精密与特种加工第8章超声波加工.

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1、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

2、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 v 超声波的频率范围 可闻声波：频率在1616000 Hz之间的声波。 次声波：频率低于16 Hz的声波。 超声波：频率高于16000 Hz的声波。 特超声波：频率高于 Hz的声波。 v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 = f ，-波长， f-频率 不同介质中传播速度不同 c空气=

3、331m/s， c水=1430m/s c铁=5850m/s v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Wcm2。 v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=c (A)2/2 弹性介质的密度(kgm3)； c弹性介质中的波速(ms)； A振动的振幅(mm)； 圆频率(rads)，=2f。 固体、液体的和c大 J大

4、 由于超声波的频率很高，其能量密度可达 100Wm2以上。超声波在液体或 固体中 传播时，由于介质密度和振动频率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。 v 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 形成真空，产 生气泡 空泡闭合，形 成压力 高频上下运动： f 16kHz 工具端面以很大的加速度离开工件表面时， 加工间隙内形成负压和局部真空，在磨料液 内形成很多微空腔；当工具端面以很大的加 速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强 的液压冲击波，从而使脆性材料产生局部疲 劳，引起显微裂纹。

5、强化加工过程的进行。 v 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c 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） 固体(液体)空气 反射率100% v 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。 距入射端距离为x的b点处： 入射波 反射波 合成波 共振的条件： 杆长为半波长的整数倍，L= k/2 波节M点处：不振动 A B M 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

6、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 v适合加工各种硬脆材料 v加工质量高，尺寸精度0.010.02mm， Ra0.630.08m，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

7、 v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。 v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。 v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 1-工作台 2-上具 3-变幅杆 4-换能器 5-导轨 6-支架 7-平衡重锤 1 2 3 5 4 6 7 CSJ-2型 超声加工机床 超声波加工设备又称超声波加工装置 ，尽管不同功率大小、不同公司生产 的超声波加工设备在结构形式上各不 相同，但其组成部分基本相同。 超声波超声波

8、发生器发生器 作用是将工频交流电转变为有 一定功率输出的超声频电振荡 ，以提供工具端面往复振动和 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，最好能具有 对共振频率自动跟踪和自动微调 的功能；还要求结构简单、工作 可靠、价格便宜、体积小等 有电子管式、晶体管式 8.2.1 超声波发生器 作用：将工频交流电转变为有一定 功率输出的超声频电振荡 声学声学 部件部件 作用：将超声波发生器输 出的高频率振荡电能转变 为机械振动能，并通过变 幅杆使工具端面作高频率 、小振幅振动以进行超声 加工。 组成：换能器、变幅杆和 工具。 8.2.2 超声振动系统 v 超声换能器 作用：将

9、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 p 石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）陶瓷、锆钛酸铅 （ZrPbTiO3）压电陶瓷等物质受外力变形时， 在界面上产生电势；或者相反的情况 。 磁致伸缩效应 p 铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处的磁场强度的 变化而伸缩的现象。 p 较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率。 变幅杆 p作用：将换能器获得的超声振动振幅加以扩 大，以达到加工所需的振幅。 p分类 ： 锥形-扩大比较小（5- 10倍），易制造。 指数形-扩大比中等（ 1020倍），难制造。 阶梯形-

10、扩大比大（20 倍以上），易制造。 A= 0.0050.01mm A= 0.0050.01mm A= 0.010.1mm A= 0.010.1mm 扩大振幅的原因 p通过变幅杆任一截面的振动能量不变（传 播损耗不记）; p截面越小，能量密度越大 ，振动振幅也就 越大; p能量密度与振幅的平方成正比。 v 工具 作用：推动磨料和悬浮液冲击工件表面 ，加工出形状和尺寸。 形状和尺寸：取决于被加工表面的形状 和尺寸，它们相差一个“加工间隙”。 材料 ：45钢、碳素工具钢一般硬 脆材料； 硬质合金、淬火钢加工精 度高； 金刚石镀覆特殊要求。 注意事项：部件之间应连接紧密 螺纹连接处：涂凡士林油 p 1

11、工作台； p 2工具； p 3变幅杆； p 4换能器； p 5标尺； p 6导轨； p 7支架； p 8平衡重锤 8.2.3 超声加工机床 加工压力调节： 声部的自重 - 平衡重 调压机构：杠杆、弹簧、气动、电磁铁 （1）工作液 常用、效果较好水 表面质量要求高煤油或机油 （2）磨料 碳化硅或氧化铝、碳化硼、金刚石粉 生产率要求高颗粒大 加工精度、表面质量要求高颗粒小 （3） 循环系统 小型加工设备人工浇注、定期更换 大型加工设备流量泵自动供给 工具、变幅杆尺寸较大在其中开孔，由孔内抽吸。 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

12、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。 8.3.1 加工速度及其影响因素 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 过大内应力 工具寿命 过大能量损失 加工速度 一般：A=0.010.1mm，f =1625kHz 在实际加工中需根据不同工具调至共振频率，以获得最大振幅，从而 达到较高的加工速度。 影响加工速度的因素（2） 进给压力 加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。 过小工作间隙冲击力加工速度 过大

13、磨料被挤出来 加工速度 影响加工速度的因素（3） 磨料的硬度和粒度 加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料。 硬度 加工速度（要考虑价格成本） 加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选用金刚石；加工淬火钢、硬质 合金，应选用碳化硼、碳化硅；加工玻璃、石英和硅、锗等半导体材料 ，选用氧化铝磨料。 粒度越粗（粒度号 ）加工速度 加工精度 表面质量 影响加工速度的因素（4） 磨料悬浮液的浓度 浓度过小磨粒数加工速度 浓度 加工速度 浓度过大能量损失 加工速度 更新速度 加工速度 影响加工速度的因素（5） 磨料悬浮液的类型 水加工速度高 煤油、汽油 加工速度较低 精度高 影响加工速度的因素（6） 工件

14、材料 脆性受冲击载荷的能力加工速度 8.3.2 加工精度及其影响因素 超声波的加工精度，除了机床、夹具精度影响外 ，主要与以下因素有关： （1）磨料粒度与均匀性； （2）工具精度及其磨损情况； （3）工具横向振动大小； （4） 加工深度； 超声波加工的孔径范围0.190mm，孔深为孔径 的1020倍以上。孔的精度可达0.02mm或更高 。 影响加工精度的因素（1） 磨料粒度与均匀性 粒度越细（粒度号 ）加工精度 在加工深孔时，细磨粒有利于减小孔的锥度 磨料均匀性 加工精度 选择均匀性好的磨料，经常更换磨料（1015h） 影响加工精度的因素（2） 工具精度及其磨损情况 复制加工，工具精度加工精度

15、 工具磨损影响加工精度，例如加工孔时，工具下端 加工时间长，磨损比较严重，加工出的孔有锥度 将粗、精加工分开，并相应更换磨粒粒度，合理选择工具材料 影响加工精度的因素（3） 工具横向振动大小 会引起磨粒对孔壁的二次加工，在孔深方向上形成 从进口端至出口端逐渐减小的锥度，加工后的孔径 相对于工具尺寸有一个扩大量 影响加工精度的因素（4） 加工深度 加工深度加工精度 8.3.3 加工表面质量及其影响因素 超声波加工具有良好的表面质量，不会产 生表面变质层和烧伤； 超声波加工的表面粗糙度主要与磨粒尺寸 、工件材料性质、超声波振幅以及磨料悬 浮液的成分等有关。 磨粒尺寸愈大，超声振幅愈大，工件材料越脆，生产率愈高 ，表面粗糙度大； 用煤油或者润滑油代替水可使表面粗糙度值减小，提高表面 质量。 8.4 超声波的应用技术 型孔、型腔加工 超声切割加工 超声清洗 超声波焊接 超声波复合加工 无损检测 超声波在生活中的其他应用 8.4.1 型（腔