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10 5超声波加工 机械制造基础 第10章 超声波加工的机理与特点 频率超过16000Hz的声波称为超声波 超声波加工的机理 超声波是由压电晶片 如石英 钛酸钡等 的逆压电效应产生的 超声波的特性 超声波能传递很强的能量 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 从而引起固体物质分散 破碎等效应 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 在一定条件下 会产生波的干涉和共振现象 利用超声波的特性进行加工的工艺称为超声加工 超声加工是利用工具端面作超声振动 通过磨料悬浮液加工脆硬材料的 超声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超声空化作用的综合结果 磨粒的撞击作用是主要的 超声加工是基于局部撞击作用 因此越是脆硬的材料 越易进行超声加工 而选择工具材料时则应使之既能撞击磨拉 又不致使自身受到破坏 超声加工原理图 加工精度高 表面粗糙度小 加工质量好 工具和工件无需复杂的相对运动 超声加工机床结构简单 工件表面宏观切削力很小 切削应力 切削热很小 不会引起变形和烧伤 适合加工各种硬脆材料 特别是不导电的非金属材料 超声波加工的特点 工具可用软材料 超声加工设备包括超声发生器 超声振动系统 机床本体和磨料工作液循环系统 超声波加工装置的构成及关键部件 CSJ 2型超声加工机床 超声波发生器 作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡 以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量 基本要求 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 还要求结构简单 工作可靠 价格便宜 体积小等 有电子管式 晶体管式 声学部件 将高频电能转变为机械能 使工具端面作高频率小振幅的振动以进行加工 压电陶瓷换能器 磁致伸缩换能器 镍棒长度应等于超声波半波长或其整数倍 使之处于共振状态 20kHz的换能器 其长度为125mm 几种变幅杆 声学头的固定 选择振幅为零的波节点 磨料工作液及其循环系统 磨料可以靠人工输送和更换 也可利用小型离心泵注入 工作液常用的是水 为了提高表面质量 有时也用煤油或机油 磨料常用碳化硼 碳化硅或氧化铝等 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 以mm3 min或g min为单位来表示 影响加工速度的因素主要有工具的振幅和频率 进给压力 磨料的种类和粒度 被加工材料 磨料悬浮液的浓度 超声波加工的工艺规律 工具振幅和频率的影响 过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力 振幅一般在0 01 0 1mm之间 频率在16000 25000Hz之间 在实际加工中需根据不同工具调至共振频率 以获得最大振幅 从而达到较高的加工速度 进给压力的影响 加工时工具对工件应有一个适当的进给压力 压力过小时 工具端面与工件加工表面间的间隙增大 从而减少了磨料对工件的锤击力 压力增大 间隙减少 当间隙减少到一定程度则会降低磨料与工作液的循环更新速度 从而降低生产率 磨料种类和粒度的影响 加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料 磨料强度愈高 加工速度愈快 但要考虑价格成本 加工宝石 金刚石等超硬材料 必须选用金刚石 加工淬火钢 硬质合金 应选用碳化硼 加工玻璃 石英和硅 锗等半导体材料 选用氧化铝磨料 被加工材料的影响 被加工材料愈硬脆 则承受冲击载荷的能力愈低 愈易被去除加工 反之 韧性愈好 愈不易加工 磨料悬浮液浓度的影响 磨料悬浮液浓度低 加工间隙内的磨粒少 特别是在加工面积大 深度较大时可能造成加工区局部没有磨料 使加工速度大大降低 磨料浓度的增加 加工速度也增加 但浓度太高 磨粒在加工区域内的循环运动和对工件的撞击运动受到影响 又会导致加工速度降低 加工精度及其影响因素 超声波的加工精度 除了机床 夹具精度影响外 主要与磨料粒度 工具精度及其磨损情况 工具横向振动大小 加工深度 被加工材料性质有关 表面质量的影响 超声波加工具有良好的表面质量 不会产生表面变质层和烧伤 其表面粗糙度主要与磨粒尺寸 超声波振幅大小和工件材料硬度有关 磨粒尺寸愈小 超声振幅愈小 工件材料越硬 生产率愈低 表面粗糙度愈会得到明显改善 因为表面粗糙度值主要取决于每颗磨粒每次锤打工件材料所留下的凹痕的大小和深浅 加工型孔 型腔 主要用于对脆硬材料加工圆孔 型孔 型腔 套料 微细孔等 超声波加工的应用 加工圆孔 加工型腔 加工异形孔 套料加工 加工微细孔 切割加工 用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难 采用超声切割较为有效 超声切割单晶硅片 成批切槽刀具 切割成的陶瓷模块 复合加工 用超声加工与其它加工方法相结合进行复合加工 以提高加工速度和表面质量 超声电解复合加工小孔 手携式电解超声复合抛光原理图 超声振动切削加工 超声波切割金刚石 超声波焊接 利用高频振动产生的撞击能量 去除工件表面的氧化膜杂质 露出新鲜的本体 在两个被焊工件表面分子的撞击下 亲和 熔化并粘接在一起 可以焊尼龙 塑料制品 特别是表面易产生氧化层的难焊接金属材料 如铝制品等 此外 利用超声波化学镀工艺还可以在陶瓷等