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第七章 超声加工 人耳能感受的声波频率在16—16000Hz范围内，声波频率超过16000 Hz被称为超声波。 超声波加工(ultrasonic Machining)是近几十年发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不足。 电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工脆硬金属树料，而且更适合于加工不导电的脆硬非金屑材料．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。 7.1 超声波加工的基本原理和特点 一、 超声波及其特性 超声波波长l，频率f和传播速度c之间关系为 l=c/f 超声波主要性质： 1）超声波能传递很强的能量； 2）当超声波经过液体介质传播时，产生液压冲击和空化现象。 3）超声波通过不同介质时，产生波的反射和折射现象。 4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。 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。 在杆内存在周期相同、振幅相同、方向相反的两个波，产生干涉。 图中x为弹性杆件任意点b距超声波入射端的距离。 为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，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。 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。 三、 超声波加工的特点 1)适合于加工各种脆硬材料。既然超声波加工是基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏越大，愈适宜超声波加工。例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛蹈、宝石、金刚石等材料，比较适宜超声波加工。相反，脆性和硬度不大却具有韧性的材料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波加工。因此，选择工具材料时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很大破坏的材料，例如不淬火的45钢等。 2)由于工具材料校软，易制成复杂的形状，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结构简单。但若需要加工较大而复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。 3)由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面租糙度Ra值可达1．0—0.1um，加工精度可达0.01—0．02mm，并可加工细小结构和低刚度的工件。 7.2 超声加工设备及其组成部分 超声波加工设备一般包括超声波发生器、超声波振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。 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：工作头、加压机构和进给机构、工作台及位置调整机构 工作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。 一、超声波发生器 作用：将50Hz工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面控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，最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。此外还要求结构简单、工作可靠、价格便宜和体积小等。 二、声学部件 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。它是超声波加工机床中最重要的部分，由换能器、振幅扩大器和工具组成。 换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸缩效应。 （三）、变幅杆（振幅扩大棒） 压电或磁致伸缩的变形量很小(即使在共振条件下振幅也不超过0.05--0.01mm)，不足以直接用于加工。超声波加工需0.01——0.1mm的振幅，因此必须通过一个上粗下细的棒杆将振幅加以扩大，此棒杆称为振幅扩大棒，亦称变幅杆，如图。 变幅杆能扩大振幅，是由于通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，处于共振状态。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。 振幅扩大棒可制成锥形的、指数形的或阶梯形的等。锥形的“振幅放大比”较小，(5一l0倍)，但易于制造。 指数形的放大比中等(10一20倍)，使用中性能稳定，但不易制造； 阶梯形的放大比较大(20倍以上)，也容易制造，但当它受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易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此须加过渡圆弧。 实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形变幅扦：阶梯形变幅杆因设计、制造容易，也常被采用。 （四）工具 超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，工具端面推动磨