七章节超声加工ppt课件

1、第七章超声加工第七章超声加工1第七章第七章 超声加工超声加工人耳能感受的声波频率在1616000Hz范围内，声波频率超越16000 Hz被称为超声波。超声波加工(ultrasonic Machining)是近几十年开展起来的一种加工方法，它弥补了电火花加工和电化学加工的缺乏。第七章超声加工第七章超声加工2电火花加工和电化学加工普通只能加工导电资料，不能加工不导电的非金属资料。而超声波加工不仅能加工脆硬金属树料，而且更适宜于加工不导电的脆硬非金屑资料如玻璃、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。第七章超声加工第七章超声加工37.1 超声波加工的根本原理和特点超声波加工的根

2、本原理和特点一、 超声涉及其特性超声波波长l，频率f和传播速度c之间关系为 l=c/f第七章超声加工第七章超声加工4超声波主要性质：超声波主要性质：1超声波能传送很强的能量；超声波能传送很强的能量；2当超声波经过液体介质传播时，产生液压冲击当超声波经过液体介质传播时，产生液压冲击和空化景象。和空化景象。3超声波经过不同介质时，产生波的反射和折射超声波经过不同介质时，产生波的反射和折射景象。景象。4超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振景象。景象。第七章超声加工第七章超声加工5图7-1中，当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。在杆内

3、存在周期一样、振幅一样、方向相反的两个波，产生干涉。图中x为弹性杆件恣意点b距超声波入射端的间隔。第七章超声加工第七章超声加工6第七章超声加工第七章超声加工7为了使弹性杆处于最大振幅共振形状，应将弹性杆设计成半波长的整数倍；固定弹性杆的支持点，应该选在振动过程中的波节处，不振动。第七章超声加工第七章超声加工8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超声波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。二、超声波加工的根本原理二、超声波加工的根本原理第七章超声加工第七章超声加工9三、三、 超声波加工的特点超声波加工的特点 1)适宜于加工各种脆硬资料。既然适宜于加工各种脆硬资料。既

4、然超声波加工是基于微观部分撞击作超声波加工是基于微观部分撞击作用，所以资料越是脆硬，受撞击作用，所以资料越是脆硬，受撞击作用所蒙受的破坏越大，愈适宜超声用所蒙受的破坏越大，愈适宜超声波加工。例如玻璃、陶瓷波加工。例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氧化铝、氮化硅等氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、石英、锗、硅、石墨、玛蹈、宝石、金刚石等资料，比较玛蹈、宝石、金刚石等资料，比较适宜超声波加工。相反，脆性和硬适宜超声波加工。相反，脆性和硬度不大却具有韧性的资料，由于具度不大却具有韧性的资料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波加工。有缓冲作用而难以采用超声波加工。因此，选择工具资料时，应选择既因此，选择工具资料时，

5、应选择既能撞击磨粒，又不使本身遭到很大能撞击磨粒，又不使本身遭到很大破坏的资料，例如不淬火的破坏的资料，例如不淬火的45钢等。钢等。第七章超声加工第七章超声加工102)由于工具资料校软，易制成复杂的外形，工具和工件又无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备构造简单。但假设需求加工较大而复杂精细的三维构造，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。 3)由于去除加工资料是靠极小磨粒瞬时部分的撞击作用，故工件外表的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，外表租糙度Ra值可达100.1um，加工精度可达0.01002mm，并可加工巧小构造和低刚度的工件。第七章超声加工

6、第七章超声加工117.2 超声加工设备及其组成部分超声加工设备及其组成部分 超声波加工设备普通包括超声波发生器、超声波振动系统、机床本体和磨料任务液循环系统。超声发生器：超声电源超声振动系统：超声换能器、变幅杆和工具机床本体：任务头、加压机构和进给机构、任务台及位置调整机构任务液及循环系统和换能器冷却系统：磨料悬浮循环系统、换能器冷却系统。第七章超声加工第七章超声加工12一、超声波发生器一、超声波发生器 作用：将作用：将50Hz工频交流电转变为有一定工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面控复振动和去除被加工资料的能量。端面控复振动和去除被

7、加工资料的能量。根本要求：输出功率和频率在一定范围内根本要求：输出功率和频率在一定范围内延续可调，最好具有对共振频率自动跟延续可调，最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。此外还要求构造踪和自动微调的功能。此外还要求构造简单、任务可靠、价钱廉价和体积小等。简单、任务可靠、价钱廉价和体积小等。第七章超声加工第七章超声加工13第七章超声加工第七章超声加工14二、声学部件二、声学部件作用：是把超声频电振荡转变为机械振动，使工作用：是把超声频电振荡转变为机械振动，使工具端面获得高频率及一定振幅的振动。它是具端面获得高频率及一定振幅的振动。它是超声波加工机床中最重要的部分，由换能器、超声波加工机床中

8、最重要的部分，由换能器、振幅扩展器和工具组成。振幅扩展器和工具组成。换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸缩效应。缩效应。第七章超声加工第七章超声加工15一压电效应超声波换能器利一压电效应超声波换能器利用压电效应任务。在压电资料上用压电效应任务。在压电资料上加上加上16000Hz以上的交变电压，压以上的交变电压，压电资料产生高频伸缩变形，使周电资料产生高频伸缩变形，使周围介质做超声振动。围介质做超声振动。第七章超声加工第七章超声加工16二、磁致伸缩效应超声波换能器基于磁致二

9、、磁致伸缩效应超声波换能器基于磁致伸缩效应任务。铁和钴在磁场中伸长，磁场消伸缩效应任务。铁和钴在磁场中伸长，磁场消逝后又恢复原有尺寸。资料在交变磁场中长度逝后又恢复原有尺寸。资料在交变磁场中长度交变伸缩，其端面将交变振动。交变伸缩，其端面将交变振动。第七章超声加工第七章超声加工17三、变幅杆振幅扩展棒三、变幅杆振幅扩展棒 压电或磁致伸缩的变形量很压电或磁致伸缩的变形量很小小(即使在共振条件下振幅也即使在共振条件下振幅也不超越不超越0.05-0.01mm)，缺乏，缺乏以直接用于加工。超声波加以直接用于加工。超声波加工需工需0.010.1mm的振幅，的振幅，因此必需经过一个上粗下细因此必需经过一个

10、上粗下细的棒杆将振幅加以扩展，此的棒杆将振幅加以扩展，此棒杆称为振幅扩展棒，亦称棒杆称为振幅扩展棒，亦称变幅杆，如图。变幅杆，如图。第七章超声加工第七章超声加工18变幅杆能扩展振幅，是由于经过它每个截面的振动能量是不变的(赂去传播损耗)，截面小的地方能量密度大，振幅也大。 为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振形状。为此，在设计、制造变幅扦时，应使其长度L等于超声振动的半波长或整倍数。 第七章超声加工第七章超声加工19由于固由此，可知超声波在钢铁中的传播的波长为0.310.2m，对应钢扩展棒长度普通为半波长100mm至160mm之间。第七章超声加工第七章超声加

11、工20振幅扩展棒可制成锥形的、指数形的或阶振幅扩展棒可制成锥形的、指数形的或阶梯形的等。锥形的梯形的等。锥形的“振幅放大比较小，振幅放大比较小，(5一一l0倍倍)，但易于制造。，但易于制造。指数形的放大比中等指数形的放大比中等(10一一20倍倍)，运用中性，运用中性能稳定，但不易制造；能稳定，但不易制造；阶梯形的放大比较大阶梯形的放大比较大(20倍以上倍以上)，也容易制，也容易制造，但当它遭到负载阻力时振幅易减小，造，但当它遭到负载阻力时振幅易减小，性能不稳定，而且在粗细过渡的地方容性能不稳定，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此须加过渡圆

12、弧。须加过渡圆弧。实践消费中，加工小孔、深孔常用指数形实践消费中，加工小孔、深孔常用指数形变幅扦：阶梯形变幅杆因设计、制造容变幅扦：阶梯形变幅杆因设计、制造容易，也常被采用。易，也常被采用。第七章超声加工第七章超声加工21四工具四工具 超声波的机械振动经变幅杆放大后超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，工具端面推进磨粒和任传给工具，工具端面推进磨粒和任务液以一定的能量撞击工件。务液以一定的能量撞击工件。 工具的外形和尺寸由被加工外表的工具的外形和尺寸由被加工外表的外形和尺寸决议，它们相差一个外形和尺寸决议，它们相差一个“加加工间隙工间隙(稍大于平均的磨粒直径稍大于平均的磨粒直径) 工具和振幅

13、扩展棒可做成一个整体，工具和振幅扩展棒可做成一个整体，亦可特工具用焊接或螺纹衔接等方亦可特工具用焊接或螺纹衔接等方法固定在振幅扩展棒下端。法固定在振幅扩展棒下端。第七章超声加工第七章超声加工22当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但当工具较重时，会减小共振频率，故工具较长当工具较重时，会减小共振频率，故工具较长时，应对扩展棒进展修正，使其满足半个波长时，应对扩展棒进展修正，使其满足半个波长的共振条件。的共振条件。 超声波振动系统一切的衔接部分应接触严密，否超声波振动系统一切的衔接部分应接触严密，否那么超声波传送过程中将损失很大能量。为此那么超声波传

14、送过程中将损失很大能量。为此在螺纹衔接处应涂以凡士林油，防止空气间隙在螺纹衔接处应涂以凡士林油，防止空气间隙的存在，由于超声波经过空气时很快衰减。的存在，由于超声波经过空气时很快衰减。第七章超声加工第七章超声加工23三、机床本体三、机床本体 普通超声波加工机普通超声波加工机床的构造比较简床的构造比较简单，包括支撑超单，包括支撑超声波振动系统的声波振动系统的机架、安装工件机架、安装工件的任务台、使工的任务台、使工具以一定压力作具以一定压力作用在工件上的进用在工件上的进给机构以及机身给机构以及机身等部分。等部分。第七章超声加工第七章超声加工24四、四、 磨料任务液及其循环系统磨料任务液及其循环系统

15、 简单的超声波加工安装，磨料要靠简单的超声波加工安装，磨料要靠人工保送和改换，即在加工前将悬人工保送和改换，即在加工前将悬浮磨料的任务液浇注堆积在加工区浮磨料的任务液浇注堆积在加工区域，加工过程中需求定时反向拾起域，加工过程中需求定时反向拾起工具以补充和更新磨料。工具以补充和更新磨料。较复杂的超声波加工机床那么利用小较复杂的超声波加工机床那么利用小型离心泵将磨料悬浮液搅拌后注人型离心泵将磨料悬浮液搅拌后注人加工间隙。对于较深的加工外表，加工间隙。对于较深的加工外表，需求经常将工具定时拾起以利磨料需求经常将工具定时拾起以利磨料的改换和补充。的改换和补充。第七章超声加工第七章超声加工25 磨料悬浮

16、液中的液体最常用的是水，为了提高外表质量，也可用煤油或机油。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等，其粒度大小需根据消费率和精度要求选定，颗粒大的消费率高但加工精度及外表粗糙度较差。第七章超声加工第七章超声加工267.3 超声加工速度、精度、外表质量超声加工速度、精度、外表质量及其影响要素及其影响要素一、加工速度及其影响要素一、加工速度及其影响要素 加工速度是指单位时间内去除的资加工速度是指单位时间内去除的资料量，单位通常以料量，单位通常以gmin或或mm3min表示。加工玻璃的最大速度可达表示。加工玻璃的最大速度可达20004000mm3min。 第七章超声加工第七章超声加工27影响加工速度的主要

17、要素有工具振动频率、影响加工速度的主要要素有工具振动频率、振幅、工具作用在工件上的静压力、磨振幅、工具作用在工件上的静压力、磨料种类和粒度、磨料悬浮液浓度、供应料种类和粒度、磨料悬浮液浓度、供应及循环分式、工具与工件资料、加工面及循环分式、工具与工件资料、加工面积和加工深度等。积和加工深度等。第七章超声加工第七章超声加工28 1工具振幅和频率的影响 采用大的振幅和高的频率可以获得大的加工能量。但过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆接受很大的内应力，甚至超越其疲劳强度而降低运用寿命，而且在衔接处的损耗也增大。第七章超声加工第七章超声加工292进给压力的影响进给压力的影响 在加工时，应使工具对工

18、件坚持一个适宜的进给在加工时，应使工具对工件坚持一个适宜的进给压力。压力。压力过小，那么工具末端与工件加工外表之间的间压力过小，那么工具末端与工件加工外表之间的间隙增大，减小了磨料对工件的撞击力和打击深度；隙增大，减小了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会使工具与工件加工外表之间间隙减小，压力过大，会使工具与工件加工外表之间间隙减小，磨料和任务液不能顺利循环更新都会导致消费磨料和任务液不能顺利循环更新都会导致消费率下降。率下降。 在通常情况下，当加工面积小时，可使单位面积在通常情况下，当加工面积小时，可使单位面积最正确静压力较大，反之那么较小。最正确静压力较大，反之那么较小。第七章超声加

19、工第七章超声加工303磨料种类和粒度的影响磨料种类和粒度的影响 磨料硬度愈高，加工速度愈快。通常加工金磨料硬度愈高，加工速度愈快。通常加工金刚石和宝石等高硬资料时，必需用金刚石磨刚石和宝石等高硬资料时，必需用金刚石磨料；加工硬质合金、淬火钢等资料时，宜采料；加工硬质合金、淬火钢等资料时，宜采用硬度较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高用硬度较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬资料时，可采用碳化硅；至于加工玻的脆硬资料时，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石英、半导体等资料时用氧化铝作磨璃、石英、半导体等资料时用氧化铝作磨料即可。料即可。 另外，磨料粒度愈粗加工速度愈快，精度另外，磨料粒度愈粗加工速度愈快

20、，精度和外表粗糙度那么愈差。和外表粗糙度那么愈差。 第七章超声加工第七章超声加工314磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液浓度的影响 磨料悬浮液中磨料浓度低，加工间隙内磨料悬浮液中磨料浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工而积和深度较大时磨粒少，特别在加工而积和深度较大时能够呵斥加工区部分无磨料的景象，使能够呵斥加工区部分无磨料的景象，使加工速度大大下降。随着悬浮液中磨料加工速度大大下降。随着悬浮液中磨料浓度的添加，加工速度也添加。但浓度浓度的添加，加工速度也添加。但浓度太高时，磨料在加工区域的循环运动和太高时，磨料在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动遭到影响，又会导致对工件的撞击运动遭到影响，又会

21、导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的分量比约对水的分量比约0.51左右。左右。 第七章超声加工第七章超声加工325工件资料的影响工件资料的影响 资料愈脆，那么接受冲击裁荷的才干愈资料愈脆，那么接受冲击裁荷的才干愈低，愈容易加工；反之韧性较好的资料低，愈容易加工；反之韧性较好的资料那么不易加工。如以玻璃的可加工性为那么不易加工。如以玻璃的可加工性为l00%，那么锗、硅半导体单晶为，那么锗、硅半导体单晶为200%250%，石英为，石英为50%，硬质合金，硬质合金为为2%3%，淬火钢为，淬火钢为1%，不淬火钢小，不淬火钢小于于1%。第七章超声加工第七章超声加

22、工33二、加工精度及其影响要素二、加工精度及其影响要素超声波加工的精度，除受机床、夹具精度超声波加工的精度，除受机床、夹具精度影响之外主要与磨料粒度、工具精度影响之外主要与磨料粒度、工具精度及其磨损程度、工具在横向振动的大小、及其磨损程度、工具在横向振动的大小、加工深度、被加工资料性质等要素有关。加工深度、被加工资料性质等要素有关。第七章超声加工第七章超声加工34孔加工范围孔加工范围在通常加工速度下，孔径范围为在通常加工速度下，孔径范围为0.190mm，深，深度可达直径度可达直径1020倍以上。倍以上。第七章超声加工第七章超声加工35加工孔的尺寸精度加工孔的尺寸精度当工具尺寸一定时，加工孔的尺

23、寸比工具当工具尺寸一定时，加工孔的尺寸比工具尺寸有所扩展。尺寸有所扩展。第七章超声加工第七章超声加工36 对于加工圆形孔，性质误差主要有椭圆度和锥度。椭圆度大小和工具横向振动大小和工具沿圆周磨损不均匀有关。锥度大小和工具磨损有关。采用工具或工件旋转的方法可以提高孔的圆度和消费率。第七章超声加工第七章超声加工37 三、三、 外表质量及其影响要素外表质量及其影响要素超声波加工具有较好的外表质量，不会产生外超声波加工具有较好的外表质量，不会产生外表烧伤和外表蜕变层。表烧伤和外表蜕变层。超声波加工的外表随糙度值也较小，普通可达超声波加工的外表随糙度值也较小，普通可达Ral0.1um。超声波加工的外表粗

24、糙度取。超声波加工的外表粗糙度取决于每颗磨粒每次撞击工件外表后留下的凹痕决于每颗磨粒每次撞击工件外表后留下的凹痕大小，它与磨粒的直径、被加工资料的性质、大小，它与磨粒的直径、被加工资料的性质、超声波振动的振幅以及磨料悬浮任务液的成分超声波振动的振幅以及磨料悬浮任务液的成分等有关。等有关。 第七章超声加工第七章超声加工38当磨粒尺寸较小、工件资料较硬、超声波振幅较小时，加工外表粗糙度Ra值较小，但消费率也随之降低。 磨料悬浮任务液体的性质对外表随糙度的影响比较复杂。实际阐明，用煤油或光滑油替代水可使外表粗糙度有所改善。第七章超声加工第七章超声加工397.4 超声波加工的运用超声波加工的运用 型孔、型腔加工型孔、型腔加工 超声波加工日前在工业部门中主要用于超声波加工日前在工业部门中主要用于对脆硬资料加工圆孔、型孔、型腔、套对脆硬资料加工圆孔、型孔、型腔、套料和微细孔等。料和微细孔等。第七章超声加工第七章超声加工402 切割加工切割加工用普通机械加工切割脆硬的半导体资料很困难采用超声波切割那么较为有效。图7-13为用超声波加工切割单晶硅片表示图。用锡焊或铜好将工具(薄钢片或磷青铜片)焊接在变幅杆的端部。加工时喷注磨料悬浮液，一次可以割1020片。第七章超声加工第七章超声加工41图7-14所示为成批切块刀具，采用