超声波加工 (USM)：力学、工艺参数、元素、工具和特性
在本文中，我们将讨论超声波加工：- 1. 超声波加工 (USM) 和超声波加工刀具 2. USM 的力学 3. USM 的工艺参数及其影响 4. 超声波加工的组成部分 5. 特点超声波加工。
内容：
- 超声波加工 (USM) 和超声波加工工具
- USM 的力学
- USM工艺参数及其作用
- 超声波加工部件
- USM 的特点
1.超声波加工 (USM) 和超声波加工工具 :
超声波在机械加工中的应用是由 L. Balamuth 于 1945 年首次提出的。关于该设备和技术的第一份报告出现在 1951-52 年。到 1954 年，利用超声波原理设计和建造了机床。最初，USM 是对电火花机加工的部件进行精加工。然而，由于放电加工的发展，这种用途变得不那么重要了。
但是，随着固态电子产品的蓬勃发展，非导电、半导电和脆性材料的加工变得越来越重要，因此，超声波加工再次出现获得了重要和突出的地位。近年来，开发了各种类型的超声波机床。当然，USM 技术还远未完善。
基本的 USM 工艺涉及一个工具（由韧性和坚韧的材料制成）以非常高的频率振动，并且在工具和工作表面之间的小间隙中连续流动的研磨浆.刀具以均匀的力逐渐进给。硬质磨粒的冲击使硬而脆的工作表面破裂，导致被磨料浆带走的小磨损颗粒形式的工作材料被去除。工具材料坚韧且具有延展性，磨损速度要慢得多。
2. USM 机制：
超声波加工的物理学既不完整也不无争议。
USM 期间材料去除的原因被认为是：
(i) 工具对工作表面的磨粒的锤击，
(ii) 游离磨粒对工作台面的影响，
(iii) 空化引起的侵蚀，以及
(iv) 与所用流体相关的化学作用。
许多研究人员试图发展理论来预测超声波加工的特性。 M.C. 提出的模型Shaw 通常被广泛接受，尽管有其局限性，但它对材料去除过程的解释相当好。在该模型中，刀具对与工件接触的晶粒（负责大部分材料去除）的直接影响被考虑在内。
此外，所做的假设是：
(i) 工作材料去除率与每次撞击的工作材料体积成正比，
(ii) 工作材料去除率与每个周期产生影响的粒子数成正比，
(iii) 工件材料去除率与频率（单位时间内的循环次数）成正比，
(iv) 所有影响都是相同的，
(v) 所有磨粒都是相同的球形。
现在让我们考虑直径的刚性球形磨粒对工作表面的影响。图 6.9 显示了这种冲击在瞬间造成的压痕。
如果 D 是任意时刻的压痕直径，h 是对应的穿透深度，我们可以从图 6.9 中得到，
一个循环中的各个刀具位置如图6.11所示。位置 A 表示工具面接触磨粒的瞬间，从 A 到 B 的运动周期表示冲击。由引起的缩进 刀具上的纹理和刀具最底部位置的工作表面如图 6.12 所示。如果刀具从位置A到位置B的距离为h（总压痕），则-
由于流变应力σ和布氏硬度H相同，方程（6.6）和（6.7）屈服 ——
这种材料去除率是通过振动工具对谷物的直接锤击作用实现的。一些由快速移动的工具面反射的晶粒也撞击到工作面上，我们可以估计由这种自由移动的晶粒引起的压痕。图 6.13 显示了工具反射的颗粒。在振动过程中，工具面的最大速度为 2πvA。
由于磨粒的原始速度很小，其最大速度显然在2πvA数量级。所以，对应的磨粒最大动能为——
其中 ρ 是研磨材料的密度。如果我们假设在由这种撞击晶粒引起的压痕期间，接触力随压痕线性增加，那么 –
比较正常情况下的 hw 和 h'w 的值，我们看到 h'w 与 hw 相比非常小，因此可以得出结论，大部分材料被去除直接影响磨粒。
关系式 (6.11) 表明材料去除率与 d 1/4 成正比 ，但实际上与 d 成正比。理论预测和观察到的事实之间的这种差异由 Shaw 解释如下。
磨粒的实际形状不是球形，如图6.14所示。它没有光滑的表面，而是具有平均直径为 d1 的突起。
观察到凸起的平均直径与颗粒标称直径 (d) 的平方成正比。所以，
关系式 (6.18) 表明，mrr 与 d 成正比，这一事实也得到了实验证实。
Shaw 理论有许多局限性。例如，它没有正确预测 A、F 和 v 变化的影响。当 F 增加时，mrr 增加，如图 6.15 所示。关系式（6.18）也证实了这一点。然而，在实践中，由于磨粒在重载下被压碎，Q 在达到某个 F 值后开始下降。
3、USM工艺参数及其作用：
影响进程的重要参数有：
(i) 频率：
从关系式（6.18）可以看出，mrr 随频率线性增加。实际上，mrr 也随频率增加（见图 6.16a），但实际特性并不完全是线性的。 mrr 往往略低于理论预测值。
(ii) 幅度：
当振动幅度增加时，mrr 预计会增加，如关系式（6.18）所示。对于不同的频率值，变化的实际性质如图 6.16b 所示。同样，实际特性与理论预测的特性有些不同。差异的主要来源是我们通过考虑平均速度 (=A/(T/4)) 计算了穿透持续时间 Δt。 Δt 的变化特征，由 – 给出
与从近似表达式得到的有很大不同，即(h / A)(T / 4)。
(iii) 静态载荷（进给力）：
随着静态载荷（即进给力）的增加，mrr 趋于增加。然而，在实践中，随着颗粒开始被压碎，它往往会降低到超过某个力的临界值。图 6.17a 显示了 mrr 随进给力（对于各种幅度）变化的性质。
(iv) 刀具与工件的硬度比：
工件硬度与刀具硬度的比值对mrr的影响相当显着，其特性如图6.17b所示。除了硬度外，工件材料的脆性也起着非常重要的作用。表 6.2 显示了不同工作材料的相对材料去除率，其他参数保持不变。显然，更脆的材料加工得更快。
(v) 颗粒大小：
关系式 (6.18) 表明，mrr 应与平均晶粒直径 d 成比例地上升。然而，当 d 变得太大并接近振幅 A 的大小时，压碎趋势增加，导致如图 6.18a 所示的 mrr 下降。
(vi) 浆料中磨料的浓度：
由于浓度直接控制每个周期产生影响的晶粒数量以及每个影响的大小，因此预计 mrr 取决于 C。但关系式 (6.18) 表明预计 mrr与 C 1/4 成正比 . B4C 和 SiC 磨料的实际变化如图 6.18b 所示。这与理论预测相当吻合。由于 mrr 随着 C 1/4 增加 ，在 C 超过 30% 后，mrr 的增加非常低。因此，进一步增加浓度无济于事。
用于浆料的流体的某些物理特性（例如粘度）也会影响 mrr。实验表明，随着粘度的增加，mrr 下降（图 6.19a）。
虽然 mrr 是判断 USM 操作性能的一个非常重要的考虑因素，但也必须考虑获得的表面处理质量以进行适当的评估。在 USM 操作中，表面光洁度主要取决于磨粒的尺寸。图 6.19b 显示了表面不平整度平均值的典型变化，玻璃和碳化钨作为工作材料的平均晶粒尺寸。
很明显，在玻璃的情况下，表面光洁度对晶粒尺寸更为敏感。这是因为，对于高硬度，通过脆性断裂脱出的碎片的尺寸与撞击颗粒的尺寸无关。
USM 对材料的影响：
由于所涉及的切削力非常小，因此该过程不会产生明显的应力和热量。因此，材料结构不受影响。然而，在切穿孔的过程中，孔的出口侧可能会出现碎裂。为了避免这种情况，由脆性材料制成的工件固定在通常由玻璃制成的底座上。
4、超声波加工部件：
机器的重要部件有：
(i) 声学头 ：
声学头（图 6.22）可能是机器最重要的部分。它的功能是在工具中产生振动。它由一个提供高频电流的发生器、一个将其转换为高频振动形式的机械运动的换能器、一个固定头部的支架和一个集中器组成，该集中器在将振动传输到工具。
大多数换能器根据磁致伸缩原理工作，因为它在 15-30 kHz 范围内具有高效率、高可靠性、低电源电压和简单的冷却装置。冲压件用于减少变压器中的损耗。尺寸的选择使得固有频率与供电频率一致。几乎所有现代机器都使用由镍制成的磁致伸缩传感器（0.1-0.2 毫米厚的冲压件）。
集中器的主要目的是将振幅增加到切割所需的水平。使用了各种类型的集中器（图 6.23a）。图 6.23b 显示了如何放大换能器-集中器组件的纵向振动幅度。应该注意的是，系统必须在节点处固定到主体，如图所示。
(ii) Feed 机制 ：
进给机构的目的是在加工操作过程中施加工作力。显示刀具运动的仪器指示加工深度。
Feed 机制的基本类型是：
(a) 配重型，
(b) 弹簧类型，
(c) 气动和液压型，
(d) 电机类型。
(iii) 工具：
该工具由坚固但同时具有延展性的金属制成。通常，不锈钢和低碳钢用于制造工具。铝和黄铜工具的磨损速度分别是钢工具的十倍和五倍。几何特征由过程决定。刀具外切圆的直径不应超过聚光器端部直径的1.5～2倍，刀具应尽可能短而刚硬。
刀具做成空心时，内轮廓应与外轮廓平行，以保证均匀磨损。任何壁或突起的厚度应至少是磨料粒度的五倍。在中空工具中，壁厚不应小于 0.5 毫米至 0.8 毫米。在设计工具时，应考虑侧隙，通常为 0.06 毫米到 0.36 毫米的数量级，具体取决于磨料的粒度。
(iv) 研磨浆：
最常见的磨料是 – (i) 碳化硼 (B4C)、(ii) 碳化硅 (SiC)、(iii) 刚玉 (Al2O3)、(iv) 金刚石和 (v)硅化硼（非常有效），其研磨能力比B4C高10%左右。 B4C 是其他中最好和最有效的，但它很昂贵。碳化硅用于玻璃、锗和一些陶瓷。使用 SiC 的切割时间比使用 B4C 多约 20-40%。刚玉的效率要低得多，切割时间约为 B4C 的 3-4 倍。钻石粉仅用于切割钻石和红宝石。
虽然水是浆液中最常用的流体，但也使用其他液体，例如苯、甘油和油。已经发现，随着粘度的增加，mrr 趋于降低。
五、特点 USM：
工业技术