超声波抛光的基本原理及设备

5.2.1　超声波抛光的基本原理及设备

1．超声波抛光的基本原理

人耳对声音的听觉范围约为每秒振动16～16 000次的声波。频率低于每秒16次的振动波称为次声波，频率超过每秒16 000次的振动波称为超声波。超声波抛光用的超声波频率为16 000～25 000Hz。超声波区别于普通声波的特点是：频率高；波长短；能量大；传播过程中反射、折射、共振、损耗等现象显著。

超声波抛光的原理与超声波加工的原理相似。超声波抛光是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液抛光脆硬材料的一种加工方法。其原理如图5-6所示。加工时，在抛光区加入带有磨料的工作液，并使抛光工具对工件保持一定的静压力（3～5N），推动抛光工具作平行于工件表面的往复运动，运动频率为每分钟10～30次。超声换能器产生16 000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到10～20μm左右，驱动抛光工具端面作超声振动，迫使工作液悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、磨削被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，并从材料上打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击次数多达16 000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受到工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂纹处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多气穴，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，气泡破裂，引起极强的液压冲击波，在振动面和相对应的加工表面上引起气蚀。气蚀有两个作用：第一，当因气穴所产生的气泡破裂时，在一瞬间，周围介质受到很大冲击力，就用这个力在工件表面上产生微小的机械蚀除效果；第二，由于磨料对表面的冲击和气蚀引起的显微裂纹，在随后的瞬时由气穴吸引作用把细微屑末从工件表面剥下来。由此可见，超声空化作用可以强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨粒及时得到更新，切屑能够及时地排除。超声振动使工具具有自刃性，能防止磨具气孔堵塞，提高了磨削性能。

图5-6　超声波抛光原理示意图

1—超声发生器；2—换能器；3—变幅杆；4—抛光工具；5—磨料悬浮液；6—工件

由此可见，超声波抛光是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和磨削作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。从原理上看，表面的加工量非常微小，因而可以获得比较高的表面质量，加工精度可达0.01～0.02mm，表面粗糙度值R_a=0.012μm，由于高频振荡而加速表面破碎，所以比手工研磨效率高得多。

既然超声波抛光是基于局部撞击作用，因此就不难理解，越是脆硬的材料，受撞击时遭受的破坏越大，越易超声加工；相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于缓冲作用而难以加工。根据这个道理，可以合理选择抛光工具材料，使之既能撞击磨粒，又不致使自身受到很大破坏，例如用黄铜作抛光工具即可满足上述要求。

2．超声波抛光机

超声波抛光机的功率大小和结构形状虽有所不同，但其组成基本相同，一般包括超声频电振荡发生器、将电振荡转换成机械振动的换能器和机械振动系统。

（1）超声发生器。超声发生器也称为超声波或超声频电振荡发生器，其作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。其基本要求是：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。

超声波抛光用的高频发生器，由于功率不同，有电子管的，也有晶体管的，且结构、大小也很不同。大功率的往往是电子管式的，但近年来有逐渐被晶体管取代的趋势。

（2）换能器。换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动，目前实现这一目的可利用压电效应和磁致伸缩效应两种方法。

（3）变幅杆。压电或磁致伸缩的变形量很小，即使在共振条件下振幅也不超过0.005～0.01mm，不能直接用来加工工件。超声波抛光需0.01～0.02mm的振幅，因此必须通过一个上粗下细的杆子将振幅加以放大，此杆称为变幅杆或振幅扩大棒，如图5-7所示。

（4）抛光工具。超声波发生器发出的超声频电振荡经换能器转换成同一频率的机械振动，超声频的机械振动再经变幅杆放大后传给抛光工具，使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件，进行抛光加工。为了减少超声振动在传递过程中的损耗和便于操作，抛光工具直接固定在变幅杆上，变幅杆和换能器设计成手持式工具杆的形式，并通过弹性软轴与超声波发生器连接，如图5-8所示。

图5-7　变幅杆

图5-8　手持式工具杆

l—软轴；2—换能器；3—变幅杆；4—抛光工件

超声波抛光工具分为固定磨料抛光工具和游离磨料抛光工具。固定磨料抛光工具是选用不同材质和粒度的磨料制成的成型磨具。对应各种不同形状的磨具，固定磨料抛光工具有三角、平面、圆、扁平、弧形等几种基本形状，其特点为硬度大、生产效率高。其中以烧结金刚石油石、电镀金刚石锉刀、烧结刚玉油石、细颗粒混合油石等最为常用。

利用固定磨料抛光工具作粗抛光，一般表面粗糙度值能达到R_a=1.25～0.63μm。如要得到更小的表面粗糙度值，应采用游离磨料抛光工具配以抛光剂进行精抛光。

游离磨料抛光工具一般为软质材料，如黄铜、竹片、桐木、柳木等。根据要求可以削成各种形状使用。因弹性物质不能进行切削，故工具本身的误差和平面度，不会全部反映到被抛光工件上，因而有可能用低精度的抛光工具加工出精度较高的工件来。

抛光工具的好坏直接影响超声波的传输效率与抛光质量，抛光工具头与工件表面接触部分，可根据需要加工成扁、圆、尖等各种形状。抛光工具有以下几种形式：

1）铜质工具。一般选用H62或H59黄铜，1.5mm×8mm截面的铜片或φ3mm、φ4mm直径的铜棒，前端锉扁。

2）竹质工具选用老而不枯、无节、纹直的毛竹，制成截面为3mm×12mm（留皮）的竹片，后端倒角，敲入变幅杆固紧后，由中间开始到前端逐渐削薄至1mm左右，再根据工件要求削成合适形状。

3）木质工具选用材质均匀无粗硬纤维、无节、纹直的木头制成截面为3mm×12mm的木片。按竹质工具的方法装入变幅杆，削成需要形状即可。常用的白桦树卫生筷也可做成抛光工具，后端用老虎钳夹扁，敲入变幅杆，前端削扁，即可使用。

另外，像锯条、金刚石锉刀等物，只要能紧固在变幅杆上，长度适中，都可作抛光工具，而且在某些场合特别有效。