第七章超聲加工7.1超聲涉及其特性7.2超聲波加工的原理及特點(diǎn)7.3超聲波加工設(shè)備7.4超聲波加工的工藝規(guī)律7.5超聲波加工的應(yīng)用主要內(nèi)容1、聲波類型7.1超聲涉及其特性振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng),簡(jiǎn)稱波。波動(dòng)的物理實(shí)質(zhì)是能量的傳遞過程?？陕劼暡ǎ侯l率在16~160000Hz之間的聲波。次聲波：頻率低于16Hz的聲波。超聲波：頻率高于16000Hz的聲波。特超聲波：頻率高于1010Hz的聲波。7.1超聲涉及其特性3聲波的頻率界限圖7.1超聲涉及其特性聲波超聲波次聲波特超聲波42、超聲波的根本特性〔1〕超聲波與聲波一樣，在氣體、液體和固體等不同彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度不同?！?〕超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量，它對(duì)其傳播方向上的障礙物施加壓力〔聲壓〕。超聲波是一種縱波，其振動(dòng)能量的強(qiáng)弱可用能量密度來衡量,其能量密度可達(dá)100W/cm2以上?！?〕超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化作用，強(qiáng)化加工過程的進(jìn)行。〔4〕超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干預(yù)和共振現(xiàn)象，出現(xiàn)波的疊加作用，從而獲得更大的加工能量。7.1超聲涉及其特性57.2超聲波加工的原理與特點(diǎn)

1、超聲波加工的根本原理超聲波加工是利用超聲波作動(dòng)力，推動(dòng)磨料以極高的速度沖擊工件外表，工件材料在磨料打擊下被破壞、脫落。7.2超聲波加工的原理與特點(diǎn)

6超聲發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌曤娬袷?；換能器將電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)；變幅桿將振幅放大至0.05～0.1mm，驅(qū)開工具作超聲振動(dòng)。工具推動(dòng)磨料高速撞擊、拋磨工件，擊碎工件外表材料，并使之去除；工作液產(chǎn)生的液壓沖擊波和空化作用加快了外表材料的裂紋擴(kuò)展和破壞。超聲波加工是機(jī)械撞擊、拋磨、空化作用的綜合結(jié)果。其中撞擊起主要作用。超聲波空化作用：指存在于液體中的微小氣泡，在聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓到達(dá)一定值時(shí)發(fā)生的生長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過程?？栈饔靡话惆?個(gè)階段：空化泡的形成、長(zhǎng)大和劇烈的崩潰。7.2超聲波加工的原理與特點(diǎn)

72、超聲波加工的特點(diǎn)〔1〕適合加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷、石英、寶石、金剛石等?！?〕工具可用較軟的材料做較復(fù)雜的形狀?！?〕工具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，使機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。〔4〕切削力小、切削熱少，不會(huì)引起變形及燒傷，加工精度與外表質(zhì)量也較好?！?〕超聲波加工的面積較小，工具頭磨損較大，因此，生產(chǎn)率低。7.2超聲波加工的原理與特點(diǎn)

87.3超聲波加工設(shè)備 超聲波加工設(shè)備又稱超聲波加工裝置，盡管不同功率大小、不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相同，但其組成局部根本相同。超聲波加工裝置一般都由超聲發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)〔聲學(xué)部件〕、機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等局部組成。7.3超聲波加工設(shè)備9超聲波加工裝置7.3超聲波加工設(shè)備1-冷卻器2-磨料懸浮液抽出3-工具4-工件5-磨料懸浮液送入6-變幅桿7-換能器8-超聲波發(fā)生器101、超聲發(fā)生器

作用：將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩。要求：輸出的功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖7-3超聲發(fā)生器的組成方圖7.3超聲波加工設(shè)備112、聲學(xué)部件作用：將超聲波發(fā)生器輸出的高頻率電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能，并通過變幅桿使工具端面作高頻率、小振幅振動(dòng)以進(jìn)行超聲加工。組成：換能器、變幅桿和工具。〔1〕換能器作用：將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)。分類：壓電式換能器〔利用壓電效應(yīng)制成〕磁致伸縮式換能器〔利用磁致伸縮效應(yīng)制成〕7.3超聲波加工設(shè)備12壓電效應(yīng)石英晶體、鈦酸鋇〔BaTiO3〕陶瓷、鋯鈦酸鉛〔ZrPbTiO3〕壓電陶瓷等物質(zhì)受外力變形時(shí)，在界面上產(chǎn)生電勢(shì)；或者相反的情況。7.3超聲波加工設(shè)備13磁致伸縮效應(yīng)

鐵、鈷、鎳及其合金的長(zhǎng)度能隨其所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而伸縮的現(xiàn)象。較壓電式換能器有較高的機(jī)械強(qiáng)度和輸出功率。7.3超聲波加工設(shè)備14〔2〕變幅桿作用：將換能器獲得的超聲振動(dòng)振幅加以擴(kuò)大，以到達(dá)加工所需的振幅。分類：錐形--擴(kuò)大比較小〔5-10倍〕，易制造。指數(shù)形--擴(kuò)大比中等〔10~20倍〕，難制造。階梯形--擴(kuò)大比大〔20倍以上〕，易制造。7.3超聲波加工設(shè)備15擴(kuò)大振幅的原因通過變幅桿任一截面的振動(dòng)能量不變〔傳播損耗不記〕;截面越小，能量密度越大，振動(dòng)振幅也就越大;能量密度與振幅的平方成正比。7.3超聲波加工設(shè)備16〔3〕工具7.3超聲波加工設(shè)備173、機(jī)床1－工作臺(tái)；2－工具；3－變幅桿；4－換能器；5－標(biāo)尺；6－導(dǎo)軌；7－支架；8－平衡重錘7.3超聲波加工設(shè)備186、磨料工作液及其循環(huán)系統(tǒng)〔1〕工作液常用、效果較好——水外表質(zhì)量要求高——煤油或機(jī)油〔2〕磨料碳化硼、碳化硅或氧化鋁生產(chǎn)率要求高——顆粒大加工精度、外表質(zhì)量要求高——顆粒小〔3〕循環(huán)系統(tǒng)小型加工設(shè)備——人工澆注、定期更換大型加工設(shè)備——流量泵自動(dòng)供給工具、變幅桿尺寸較大——在其中開孔，由孔內(nèi)抽吸。7.3超聲波加工設(shè)備19

7.4超聲波加工的工藝規(guī)律一、加速度及其影響因素定義：加工速度指單位時(shí)間內(nèi)去除材料的多少，以mm3/min或g/min為單位來表示。 影響加工速度的因素：主要有工具的振幅和頻率、進(jìn)給壓力、磨料的種類和粒度、被加工材料、磨料懸浮液的濃度。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律201、工具振幅和頻率的影響過大的振幅和過高的頻率會(huì)使工具和變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，振幅一般在0.01～0.1mm之間，頻率在16000～25000Hz之間。在實(shí)際加工中需根據(jù)不同工具調(diào)至共振頻率，以獲得最大振幅，從而到達(dá)較高的加工速度。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律212、進(jìn)給壓力的影響加工時(shí)工具對(duì)工件應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給壓力。壓力過小時(shí)，工具端面與工件加工外表間的間隙增大，從而減少了磨料對(duì)工件的錘擊力；壓力增大，間隙減少，當(dāng)間隙減少到一定程度那么會(huì)降低磨料與工作液的循環(huán)更新速度，從而降低生產(chǎn)率。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律223、磨料種類和粒度的影響 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律234、磨料懸浮液濃度的影響磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)的磨粒少，特別是在加工面積大、深度較大時(shí)可能造成加工區(qū)局部沒有磨料，使加工速度大大降低。磨料濃度的增加，加工速度也增加，但濃度太高，磨粒在加工區(qū)域內(nèi)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和對(duì)工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會(huì)導(dǎo)致加工速度降低。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律245、被加工材料的影響被加工材料愈硬脆，那么承受沖擊載荷的能力愈低，愈易被去除加工，反之，韌性愈好，愈不易加工。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律25二、加工精度的影響因素超聲波的加工精度，除了機(jī)床、夾具精度影響外，主要與以下因素有關(guān)： 〔1〕磨料粒度；〔2〕工具精度及其磨損情況；〔3〕工具橫向振動(dòng)大??；〔4〕加工深度；〔5〕被加工材料性質(zhì)等。 超聲波加工的孔徑范圍0.1~90mm，孔深為孔徑的10~20被以上?？椎木瓤蛇_(dá)±0.02mm或更高。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律26三、外表質(zhì)量的影響超聲波加工具有良好的外表質(zhì)量，不會(huì)產(chǎn)生外表變質(zhì)層和燒傷；超聲波加工的外表粗糙度主要與磨粒尺寸、工件材料性質(zhì)、超聲波振幅以及磨料懸浮液的成分等有關(guān)。磨粒尺寸愈小，超聲振幅愈小，工件材料越硬，生產(chǎn)率愈低，外表粗糙度愈會(huì)得到明顯改善；用煤油或者潤(rùn)滑油代替水可使外表粗糙度值減小，提高外表質(zhì)量。 7.4超聲波加工的工藝規(guī)律277.5超聲波加工的應(yīng)用 7.4超聲波加工的應(yīng)用281、型〔腔〕孔加工圖7-12超聲波加工的型孔、腔孔類型

超聲波目前主要應(yīng)用在脆硬材料的圓孔、型孔、型腔、套料、微細(xì)孔等的加工。 7.4超聲波加工的應(yīng)用29微細(xì)孔加工

近幾年來，超聲波加工已向微細(xì)加工領(lǐng)域擴(kuò)展，日本東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)學(xué)院采用超聲波加工方法，加工出了玻璃上直徑9μm的微孔微小透平腔 7.4超聲波加工的應(yīng)用30圖7-15超聲波切割加工

2、切割加工

對(duì)于難以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、寶石等用超聲波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。 7.4超聲波加工的應(yīng)用313、超聲波清洗原理：基于清洗液在超聲波作用下產(chǎn)生空化效應(yīng)的結(jié)果?？栈?yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破壞，并從被清洗外表脫落下來。應(yīng)用：主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件，特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗，生產(chǎn)率和凈化率都很高。目前在半導(dǎo)體和集成電路元件、儀器儀表零件、電真空器件、光學(xué)零件、醫(yī)療器械等的清洗中應(yīng)用。 7.4超聲波加工的應(yīng)用32圖7-20超聲波清洗裝置 7.4超聲波加工的應(yīng)用334、超聲波焊接原理：利用超聲振動(dòng)作用去除工件外表的氧化膜，使工件露出本體外表，使兩個(gè)被焊工件外表在高速振動(dòng)撞擊下摩擦發(fā)熱并親和粘在一起。應(yīng)用：用于焊接尼龍、塑料及外表易生成氧化膜的鋁制品，還可以在陶瓷等非金屬外表掛錫、掛銀，從而改善這些材料的可焊性；焊接一般很難焊接的稀有金屬，如鈦、鉬等。 7.4超聲波加工的應(yīng)用34超聲波塑料焊接機(jī) 7.4超聲波加工的應(yīng)用355、復(fù)合加工 7.4超聲波加工的應(yīng)用36〔1〕超聲電解復(fù)合加工輔以超聲振動(dòng)的復(fù)合電解加工。用于難加工材料的外表光整及深小孔加工。 7.4超聲波加工的應(yīng)用37 7.4超聲波加工的應(yīng)用38 7.4超聲波加工的應(yīng)用39〔3〕超聲拋光及電解超聲復(fù)合加工利用導(dǎo)電油石作導(dǎo)電工具，對(duì)工件外表進(jìn)行電解超聲復(fù)合拋光加工，有利于改善外表粗糙度。 7.4超聲波加工的應(yīng)用406、無損檢測(cè)

利用超聲波定向發(fā)射、反射、穿透大多數(shù)材料特性，在測(cè)距、控制、監(jiān)測(cè)及材料測(cè)量方面進(jìn)行無損檢測(cè)。探測(cè)金屬內(nèi)部缺陷例如：探測(cè)材料內(nèi)部和外表缺陷，評(píng)價(jià)物理、力學(xué)性質(zhì)，鍋爐、壓力容器制造、運(yùn)行中的檢測(cè)。 7.4超聲波加工的應(yīng)用417、超聲波在生活中的應(yīng)用 7.4超聲波加工的應(yīng)用42超聲波除塵只要在煙囪里裝一個(gè)超聲波除塵器，不消片刻，煙囪就冒著干凈的白煙了。超聲波除塵裝置 7.4超聲波加工的應(yīng)用43超聲波促進(jìn)植物生長(zhǎng)種子發(fā)芽需要水分、氧氣和一定的溫度。種子外面裹著一層嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的種皮，它雖然能保護(hù)種子不受傷害，但是它的透水性和透氣性都不好，是種子“喝〞不到足夠的水分，“呼吸〞也特別微弱，就像睡著了。因此，有了適宜的條件也不易發(fā)芽。 7.4超聲波加工的應(yīng)用44超聲波促進(jìn)植物生長(zhǎng) 7.4超聲波加工的應(yīng)用45超聲波偵察海底超聲波在水中能過按著一定的方向直線前進(jìn)，它能傳到幾公里、幾十公里，甚至幾百公里以外。而且，它又能形成射束，聚成很狹的一束，向一個(gè)方向傳播。當(dāng)它中途遇到障礙物時(shí)，又會(huì)有一局部能量按原方向反射回來。因此，當(dāng)接收到回聲訊號(hào)，經(jīng)過放大送到顯示器，就可以立刻顯示出目標(biāo)的距離和方位了。 7.4超聲波加工的應(yīng)用46超