超声波加工的应用及发展前景
摘要：随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术向着高精度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。因此，特种加工作为一个时代强音等上舞台，它就具备了上述特点。超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。
关键词：超声波；研究前沿；应用领域；超声加工的应用
引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。
超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。
与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。
一、超声波加工的原理
1.1 超声波概述
“超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取
决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz 的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz 的波长约为200mm ；而频率为500MHz 的波长约为0.008mm 。
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、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，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 。速度c 与波长λ和频率f 之间的关系可用下式表示：
f
c =λ 1.2 超声波加工原理
超声波加工是利用工具断面的超声振动，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1.1所示。加工时，在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm ，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。
1.3 超声波的加工特点
1、加工范围广；
a ．可加工淬硬钢、不锈钢、钛及其合金等传统切削难加工的金属、非金属材料；特别是一些不导电的非金属材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石及各种半导体等，对导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金也能加工，但生产率低；
b ．适合深小孔、薄壁件、细长杆、低刚度和形状复杂、要求较高零件的加工；
c ．适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。
2、切削力小、切削功率消耗低；
由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小。
3、工件加工精度高、表面粗糙度低；
可获得较高的加工精度（尺寸精度可达0.005～0.02mm）和较低的表面粗糙度(Ra值为0.05～0.2)，被加工表面无残余应力、烧伤等现象，也适合加工薄壁、窄缝和低刚度零件。
4、易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成型表面等；
5、工具可用较软的材料做成较复杂的形状；
6、超声波加工设备结构一般比较简单，操作维修方便。
二、超声波研究现状及应用
2.1 超声波深小孔加工
在相同的要求及加工条件下,加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说,孔加工工具的长度总是大于孔的直径,在切削力的作用下易产生变形,从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说,会出现很多问题。例如,切削液很难进入切削区,造成切削温度高;刀刃磨损快,产生积屑瘤,使排屑困难,切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低,表面粗糙度值增加,工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。
前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450 W,工作频率20 kHz，可在玻璃上加工孔径1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02 mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉,当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。
2.2 拉丝模及型腔模具研磨抛光
聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用，新的超声研磨抛光方法和设备已出现。北京市电加工研究所提出的“超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法”，其特点是：采用超声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加
工复合进行聚晶金刚石拉丝模研磨抛光。该技术已获得国家专利，并在生产中获得应用。
2.3 难加工材料的超声波加工
金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。
英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究,提出了一种新的材料去除率的计算方法,
这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。美国内布拉
斯加大学和内华达大学对Al
2O
3
陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研
究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹
和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al
2O
3
陶瓷精密超声加工的机理、
过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。
2.4 超声波振动切削
超声振动切削作为新兴的特种加工技术，引起了国内外专家学者的广泛兴趣和极大关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎。他在20世纪50~60年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动刨削、振动磨削等。随后美国也对振动切削进行研究，到20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，超声加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性，取得了一系列研究成果，并在生产中得到推广应用。
2.5超声波复合加工
将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。
三、超声波加工技术发展趋势及应用
3.1 超声振动切削技术
长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂生产的一直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验[31],通过生产现场各种工艺参数实验及小批量试生产,收到了令人满意的效果,具有较好的发展前景。
北京装甲兵技术学院提出了一种超声微振车削的新工艺[2]。其特点是功率小(50 W)、振幅小(2~5μm),同样可获得一般振动车削的效果。
超声振动切削的应用也日趋广泛，对其的研究主要应从几个方面进行：
1、研制和采用新的刀具材料；
2、研制和采用高效的振动切削系统；
3、对振动切削机理深入研究；
4、超声椭圆振动切削的研究与推广；
5、超声铣削加工技术。
3.2 超声复合加工技术
目前,超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾,具有较好的应用前景。
在现代工业生产中，模具的应用越来越广泛，对模具精度和表面质量的要求也越来越高。在模具制造过程中，光整加工工序对模具质量影响很大，但目前该工序在很大程度上仍依赖手工完成，严重制约了模具加工技术的发展，是一个亟待解决的关键技术问题。华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP神经网络对加工表面粗糙度进行预测，取得了良好的效果。超声电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地适用于形状复杂的模具型腔光整加工。但尚有许多方面的内容有待进一步研究，特别是各主要加工因素对加工表面粗糙度的影响以及表面金属的去除机理等。
随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条崭新的途径，但该技术在加工过程中短路频繁。山东大学的研
究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。但该工艺的加工机理有待于进一步研究。
3.3微细超声加工技术
以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。
四、结语
由于超声振动切削具有许多独特的特点，因而大大扩大了切削加工的范围。例如，对于难切削的材料淬硬钢、钛及其合金、石材等都能加工；能加工易变形的细长杆，小径深孔和薄壁零件；对要求精度及光洁度高且不生成毛刺的零件，可用超声方法加工；对于一些形状复杂、要求精度高而又不宜用其他方法加工的零件，用超声振动切削可以解决。
超声波在机械加工的应用除上面这些外，还在金属件连接，工件抛光，挤压和铆镦等方面均有很好的应用。相信随着科技的进步和技术的不断完善超声波加工技术将会在更多的领域突显他的优势。
现代加工技术是让我们接触到了当今最先进的加工技术、加工原理，让我们对世界科技的发展层次有了更清晰的了解。所以能够有这样一门课程，是对我们的知识的归纳、总结，也是对我们的一种鞭策。通过对电火花加工、电子束加工、激光加工以及超声波加工等特种加工的学习，我们了解到更多的先进加工技术，对自己的思维是一种扩展，也利于以后在实际问题中寻找更好的解决方法。
超声波加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面,材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术提供的强
有力加工手段，又促进了新材料的发展。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。
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频率高于人的听觉上限(约为20000Hz) 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性——当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，声波功率就是表示声波作功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用——当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各 超声波的技术应用，概括起来主要包括两个方面： (1)超声探伤、测厚、测距、医学诊断和成像。在工业生产中常常运用超声透射法对产品进行无损探测(图1－4)。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收(图1－4甲)。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射(图1－4乙)，这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。在医疗诊断中则常采用回声法：将弱超声波透入人体内部，当超声波遇到脏器的界面时，便发生反射和透射。透射入脏器内部的超声波，再遇到界面时还会再次发生反射和透射，超声波接收器专门接收各次的反射波。医务人员根据所收到的各次反射波的时间间隔和波的强弱，就能够了 (2)超声处理。超声处理主要是利用它的功率特性和空化作用，改变或者加速改变物质的某些物理、化学、生物特性或状态。利用强超声波进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、医疗、种子处理等，已经广泛地应用于工业、农业、医疗卫生等各个部门。在工业上，利用强超声波对钢铁、陶瓷、宝石、金刚石等
超声波加工的应用及发展前景 摘要：随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术向着高精度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展。因此，特种加工作为一个时代强音等上舞台，它就具备了上述特点。超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域；超声加工的应用 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率围主要是取决
超声波加工技术 1.绪论 人耳能感受到的声波频率在20—20000HZ范围内，声波频率超过20000HZ被称为超声波。超声波加工（Ultrasonic Machining简称USM）是近几十年来发展起来的一种加工方法，它是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法，或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，又或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。它弥补了电火花加工的电化学加工的不足。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、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。 1.1超声波加工的发展状况 超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中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作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。 超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。 早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.44 HZ的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频 10
超声加工技术的概况及其未来发展 趋势分析 梁玉鑫 材料科学与工程学院，1309101班，1130910113 摘要：结合了近年来超声加工技术的发展情况，综述了超声振动系统的研究发展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。 关键词：超声加工；超声振动系统；超声复合加工；微细超声加工；超声振动切 超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中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作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。 几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，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。 一、超声振动系统的研究概况及其应用 超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。 沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统[1]，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为16～23 kH z，具有频率自动跟踪性能。西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适合于在生产中应用。另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的换能器是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。 二、超声加工技术应用研究
激光加工与超声波加工技术对比分析 赵国帅 摘要：激光加工和超声波加工都属于特种加工，本文主要介绍了激光加工和超声波加工在工作原理，发生装置上存在差异。此外还有他们各自的应用特点，以及实际加工方式都存在着的优缺点。 关键词：激光加工；超声波加工；特点对比；实例分析 Comparative Analysis of Laser Processing and Ultrasonic Machining Technology ZHAO Guo-shuai Abstract:Laser processing and ultrasonic machining belong to the special processing. The contest aim to talk about the difference of laser processing and ultrasonic machining in the working principle and generator, in addition it contains their application characteristics and their advantage and disadvantage in different actually processings. Keywords:Laser processing; Ultrasonic processing; Contrast characteristics; The example analysis
目录 摘要 (1) 前言 (2) 1 定义与原理 (2) 1.1 定义 (2) 1.1.1 激光加工技术 (2) 1.1.2 超声波加工技术 (2) 1.2原理 (2) 1.2.1 激光加工技术 (3) 1.2.2 超声波加工 (3) 1.3 激光加工与超声波加工定义和原理对比分析 (4) 2 应用和特点 (4) 2.1 激光加工与超声波加工应用特点对比分析 (4) 2.1.1 激光加工技术特点 (4) 2.1.2超声波加工技术特点 (5) 3 实例对比分析 (5) 3.1 激光加工和超声波加工焊接对比分析 (5) 3.1.1 原理对比分析 (5) 3.1.2 优缺点对比分析 (6) 3.2 激光加工和超声波加工深孔加工对比分析 (6) 3.3 激光加工和超声波加工切削加工对比分析 (6) 3.3.1 激光加工发展运用 (6) 1.2.2 超声波加工发展运用 (7) 4 结论 (7) 参考文献 (9)
本科课程论文 题目超声加工的应用及发展 学院工程技术学院 专业机械设计制造及其自动化年级**级 学号*************** 姓名****** 指导教师****** 成绩 2011 年 12 月 14 日
目录 摘要 (2) 关键词 (2) 一、超声加工技术的发展 (2) 二、旋转超声加工的特点及优势 (3) 三、超声加工技术在航空航天制造中的应用潜能 (4) 1 超声加工刀具基体材料选择 (5) 2 超声加工刀具基体结构设计 (6) 3 超声加工刀具磨料层的制备......................................................................... 6. 四结束语.. (7) 参考文献 (7)
超声加工的应用及发展 摘要：陶瓷、光学玻璃、功能晶体、金刚石、宝石和先进复合材料等具有优越的物理、化学和机械性能，在航空、航天、军工、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域扩展。与此同时，人们开始探索特种加工方式来加工这些难加工材料。超声加工技术就是在此背景下发展起来的，实践证明，它是加工上述难加工硬脆材料的高效和经济有效的方法之一。 超声技术在工业中的应用开始于20世纪10～20年代，它是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。功率超声在机械加工方面的应用，按其加工工艺特征大致分为2类，一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料），另一类是采用切削刀具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工。 关键词：超生加工发展特点及优势应用潜能 一、超声加工技术的发展 1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。但当时超声加工并未应用到工业上，直到大约1940年在文献上第一次出现超声加工（USM－Ultrasonic Machining）工艺技术描述以后，超声加工才吸引了大家的注意，并且逐渐融入到其他的工业领域。1951年，科恩研制了第一台实用的超声加工机，为超声加工技术的发展奠定了基础。 USM提供了比常规机械加工技术更多的优点。例如，导电和非导电材料它都可以加工，并且加工复杂的三维轮廓也可以像简单形状那样快速。此外，超声加工过程不会产生有害的热区域，同时也不会在工件表面带来化学/ 电气变化，而且加工时在工件表面上所产生的有压缩力的残余应力可以增加被加工零件的高周期性疲劳强度。 然而，在USM中必须供给磨料工作液，并且要保证加工过程中能有效清除刀具和工件
超声波应用 在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。 （一）工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 （二）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 （三）诊断学方面的应用：A型、B型、M型、D型、双功及彩超等 （四）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 超声波的特点 1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3、超声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。（治疗） 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，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。 超声波的发展史 一、国际方面 自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。 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熟阶段。 二、国内方面 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，
一．超声波应用原理 我们知道正确的波的物理定义是：振动在物体中的传递形成波。这样波的形成必须有两个条件：一是振动源，二是传播介质。波的分类一般有如下几种：一是根据振动方向和传播方向来分类。当振动方向与传播方向垂直时，称为横波。当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。二是根据频率分类，我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ，所以在这个范围之内的波叫做声波。低于这个范围的波叫做次声波，超过这个范围的波叫超声波。 波在物体里传播，主要有以下的参数：一是速度V，二是频率F，三是波长λ。三者之间的关系如下：V=F.λ。波在同一种物质中传播的速度是一定的，所以频率不同，波长也就不同。另外，还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减也就越厉害，这在超声波加工中也属于考虑范围。 1、超声波在塑料加工中的应用原理： 塑料加工中所用的超声波，现有的几种工作频率有15KHZ，18KHZ，20KHZ，40KHZ。其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑料件的缝隙，在加压的情况下，使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化，使接触位塑料熔合，达到加工目的。 2、超声波焊机的组成部分 超声波焊接机主要由如下几个部分组成：发生器、气动部分、程序控制部分，换能器部分。发生器主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频（例如20KHZ）的高压电波。 气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作需要。 程序控制部分控制整部机器的工作流程，做到一致的加工效果。 换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、达到加工表面。 3．换能器部分由三部分组成：换能器（TRANSDUCER）；增幅器（又称二级杆、变幅杆，BOOSTER）；焊头（又称焊模，HORN或SONTRODE）。 ①换能器(TRANSDUCER)：换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。将电信号转换成机械振动信号有两种物理效应可以应用。A：磁致伸缩效应。B：压电效应的反效应。磁致伸缩效应在早期的超声波应用中较常使用，其优点是可做的功率容量大；缺点是转化效率低，制作难度大，难于大批量工业生产。自从朗之万压电陶瓷换能器的发明，使压电效应反效应的应用得以广泛采纳。压电陶瓷换能器具有转换效率高，大批量生产等优点，缺点是制作的功率容量偏小。现有的超声波机器一般都采用压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器是用两个金属的前后负载块将压电陶瓷夹在中间，通过螺杆紧密连接而制成的。通常的换能器输出的振幅为10μm左右。 ②焊头（HORN）：焊头的作用是对于特定的塑料件制作，符合塑料件的形状、加工范围等要求。 换能器、变幅杆、焊头均设计为所工作的超声频率的半波长，所以它们的尺寸和形状均要经过特别的设计；任何的改动均可能引致频率、加工效果的改变，它们需专业制作。耐用根据所采用的材料不同，尺寸也会有所不同。适合做超声波的换能器、变幅杆和焊头的材料有：钛合金、铝合金、合金钢等。由于超声波是不停地以20KHZ左右高频振动的，所以材料的要求非常高，并不是普通的材料所能承受的。 二：超声波工作原理： 热可塑性塑料的超声波加工，是利用工作接面间高频率的摩擦而使分子间急速产生热量，当此热量足够熔化工作时，停止超声波发振，此时工件接面由熔融而固化，完成加工程序。
超声研磨加工技术 摘要：本文介绍了一种基于新加工原理的先进超精密研磨技术——超声研磨。首先简要介绍了磨削技术的发展现状并通过加工模型简述了其加工原理；然后从加工工艺及加工设备等方面阐述了其加工特点；最后以其在模具行业的应用为例，从加工设备、工艺分析等方面进行了简要分析。 关键词：超声加工；超声研磨；超精密加工；先进制造技术 0、引言 随着汽车、航空航天等行业的发展，陶瓷、玻璃、硬质合金等材料应用日益广泛。这些材料硬度高、零件形状复杂、加工精度高，传统的磨削方式难以满足要求[1]。超声研磨不仅能加工脆硬金属材料，而且能加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料，特别适合电火花加工或铣削加工表面的研磨，对电火花线切割加工表面的软化层和电火花成型加工表面的硬化层均能快速研磨，改善其表面质量。 1、研磨技术现状 相对于传统的研磨技术而言，目前，一些基于机械作用、机械—化学作用的超精密研磨技术以及液面研磨抛光技术的研究应用[2]，在超精密磨削方面取得了不错的效果。其中基于机械作用的弹性发射加工（EEM）兼有研磨和抛光的优点具有光明的发展前景。 然而，这些加工方法存在对加工设备及条件有特殊的要求；难以控制加工精度、表面质量等问题，如基于机械作用的弹性发射加工，需要高速高精度回转轴等，所以在实际应用中受到限制，达不到高的技术经济效果。 超声波研磨是功率超声在材料加工方面的一种重要运用，是一种非接触超精密研磨方法，具有加工表面质量高、精度高、切屑易处理、能很好地解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件加工问题等一系列优点，如今已成为一种新型的先进制造加工技术。
2、超声研磨原理 2.1超声研磨理论模型分析 超声研磨是超声加工技术的一种特殊应用[3]，其基于传统研磨加工原理，在研磨工具上附加以超声振动，工具与工件间的磨料在结合传统研磨加工运动和超声高频振动共同作用下，不断滑擦、磨削加工表面，以实现材料去除的目的，图1为超声研磨原理模型。 图1 超声研磨原理模型 研磨工具的端面和工件表面保持一固定的间隙，在其间充以微细磨料工作液，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对工件表面进行研磨。当工作台作平面运动或曲面运动，即可对整个工件表面进行加工[4][5]。 超声研磨时，大量的磨料以与超声振动相同的频率、脉动式的冲击被加工表面，除去或改造工件表面原有的损伤层，并在其下面构成新的损伤层(即表面加工层)。如果工艺参数(如超声发生器的功率，磨料的硬度、粒度，磨液浓度，间隙等)选择恰当，则可使新生成的损伤层更薄、更均匀，从而获得较佳的表面质量，实现超精密加工，理想的状况是获得接近无损伤的表面。 2.2超声研磨系统的关键 超声研磨加工技术在加工质量、加工精度、加工效率等方面都较传统研磨加工有很大优势，其关键在于超声研磨振动系统的作用。
第四节超声波加工 人耳能感受到的声波频率在16—16000Hz范围内。当声波频率超过16000Hz时，就是超声波。前两节所介绍的电火花加工和电解加工，一般只能加工导电材料，而利用超声波振动，则不但能加工像淬火钢、硬质合金等硬脆的导电材料，而且更适合加工像玻璃、陶瓷、宝石和金刚石等硬脆非金属材料。 1．超声波加工原理 超声波加工是利用工具端面的超声频振动，或借助于磨料悬浮液加工硬脆材料的一种工艺方法。超声波发生器产生的超声频电振荡，通过换能器转变为超声频的机械振动。变幅杆将振幅放大到0.01一0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动。在加工过程中，有“超声空化”现象产生。因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械锤击和研抛为主，以超声空化为辅的综合作用过程. 2．超声波加工的特点 (1)超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是利用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。对于韧性好的材料，由于它对冲击有缓冲作用而难以加工，因此可用作工具材料，如45钢常被选作工具材料。 (2)由于超声波加工中的宏观机械力小，因此能获得良好的加工精度和表面粗糙度。尺寸精度可达0.02～0.01mm；表面粗糙度R a值可达0.8一0.1μm。 (3)采用的工具材料较软，易制成复杂形状，工具和工件无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构较简单。但若需要加工复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计与制造三坐标数控超声波加工机床。 二、超声波加工的基本工艺规律 1．加工速度及其影响因素 加工速度指单位时间内去除材料的多少，通常以g／min或mm3／min为单位表示。影响加工速度的主要因素有： (1)进给压力的影响超声波加工时，工具对工件应有一个适当的进给压力。工具端面与工件加工表面间的间隙随进给压力的大小而改变。压力减小，间隙增大，从而减弱磨料对工件的锤击力；压力增大，间隙减小，当间隙减小到一定程度，则会降低磨料和工作液的循环更新速度，从而降低加工速度。 (2)工具振幅和频率的影响超声波加工中，设备的振幅和频率都在一定范围内可
南通大学 Nan Tong University 功率超声振动加工技术 院系： 专业：自动化 班级： 学号： 姓名：李芸 关键词： 振动加工、换能器发生机理、熔焊、功率超声车削、珩磨技术 引言： 超声加工（ultrasonic machining），起源于20世纪50年代初期，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。超声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。在难加工材料和精密加工中，功率超声加工技术具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用范围。由于功率超声加工技术具有许多优点，与其他加工技术相比较，常常能大幅度提高加工速度、提高加工质量和完成一般加工方法难以完成的加工工作。因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应用。 正文：
一、超声加工的基本原理 超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．01mm，再经变幅杆放大至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中 的磨粒，在超声振动下的 冲击、抛磨和空化现象综 合切蚀作用的结果。其中， 以磨粒不断冲击为主。由 此可见，脆硬的材料，受 冲击作用愈容易被破坏， 故尤其适于超声加工。 由超声发生器产生的高频 电振荡（频率一般为16～25千赫，焊接频率可更高）施加于超声换能器上（见图），将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅（双振幅为20～80微米），并驱动以一定静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，为循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，加工出与工具相应的形状。 二、特点 ①不受材料是否导电的限制。 ②工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件。 ③被加工材料的脆性越大越容易加工；材料越硬或强度、韧性越大则越难加工。 ④由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料。 ⑤可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超 声电解加工等。 超声加工主要用于各种硬脆材料,如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔（包括圆孔、异形孔和弯曲孔等）、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的尺寸精度可达 0.02～0.05毫米。表面粗糙度在采用 W40碳化硼磨料加工玻璃时可达Rα 1.25～0.63微米，加工硬质合金时可达Rα0.63～0.32微米。 ⑥切削力大及温度幅度降低，工件寿命大幅度提高。 ⑦大大节省能源，简化机床结构。 ⑧提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性。
超声波的应用及危害 一、超声波简介 我们知道，当物体振动时会发出声音。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。声波频率为20～20，000赫兹时，我们人类耳朵能够听到；当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。 由于超声波的频率高，因此具有以下特点： （a）方向性好（几乎沿直线传播），能量易于集中； （b）穿透能力强，可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，且可传播足够远的距离； （c）在媒质中传播时能产生巨大的作用力，如在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 二、超声波的应用 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面： ①超声检验：超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。 ②超声处理：利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 ③基础研究：超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成
超声波加工 摘要：超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。它能广泛应用于各个领域，特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。 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、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同，例如c空气=331m/s；c水=1430m/s；
超声波技术及其应用报告超声波技术在医疗上的应用 硕士研究生： 学号： 学科： 报告日期：
超声波技术及其应用报告 摘要 频率高于可听声频范围（20KHZ以上）的机械波，称为超声波（ultrasonic)，简称超声。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。本文主要介绍超声波技术在医疗上的应用。主要由超声波在医疗检测上的应用和超声波在治疗上的应用两部分组成。主要内容包括B超，彩超，超声全息影像技术，超声波手术刀，超声波碎石技术。文章论述了这些超声波技术的基本原理，相比于传统技术的优缺点，存在的局限和发展前景，以及超声波技术要突破的一些技术瓶颈和将来的发展方向。由于篇幅及理论基础有限，本文避免了难以理解的公式推导和证明，只是定性地，原理性地介绍了超声波在医疗上应用的这些技术。 关键词：超声检测；手术刀；超声全息影像技术；超声碎石；超声理疗 - -I
超声波技术及其应用报告 - - II 目录 摘 要 ....................................................................................................................... I 1.1 技术应用的领域 (3) 1.2 技术应用特点及原理 (3) 1.3 国内外情况分析 (6) 1.3.1 国外情况 (7) 1.3.2 国内情况 (7) 1.4 系统组成 (7) 结论 (10) 参考文献 (11)
超声波的应用 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面： 超声检验 超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观 察。
超声处理 利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 超声波清洗 清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清 洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。 超声波加湿器 理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大. 在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患
超声波加工在模具行业中的应用 传统的机械加工技术对推动人类的进步和社会的发展起到了重大的作用。随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，工件的复杂程度以及加工精度的要求越来越高，对机械制造工艺技术提出了更高的要求。由于受刀具材料性能、结构、设备加工能力的限制，使用传统的切削加工方法很难完成，为了解决这些加工的难题，新型特种加工方法应运而生。 各种硬脆材料和硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工,因而往往采用非传统的工艺方法进行加工,这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量,如超声波加工和激光加工等。超声波加工始于1927年,几十年来,超声加工技术的发展迅速,在超声振动系统、超声复合加工等领域均有较广泛的研究和应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、硅等,取得了良好的效果 一、超声波加工的系统构成:在工件和工具间加入磨料悬浮液,由超声波发生器产生超声振动波,经换能器转换成超声机械振动,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声冲击及空化作用的综合结果。超声波加工系统由机床、超声波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成,其中超声振动系统是超声加工设备的核心部分,由换能器、变幅杆和工具头等部分组成。 下面将系统的各个部分分别介绍。 1．1 超声波换能器超声波换能器的作用是将高频电振动转变为机械振动。实现这种转变主要采用以下2种方法。 1)磁致伸缩法:某些铁磁体或铁氧化体在变化的磁场中,由于磁场的变化,其长度也发生变化的现象,称为磁致伸缩效应。磁致伸缩换能器因为具有较低的Q 值(Q是能量峰值的锐度) ,所以它能传递很宽的频率。这使变幅杆设计的灵活性增大,也使与变幅杆连接在一起的刀具允许在加工中磨损后可重磨。磁致伸缩换能器工作时会大量生热,产生较大的电能损失,且使电声转换效率降低。 2)压电效应法:利用压电晶片在外电场中随电场方向的改变而形变发生相反变化的压电效应原理,将高频电振动转变为机械振动的器件称为压电换能器。压电换能器电声转换效率高,不易有热量损失,不需要任何冷却措施,适应旋转操作,生产容易;但要加工0.1～1 GHz级的超高频超声波换能器是很困难,日本中村等提出用钛扩散、周期地形成自发极化反相区域,同时在表面配置叉指电极作成新型超高频超声换能器,可得到变换损失低于5.5dB、相对带宽为0.9的宽频带横波超声换能器。 1．2 变幅杆及工具:变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅由0.005 mm～0.01 mm放大至0.01mm～0.1 mm,以便进行超声波加工。变幅杆之所以能放大振幅,是由于通过其任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计) ,截面小的地方能量密度大,振动振幅也就越大。在进行大功率的超声加工及精密加工时,往往将变幅杆与工具设计制成一个整体;在进行小功率的超声加工及加工精度不高时,则将变幅杆与工具设计制成可拆卸式。目前,对超声变幅杆的研究和优化已广泛应用了CAD /CAM技术和有限元分析技术。如使用ANSYS软件对变幅杆进行优化:首先分析需要的所有数据(材料属性、频率范围等) ,定义结构的几何形状;然后求解,
超声波的原理及其应用 目录 摘要......................................... 错误！未定义书签。 1. 绪论 (25) 2.超声波的基本原理 (26) 2.1什么是超声波 (26) 2.2波的传播 (26) 2.3超声波传播的特点 (32) 3.超声波的应用 (32) 3.1超声波传感器 (33) 3.2超声波测距 (34) 3.3超声波测量流量 (36) 3.4超声波提取技术 (39) 3.5超声清洗 (40) 3.6超声波在军事中的应用 (42) 3.7超声波技术在纳米材料制备中的应用 (42) 3.8超声波在医疗方面的应用 (43) 4. 后记 (44) 5. 致谢........................................ 错误！未定义书签。参考文献. (44) 湖北师范学院学士学位论文评审表................. 错误！未定义书签。
超声波的原理及其应用 1. 绪论 早在1830年，F·Savart曾用齿轮，第一次产生4 10 4.2?HZ的超声，1876年F·Galton用气哨产生4 3?Hz 的超声。1912年4月10日，泰坦尼克号 10 触冰山沉没，引起科学界注意，希望可以探测到水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前[1]。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中。 我国解放前超声研究是个空白，超声学的研究始于1956年的12年科学规划。1959年超声应用（探伤、加工、种子处理、显示、医疗、粉碎、乳化及染料等）取得了进展。在基础研究反面也有相当深度，如棒的声振动、超声乳化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学试验设备，对弛豫吸收、悬浮体的声吸收进行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。1965年开始研究了声表面波换能器。进入80年代，我国超声学面向实际应用。B超医疗开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化与滤矿及超声技术育种等逐步开始形成一定规模的产业。压电复合换能器研制成功，窄脉冲短余振探头问世；PVDF新颖压电薄膜换能器及超声显微镜获得实用；高频压电材料LiNbO3研制成功和走向实用[2]。九十年代以来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点实验室。总之，我国的超声学研究过的巨大的发展，有些方面已达到国际先进水平。 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要遇上的通用技术之一。在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，涉及的应用范围非常广泛。但归纳起来，也无非是两大类：第一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术[3]，其他的超声理论和实验，实际上都是为这两类应用服务的。 超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态