加速度（或冲击力）也是非常大的，无数磨料颗粒连续不断的冲击，使加工工件的表面被破碎、去除。同时，磨料悬浮液因工具头端部的超声振动而产生“空化”现象，令间隙内液体形成空腔，促使液体钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了加工效果。所谓“空化作用”，是指当工具头端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成很大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具头端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡重新闭合，又引起较强的液压冲击波。上述作用迅速地、反复地施加在工具头与工件之间微小间隙内的磨料悬浮工作液里，可以大大强化加工过程。
假如不用磨料，而只用振动的超声工具头直接纵向“锤击”工件表面，只可能使工件表面产生微弱损伤，实际上并没有材料宏观去除。一般认为，常规超声加工还依靠切变应力将材料去除，磨料在超声工具头的冲击下产生的应力含有切向成分，此切向分量对加工过程中材料的去除起着重要作用。正负交变的液压冲击，也强迫磨料悬浮工作液在加工间隙中循环流动，使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具头逐渐“深入”到被加工材料中，加工工具头的形状便复现在工件上了。 1.3.2超声微细加工的特点
超声微细加工具有如下特点：
（1）超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击是主要的，越是脆性材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易
5
立式超声微细电化学加工机床机械系统设计
于实施超声加工。超声波适合于加工多种硬脆材料，特别是难以实施电加工的不导电非金属材料；
（2）超声微细加工时，工具头压力较低，工件表面的宏观作用力很小，切削应力、切削热很小，不会引起工件变形及烧伤，加工精度较高，尺寸精度可达0.01～0.02mm，表面粗糙度 Ra0.63～0.08μm，很适合加工薄壁、窄缝及低刚度工件；
（3）可用于加工多种形状的复杂型腔及型面。工具头可用相对较软的材料制作，且易于制成较复杂的形状，在一般情况下，不需要工具头和工件作比较复杂的相对运动；
（4）超声加工机床结构简单，易于操作、维护。
这些特点决定了微细超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面的优势。对于微细超声加工，压电或磁致伸缩换能器端部产生的振幅已能满足微细加工的要求，有可能不再需要变幅杆，但需要增大系统刚性，提高微细加工精度。
但是，微细超声加工也存在缺点，如加工面积不够大，效率较低，加工表面粗糙度及加工精度较难精确控制；对于一些韧性较强的金属的加工，尚不能取得良好的加工效果，有时甚至无法加工；同时，所使用的工具头整体尺寸较小，磨料对工具头的磨损相对较大，对工件的加工精度、表面粗糙度相对有很大的影响。
1.4超声电解复合微细加工技术研究
超声加工和电解加工单一工艺的研究及应用已经有较长的时间，并已逐渐成为了比较成熟的实用加工手段，在国内外军事工业和民用工业都得到了广泛的应用。它们的加工机理分别具有独特的优点，但具体针对不同的加工对象、加工条件和加工要求，在某种程