超声波加工[共31页]

1、机械制造基础机械制造基础第第10章章 频率超过频率超过16000Hz的声波称为超声波的声波称为超声波 超声波加工的机理超声波加工的机理 超声波是超声波是 由压电晶由压电晶 片片（如石（如石 英、钛酸英、钛酸 钡等）钡等）的的 逆压电效逆压电效 应产生的应产生的 超声波的特性超声波的特性 超声波能传递很强的能量超声波能传递很强的能量 当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频 率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形 成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩， 由此产生压力正、

2、负交变的由此产生压力正、负交变的液压冲击液压冲击和和空化现空化现 象象，从而引起固体物质，从而引起固体物质分散、破碎等效应分散、破碎等效应 通过不同介质时，在界面上发生波速通过不同介质时，在界面上发生波速 突变，产生突变，产生波的反射波的反射和和折射折射现象现象 在一定条件下，会产生在一定条件下，会产生波的干涉波的干涉和和共振共振现象现象 利用超声波的特性进行加工的工艺称为超声加工利用超声波的特性进行加工的工艺称为超声加工 超声加工是利用工具端面作超声振动，超声加工是利用工具端面作超声振动， 通过磨料悬浮液加工脆硬材料的通过磨料悬浮液加工脆硬材料的 超声加工是磨粒在超声振动作用下的机超声加工是

3、磨粒在超声振动作用下的机 械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的 综合结果，磨粒的撞击作用是主要的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的 超声加工是基于局部撞击作用，因此越超声加工是基于局部撞击作用，因此越 是脆硬的材料，越易进行超声加工。而是脆硬的材料，越易进行超声加工。而 选择工具材料时则应使之既能撞击磨拉，选择工具材料时则应使之既能撞击磨拉， 又不致使自身受到破坏又不致使自身受到破坏 超声加工原理图超声加工原理图 加工精度高、表面粗糙度小、加工质量好加工精度高、表面粗糙度小、加工质量好 工具和工件无需复杂的相对运动，工具和工件无需复杂的相对运动， 超声加工机床结构

4、简单超声加工机床结构简单 工件表面宏观切削力很小，切削应力、工件表面宏观切削力很小，切削应力、 切削热很小，不会引起变形和烧伤切削热很小，不会引起变形和烧伤 适合加工各种硬脆材料，适合加工各种硬脆材料， 特别是不导电的非金属材料特别是不导电的非金属材料 超声波加工的特点超声波加工的特点 工具可用软材料工具可用软材料 超声加工设备包超声加工设备包 括超声发生器、括超声发生器、 超声振动系统、超声振动系统、 机床本体和磨料机床本体和磨料 工作液循环系统工作液循环系统 CSJ-2型型 超声加工机床超声加工机床 作用是将工频交流电转变为有作用是将工频交流电转变为有 一定功率输出的超声频电振荡，一定功率

5、输出的超声频电振荡， 以提供工具端面往复振动和去以提供工具端面往复振动和去 除被加工材料的能量除被加工材料的能量 基本要求：输出功率和频率在一基本要求：输出功率和频率在一 定范围内连续可调，最好能具有定范围内连续可调，最好能具有 对共振频率自动跟踪和自动微调对共振频率自动跟踪和自动微调 的功能；还要求结构简单、工作的功能；还要求结构简单、工作 可靠、价格便宜、体积小等可靠、价格便宜、体积小等 有电子管式、晶体管式有电子管式、晶体管式 将高频电能转变将高频电能转变 为机械能，使工为机械能，使工 具端面作高频率具端面作高频率 小振幅的振动以小振幅的振动以 进行加工进行加工 压电陶瓷换能器压电陶瓷换

6、能器 磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器 镍棒长度应等于镍棒长度应等于 超声波半波长或其超声波半波长或其 整数倍，使之处于整数倍，使之处于 共振状态共振状态（20kHz 的换能器，其长度 为125mm） 几种变幅杆几种变幅杆 声学头的固定声学头的固定 选择振幅为零的波节点选择振幅为零的波节点 磨料可以靠人工输送磨料可以靠人工输送 和更换，也可利用小和更换，也可利用小 型离心泵注入型离心泵注入 工作液常用的是水；工作液常用的是水； 为了提高表面质量，为了提高表面质量， 有时也用煤油或机油有时也用煤油或机油 磨料常用碳化硼、磨料常用碳化硼、 碳化硅或氧化铝等碳化硅或氧化铝等 .加工速度及其影响因素 加工

7、速度指单位时间内去除材料的多少，加工速度指单位时间内去除材料的多少， 以以mmmm3 3/min/min或或g/ming/min为单位来表示。为单位来表示。 影响加工速度的因素主要有工具的振幅影响加工速度的因素主要有工具的振幅 和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、 被加工材料、磨料悬浮液的浓度。被加工材料、磨料悬浮液的浓度。 超声波加工的工艺规律超声波加工的工艺规律 （）工具振幅和频率的影响 过大的振幅和过高的频率会使工具和变过大的振幅和过高的频率会使工具和变 幅杆承受很大的内应力，振幅一般在幅杆承受很大的内应力，振幅一般在 0.010.010.1mm0.1

8、mm之间，频率在之间，频率在1600016000 25000Hz25000Hz之间。之间。 在实际加工中需根据不同工具调至共振在实际加工中需根据不同工具调至共振 频率，以获得最大振幅，从而达到较高频率，以获得最大振幅，从而达到较高 的加工速度。的加工速度。 （）进给压力的影响 加工时工具对工件应有一个适当的进给加工时工具对工件应有一个适当的进给 压力。压力。 压力过小时，工具端面与工件加工表面压力过小时，工具端面与工件加工表面 间的间隙增大，从而减少了磨料对工件间的间隙增大，从而减少了磨料对工件 的锤击力；的锤击力； 压力增大，间隙减少，当间隙减少到一压力增大，间隙减少，当间隙减少到一 定程度

9、则会降低磨料与工作液的循环更定程度则会降低磨料与工作液的循环更 新速度，从而降低生产率。新速度，从而降低生产率。 （）磨料种类和粒度的影响 加工时针对不同强度的工件材料可选择加工时针对不同强度的工件材料可选择 不同的磨料。不同的磨料。 磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考 虑价格成本。虑价格成本。 加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选 用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应 选用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、锗选用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、锗 等半导体材料，选用氧化铝磨料。等半导体材料，选用氧化铝磨料

10、。 （）被加工材料的影响 被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的 能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧 性愈好，愈不易加工。性愈好，愈不易加工。 （）磨料悬浮液浓度的影响 磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒 少，特别是在加工面积大、深度较大时少，特别是在加工面积大、深度较大时 可能造成加工区局部没有磨料，使加工可能造成加工区局部没有磨料，使加工 速度大大降低。速度大大降低。 磨料浓度的增加，加工速度也增加，但磨料浓度的增加，加工速度也增加，但 浓度太高，磨粒在加工区域内的循环运浓度太高，磨粒在加工区

11、域内的循环运 动和对工件的撞击运动受到影响，又会动和对工件的撞击运动受到影响，又会 导致加工速度降低。导致加工速度降低。 .加工精度及其影响因素 超声波的加工精度，除了机床、夹具精超声波的加工精度，除了机床、夹具精 度影响外，主要与磨料粒度、工具精度度影响外，主要与磨料粒度、工具精度 及其磨损情况、工具横向振动大小、加及其磨损情况、工具横向振动大小、加 工深度、被加工材料性质有关。工深度、被加工材料性质有关。 .表面质量的影响 超声波加工具有良好的表面质量，不会超声波加工具有良好的表面质量，不会 产生表面变质层和烧伤，其表面粗糙度产生表面变质层和烧伤，其表面粗糙度 主要与磨粒尺寸、超声波振幅大

12、小和工主要与磨粒尺寸、超声波振幅大小和工 件材料硬度有关。件材料硬度有关。 磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材 料越硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会料越硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会 得到明显改善，因为表面粗糙度值主要得到明显改善，因为表面粗糙度值主要 取决于每颗磨粒每次锤打工件材料所留取决于每颗磨粒每次锤打工件材料所留 下的凹痕的大小和深浅。下的凹痕的大小和深浅。 主要用于对脆硬材料加工圆孔、主要用于对脆硬材料加工圆孔、 型孔、型腔、套料、微细孔等型孔、型腔、套料、微细孔等 加工圆孔、加工圆孔、 加工型腔加工型腔 加工异形孔、套料加工、加工微细孔加工异形孔、套

13、料加工、加工微细孔 用普通机械加工切割脆硬用普通机械加工切割脆硬 的半导体材料很困难，采的半导体材料很困难，采 用超声切割较为有效用超声切割较为有效 超声切割超声切割 单晶硅片单晶硅片 成批切槽刀具成批切槽刀具 切割成的切割成的 陶瓷模块陶瓷模块 用超声加工与其它加工方法用超声加工与其它加工方法 相结合进行复合加工，以提相结合进行复合加工，以提 高加工速度和表面质量高加工速度和表面质量 超声电解复超声电解复 合加工小孔合加工小孔 手携式电解超声手携式电解超声 复合抛光原理图复合抛光原理图 超声振动超声振动 切削加工切削加工 超声波切割金刚石超声波切割金刚石 利用高频振动产生的撞击能量，利用高频振动产生的撞击能量， 去除工件表面的氧化膜杂质，去除工件表面的氧化膜杂质， 露出新鲜的本体，在两个被焊露出新鲜的本体，在两个被焊 工件表面分子的撞击下，亲和、工件表面分子的撞击下，亲和、 熔化并粘接在一起熔化并粘接在一起 可以焊尼龙、塑料制品，特别是表面可以焊尼龙、塑料制品，特别是表面 易产生氧化层的难焊接金属材料，如易产生氧化层的难焊接金属材料，如 铝制品等；此外，利用超声波化学镀铝制品等；此外，利用超声波化学镀 工艺还可以在陶瓷等金属表面挂锡、工艺还可以在