超声波在加工方面的应用

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THE END
超声波技术及其应用
汇报人：杨永喜
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陶瓷和硅板等低导电性的硬脆材
料,·这些材料一般不能用于EDM加 工。后来,力传感器和计算机数控 伺服机构被应用于加工工具,使超 声波加工中的加工压力变得稳定可
控。
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一、超声波加工发展历史
我国超声波加工的研究始
于50年代末,曾经掀起过一 阵群众性的“超声热”,由 于当时超声波发生器、换
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二、超声波加工的基本原理和特点
1.超声波加工原理
与此同时,悬浮工作液受工具端部的超声振动作用而产生 液压冲击和空化作用。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,促使工作液钻入被加工工件表面 材料的微裂纹处。当工具端面以很大的加速度接近工件表面 时,空腔闭合,引起极强的液压冲击波,加速了磨料对工件表面 的破碎作用。随着磨料悬浮液不断地循环,磨粒的不断更新,加 工下来的碎屑不断被排除。综上所述,在游离磨料的冲击、抛 磨和磨料悬浮液的空化腐蚀的综合作用下,最终在工件上加工 出与工具几何形状相对应的型腔。
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三、光学玻璃的超声波精密加工
2.传统加工工艺存在的问题
3)切削的精密问题 由于精密测量的要求,
一对玻璃基板要求镀膜面 重合度高, 误差不超过丝 米级。如采用传统的研抛 工艺, 不但周期长, 成本 高, 而且镀膜面的加工精 度很难保证。
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三、光学玻璃的超声波精密加工
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二、超声波加工的基本原理和特点
1.超声波加工原理
加工时,由超声波发生器产生16~20kHz的高频电振动信 号,经换能器转换为机械振动,此机械振动的振幅较小,约为 0.005~0.01mm,不能直接用于超声加工。需通过变幅杆(又称 为聚能器)将其放大到约0.01一0.1mm,再传给工具。工具一 般通过焊接连接在变幅杆的下端,在工具顶端和工件之间充满 着液体(水或煤油)与磨料(碳化硅或碳化硼)混合的磨料悬浮液。 工具以一定的压力作用在工件上,工作液中悬浮的磨料颗粒在 工具的超声振动下,以很高的速度不断冲击抛磨被加工工件表 面。磨料打击工件表面的加速度可达重力加速度的104倍,因 而在被加工的表面上造成很大的局部单位面积压力,使工件局 部材料发生变形;当达到其强度极限时,材料将发生破坏,被粉 碎成特别细的微粒,并被循环的磨料悬浮液带走。
能器、声振系统很不成熟, 缺乏合理的组织和持续的
研究工作,很快就冷了下来。 60年代末,哈尔滨工业大学 应用超声车削,加工了一批 飞机上的铝制细长轴,取得 了良好的切削效果。
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一、超声波加工发展历史
1976年以后,我国再次开展 超声试验研究和理论探讨 工作。在1993年为止,我国 已发表了300多篇有关超声 加工方面的科学研究论文。 可以相信,随着超声加工设 备的不断完善和理论研究 的不断深入,它必将在我国 技术进步和社会主义现代 化建设中起到重要的作用。
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一、超声波加工发展历史
自80年代以后,新的合成材料和陶 瓷材料进展很快,促进了超声波加 工技术的发展。当电火花加
（EDM)出现后,它代替了超声波加 工硬的钢铁,效率更高,应用到许多 场合中。80年代中期,随着电火花 线切割的成功进展,减少了超声波 加工硬质合金的市场,超声波加工 的主要应用转变为切割玻璃、石英、
学院：机电工程学院 学号：15S008154 姓名：杨永喜
2020/2/7
超声波技术及其应用
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主要汇报内容 国内外超声波加工发展历史 超声波加工的基本原理和特点 光学玻璃的超声波精密加工
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一、超声波加工发展历史
1927年，美国物理学家伍 德和卢米斯最早作了超声加工 试验，利用强烈的超声振动对 玻璃板进行雕刻和快速钻孔， 但当时并未应用在工业上； 1951年，美国的科恩制成第一 台实用的超声加工机。
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三、光学玻璃的超声波精密加工
2.传统加工工艺存在的问题
2)切槽的崩边问题 由于玻璃的硬脆特性,
加工过程中的崩边无法避 免。但玻璃基板边缘的崩 边现象直接影响工件后续 镀膜的平整度,从而影响到 成品测量的精度。因此,需 要将崩边控制到最小程度。 加工过程中如不注意,崩边 现象明显,将导致玻璃基板 报废。
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二、超声波加工的基本原理和特点
声波加工方法是近40年来 逐步发展的一种新型加工方法, 它不仅能加工硬质合金、淬火 钢等硬脆金属材料,而且更适合 于半导体和不导电的非金属硬 脆材料(如半导体硅片、锗片以 及陶瓷、玻璃等)的精密加工和 成形加工。在难加工材料和精 密加工中,超声波加工方法具有 普通加工无法比拟的工艺效果, 具有广泛的应用范围。
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二、超声波加工的基本原理和特点
2.超声波加工的特点
较复杂的相对运动,因此,超声波加工可加工出各种复杂的型腔 和型面。这也决定了超声波加工机床结构比较简单,操作维修 也比较方便。
③、工件在加工过程中受力小,加工精度高。由于加工过程中 去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用,工件表面的 宏观切削力很小,切削应力、切削热小,不会产生变形及烧伤, 表 面 粗 糙 度 也 较 低 ,Ra 可 达 0.63 一 0.08µm, 尺 寸 精 度 可 达 0.01~0.02mm;也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。 ④、与电解加工、电火花加工等加工方法相比,超声波加工的 效率低,随着加工深度的增加材料去除率下降;而且加工过程中 工具的磨损较大。可与其他传统或特种加工结合应用,如超声 振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。
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三、光学玻璃Leabharlann 超声波精密加工1.光学玻璃及其特点
随着现代科学技术的发展, 光学玻璃以其具有的耐高温、膨 胀系数低、机械强度高、化学性 能好等特点, 被广泛应用于航空 航天、信息、微电子及测绘等诸 多现代高技术行业。但由于光学 玻璃硬度高、强度大、质地脆, 使得传统的切削加工方法难以胜 任制造任务, 所以对这些材料的 精密和超精密加工已成为先进制 造技术领域的一个重要研究方向。
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一、超声波加工发展历史
20世纪70年代之前超声波 加工工具主要是与磁致伸
缩换能器配套使用，从1970 年开始,随着压电材料用于 超声波换能器,超声波加工 技术有了很大进展。压电
换能器使振动振幅能精确
控制,电声转换效率高达 96%,对于硬脆材料的精加 工,如钻孔,超声波加工工具 可以加工0.0125mm的小孔。
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一、超声波加工发展历史
二十世纪50年代中期，日 本、苏联将超声加工与电加工 (如电火花加工和电解加工等)、 切削加工结合起来，开辟了复 合加工的领域。这种复合加工 的方法能改善电加工或金属切 削加工的条件，提高加工效率 和质量。
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一、超声波加工发展历史
1964年，英国又提出使用 烧结或电镀金刚石工具的超声 旋转加工的方法，克服了一般 超声加工深孔时，加工速度低 和精度差的缺点。
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三、光学玻璃的超声波精密加工
2.传统加工工艺存在的问题
1)钻孔的精美问题 在光学件制造中,多采用的是
钻头打孔方式。在打孔过程中,常 出现锥形、中心偏、爆边和破片等 问题。这类打孔方式,对于精度要 求不高的孔可满足加工要求,但对 高精度、轴心位置误差要求高的孔, 传统加工方式通常不能满足要求。 同时由于传统打孔方式由工人师傅 操作，钻孔质量还依赖于操作人员 的熟练程度。
3.实验结果
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三、光学玻璃的超声波精密加工
3.实验结果
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3.实验结果
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三、光学玻璃的超声波精密加工
4.实验结论
采用超声波加工,不仅可以解决光学玻璃精密切削 的要求，而且有效解决了打孔、切槽的加工难题！
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二、超声波加工的基本原理和特点
1.超声波加工原理
超声波加工是利用工具 端面做超声频振动,通过磨 料悬浮液加工脆性材料的一 种成形加工方法，加工原理 如图所示。加工中自由磨粒 对工件的冲击对材料去除起 主要作用,通过高频振动工 具的顶端把能量传递到磨料 悬浮液,使磨粒不断冲击工 件,去除小的碎片。
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二、超声波加工的基本原理和特点
3.旋转超声波加工及其特点
旋转超声波加工(RUM)是在传统超声波加工的基础上发 展起来的, 它与传统超声波加工不同之处在于:工具在作超声 振动的同时附加了旋转运动;工具由金属粉末和人造金刚石或 方氮化硼磨料按一定比例烧结而成;将冷却水而不是磨料悬浮 液输入到工具和工件表面之间。这种加工方法把金刚石工具 的优良切削性能和工具的超声频振动结合在一起, 与传统超声 波加工相比, 具有以下优点:(1)加工速度快;(2)加工精度高;(3) 工具磨损小;(4)对加工材料的适应性广。
杨永喜20161126超声波技术及其应用主要汇报内容国内外超声波加工发展历史超声波加工的基本原理和特点光学玻璃的超声波精密加工超声波技术及其应用一超声波加工发展历史1927年美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔但当时并未应用在工业上
超声波加工原理及其在光学玻璃加工方面的应用
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二、超声波加工的基本原理和特点
1.超声波加工原理
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二、超声波加工的基本原理和特点
2.超声波加工的特点
由上述超声波加工的原理和过程可以看出,超声波加工方 法具有以下特点: ①、适于加工各种硬脆材料,尤其是玻璃、陶瓷、人造宝石、 石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料;也可加工淬火钢、 硬质合金、不锈钢、软合金等硬质或耐热导电的金属材料,但 加工效率较低。被加工材料的脆性越大越容易加工,材料越硬 或强度、韧性越大则越难加工。 ②、可以加工复杂型腔及型面。由于工件材料的去除主要靠 磨料的作用,磨料的硬度应比被加工材料的硬度高,而工具的硬 度可以低于工件材料,工具材料一般选用韧性材料(如45钢、 65Mn、40Cr)、做成较复杂的形状,且不需要工具与工件作比