第七章 超声波加工.

《第七章 超声波加工.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 超声波加工.（79页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、1第七章第七章 超声波加工超声波加工2超声波加工超声波加工 （USMUSM，Ultrasonic MachiningUltrasonic Machining） 利用超声振动的工具在有磨料的液体介利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法互结合的加工方法3 1、早期主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的 2、但加工效率低，并随着加工深度的增加

2、而显著降低 3、随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，采用从中空工具内部向外抽吸式向内压入磨料悬浮液的超声加工方式，大幅度地提高了生产率，扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围 4、近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以10005000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用于航空、原子能工业，效果良好讲义4第一节超声加工的基本原理和特点第一节

3、超声加工的基本原理和特点 一、超声波的特性一、超声波的特性 超声波：高于超声波：高于16000Hz16000Hz，超出人的听觉范，超出人的听觉范围的波围的波 声波：人耳能感受到的一种纵波，频率声波：人耳能感受到的一种纵波，频率范围为范围为161616000Hz16000Hz 次声波：频率低于次声波：频率低于16Hz16Hz的声波的声波 5一、超声波的特性一、超声波的特性 1 1）超声波可在气体、液体和固体介质中）超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关：密度等有关： C=f C=f （5 51 1）C-C-超声波传播速度（超

4、声波传播速度（m mS S）-波长（波长（m m）f-f-频率（频率（HZHZ）6一、超声波的特性一、超声波的特性 2 2）超声波在各种介质中传播，其运动轨）超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化：迹都按余弦函数规律变化：x xA A* *coscos（* *t + t + ） （5 52 2） x-x-质点运动的位移（质点运动的位移（m m）A-A-振幅（振幅（m m）-圆频率（圆频率（radradS S）t-t-时间（时间（s s）-振动的相位角（振动的相位角（radrad）7一、超声波的特性一、超声波的特性3 3）超声波可传递很强的能量）超声波可传递很强的能量 能量强度可

5、用垂直于波的传播方向单位能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能量来表示面积的能量来表示 能量强度高达几百瓦平方厘米，且能量强度高达几百瓦平方厘米，且9090作用于工件表面作用于工件表面 在液体、固体中传播强度、功率、能量在液体、固体中传播强度、功率、能量密度比空气中高千万倍密度比空气中高千万倍8一、超声波的特性一、超声波的特性4 4）超声波会产生反射、干涉和共振）超声波会产生反射、干涉和共振现象现象 超声波在介质中传播时出现波的叠超声波在介质中传播时出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终加作用，使弹性杆中某处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得

6、更大的超声加工能量加，从而获得更大的超声加工能量9 l-l-反射波反射波2-2-合成波合成波3-3-人射波人射波b-b-波节点波节点l-l-波节点波节点至波反射端至波反射端的距离的距离一、超声波一、超声波的特性的特性10一、超声波的特性一、超声波的特性 5 5）超声波在液体介质中传播时，可在界）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行了加工过程的进行11 超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果(以磨粒不断冲击为主)。 脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工2

7、2）超声加工的基本原理）超声加工的基本原理 12超声加工方法示意图超声加工方法示意图 l-l-冷却水人口冷却水人口 2-2-换能器换能器 3-3-激励线圈激励线圈 4-4-变幅杆变幅杆 5-5-谐振支座谐振支座 6-6-冷却水出口冷却水出口 7-7-工具锥工具锥 8-8-工具头工具头 9-9-磨料射流磨料射流 10-10-工件工件 11-11-磨料悬浮液磨料悬浮液132 2）超声加工的基本原理）超声加工的基本原理 高频电源联接超声换能器，将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动（振幅0.0050.01mm）变幅杆将振幅放大(0.050.lmm)以驱动工具端面作超声振动磨料悬浮液（磨

8、料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末同时，磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除随着磨料悬浮液不断地循环,磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的讲义14（3）超声加工的特点 1）适合加工各种硬脆材料不导电的非金属材料：玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等硬质或耐热导电的金属材料

9、：淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等，但加工效率较低。 2）工件表面的宏观切削力小，切削应力、切削热更小，不产生变形及烧伤，表面粗糙度可达Ra063008um，尺寸精度可达0.03mm适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用15（3）超声加工的特点 3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面超声加工机床的结构简单，操作、维修方便 4）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低16第二节 超声加工设备 超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同 一般包括超声发生器、超声振动系统

10、、磨料悬浮液循环系统和机床本体17超声加工机床 超声发生器（超声电源） 超声振动系统 超声换能器 变幅杆（振幅扩大棒） 工具 机床本体 工作头 加压机构及工作进给机构 工作台及其位置调整机构 工作液及循环系统和换能器冷却系统 磨料悬浮液循环系统 换能器冷却系统18l）超声波发生器 （又叫超声频发生器或超声波电源） 将工频交流电转换为功率为20-4000W的超声频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。 192）超声波振动系统 将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进行超声加工 超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、工具20（l）

11、换能器 将高频电振荡转换成机械振动 根据其转换原理的不同分：有磁致伸缩式压电式21 压电效应超声波换能器 压电效应是指石英晶体、钛酸钡以及诸钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两端面上产生一定的电荷而形成一定的电势。相反，改变两端面上的电压，也会产生一定的伸缩变形的现象 利用上述物质的压电效应，在两面加16000Hz以上的交变电压，物质产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动 为获得最大的超声波强度，使晶体处于共振状态，故晶体片厚度应为声波半波长或整倍数 22压电材料 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生001um以下的变形 钛酸钡的压电效应比石英晶体大203O倍，但效率和机