【正文】 我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20210 赫茲的聲波稱為 “ 超聲波 ” 。 超聲波的產(chǎn)生 聲波是物體 機械 振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置 附近進(jìn)行的往返運動形式。譬如， 鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于 20210Hz以上的 ； 其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（ 20210Hz）， 人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和 可聞聲 本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以 縱波 的方式在 彈性介質(zhì) 內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高， 波長 短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超 聲成象 所用的頻率范圍在 2～ 5 兆 Hz 之間，常用為 3～ 兆Hz（每秒振動 1 次為 1Hz， 1兆 Hz=10^6Hz,即每 秒振動 100 萬次，可聞波的頻率在16～ 20,000HZ 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員 。 超聲波的兩個參數(shù)及其特點 超 聲波的兩個主要參數(shù)： 頻率： F≥ 20KHz（在實際應(yīng)用中因為效果相似，通常把 F≥ 15K 的聲波也稱為超聲波）； 功率密度 ： p=發(fā)射功率 (W)/發(fā)射面積 (cm2)， 通常 p≥， 在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進(jìn)行清洗，其原理可用 “ 空化 ” 現(xiàn)象來解釋：超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達(dá)到一個大氣壓時，其功率密 ，襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 2 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 這時超聲波的音波壓強峰值就可達(dá)到 真空或負(fù)壓，但實際上無負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞 — 空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向達(dá)到最大時破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強烈沖擊將物體表面的污垢撞擊下來。這種由無數(shù)細(xì)小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為 “空化 ”現(xiàn)象。太小的 聲波 無法產(chǎn)生空化效應(yīng)。 超聲波的特點 ： (一 )超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中 ； (二 )超聲波能在各種不 同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離 ； (三 )超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。 超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負(fù)載信息的載體或媒介（如 B超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當(dāng)其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。 超聲波加工技術(shù)的 應(yīng)用現(xiàn)狀及 發(fā)展 趨勢 超聲波加工技術(shù)的研究最早可追溯到 1927年美國物理學(xué)家 R． w． Wood 和 A1fred Loomis 的奠基性工作，他們利用強烈的超聲振動在玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時并未應(yīng)用在工業(yè)上。在 1939～ 1945 年期間，這項技術(shù)僅局限于使用金剛石粉末作為切割介質(zhì)鉆削和切割石英晶體、半導(dǎo)體和寶石，后來才用于切割金屬及硬質(zhì)合金。1945 年美國工程師 獲得第一個超聲波加工專利，自此，超聲波加工才引起了人們極大的關(guān)注，并在工業(yè)中有了較大范圍的應(yīng)用。超聲波加工曾被稱為超聲波鉆削、超聲波切削、超聲波尺寸加工、超聲波磨削以及懸浮液鉆削等，但是 從 50 年代早期以來最普遍的稱法還是超聲波加工或超聲波沖擊磨削 。早期研究發(fā)現(xiàn)使用超聲波加工方法，所有的脆性材料，如玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、寶石，甚至金剛石都能被加工。 從 1953 年到 1955 年 ，根據(jù)鉆削和銑削加工機床，幾個國家研制出單個超聲波加工工具原型，并于 1954 年由 研制出第一臺超聲波加工機床。 到 60 年代，可以看到各種類型和尺寸的加工工具，一些機型開始進(jìn)入有規(guī)律的生產(chǎn)，此階段超聲波加工的快速進(jìn)展。 二十世紀(jì) 50 年代中期，日本、蘇聯(lián)將超聲加工與電加工 (如電火花加工和電解加襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 3 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 工等 )、切削加工結(jié)合起來，開辟了復(fù)合加工的領(lǐng)域。這種復(fù)合加工的方法能改善電加工或 金屬切削加工的條件，提高加工效率和質(zhì)量。 60 年代初，美國開始了超聲加工的研究工作。由于當(dāng)時超聲加工技術(shù)還很不成熟，包括聲振系統(tǒng)、換能器的設(shè)計制造和質(zhì)量都較差，美國的研究工作曾經(jīng)停頓了10 年。 70 年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，己處于生產(chǎn)應(yīng)用階段：超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗性生產(chǎn)設(shè)備原型階段；通用超聲振動切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)。 自 80 年代以后，新的合成材料和陶瓷材料進(jìn)展很快，促進(jìn)了超聲波加工技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)電火花力 HI(EDM)出現(xiàn)后，它代替了超聲波加工 硬的鋼鐵，效率更高，應(yīng)用到許多場合中。 80 年代中期，隨著電火花線切割的成功進(jìn)展，減少了超聲波加工 硬質(zhì)合金的市場，超聲波加工的主要應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榍懈畈Ａ?、石英、陶瓷和硅板等低?dǎo)電性的硬脆材料。 超聲具有許多獨特的性質(zhì)和優(yōu)點，所以超聲學(xué)的發(fā)展很迅速，應(yīng) 用領(lǐng)域十分廣泛，并有廣闊的應(yīng)用前景。功率超聲是超聲學(xué)的一個分支， 它主要研究大功率和高強度超聲的產(chǎn)生，強超聲在媒質(zhì)中 的傳播規(guī)律，強超聲和物質(zhì)的相互作用，以及各種功率超聲技術(shù)和應(yīng)用。 與檢測超聲不同，功率超聲是利用超聲能量來對物質(zhì)進(jìn)行處理、加工。最常用的頻率范圍 是從幾千赫到 幾十千赫，而功率由幾瓦到幾十千瓦。 超聲處理技術(shù)和應(yīng)用主要有：超聲清洗，超聲加工，超聲節(jié)能，超聲塑料和金屬焊接，超聲乳化、粉碎、分散、 霧 化，超聲金屬成型，超聲處理種子，超聲治療和外科手術(shù)等等。 近十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速，其應(yīng)用遍及航空、航海、國防、生物工程以及電子等領(lǐng)域，在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用。超聲技術(shù)己成為國際上公認(rèn)的高科技領(lǐng)域，與其有關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品涉及到振動與聲、電子、機械及材料等新技術(shù)。目前，超聲技術(shù)正在深入到許多科學(xué)領(lǐng)域和生產(chǎn)部門，并且在不斷發(fā)展，解決了很多日常 生活中和生產(chǎn)技術(shù)中的難題。 1922 年， 德國 出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。 1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報道。 40 年代末期超聲治療在歐美興起，直到 1949 年召開的第一次國際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1956年第二屆國際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實用 成熟階段 。 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 4 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 國內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于 20 世紀(jì) 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療工作，從 1950 年首先在 北京 開始用 800KHz 頻率的超聲治療機治療多種疾病，至50 年代開始逐步推廣，并有了國產(chǎn)儀器。公開的文獻(xiàn)報道始見于 1957 年。到了 70年代有了各型國產(chǎn)超聲治療儀 ， 超聲療法 普及到全國各大型醫(yī) 院。 超聲波加工技術(shù)的基本原理 超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕來去除材料 , 或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行加工 ， 或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。幾十年來 , 超聲加工 (包括復(fù)合加工 )的發(fā)展較為迅速 ， 其工藝技術(shù)在深小孔加工、難加工材料加工方面有較廣泛的應(yīng)用 ,尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題 , 取得了良好的效果。 將超聲能量通過聲學(xué)系統(tǒng)施加于工具 ， 使其按一定的頻率和振幅作圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動 ,形成脈沖力作用的分離型振動切削 ， 消除了普通切削過程中的彈性擠壓振動 , 使切削過程變?yōu)橛幸?guī)律的脈沖狀斷續(xù)切削 ,切削力可降為普通切削的 IP3IP10，降低了切削溫度 , 增加了系統(tǒng)剛度。工件作超聲振動時 ,由于等效硬度特性 ,高頻振動導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力對工件的硬度產(chǎn)生影響 ， 使磨削力比降低為 23 倍 ,磨削力比隨磨削深度、 磨削速度及工件速度的變化不明顯 ， 工作力變化不大而能得到良 好的加工穩(wěn)定性和加工精度。工具的磨損會使工具的形狀發(fā)生變化 , 從而導(dǎo)致工件加工精度大大降低。大連理工大學(xué)的學(xué)者針對陶瓷材料超聲旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)提出一種用簡單工具進(jìn)行超聲仿銑加工三維陶瓷工件的新方法 , 該技術(shù)可實現(xiàn)工具損耗的在線補償和控制 ,有效地克服了超聲成形加工中 ,因工具損耗嚴(yán)重 ,加工間隙中懸浮磨料不均勻現(xiàn)象 , 從而提高了復(fù)雜型面的加工精度。超精密加工技術(shù)在提高機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高科技產(chǎn)品等方面具有重要的作用。 超聲波加工原理圖如圖 所示： 圖 襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 5 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 超聲波加工機床 簡 介 上述加工手段這些一般都是通過超聲波加工機床進(jìn)行的 ,而常見的超聲波加床如圖 。 圖 1． 支架， 2平衡重錘， ， ， 5．變幅桿， ， ， 8標(biāo)尺 超聲波加工時，工具與工件 間的 作用力很小，加工機床只需實現(xiàn)工具的工作進(jìn)給運動及調(diào)整工具與工件間相對位置的運動，因此機床構(gòu)造較簡單，一般包括支撐振動系統(tǒng)的機架、工作臺面、進(jìn)給機構(gòu)以及床身等部分 。 國產(chǎn) CSJ2型超聲加工機床是其中的代表產(chǎn)品，如圖 。其振動系統(tǒng)安裝在一根能上下移動的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活可靠地上下移動。工具的向下進(jìn)給以及對工件施加壓力靠振動系統(tǒng)自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機床后面有可加減的平衡重錘除此之外，還有重錘杠桿加載、彈簧夾載、液壓或氣壓加載等加壓方式。 超聲振動加工 超聲振動加工作為新型的特種加工技術(shù)，引起國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。最早對振動切削進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究、可以成為振動切削理論應(yīng)用的奠基人的是日本學(xué)者隈部淳一郎。他再 20世紀(jì) 50～ 60年代發(fā)表了許多振動切削方面的論文，系統(tǒng)地提出了振動切削理論，并成功地實現(xiàn)了振動切削加工等。隨后美國也 對振動切削進(jìn)行研究，到了20世紀(jì) 70年代中葉，振動車削、振動鉆孔、光整加工等均已達(dá)到實用階段 ,取得一系列的研究成果。 俄羅斯學(xué)院和英國拉伯運大學(xué)對車削振動加工的非線形過程進(jìn)行了深入地研究 ,襄樊學(xué)院理工學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）報告紙 6 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 利用流變模型對超聲震動切削實驗進(jìn)行了理論解釋。通過對超聲振動切削的動力學(xué)研究 ,得到了振動工具的非線性振幅特性曲線 ,并討論了超超聲震動加工的的優(yōu)越性和應(yīng)用領(lǐng)域 . 長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校采用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠生產(chǎn)的一種直齒齒輪的滾齒加工進(jìn)行了工藝實驗 ,通過生產(chǎn)現(xiàn)場各種工藝參數(shù)實驗及小批量試生產(chǎn) ,收到令人滿意的效果 ,具有較好的發(fā)展前景。北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲震動引入 普通聚晶金剛石 (PCD)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率 ，并在分析 PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機理的基礎(chǔ)上，對 PCD超聲振動研磨機理進(jìn)行了深入研究。研究指出 ，研磨軌跡的增長和超聲振動脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。 山東大學(xué)對工程陶瓷的超聲振動鉆削加工曾進(jìn)行過深入探索 ，探討了超聲振動鉆削中各項工藝參數(shù)對加工效果的影響，并從理論上分析了超聲振動鉆削時的材料去除機理。上海交通大學(xué)也對超聲橢圓振動切削技術(shù)進(jìn)行了研究，闡述了超聲波橢圓振動切削原 理和刀具橢圓振動系統(tǒng)，分析了超聲波橢圓振動切削運動特性，詳細(xì)介紹了超