第七章_超声加工案例

10-4Hz 次声波
16Hz
16kHz 105kHz 可听声波 超声波
超声波为纵波，可在各种介质中传播 传递速度 c = λ f ，λ-波长， f-频率 不同介质中传播速度不同 c空气=331m/s， c水=1430m/s c铁=5850m/s
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
传递速度（m/s）
硬质合金、淬火钢－－加工精度高；
金刚石－－特殊要求。
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声学部件之间应连接紧密
螺纹连接处：涂凡士林油
支撑点应选在“驻波节点”处Fra bibliotek三、机床
1－工作台； 2－工具；
3－变幅杆；
4－换能器； 5－标尺；
6－导轨；
7－支架； 8－平衡重锤
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四、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
空化现象
高频上下运动： f ＞16kHz
形成真空，产 生气泡
空泡闭合，形 成压力
超声波的特性（3）
（3） 通过不同介质时，波速突变
折射现象、反射现象 介质的波阻抗ρc 之差越大，反射率越大 在声学部件连接面间加入凡士林或机油
固体(液体) 空气
反射率≈100%
超声波的特性（4）
（4）在一定条件下，产生干涉和共振现象
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2. 变幅杆（振幅扩大棒）
• 变幅杆：上粗下细的棒杆将振幅加以扩大 • 作用：放大振幅 • 振幅放大原理
• 振幅
1 J c 2 2J A k
A
2
变幅杆的形式
(5~10倍)
(10~20倍)
(＞20倍)
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：取决于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；
（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，由孔内抽吸。
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第三节 超声加工速度、精度、表面质量 及其影响因素
波节M点处：不振动
二、 超声加工的基本原理
• 加工原理
– 冲击(为主) – 抛磨 – 空化作用 • 工作液进入裂缝 • 加快磨料更新速度 • 有助于排屑
1-工具 2-工件 3-磨料悬浮液 4、5-变幅杆 6-超声换能器 7-超声发生器
三、 超声加工的特点
1.适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金 属材料 2.加工质量高，尺寸精度0.01~0.02mm， Ra0.63~0.08μm，无残余应力 3.宏观切削力小，切削热小，适合加工薄壁、窄 缝、低刚度件 4.可加工复杂型面及型腔 5.加工效率低（导电的硬质金属材料） 6.工具有损耗
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。
• 一、加工速度极其影响因素
– 工具的振幅和频率
– 进给压力 – 磨料的种类和粒度 – 磨料悬浮液的浓度 – 被加工材料
• 1.工具的振幅和频率的影响
– 振幅A ↑→冲击力↑ →加工速度↑ • 过大→内应力↑ →工具寿命↓ – 频率f ↑→冲击次数↑ →加工速度↑ • 过大→能量损失↑ →加工速度↓ – 一般：A=0.01～0.1mm，f =16~25kHz
• 2.进给压力的影响
– 过小→工作间隙↑→冲击力↓→加工速度↓
– 过大→磨料被挤出来 →加工速度↓
• 3.磨料的种类和粒度的影响
– 硬度↑ →加工速度↑
– 粒度过小→能量损失↑ →加工速度↓
→更新速度↓ →加工速度↓ – 粒度过大→同时参与磨粒数↓→加工速度↓
• 4.磨料悬浮液的浓度的影响
第二节 超声加工设备及其组成部分
1.超声波发生器 2.超声振动系统 – 超声换能器 – 变幅杆 – 工具 3.机床本体
5
6
4 3
2 1 7
1--工作台 2—工具 3--变幅杆 4--换能器 5--导轨 6--支架 7--平衡重锤
4.磨料悬浮液循环系统 和换能器冷却系统
一、 超声波发生器
作用：将工频交流电转变为有一定功率输出的超声 频电振荡。 要求：输出的功率和频率在一定范围内连续可调。 震荡器 信号放大器 功率放大器
第七章 超声加工
• 第一节 超声加工的基本原理和特点
• 第二节 超声加工设备及其组成部分
• 第三节 超声加工速度、精度、表面质量
及其影响因素
• 第四节 超声波的应用技术
第一节 超声加工的基本原理和特点
• 一、超声波及其特性
• 二、超声加工的基本原理
• 三、超声加工的特点
一、超声波及其特性
超声波的频率范围
电 源
超声发生器的组成方框图
二、声学部件
作用：将超声波发生器输出的高频率电振荡转变为机械 振动，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（利用压电效应制成） 磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应制成 ）
距入射端距离为x的b点处：
入射波
反射波
合成波 a合 a入 a反 2 A cos 2x sin 2 T
共振的条件： M A B
超声波在固体弹性杆内 各质点的振动情况
t x a入 A sin 2 ( ) T t x a反 A sin 2 ( ) T
杆长为半波长的整数倍，L= kλ/2
超声波的特性（1）
（1）可传递很强的能量
传播的能量密度
垂直于波的传播方向单位面积上的能量
J=ρc (ωA) /2
ω=2πf A—振幅 (rad/s) （mm）
2
ρ —介质的密度 固体、液体的ρ和c大→ J大
超声波的特性（2）
（2）在液体介质中传播时，在界面上产生 液压冲击
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（1）压电效应换能器
石英晶体、钛酸钡（ BaTiO3 ）陶瓷、锆钛酸铅
（ ZrPbTiO3 ）压电陶瓷等物质受外力变形时，在界面 上产生电势；或者相反的情况 。
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（2）磁致伸缩效应换能器
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。
较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率。