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1、第六章 超声波加工技术6.1 超声波的特性 声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1616000Hz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于16000Hz则称为超声波。超声波是声波的一部分，因此超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播，它遵循声波传播的基本规律，但由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时方向性强，反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同介质中，超声波传播的速度c亦不同(例如c空气=331ms，c水=1430ms：c铁=5850ms)，它与波长和频率f之间的关系可用下式表示c=f （6.1）式中 c-超声波在介质中的传播速度（ms）；-波长（m）；f-频
2、率（Hz）。超声波主要具有下列性质：1. 超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力(声压)。因此，有时可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。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 （6.2）式中弹性介质的密度（kg/m3）;c弹性介质中的波速（m/s）;A振动的振幅（mm）；圆频率，=2f（rad/s）。由于超声波的频率 f 很高，其能量密度可达100Wcm2以上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同
3、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。2. 超声波的空化作用。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，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，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上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎及各种物理化学作用效应。3. 超声波的反射、透射和折射。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现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积c
4、称为波阻抗)，介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近100，此外空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质以消除空气及因它而引起的衰减。图6.1 弹性杆内各质点振动情况4. 超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象，图6.1为超声波在弹性杆中传波时各质点振动的情况。当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，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
5、的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，其振幅为零(为波节)，而另一些点振幅最大，其振幅为原振幅的两倍(为波腹)。图6.1中x表示弹性杆件任意一点b相距超声波入射端的距离，则入射波造成b点偏离平衡位置的位移为a1，反射波造成b点偏离平衡位置的位移为a2，则有式中xb点距离入射端的距离；振动的波长；T振动的周期；A振动的振幅；t振动的某一时刻。因此，入射波和反射波所造成b点的合成位移ac为： （6.3）由式（6.3）可知：当时（k为正整数），ac最大，b点为波腹；当时（k为正整数），ac为0，b点为波节。由上述分析可知，为了提高超声波加工
6、生产效率，必须使弹性杆处于最大振幅的共振状态，其设计长度为半波的整数倍，杆的支点选在振动过程中的不动点，即波节点上；而杆的工作端部应选在最大振幅的波腹处。6.2 超声波加工的基本原理和特点6.2.1 超声波加工的基本原理超声波加工是近几十年发展起来的一种加工方法，它弥补了电火花加工和电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工硬脆金属材料，而且更适合于加工不导电的硬脆非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体等。同时超声波还可以用于清洗、焊接、探伤等。超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种l工具；2-工件
7、；3-磨料悬浮液；4、5-变幅杆；6超声换能器；7超声波发生器图6.2 超声波加工原理示意图成型方法。加工原理如图6.2所示。加工时，在工具1和工件2之间加入液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声波发生器7产生的超声频电振荡通过超声换能器6产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆4、5把振幅放大到0.050.1mm左右，驱动工具端面作超声频振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上被打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达16000次以上
8、，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，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，在工作液体内形成很多微空腔，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，可以强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，随着磨料悬浮液不断地循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主
9、要的。既然超声加工是基于局部撞击作用，因此就不难理解，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。根据这个道理，人们可以合理选择工具材料，使之既能撞击磨粒，又不致使自身受到很大破坏，例如用45钢作工具即可满足上述要求。6.2.2 超声波加工的特点1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石，金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等，也能进行加工、但加工生产率较低。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
10、工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。但若需要加工尺寸较大、形状复杂而精密的三维结构的零件，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。3) 由于去除加工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，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，可达Ra0.630. 08m尺寸精度可达0.010.02mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。4) 超声加工设备的几何尺寸较小，设备成本低。5) 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。6) 圆柱形孔深度以工具直径的5倍为限。7) 工具的磨损使
11、钻孔的圆角增加，尖角变成了圆角，这意味着为了钻出精确的盲孔，更换工具是很重要的。8) 由于进入工具中心处的有效磨粒较少，因悬浮液的分布不适当，使型腔的底往往不能加工得很平。有时由于工具横截面的形状，使重心不在中心线上而产生强烈的横向振动，故加工表面的精度有所降低。在这种情况下，唯一解决的办法是重新设计工具。6.3 超声波加工设备及其组成部分 图6.3 超声波加工设备组成示意图超声波加工设备的功率和结构有所不同，但其组成基本相同。一般包括超声发生器、超声振动系统、磨料悬浮液循环系统及换能器冷却系统和机床本体。其主要组成如图6.3所示。6.3.1 超声波发生器超声波发生器又叫超声频发生器或超声波电
12、源。它的作用是将工频50Hz交流电转换为功率为100-4000W的超声频电振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。超声波发生器由于功率不同，有电子管式、晶闸管式、晶体管式等。大功率的超声波发生器往往是电子管式。但近年来逐渐被晶体管所取代。超声波发生器的电路由振荡级电压放大级功率放大级电源超声换能器图6.4 超声波发生器组成框图振荡级、电压放大级、功率放大级及电源组成（参见图6.4）。其振荡级可以是他激式，也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器。自激频率取决于超声波振动系统的共振频率。当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变化等，会引起超声波振动
13、系统共振频率的变化，可通过“声反馈”或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态。为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件： l）输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配；2）频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调；3）输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工；4）结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修；5）最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。6.3.2 超声波振动系统超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆和工具。其作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动，并通过变幅杆使工具端面以一
14、定的振幅做高频振动，以进行超声波加工。1 换能器换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根据其转换原理的不同，有磁致伸缩式和压电式两种。压电效应式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。若利用上述物质的压电效应，在两面加16000Hz以上的交变电压，则该物质会产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。为了获得最大的超声波强度，应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。图6.5压电式超声波换能器1 上端块 2 压紧螺钉 3
15、镍片 4 压电陶瓷 5 下端块 6 变幅杆图6.6 几种材料的磁致伸缩曲线l-75镍+25铁；2-49钴+2钒+49镍；3-6镍+94铁；4-29镍+71铁；5-退火钴；6-镍石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生0.01m以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大2030倍，但效率和机械强度不如石英晶体，铬钛酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗、探测和小功率超声加工的换能器。压电陶瓷，常制成圆形薄片，两面镀银，先加高压直流电进行极化，一面为正极，另一面为负极。使用时，常将两片迭在一起，正极在中间，负极在两侧经上下端块用螺钉夹紧，如图6.5所示。装夹在机床主轴头的振幅扩大棒(变幅杆)的上端。正极必须与机床主轴绝缘。为了导电引线方便，常用一镍片夹在两压电陶瓷片正极之间作为接线端片。压电陶瓷片的自振频率与其厚薄、上下端块质量及夹紧力等成反比。图6.7 磁致伸缩换能器 磁致伸缩式换能器磁致伸缩效应是指，铁、钴、镍及其合金；或铁氧体等材料的长度可随所处磁场强度的变化而伸缩的现象。镍在磁场中的最大缩短量为其长度的0.004，铁和钴则在磁场中为伸
