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1、超声波加工技术,1超声波加工的原理与特点 1) 加工原理 超声波加工是利用振动频率超过16 000 Hz的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法，其加工原理如图1所示。,图1 超声波加工原理图,当工具以16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨料的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象”。所谓空化现象，是指当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
2、冲击波，从而使脆性材料产生局部疲劳，引起显微裂纹。 这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，随着加工的不断进行，工具的形状就逐渐“复制”在工件上。,由此可见，超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。 2) 特点 超声波加工的主要特点如下： (1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。 (2) 由于工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的运动。,(3)
3、 加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。表面粗糙度Ra值很小，可达0.2 m，加工精度可达0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。 (4) 加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。 (5) 生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。,2. 超声波加工设备 超声波加工装置如图2所示。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，但一般都由高频发生器、超声振动系统(声学部件)、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成。,图2 超声波加工装置,1) 高频发生器 高频发生器即超声波发生器，其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供给工具往
4、复运动和加工工件的能量。 2) 声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。,由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过0.0050.01 mm，而超声波加工却需要0.010.1 mm的振幅，因此必须用上粗下细(按指数曲线设计)的变幅杆放大振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。 变幅杆的常见形式如图3所示，加工中工具头与变幅杆相连，其作用是将放大后的机
5、械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击。工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺寸和形状取决于被加工表面，它们相差一个加工间隙值(略大于磨料直径)。,图3 几种形式的变幅杆,3) 机床本体和磨料工作液循环系统 超声波加工机床的本体一般很简单，包括支撑声学部件的机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水，有时用煤油或机油。磨料的粒度大小取决于加工精度、表面粗糙度及生产率的要求。,3超声波加工的应用 超声波加工的生产率虽然比电火花、电解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。在实际生产中，超声波广泛应用于型(腔)孔加工(如图4所示)、切割加工(如图5所示)、清洗(如图6所示)等方面。,图4 超声波加工的型孔、腔孔类型,图5 超声波切割加工,图6 超声波清洗装置,习题,简述超声加工的机理。,
