第七章超声加工

工作液及循环系统和换能器冷却系统：磨料悬浮循环系 统、换能器冷却系统。
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一、超声波发生器
作用：将50Hz工频交流电转变为有一定功率输出的超
声频电振荡，以提供工具端面控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
好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。此外 还要求结构简单、工作可靠、价格便宜和体积小等。
而且更适合于加工不导电的脆硬非金屑
材料．如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片
等。同时超声波还可用于清洗、焊接和
探伤等。
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7.1 超声波加工的基本原理和特点
一、 超声波及其特性
超声波波长l，频率f和传播速度c之间关系为
l=c/f
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超声波主要性质：
1）超声波能传递很强的能量；
2）当超声波经过液体介质传播时，产生液压冲击
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2)由于工具材料校软，易制成复杂的形状，工具和工件又
无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备
结构简单。但若需要加工较大而复杂精密的三维结构，
可以预见，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粒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
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（三）、变幅杆（振幅扩大棒）
压电或磁致伸缩的变形量很小(即 使在共振条件下振幅也不超过
0.05--0.01mm)，不足以直接用于
加工。超声波加工需0.01—— 0.1mm的振幅，因此必须通过一 个上粗下细的棒杆将振幅加以扩 大，此棒杆称为振幅扩大棒，亦
称变幅杆，如图。
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当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但 当工具较重时，会减小共振频率，故工具较长
热很小，不会引起变形及烧伤，表面租糙度Ra值
可达1．0—0.1um，加工精度可达0.01—0．02mm，并
可加工细小结构和低刚度的工件。
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7.2 超声加工设备及其组成部分
超声波加工设备一般包括超声波发生器、超声波 振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。 超声发生器：超声电源 超声振动系统：超声换能器、变幅杆和工具 机床本体：工作头、加压机构和进给机构、工作台及位 置调整机构
变幅杆能扩大振幅，是由于通过它每个截面的振
动能量是不变的(赂去传播损耗)，截面小的地 方能量密度大，振幅也大。 为了获得较大的 振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动 频率相等，处于共振状态。为此，在设计、制
造变幅扦时，应使其长度L等于超声振动的半
波长或整倍数。
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由于
固
由此，可知超声波在钢铁中的传播的波长为0.31~0.2m， 对应钢扩大棒长度一般为半波长100mm至160mm之间。
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振幅扩大棒可制成锥形的、指数形的或阶 梯形的等。锥形的“振幅放大比”较小， (5一l0倍)，但易于制造。
指数形的放大比中等(10一20倍)，使用中性 能稳定，但不易制造； 阶梯形的放大比较大(20倍以上)，也容易制 造，但当它受到负载阻力时振幅易减小， 性能不稳定，而且在粗细过渡的地方容 易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此 须加过渡圆弧。 实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形 变幅扦：阶梯形变幅杆因设计、制造容 易，也常被采用。
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二、声学部件
作用：是把超声频电振荡转变为机械振动，使工
具端面获得高频率及一定振幅的振动。它是超
声波加工机床中最重要的部分，由换能器、振 幅扩大器和工具组成。 换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前 实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸缩
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效应。
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第七章 超声加工
人耳能感受的声波频率在16—16000Hz范围内，声波 频率超过16000 Hz被称为超声波。
超声波加工(ultrasonic Machining)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。
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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脆硬金属树料，
是主要的。
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三、 超声波加工的特点
1)适合于加工各种脆硬材料。既然超声波加
工是基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受 撞击作用所遭受的破坏越大，愈适宜超声波加工。例 如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石 墨、玛蹈、宝石、金刚石等材料，比较适宜超声波加 工。相反，脆性和硬度不大却具有韧性的材料，由于 具有缓冲作用而难以采用超声波加工。因此，选择工 具材料时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很 大破坏的材料，例如不淬火的45钢等。
（一）压电效应超声波换能器利用 压电效应工作。在压电材料上加上
16000Hz以上的交变电压，压电材料产 生高频伸缩变形，使周围介质做超声振 动。
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（二、）磁致伸缩效应超声波换能器基于磁致 伸缩效应工作。铁和钴在磁场中伸长，磁场消失后
又恢复原有尺寸。材料在交变磁场中长度交变伸缩， 其端面将交变振动。
和空化现象。
3）超声波通过不同介质时，产生波的反射和折射
现象。
4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振 现象。
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图7-1中，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。 在杆内存在周期相同、振幅
相同、方向相反的两个波，
产生干涉。 图中x为弹性杆件任意点b距 超声波入射端的距离。
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（四）工具
超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具， 工具端面推动磨粒和工作液以一定的能量撞击 工件。 工具的形状和尺寸由被加工表面的形状和尺寸 决定，它们相差一个“加工间隙”(稍大于平 均的磨粒直径) 工具和振幅扩大棒可做成一个 整体，亦可特工具用焊接或螺纹连接等方法固 定在振幅扩大棒下端。
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为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，应 将弹性杆设计成半波长的整数倍；
固定弹性杆的支持点，应该选在振动过程
中的波节处，不振动。
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二、超声波加工的基本原理
超声波加工是磨粒 在超声振动作用
下的机械撞击和
抛磨作用以及超 声波空化作用的 综合结果，其中 磨粒的撞击作用