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第六章 超声波加工技术 6.1 超声波的特性 声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16~16000Hz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于16000Hz则称为超声波。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同介质中，超声波传播的速度c亦不同(例如c空气=331m／s，c水=1430m／s：c铁=5850m／s)，它与波长λ和频率f之间的关系可用下式表示 c=λf （6.1） 式中 c--超声波在介质中的传播速度（m／s）；λ--波长（m）；f--频率（Hz）。 超声波主要具有下列性质： 1. 超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力(声压)。因此，有时可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。 振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J来表示，单位为W／cm2 （6.2） 式中ρ——弹性介质的密度（kg/m3）; c——弹性介质中的波速（m/s）; A——振动的振幅（mm）； ω——圆频率，ω=2πf（rad/s）。 由于超声波的频率 f 很高，其能量密度可达100W／cm2以上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度ρ和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。 2. 超声波的空化作用。当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎及各种物理化学作用效应。 3. 超声波的反射、透射和折射。超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积ρc称为波阻抗)，介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近100％，此外空气有可压缩性，更碍阻了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质以消除空气及因它而引起的衰减。 4. 超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象，图6.1为超声波在弹性杆中传波时各质点振动的情况。当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着同周期、同振幅、传播方向相反的两个波，这两个完全相同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，其振幅为零(为波节)，而另一些点振幅最大，其振幅为原振幅的两倍(为波腹)。图6.1中x表示弹性杆件任意一点b相距超声波入射端的距离，则入射波造成b点偏离平衡位置的位移为a1，反射波造成b点偏离平衡位置的位移为a2，则有 式中x——b点距离入射端的距离；λ——振动的波长；T——振动的周期；A——振动的振幅；t——振动的某一时刻。 因此，入射波和反射波所造成b点的合成位移ac为： （6.3） 由式（6.3）可知：当时（k为正整数），ac最大，b点为波腹；当时（k为正整数），ac为0，b点为波节。 由上述分析可知，为了提高超声波加工生产效率，必须使弹性杆处于最大振幅的共振状态，其设计长度为半波的整数倍，杆的支点选在振动过程中的不动点，即波节点上；而杆的工作端部应选在最大振幅的波腹处。 6.2 超声波加工的基本原理和特点 6.2.1 超声波加工的基本原理 超声波加工是近几十年发展起来的一种加工方法，它弥补了电火花加工和电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体等。同时超声波还可以用于清洗、焊接、探伤等。 超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。加工原理如图6.2所示。加工时，在工具1和工件2之间加入液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声波发生器7产生的超声频电振荡通过超声换