第七章超声加工PPT课件

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 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。
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 时，应对扩大棒进行修正，使其满足半个波长 的共振条件。
超声波振动系统所有的连接部分应接触紧密，否 则超声波传递过程中将损失很大能量。为此在 螺纹连接处应涂以凡士林油，避免空气间隙的 存在，因为超声波通过空气时很快衰减。
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 效应。
（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。
（二、）磁致伸缩效应超声波换能器基于磁致 伸缩效应工作声波加工是磨粒 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 是主要的。
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。
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。
（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。
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。
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， 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。
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 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。
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。
（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。
现象。
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。
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。
三、机床本体
普通超声波加工机床 的结构比较简单， 包括支撑超声波振 动系统的机架、安 装工件的工作台、 使工具以一定压力 作用在工件上的进 给机构以及机身等 部分。
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
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
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
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。
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。
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。
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。
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。