第七章、超声加工.ppt

1、，第7章超声波加工、精密和特殊加工、加工和非贸易加工、7.1超声波及其特性7.2超声波加工的原理和特性7.3超声波加工设备7.4超声波加工的工艺规则7.5超声波加工的应用，主要内容，3，1波的物理本质是能量的传递过程。贾青声波：频率在16160000 Hz之间的声波。超低频：频率低于16 Hz的音响波。超声波：频率超过16,000hz的声波。特殊超声波：频率高于1010 Hz的声波。7.1超声波及其特性，4，声波的频率极限，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、固体等各种弹性介质中传播时，传播速度不同。(2)超声波能传送强大的能量，给传播方向的障

2、碍物施加压力(声压)。(。超声波是可以用能量密度测量振动能量强弱的纵波，能量密度可以达到100W/cm2以上。(3)超声波通过液体介质传播时，界面会产生强烈的冲击和空化作用，从而加强加工过程的进行。(4)超声波产生反射、干涉、共振现象，起到波的叠加作用，获得更大的加工能量。7.1超声波及其特性，6，7.2超声波加工的原理和特性，1，超声波加工的基本原理超声波加工以超声波为动力，使磨料以极高的速度撞击工件表面，工件材料被磨料打击破坏和脱落。7.2超声波加工的原理和特点，7，超声波发生器将交流电转换为超声波振动。转换器将传记振动转换为机械振动。晶体管将振幅放大到0 . 050 . 1毫米，驱动工具

3、进行超声波振动。工具高速撞击磨料，研磨工件，打碎工件表面材料，移除。工作液产生的液压冲击波和空化作用加速了表面材料的裂纹扩展和破坏。超声波加工是机械冲击、抛光、空化作用的综合结果。其中冲击起主要作用。超声波空化作用：指液体中存在的小气泡在声波作用下振动，负压达到一定值时发生的生长和衰变的动力学过程。空化作用一般由空化泡的形成、生长和剧烈崩溃三个阶段组成。7.2超声波加工的原理和特点，8，2，超声波加工的特点，(1)适用于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、宝石、钻石等。(2)工具可以用柔软的材料制造更复杂的形状。(。(3)工具与工件相对运动简单，使机器结构简单。(4

4、)切削力小，切削热量小，不会引起变形或烫伤，加工精度和表面质量也很好。(5)超声波加工面积小，工具头磨损，生产率低。也称为7.2超声波加工的原理和特点，9，7.3超声波加工设备，超声波加工设备，超声波加工设备，电力大小和公司生产的超声波加工设备结构不同，但其组成基本相同。超声波加工装置一般由超声波发生器、超声波振动系统(音响部件)、机械体、磨料工作液循环系统等组成。7.3超声波加工设备，10，超声波加工设备，7.3超声波加工设备，1-冷却器2-磨料悬浮萃取3-工具4-工件5-磨料悬浮6-变幅杆7-转换器8-超声波发生器，11，1，超声波发生要求，图7-3超声波发生器的构成矩形，7.3超声波加工

5、设备，12，2，音响部件，作用：将超声波发生器输出的高频功率转换为机械振动能量，通过转换使刀具端面成为高频、小振幅振动，进行超声波加工。配置：转换器、变幅杆和工具。(1)交换器作用：将超声波频率传记振动信号转换为超声波频率机器振动。压电型换能器(压电效应制成)、磁致伸缩转换器(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(BaTiO3)陶瓷、钛酸铅(ZrPbTiO3)或者相反。7.3超声波加工设备，14，磁致伸缩效应，铁，钴，镍及其合金的长度随着其所在磁场强度的变化而拉伸的现象。比较压电的转换器具有很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，

6、作用：扩大从转换器获得的超声波振动振幅，实现加工所需的振幅。圆锥-扩大比较小(5-10倍)，容易制造。比指数-中(1020倍)大，难以制造。梯形-放大比(20倍以上)容易制造。7.3超声波加工设备，16，放大振幅的原因，通过变幅杆某一截面的振动能量保持不变(不记得传播损失)。截面越小，能量密度越高，振动振幅越大。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：磨料和悬浮液冲击工件表面，加工形状和大小。形状和尺寸：根据加工曲面的形状和尺寸，“加工间隔”牙齿会有所不同。材料：45钢，碳工具钢普通轻快材料；硬质合金，硬化钢加工精度高。金刚石电镀特殊要求。7.3超声波加工设备，18

7、，3，机床，1工作台；2工具3可变栏；4转换器5字6轨7支架8平衡链球，7.3超声波加工设备，19，6，磨料工作液和循环系统，(1)工作液大量使用，效果好的水表面质量高的煤油或油，(2)磨料碳化硼，碳化硅或氧化铝生产率高的粒子大加工精度，表面质量要求高的粒子小(3)影响加工速度的因素：主要有刀具的振幅和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、加工材料、磨料悬浮液的浓度。7.4超声波加工的工艺规则，21，1，工具振幅和频率的影响，过大的振幅和过高的频率，使工具和晶体管能够承受大的内部应力。振幅通常在0.010.1mm之间，频率通常在1600025000Hz之间。在实际加工中，必须徐璐相对于其他刀具调整

8、到共振频率，以获得最大振幅，实现高加工速度。7.4超声波加工的工艺规则，22，2，进给压力的影响，加工时刀具必须对工件施加适当的进给压力。压力太低会增加刀具端面和工件加工表面之间的间隙，从而减少对工件的磨料锤。压力增加，间距减少，间距减少到一定程度，磨料和工作液的循环更新速度减少，生产力下降。7.4超声波加工的工艺规则，23，3，磨料种类及粒度的影响，加工时强度不同的工件材料可以选择不同的磨料。磨料强度越高，加工速度越快，但要考虑价钱成本。加工宝石、钻石等硬质材料必须选择金刚石。加工硬化钢、硬质合金、碳化硼；加工玻璃石英和硅、锗等半导体材料，使用氧化铝磨料。7.4超声波加工的工艺规律，24，4

9、，磨料悬浮液浓度的影响，磨料悬浮液浓度低，加工间隔内磨料颗粒少。特别是加工面积大、深度大的话，加工区域部分可能没有磨料，加工速度会大幅下降。随着磨料浓度的增加，加工速度也会增加，但浓度太高，会影响加工区域内磨料颗粒的循环运动和对工件的冲击运动，从而降低加工速度。7.4超声波加工的工艺规律，25，5，加工材料的影响，加工材料越硬脆，承受冲击载荷的能力越低，加工就越容易去除，相反，韧性越好，加工就越不容易。7.4超声波加工的工艺规律，26，2，加工精度的影响因素，超声波的加工精度除机床、夹具精度的影响外，主要与(1)研磨粒度有关。(2)刀具精度和磨损；(3)工具的横向振动大小；(4)加工深度；(5

10、)加工材料的性质等。超声波加工的孔径范围为0.190mm，孔深度大于孔直径的1020。孔的精度最大为0.02mm或更高。7.4超声波加工的工艺规律，27，3，表面质量的影响，超声波加工具有良好的表面质量，不会引起表面变质层和烧伤。超声波加工的表面粗糙度主要与研磨大小、工件材料特性、超声波幅度、抛光悬浮液的成分等有关。磨的大小越小，超声波振幅越小，工件的材料越硬，生产率越低，表面粗糙度就越大。使用煤油或润滑油代替水，可以降低表面粗糙度值并提高表面质量。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低于电火花加工和电解加工，但加工精度和表面质量

11、都优于它们。更重要的是，可以加工玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、钻石等难以加工的半导体和非金属的坚硬脆材料。火花加工后，对于部分硬化钢、硬质合金模具、拉丝模、塑料模具等，最后经常使用超声波抛光、精加工，进一步降低表面粗糙度。29，1型(型腔)孔加工，图7-12超声波加工的孔，型腔类型，超声波目前主要用于加工脆硬材料的圆孔、孔、型腔、套筒、微孔等。7.4超声波加工应用节目，30，微孔加工，近年来超声波加工扩展到了微细加工领域，日本东京大学工业科学学院使用超声波加工方法，玻璃上直径9米的微孔，微涡轮，7.4超声波加工应用，31，图7-15超声波加工，7.4超声波加工的应用，32，32。共和效果引

12、起的强烈冲击额直接作用于冲洗的部位，破坏污物，从冲洗的表面脱落。应用：主要用于几何复杂、洗涤质量要求高、其他方法洗涤效果差的中小型精密零件，特别是工件深孔、微孔、弯曲孔、百叶帘孔、槽、窄间隙等部分的精密清洗，生产效率和净化率高。目前用于半导体和集成电路部件、仪表部件、传记真空设备、光学部件、医疗设备等的清洗。7.4超声波加工的应用节目，33，图7-20超声波清洗装置，7.4超声波加工的应用节目，34，4，超声波焊接，原理，应用：通过焊接尼龙、塑料和表面，使氧化膜容易生成的铝产品、陶瓷等非金属表面挂锡、银，可以提高这些材料的焊接性。焊接通常是难以焊接的稀有金属(如钛、钼等)。，7.4超声波加工应

13、用节目，35，超声波塑料焊机，7.4超声波加工应用节目，36，5，复合加工，超声波加工硬质合金，耐热合金等硬质金属材料使用时，加工速度低，刀具损失大，为了加快加工速度，减少刀具损失，结合超声波、电解加工或火花加工进行加工，7.4超声波加工的应用，37用于难加工材料的表面光洁度和深孔加工。7.4超声波加工的应用，38，(2)超声波传记化妆复合加工，原理：在普通电火花加工中引入超声波，电极工具端面上的超声波振动。超声波音响部件固定在火花加工机器主轴下的部分，脉冲电源添加到工具和工件上，加工时主轴进行伺服输送，工具端面进行超声波振动。效果：没有超声波，火花整理的放电脉冲利用率为3%5%，超声波振动后

14、火花整理的有效放电脉冲利用率提高了50%以上，生产率提高了220倍。7.4超声波加工的应用，39，7.4超声波加工的应用，40，(3)超声波抛光和电解超声波复合加工，将导电乳石作为导电工具，在工件表面进行电解超声波复合抛光加工，有助于提高表面粗糙度。7.4超声波加工应用节目，41，6，无损检测，超声波定向发射，反射，大部分材料特性渗透，距离测量，控制，监控和材料测量的无损检测。金属内部缺陷检测(例如材料内部和表面缺陷检测、物理、机械特性评估、锅炉、压力容器制造、运行中检查)，7.4超声波加工应用节目，42，7，超声波生活应用节目，7.4超声波加工应用节目，43，超声波灰尘去除，烟囱，超声波灰尘

15、去除装置，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、一定温度。种子外面裹得严严实实的种皮可以保护种子不受伤害，但透水性和透气性也不好。种子不能“喝”足够的水分，“呼吸”也很微弱，好像睡着了。因此，即使有适当的条件，也不容易发芽。7.4超声波加工的应用，45，超声波促进植物生长，超声波射入浸泡的种子，强烈的超声波振动对种子产生类似的摩擦作用，大大提高种皮的透水性和透气性，使种子达到一定温度。这样种子可以吸水，“变胖”，呼吸也加快，种子可以提早发芽。同时超声波可以更好地将种子中储存的淀粉、脂肪和蛋白质溶于水，使其变成容易被胚胎吸收的养分，幼苗会用力生长。超声波还具有杀死潜伏在种子里的一些病菌和鸡蛋的杀菌作用。7.4超声波加工的应用，46，超声波侦察海底，超声波可以在水中沿一定方向直线前进，可以传到几千米，几十千米，甚至几百千米以外的地方。此外，它还能形成射击，以很窄的一束聚集在一起，向一个方向传播。在中间遇到障碍物时，部分能量会反射到原始方向。因此，接收回声信号，放大后发送到显示器，可以立