特种加工技术超声加工.pptx

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1、本章主要内容：第一节 超声加工的基本原理和特点第二节 超声加工设备及其组成部分第三节 超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素第1页/共28页第一节 超声加工的基本原理与特点 一 超声波及其特性通常，在超声加工技术中将频率大于16000HZ的声波称为超声波。超声波的特性如下：1 超声波能传递很强的能量。其主要作用是对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。振动能量的强弱，用能量密度来表示第2页/共28页2 当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续形成压缩和稀疏区域，由于液体质点基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压脉冲和空化现象。由于这一过程时间极短，液

2、体空腔闭合压力可以达到几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面会使其破坏，引起固体物质分散、破碎等效应。3 超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射。能量反射的大小取决于两种传播介质的波阻抗，两种介质的波阻抗相差越大，超声波通过其界面时能量的反射率越高。因此，当超声波从液态或固体传入到空气或者相反从空气传入到液态或固体的情况下，反射率都接近100%。第3页/共28页4 超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。在有限的弹性杆中，实际存在着同周期，同振幅，传播方向相反的两个波。这两个完全相同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。入射波

3、造成b点偏离平衡位置的位移为：反射波造成b点偏离平衡位置的位移为：补充图形第4页/共28页入射波和反射波所造成b点的合成位移为：由上式可知：结论：为了使弹性杆处于最大振幅状态，应将弹性杆设计成半波长的整数倍，而固定弹性杆的支撑点，则应选在振动过程中的波节处。第5页/共28页二 超声加工的基本原理超声加工是利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。补充图形既然超声加工是基于局部撞击作用，因此越是脆硬的材料，受撞击作用时遭受的破坏越大，越容易超声加工。相反，脆性和硬度都不大的材料，由于它的缓冲作用能将撞击能力瞬间吸收，因此难以用超声加工。通常45号钢是常用的工具材料。第6页

4、/共28页三 超声加工的特点1 适合加工各种脆硬材料，特别是不导电的非金属材料。如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、玛瑙、宝石、金刚石等。金属如淬火钢、硬质合金也能加工。2 由于工具可以用较软的材料，做成较复杂的形状，故工具和工件间不需要复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构相对比较简单，维修方便。3 由于去除材料是靠极小磨料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，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度也较好，可达到Ra.0.0-1.0um，加工精度可达0.01-0.02mm。第7页/共28页第二节 超声加工设备及其组成部分一台典型的超声加工设备主要由以下几个部分组成：超声发生器

5、超声振动系统：超声换能器，变幅杆和工具机床本体磨料工作液循环系统第8页/共28页一 超声发生器超声发生器也称超声波或超声频发生器，其主要作用是将工频交流电转变为具有一定输出功率的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。基本要求：输入的功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调功能，此外要求结构简单、工作可靠、价格便宜。第9页/共28页二 超声振动系统作用：是把高频电能转变为机械能，使工具端面作高频小振幅的振动以进行加工。组成：换能器、变幅杆和工具。1 换能器作用：将高频电能转化为机械能。目前实现这一目的可以利用压电效应和磁致伸缩效应。第10页/共

6、28页压电效应超声波换能器石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们两相对的介面上将产生一定的电荷，形成一定的电势；反之，在它们的两介面上加以一定的电压，则将产生一定的机械变形，这一现象称为“压电效应”。如果在上述物质的两面上加上16000Hz以上的交变电压，则该物质将产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生0.01um以下的机械变形。钛酸钡的压电效应比石英大20-30倍，但其效率和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅兼具有两者的优点，比较常用。第11页/共28页磁致伸缩效应超声波换能器铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处的磁场强

7、度的变化而伸缩的现象称为“磁致伸缩效应”，其中镍在磁场中的最大缩短量为其长度的0.004%，铁和钴则在磁场中表现为伸长，当磁场消失后又恢复到原有尺寸。因此，上述材料的棒杆在交变磁场中其长度将交变伸缩变形，其端面将交变振动。第12页/共28页如果通入磁致伸缩换能器线圈中的电流是正弦波形，则每一周期波的正半波和负半波将引起磁场两次大小变化，使换能器也伸缩两次，出现“倍频”现象。倍频现象使振动节奏变得模糊，并使共振长度变短，对结构和使用均不利。措施：在换能器的交流励磁电路中引入一个直流分量。第13页/共28页2 变幅杆作用：扩大振幅。压电和磁致伸缩的机械变形量是很小的（5-10um），不足以直接用来

8、加工。超声加工需要0.01-0.1mm的振幅，因此需要将振幅适当扩大。几种常用变幅杆的类型第14页/共28页变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一个截面的振动能量是不变的（略去传播能量损耗），截面小的地方能量密度越大。变幅杆为什么能扩大振幅呢？结论：截面越小，能量密度越大，因此振动的幅度也就越大。第15页/共28页锥形变幅杆：振幅扩大比较小（5-10倍）。但易于制造。指数形变幅杆：振幅扩大比中等（10-20倍），使用中振幅稳定，但不易于制造。阶梯形变幅杆：振幅扩大比较大（20倍以上），制造容易，但扩大比不稳定，且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而疲劳断裂，为此须加圆弧过渡，较常采用。几种常

9、用变幅杆的类型第16页/共28页3 工具超声波的机械振动经变幅杆扩大后即传给工具，使磨料和工作液以一定的能量冲击工件表面，并加工出一定的尺寸和形状。当加工面积较小时，可以将工具和变幅杆做成一个整体结构；当加工面积较大时，可将工具用焊接或螺纹连接的方式和变幅杆连接。特别注意：整个超声振动系统连接部分要接触紧密。在螺纹连接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙。第17页/共28页三 机床本体超声加工机床一般比较简单，包括支撑超声振动部件的支架和工作台，相应的进给机构和床体等部分。第18页/共28页四 磨料工作液及其循环系统常用磨料种类：碳化硼、碳化硅以及氧化铝。常用的工作液：水和煤油。简单的超声波加

10、工装置，其磨料是靠人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨科的工作液浇注堆积在加工区，加工过程中定时抬起工具并补充磨料。也可利用小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙中去。对于较深的加工表 面，应 经 常 将 工 具 定 时 抬 起 以 利 磨 料 的 更 换 和 补 充。第19页/共28页第三节 超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素一 加工速度及其影响因素衡量指标：体积加工速度和质量加工速度。工具振动频率和振幅工具和工件间的静压力磨料的种类和粒度磨料悬浮液的浓度、供给及循环方式工具与工件材料状况第20页/共28页1 工具的振幅和频率一般说来，振幅过大、频率过高会使工具和变幅杆承受很大的内应

11、力，可能超过它的疲劳强度而降低使用寿命。振幅：0.01-0.1mm频率：16000-25000Hz在实际加工过程中应调至共振频率，以获得最大的振幅。第21页/共28页2 进给压力的影响超声加工时工具对工件应有一个合适的进给压力。压力过小，工具端面和工件加工表面之间的间隙增大，从而减弱了磨料对工件的撞击力度和打击深度；压力过大，会使工具和工件间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新，都会降低加工速度。以加工玻璃为例，加工面积在5-13mm2范围内，其最佳静压力为400KPa，当加工面积在20 mm2以上时，最佳静压力约在200-300KPa之间。第22页/共28页3 磨料的种类和粒度一般说来，磨料

12、硬度越高，加工速度越快。但要考虑价格成本。金刚石或宝石材料金刚石磨料硬质合金、淬火钢碳化硼磨料硬度不高的脆性材料碳化硅磨料玻璃、石英、半导体氧化铝磨料此外，磨料粒度越粗，加工速度越快，但表面质量变差。第23页/共28页4 磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积较大或加工区较深的情况下，很可能造成局部无磨料的现象，导致加工速度大大下降。随着磨料浓度的增加，加工速度会加快。但浓度太高时，磨粒在加工区循环和对工件的撞击运动受到限制，又会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的质量比约为0.5-1.0。第24页/共28页5 被加工材料的影响被加工材料越脆，承受冲击载

13、荷的能力越低，越容易被去除，加工速度越快；反之，工件材料韧性越好，超声不易加工。如以玻璃的加工速度为100%，则硅、锗等半导体为200%，石英为50%，硬质合金为2%-3%，淬火钢为1%，不淬火钢小于1%。第25页/共28页二 加工精度及其影响因素影响超声加工精度的因素主要有：机床、夹具精度磨料粒度工具精度及其磨损工具横向振动大小加工深度被加工材料性质第26页/共28页以超声加工孔为例1 加工孔的范围：0.1-90mm。2 加工孔的尺寸精度通常可以达到0.02-0.05mm。3 加工的表面质量超声加工表面质量较好，一般可达Ra0.1-1.0um之间。此外，当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、振幅较小时，加工的表面质量能得到改善，但生产率也随之降低。第27页/共28页感谢您的观看！第28页/共28页