精密及特种加工第8章超声波加工.ppt

第8章 超声波加工 超声波加工有时也称超声加工(Ultrasonic Machining)。 超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗、硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以应用于清洗、焊接、探伤、测量、冶金等其他方面。 8. 超声波加工（Ultrasonic Machining , USM) 超声加工的基本原理和特点 超声加工设备及其组成部分 超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素 超声波的应用技术 超声加工新技术 8.1 超声加工的基本原理和特点 8.1.1 超声波及其特性 8.1.2 超声加工的基本原理 8.1.3 超声加工的特点 8.1.1 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。 8.1.1 超声波及其特性 超声波的频率范围 超声波的特性 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同; 传递速度 c = λ f ，λ-波长， f-频率 不同介质中传播速度不同 c空气=331m/s， c水=1430m/s c铁=5850m/s 超声波的特性 可传递很强的能量 超声波的作用主要是对其传播方向的物体施加压力(声压)。因此，可用这个压力的大小表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力越大。 振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J来表示，单位为W／cm2。 超声波的特性 可传递很强的能量 传播的能量密度 垂直于波的传播方向单位面积上的能量 J=ρc (ωA)2/2 ρ——弹性介质的密度(kg／m3)； c——弹性介质中的波速(m／s)； A——振动的振幅(mm)； ω——圆频率(rad／s)，ω=2πf。 固体、液体的ρ和c大→ J大 由于超声波的频率很高，其能量密度可达100W／m2以上。超声波在液体或 固体中传播时，由于介质密度ρ和振动频率f 比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。 超声波的特性 在液体介质中传播时，在界面上产生 液压冲击 空化现象 超声波的特性 通过不同介质时，波速突变 折射 反射 介质的波阻抗ρc 之差越大，反射率越大 连接面间加入凡士林或机油（减少能量损耗） 超声波的特性 超声波会产生干涉和共振现象，出现波的叠加作用，从而获得更大的加工能量。 8.1.2 超声加工的基本原理 超声波加工是利用工具端面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一 种成型方法，加工原理如右图所示。 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。 8.1.2 超声加工的基本原理 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。 空化作用 加速磨料对工件表面的破碎作用 加快磨料更新速度 有助于排屑 8.1.3 超声加工的特点 适合加工各种硬脆材料 加工质量高，尺寸精度0.01~0.02mm，Ra0.63~0.08μm，无残余应力 宏观切削力小，切削热小，适合加工薄壁、窄缝、低刚度件 可加工复杂型面及型腔；超声加工机床的结构比较简单，操作、维修 方便。 对于导电的硬质金属材料，如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工生产率较低。 工具有损耗 8.2 超声加工设备及其组成部分 超声波发生器 超声振动系统 超声换能器 变幅杆 工具 机床本体 辅助系统 磨料悬浮液循环系统 换能器冷却系统 8.2.1 超声波发生器 超声换能器 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 ） 压电效应 磁致伸缩效应 变幅杆 扩大振幅的原因 工具 8.2.3 超声加工机床 8.2.4 磨粒悬浮液循环系统 8.3 超声加工速度、精度、表面质量 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。 影响加工速度的因素（1） 工具的振幅和频率 振幅A ↑→冲击力↑ →加工速度↑ 频率f ↑→冲击次数↑ →加工速度↑ 过大→内