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1 第七章超声加工 精密与特种加工 Precisionandnon traditionalmachining 2 7 1超声波及其特性7 2超声波加工的原理及特点7 3超声波加工设备7 4超声波加工的工艺规律7 5超声波加工的应用 主要内容 3 1 声波类型 7 1超声波及其特性 振动在弹性介质内的传播称为波动 简称波 波动的物理实质是能量的传递过程 可闻声波 频率在16 160000Hz之间的声波 次声波 频率低于16Hz的声波 超声波 频率高于16000Hz的声波 特超声波 频率高于1010Hz的声波 7 1超声波及其特性 4 声波的频率界限图 7 1超声波及其特性 5 2 超声波的基本特性 1 超声波与声波一样 在气体 液体和固体等不同弹性介质中传播时 其传播速度不同 2 超声波能传递很强的能量 它对其传播方向上的障碍物施加压力 声压 超声波是一种纵波 其振动能量的强弱可用能量密度来衡量 其能量密度可达100W cm2以上 3 超声波在液体介质中传播时 可在界面上产生强烈的冲击和空化作用 强化加工过程的进行 4 超声波会产生反射 干涉和共振现象 出现波的叠加作用 从而获得更大的加工能量 7 1超声波及其特性 6 7 2超声波加工的原理与特点 1 超声波加工的基本原理超声波加工是利用超声波作动力 推动磨料以极高的速度冲击工件表面 工件材料在磨料打击下被破坏 脱落 7 2超声波加工的原理与特点 7 超声波空化作用 指存在于液体中的微小气泡 在声波的作用下振动 当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程 空化作用一般包括3个阶段 空化泡的形成 长大和剧烈的崩溃 超声发生器将交流电转变为超声电振荡 换能器将电振荡转变为机械振动 变幅杆将振幅放大至0 05 0 1mm 驱动工具作超声振动 工具推动磨料高速撞击 抛磨工件 击碎工件表面材料 并使之去除 工作液产生的液压冲击波和空化作用加快了表面材料的裂纹扩展和破坏 超声波加工是机械撞击 抛磨 空化作用的综合结果 其中撞击起主要作用 7 2超声波加工的原理与特点 8 2 超声波加工的特点 1 适合加工各种硬脆材料 特别是不导电的非金属材料 例如玻璃 陶瓷 石英 宝石 金刚石等 2 工具可用较软的材料做较复杂的形状 3 工具与工件相对运动简单 使机床结构简单 4 切削力小 切削热少 不会引起变形及烧伤 加工精度与表面质量也较好 5 超声波加工的面积较小 工具头磨损较大 因此 生产率低 7 2超声波加工的原理与特点 9 7 3超声波加工设备 超声波加工设备又称超声波加工装置 尽管不同功率大小 不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相同 但其组成部分基本相同 超声波加工装置一般都由超声发生器 超声振动系统 声学部件 机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成 7 3超声波加工设备 10 超声波加工装置 7 3超声波加工设备 1 冷却器2 磨料悬浮液抽出3 工具4 工件5 磨料悬浮液送入6 变幅杆7 换能器8 超声波发生器 11 1 超声发生器 作用 将工频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡 要求 输出的功率和频率在一定范围内连续可调 图7 3超声发生器的组成方图 7 3超声波加工设备 12 2 声学部件 作用 将超声波发生器输出的高频率电能转变为机械振动能 并通过变幅杆使工具端面作高频率 小振幅振动以进行超声加工 组成 换能器 变幅杆和工具 1 换能器作用 将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动 分类 压电式换能器 利用压电效应制成 磁致伸缩式换能器 利用磁致伸缩效应制成 7 3超声波加工设备 13 压电效应 石英晶体 钛酸钡 BaTiO3 陶瓷 锆钛酸铅 ZrPbTiO3 压电陶瓷等物质受外力变形时 在界面上产生电势 或者相反的情况 7 3超声波加工设备 14 磁致伸缩效应 铁 钴 镍及其合金的长度能随其所处的磁场强度的变化而伸缩的现象 较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率 7 3超声波加工设备 15 2 变幅杆 作用 将换能器获得的超声振动振幅加以扩大 以达到加工所需的振幅 分类 锥形 扩大比较小 5 10倍 易制造 指数形 扩大比中等 10 20倍 难制造 阶梯形 扩大比大 20倍以上 易制造 7 3超声波加工设备 16 扩大振幅的原因 通过变幅杆任一截面的振动能量不变 传播损耗不记 截面越小 能量密度越大 振动振幅也就越大 能量密度与振幅的平方成正比 7 3超声波加工设备 17 3 工具 作用 推动磨料和悬浮液冲击工件表面 加工出形状和尺寸 形状和尺寸 取决于被加工表面的形状和尺寸 它们相差一个 加工间隙 材料 45钢 碳素工具钢 一般硬脆材料 硬质合金 淬火钢 加工精度高 金刚石镀覆 特殊要求 7 3超声波加工设备 18 3 机床 1 工作台 2 工具 3 变幅杆 4 换能器 5 标尺 6 导轨 7 支架 8 平衡重锤 7 3超声波加工设备 19 6 磨料工作液及其循环系统 1 工作液常用 效果较好 水表面质量要求高 煤油或机油 2 磨料碳化硼 碳化硅或氧化铝生产率要求高 颗粒大加工精度 表面质量要求高 颗粒小 3 循环系统小型加工设备 人工浇注 定期更换大型加工设备 流量泵自动供给工具 变幅杆尺寸较大 在其中开孔 由孔内抽吸 7 3超声波加工设备 20 7 4超声波加工的工艺规律 一 加速度及其影响因素 定义 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 7 4超声波加工的工艺规律 21 1 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 7 4超声波加工的工艺规律 22 2 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 7 4超声波加工的工艺规律 23 3 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 7 4超声波加工的工艺规律 24 4 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 7 4超声波加工的工艺规律 25 5 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 7 4超声波加工的工艺规律 26 二 加工精度的影响因素 超声波的加工精度 除了机床 夹具精度影响外 主要与以下因素有关 1 磨料粒度 2 工具精度及其磨损情况 3 工具横向振动大小 4 加工深度 5 被加工材料性质等 超声波加工的孔径范围0 1 90mm 孔深为孔径的10 20被以上 孔的精度可达 0 02mm或更高 7 4超声波加工的工艺规律 27 三 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 超声波加工的表面粗糙度主要与磨粒尺寸 工件材料性质 超声波振幅以及磨料悬浮液的成分等有关 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 用煤油或者润滑油代替水可使表面粗糙度值减小 提高表面质量 7 4超声波加工的工艺规律 28 7 5超声波加工的应用 7 4超声波加工的应用 超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电解加工低 但其加工精度和表面质量都优于它们 更重要的是可以加工它们难以加工的半导体和非金属的硬脆材料 如玻璃 陶瓷 石英 硅 玛瑙 宝石 金刚石等 对于电火花加工后的一些淬火钢 硬质合金冲模 拉丝模 塑料模等 最后还经常用超声波抛磨 光整加工 使表面粗糙度进一步降低 29 超声波目前主要应用在脆硬材料的圆孔 型孔 型腔 套料 微细孔等的加工 1 型 腔 孔加工 图7 12超声波加工的型孔 腔孔类型 7 4超声波加工的应用 30 近几年来 超声波加工已向微细加工领域扩展 日本东京大学工业科学学院采用超声波加工方法 加工出了 微细孔加工 玻璃上直径9 m的微孔 微小透平腔 7 4超声波加工的应用 31 对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷 石英 硅 宝石等用超声波加工具有切片薄 切口窄 精度高 生产率高 经济性好等优点 图7 15超声波切割加工 2 切割加工 7 4超声波加工的应用 32 原理 基于清洗液在超声波作用下产生空化效应的结果 空化效应产生的强烈冲击液直接作用到被清洗的部位 使污物遭到破坏 并从被清洗表面脱落下来 应用 主要用于几何形状复杂 清洗质量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件 特别是工件上的深小孔 微孔 弯孔 盲孔 沟槽 窄缝等部位的精清洗 生产率和净化率都很高 目前在半导体和集成电路元件 仪器仪表零件 电真空器件 光学零件 医疗器械等的清洗中应用 3 超声波清洗 7 4超声波加工的应用 33 图7 20超声波清洗装置 7 4超声波加工的应用 34 原理 利用超声振动作用去除工件表面的氧化膜 使工件露出本体表面 使两个被焊工件表面在高速振动撞击下摩擦发热并亲和粘在一起 4 超声波焊接 应用 用于焊接尼龙 塑料及表面易生成氧化膜的铝制品 还可以在陶瓷等非金属表面挂锡 挂银 从而改善这些材料的可焊性 焊接一般很难焊接的稀有金属 如钛 钼等 7 4超声波加工的应用 35 超声波塑料焊接机 7 4超声波加工的应用 36 5 复合加工 采用超声波加工硬质合金 耐热合金等硬质金属材料时加工速度低 工具损耗大 为了提高加工速度和降低工具损耗 采用超声波 电解加工或电火花加工相结合来加工喷油嘴 喷丝板上的孔或窄缝 这样可大大提高生产率和质量 7 4超声波加工的应用 37 1 超声电解复合加工辅以超声振动的复合电解加工 用于难加工材料的表面光整及深小孔加工 7 4超声波加工的应用 38 2 超声电火化复合加工 原理 在普通电火花加工时 引入超声波 使电极工具端面作超声振动 超声声学部件夹固在电火花加工机床的主轴头下部 脉冲电源加在工具和工件上 加工时主轴作伺服进给 工具端面作超声振动 效果 不加超声时电火花精加工的放电脉冲利用率为3 5 加上超声振荡后 电火花精加工时的有效放电脉冲利用率可提高50 以上 从而提高生产效率2 20倍 7 4超声波加工的应用 39 7 4超声波加工的应用 40 3 超声抛光及电解超声复合加工 利用导电油石作导电工具 对工件表面进行电解超声复合抛光加工 有利于改善表面粗糙度 7 4超声波加工的应用 41 6 无损检测 利用超声波定向发射 反射 穿透大多数材料特性 在测距 控制 监测及材料测量方面进行无损检测 探测金属内部缺陷 例如 探测材料内部和表面缺陷 评价物理 力学性质 锅炉 压力容器制造 运行中的检测 7 4超声波加工的应用 42 7 超声波在生活中的应用 7 4超声波加工的应用 43 超声波除尘 只要在烟囱里装一个超声波除尘器 不消片刻 烟囱就冒着干净的白烟了 超声波除尘装置 7 4超声波加工的应用 44 超声波促进植物生长 种子发芽需要水分 氧气和一定的温度 种子外面裹着一层严严实实的种皮 它虽然能保护种子不受伤害 但是它的透水性和透气性都不好 是种子 喝 不到足够的水分 呼吸 也特别微弱 就像睡着了 因此 有了合适的条件也不易发芽 7 4超声波加工的应用 45 超声波促进植物生长 当超声波射到浸泡在水里的种子时 激烈的超声振动会对种子产生一种类似摩擦的作用 因而使得种皮的透水性和透气性大大增强 并能使种子得到一定温度 这样种子吸着水 发胖 呼吸也加快了 种子就能提早发芽 同时超声波还能促使种子内贮存的淀粉 脂肪和蛋白质更好的溶解于水 变成易被种胚吸收的养料 苗儿就使劲的长个儿 此外 超声波还具有杀菌作用 能杀死潜伏在种子身上的某些病菌和虫卵 7 4超声波加工的应用 46 超声波侦察海底 超声波在水中能过按着一定的方向直线前进 它能传到几公里 几十公里 甚至几百公里以外 而且 它又能形成射束 聚成很狭的一束 向一个方向传播 当它中途遇到障碍物时 又会有一部分能量按原方向反射回来 因此 当接收到回声讯号 经过放大送到显示器 就可以立刻显示出目标的距离和方位了 7