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1、第七章第七章 超声波加工超声波加工电火花加工和电解加工都只能加工金属导电材料，无法加工不导电的非金属材料，而超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、探伤等。第一节第一节 超声波加工原理和特点超声波加工原理和特点一、超声波特性1、能传递很强的能量，对其传播方向上的障碍物施加压力，固、液体中的能量密度要比空气中的声波高千万倍2、在液体介质传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象3、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4、在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象“超声波”这个名词术语，用
2、来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播时，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。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;例如c空气=331ms；c水=1430ms；c铁=5850ms。速度c与波长和频率，f 之间的关系可用下式
3、表示：超声波具有下列主要性质： (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式中 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。二、超声波加工的原理二、超声波加工的原理超声波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法超
4、声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。 加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.010.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用
5、而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。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。超声发生器将交流电转变为超声电振荡换能器将电振荡转变为机械振动变幅杆将振幅放大至0.050.1mm，驱动工具作超声振动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
6、和破坏超声波加工是机械撞击、抛磨、空化作用的 综合结果。三、超声波加工的特点1、加工范围广可加工一些传统难加工的金属与非金属材料适合深小孔、薄壁件、细长杆等低刚度零件的加工 适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工2、切削力小、切削功率消耗低由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小3、工件加工精度高、表面粗糙度低4、易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成形表面等。5、工具可用较软的材料做成较复杂的形状6、超声波加工设备结构一般比较简单，操作维修方便四、超声波加工设备四、超声波加工设备1、超声发生器作用：将工频交流电转变为具有一定功率输出的超声频
7、电振荡要求：输出的功率和频率在一定范围内连续可调2、声学部件作用：将超声波发生器输出的高频率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1）换能器作用：将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） 磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应）压电效应石英晶体、钛酸钡陶瓷等在外力变形时，在界面上产生电势铁、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2）变幅杆作用：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分类：锥形扩大比较小 （510倍）指数形扩大比中等 （1020倍），难制造阶梯形扩
8、大比大 （20倍以上），易制造扩大振幅的原因通过变幅杆任一截面的振动能量不变截面越小，能量密度越大，振动振幅也就越大能量密度与振幅的平方成正比3）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：取决与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4、磨料工作液及其循环系统1）工作液常用、效果较好水表面质量要求高煤油或机油2）磨料碳化硼、碳化硅或氧化铝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
9、，由孔内抽吸第二节第二节 超声波加工工艺参数及应用超声波加工工艺参数及应用一、超声波加工工艺参数（工艺参数）1、加工速度及其影响因素加工速度指单位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1）工具振幅和频率的影响 过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，振幅一般在0.010.1mm之间，频率在1600025000Hz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2）进给压力的影响 加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。压力过小时，
10、工具端面与工件加工表面间的间隙增大，从而减少了磨料对工件的锤击力压力增大，间隙减少，当间隙减少到一定程度则会降低磨料与工作液的循环更新速度，从而减低生产率。3）磨粒种类和粒度的影响加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料磨料强度愈高，加工速度愈快，但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，应选碳化硼。加工玻璃、石英和锗、硅等半导体材料，选用氧化铝磨料。4）被加工材料的影响被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧性愈好，愈不易加工5）磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒少，特别是在加工面积大、深度较大时可能
11、造成加工区局部没有磨料，使加工速度大大降低磨料浓度的增加，加工速度也增加，但浓度太高，磨粒在加工区域内的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。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，主要与磨粒粒度、工具精度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质有关。3、表面质量的影响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，其表面粗糙度主要与磨粒尺寸、超声波振幅大小和工件材料硬度有关磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材料愈硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会得到明显改善，因为表面粗糙度值主要取决于每颗磨粒每次捶打工件材料所留下的凹痕的大小
12、和深浅。4、超声波加工的应用超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电解加工低，但其加工精度和表面质量都优于它们。而且可以加工难以加工的半导体和非金属的硬脆材料对于电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模等，最后还经常用超声波抛磨、光整加工，使表面粗糙度进一步降低1）型孔和型腔的加工 2）切割加工对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。3）超声波清洗其原理主要是基于清洗液在超声波作用下产生空化效应的结果。空化效应产生的强烈冲击液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破坏，并从清洗表面脱落下来。应用：主要用于几何形状复杂、清洗质量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件，特别是工件上的深小孔、微孔、弯孔等部位的静精洗。4）复合加工采用超声波加工硬质合金、耐热合金等硬质合金时加工速度低，工具损耗大，为了提高加工速度和降低工具损耗，采用超声波、电解加工或电火花加工相结合来加工喷油嘴、喷丝板上的孔或窄缝，提高生产率和质量超声电解复合加工用于难加工材料的表面光整及深小孔加工复合抛光5）超声波焊接振动通过焊接工作件传给粘合面振动摩擦产生热能使塑胶熔化，振动会在熔融状态物质到达其介面时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生强分子键，整个周期通常不到一秒钟完成，但其焊接强度却接近一块连着的材料
