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模具制造技术精品课程,四川航天职业技术学院,教学要点,课题：超声波加工，电化学加工,【目的要求】 1、掌握超声波加工的基本原理 2、掌握电化学加工的基本原理 【重点】 1、超声波加工的基本原理 2、电化学加工的基本原理 【难点】 1、超声波加工的基本原理 2、电化学加工的基本原理,模具制造项目,一、超声波加工 （一）超声波及其特性 1、基本概念 声波是人耳能感受的一种纵波，其频率f16，16000Hz。当频率超过16000Hz，就称其为超声波。 超声波频率高、波长短、能量大。在不同介质中，超声波的传播速度c不同。例如：c空气331m/s，c水1430m/s，c铁5850m/s。 超声波传播的速度c和波长、频率f有如下关系：,2、超声波的主要特性,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）。可以用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J表示，单位是W/cm2。,由于超声波频率f很高，因此，J可达100W/cm2以上。,当超声波经过液体介质传播时，以极高频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续形成压缩和稀疏区域。由于液体基本上不可压缩，因此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。,超声波通过不同介质时，在界面上会发生波速突变，产生波的折射和反射现象。,超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。,（二）超声波加工的基本原理 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形方法。 由此可见，超声波加工不仅能够加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，更适合加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电非金属脆硬材料！,回忆：电火花加工适宜加工不导电的材料吗？,1、加工原理 空化作用：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，在工作液内形成很多微腔。当工具端面以很大加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波。,超声波加工原理图,材料越硬越易加工。而脆性和硬度不大的材料，由于它的缓冲作用而难以加工。,超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及空化作用的综合结果，其中撞击作用是主要的。,2、加工特点 适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料（如玻璃、陶瓷、石英、玛瑙、宝石、金刚石等），对应导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工生产率较低。 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，不需要工具相对于工件作复杂运动，因而机床简单，操作方便。 工件表面的宏观作用力很小，不会引起变形和烧伤，因而表面粗糙度好，加工精度也较高。 生产率较低。,（三）超声波加工的设备简介 主要组成部分：超声波发生器，超声振动系统（声学部件），机床本体，磨料工作液循环系统,超声波发生器：将工频交流电转化为有一定功率输出的超声频电振荡，为工具端面振动及去除被加工材料提供能量。,超声振动系统（声学部件）：将高频电能转化为机械振动，并以波的形式传递到工具端面。包括换能器、振幅扩大棒（变幅杆）和工具。 换能器的作用：将高频电振荡转换成机械振动。 振幅扩大棒（变幅杆）的作用：扩大振幅。 工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。,（四）超声波加工工艺规律简介 1、加工速度及其影响因素 加工速度是指单位时间内去除材料的多少。单位为g/min，mm3/min。 影响因素： 工具振幅及频率 加工速度与工具振幅及频率成正比，但不能过大，否则会使工具和振幅扩大棒承受很大的内应力，从而降低使用寿命。 进给压力,磨料种类及粒度,粒度越粗，加工速度越快，但精度和表面粗糙度则会相应变差！,磨料悬浮液浓度的影响 浓度低，则加工间隙内磨粒较少，使加工速度大大下降。 但浓度过高，磨粒在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动会受到影响，也会导致加工速度下降。 常用浓度：磨粒:水0.51（质量比） 被加工材料 材料越脆，加工速度越快！（思考，为什么？）,2、加工精度及其影响因素 超声波加工精度主要包括尺寸精度、形状精度等。 影响因素： 除机床、夹具精度的影响外，主要与磨料粒度，工具精度及其磨损，工具横向振动大小，加工深度、被加工材料性质等。 3、表面质量及其影响因素 超声波加工可获得较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。 超声波加工的表面粗糙度也较好，一般可达Ra10.1m，取决于每粒磨料撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒的大小、被加工材料的性质、超声振幅以及工作液成分有关。,超声波加工虽然比电火花、电解加工生产率低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。在实际生产中，超声波广泛应用于型(腔)孔加工、切割加工、清洗等方面。,（五）应用实例,超声波切割加工,（一）电化学加工的理论背景 电化学加工的基本理论建立于19世纪末，但在工业上的大规模应用，还应该是在20世纪3050年代。目前，电化学加工已经成为我国民用、国防工业中的一个不可或缺的加工手段。,（二）电化学加工的基本原理,二、电化学加工,（三）电化学加工的分类 电化学加工有三种不同的类型。第类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。 （四）电化学加工的适用范围 电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。 电解加工可以加工复杂成型模具和零件。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。,1、电解加工的基本原理 利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，进行尺寸加工。,工件接直流电源正极，成形工具电极接电源负极（电源电压：525V）,工具向工件缓慢进给（保持两极间隙为0.11mm）,具有一定压力（0.52MPa）的电解液从间隙高速流过（550mm/s）,（五）电解加工,2、电解加工的特点,优点： 加工范围广。不受金属材料本身力学性能的限制；适合加工复杂型面； 生产效率高。约为电火花加工的510倍，甚至在某些情况下，比切削加工还高； 加工精度和表面粗糙度较高； 由于加工过程无机械切削力，所以不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边和毛刺； 阴极工具理论上没有损耗，可长期使用。,局限性： 不能加工非导电材料； 电极工具的设计和修正比较麻烦； 成本高，设备多，占地大； 电解产物易污染环境。,（六）电铸成形 1、基本原理: 利用电化学过程中的阴极沉积现象进行成形加工，也就是在原模上通过电化学方法沉积金属，然后将沉积金属从原模上分离以获得金属制品。,2、特点 能准确地复制形状复杂的成形表面，制件表面粗糙度小，用同一原模能生产多个电铸件。 设备简单、操作容易。 电铸速度慢；电铸件的尖角和凹槽部位不易获得均匀的铸层；尺寸大而薄的铸件容易变形。 适用塑料压模及注射模，不宜受冲击载荷。