【技术】功率超声振动加工技术教材

【关键字】技术

南通大学

功率超声振动加工技术

院系：

专业：自动化

班级：

学号：

姓名：李芸

关键词：

振动加工、换能器发生机理、熔焊、功率超声车削、珩磨技术

引言：

超声加工（ultrasonic machining），起源于20世纪50年代初期，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方法。超声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。在难加工材料和精密加工中，功率超声加工技术具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用范围。由于功率超声加工技术具有许多优点，与其他加工技术相比较，常常能大幅度提高加工速度、提高加工质量和完成一般加工方法难以完成的加工工作。因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应用。

正文：

一、超声加工的基本原理

超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．，再经变幅杆缩小至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工。

由超声发生器产生的高频电振荡（频率一般为16～25千赫，焊接频率可更高）施加于超声换能器上（见图），将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆缩小振幅（双振幅为20～80微米），并驱动以一定静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，为循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，加工出与工具相应的形状。

二、特点

①不受材料是否导电的限制。

②工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件。

③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。

④由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的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。

⑤可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加

工等。

超声加工主要用于各种硬脆材料,如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔（包括圆孔、异形孔和弯曲孔等）、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、表面和等方面。超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的尺寸精度可达0.02～0.05毫米。在采用W40磨料加工玻璃时可达Rα1.25～0.63微米，加工时可达Rα0.63～0.32微米。

⑥切削力大及温度幅度降低，工件寿命大幅度提高。

⑦大大节省能源，简化机床结构。

⑧提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性。

三、超音波的熔焊应用方法

一、熔接法：

以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生磨擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。

二、铆焊法：

将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成为铆钉形状，使不同材质的材料机械铆合在一起。

三、埋植：

藉着焊头之传道及适当之压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留入塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。

四、成型：

本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压着于塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶溶融成形而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。

五、点焊：

A、将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。

B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。

六、切割封口：运用超音波瞬间发振工作原理，对化纤织物进行切割，其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

四、功率超声振动加工技术的应用

1.功率超生清洗

换能器将功率超声频电源所提供的电能转变为功率超声频机械振动，并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射声波。由于功率超声的空化作用，浸在液体中的零部件表面的污物迅速被除去。

2.功率超声金属焊接

换能器将功率超声频电源提供的电能转换为纵向功率超声振动，通过变幅杆将位移振幅缩小传给焊头（又叫上声极或臂刀），由焊头将功率超生能量传至焊区。加压装置提供焊接时所需要的接触压力。

3.功率超声塑料焊接

功率超声频电源提供电能给功率超声换能器，换能器将电能转换为功率超声振动而传至变幅杆，变幅杆将位移振幅变换（缩小或缩小）后传至工具头，然后通过上焊件送到焊区。

4.功率超生车削

功率超声车削是在传统的车削过程中给刀具施加功率超声震动而形成的一种新的加工方法。以纵向振动功率超生车削为例，换能器将功率超声频电源提供的电能转换为功率超声振动，经变幅杆缩小后传递给车刀。

5.功率超声孔加工和磨削加工

①功率超声钻孔：纵向震动功率超声钻孔装置可以安装在卧式车床上，也可以安装在立式钻床上，但后者要求振动系统能够旋转。试验表明，用纵向振动功率超声钻孔时，轴向力和扭矩都比普通钻削有大幅度下降，降低了表面粗糙度，提高了加工精度，提高了钻孔的同轴度或垂直度。

②功率超生镗孔：试验表明，利用扭转振动在车床上进行功率超声镗孔，切削温度低，积屑瘤和鳞刺消失，刀具磨损小，能消除镗削的自激振动，过程稳定，提高了加工精度。

6.功率超声光整加工

以功率超声纵向震动系统为例，其由换能器、变幅杆、弯曲震动圆盘、挠性杆—油石座和油石组成。换能器将功率超声频电源提供的电能转变为功率超声纵向振动，经变幅杆缩小后传给弯曲振动圆盘、挠性杆再将弯曲振动圆盘的弯曲振动转变为纵向振动后传给油石座，油石座带动与其连接在一起的油石进行纵向振动，同时油石与直线往复运动叠加在一起进行功率超声珩磨加工。

五、发展趋势

超声机械

随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。

1、研制和采用新的材料

在现代制造业中，、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。

2、研制和采用高效的振动切削系统

现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，为0.01～0.06 mm。