第七章 超声加工

第7章超声加工

7.1超声加工的基本原理和特点一、超声波及其特性 超声波的频率范围超声波16kHz16Hz次声波可听声波0

100020003000400050006000

传递速度（m/s）超声波为纵波，可在各种介质中传播传递速度c=λf

，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)2/2ω=2πf(rad/s)A—振幅（mm）ρ—介质的密度固体、液体的ρ和c大→J大在液体介质中传播时，在界面上产生液压冲击空化现象形成真空，产生气泡空泡闭合，形成压力高频上下运动：f

＞16kHz

通过不同介质时，波速突变折射反射介质的波阻抗ρc之差越大，反射率越大连接面间加入凡士林或机油固体(液体)空气反射率≈100%

在一定条件下，产生干涉和共振现象距入射端距离为x的b点处：入射波反射波合成波共振的条件：杆长为半波长的整数倍，L=kλ/2波节M点处：不振动ABM二、超声加工的基本原理加工原理冲击(为主)抛磨磨料冲击工件表面空化作用工作液进入裂缝加快磨料更新速度有助于排屑三、超声加工的特点适合加工各种硬脆材料加工质量高，尺寸精度0.01~0.02mm，Ra0.63~0.08μm，无残余应力宏观切削力小，切削热小，适合加工薄壁、窄缝、低刚度件可加工复杂型面及型腔加工效率低工具有损耗7.2超声加工设备及其组成部分超声波发生器超声振动系统超声换能器变幅杆工具机床本体辅助系统磨料悬浮液循环系统换能器冷却系统1--工作台

2--上具

3--变幅杆

4--换能器

5--导轨

6--支架

7--平衡重锤

1235467超声波发生器功率放大器信号放大器震荡器电源作用：产生超声频率的电流换能器超声振动系统

超声换能器作用高频电振荡→机械能换能器长度=kλ/2种类压电效应式磁致伸缩式压电效应式石英晶体、钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(ZrPbTiO3)伸缩量小(石英晶体：3kV时，0.01μm)用于小功率超声加工磁致伸缩式铁磁体(Fe、Co、Ni)、铁氧体有高频涡流损失→片状叠加“双频现象”

交流正弦波→脉动直流励磁电流变幅杆作用：放大振幅振幅放大原理J=ρc(ωA)2/2振幅A=(2J/K)1/2其中，K=ρcω2S1S2J1×S1=J2×S2A=0.005~0.01mm→

A=0.01~0.1mm变幅杆的形式(5~10倍)(10~20倍)(＞20倍)加工工具

工具材料：45＃钢等韧性材料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－平衡重锤超声加工机床

加工压力调节：声部的自重-平衡重调压机构：杠杆、弹簧、气动、电磁铁7.3超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素影响加工速度的因素

工具的振幅和频率进给压力磨料的硬度和粒度磨料悬浮液的浓度工件和工具材料

超声加工精度和表面质量孔加工范围Φ0.1~90mm，深径比＞20孔加工精度0.05~0.02mm表面粗糙度Ra1~0.08µm7.4超声波的应用技术超声切割加工型孔、型腔加工超声振动切削超声清洗超声波测距超声波探伤超声雾化1超声切割加工2型孔、型腔加工在超声波加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时加工速度低，工具损耗大，为了提高加工速度和降低工具损耗，采用超声波、电解加工或电火花加工相结合来加工喷油嘴、喷丝板上的孔或窄缝，这样可大大提高生产率和质量。在切削加工中引入超声波振动即超声振动切削（例如对耐热钢、不锈钢等硬韧材料进行车削、钻孔、攻螺纹时），经过几十年的发展，已经日趋成熟，作为一种精密加工和难切削材料加工中的新技术，可以降低切削力，降低表面粗糙度值、延长刀具使用寿命及提高生产率等。目前，在国内应用较多的主要有：超声振动车削、超声振动磨削、超声振动加工深孔、小孔和攻丝、铰孔等。（1）

超声振动车削3超声波复合加工（2）超声波复合振动研磨（3）超声电解复合抛光（4）超声电解复合加工（5）超声波焊接超声波焊接就是利用超声振动作用去除工件表面的氧化膜，使工件露出本体表面，使两个被焊工件表面在高速振动撞击下摩擦发热并亲和粘在一起。它可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化膜的铝制品，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银，从而改善这些材料的可焊性。（6）超声波清洗7.无损检测

利用超声波定向发射、反射、穿透大多数材料特性，在测距、控制、监测及材料测量方面进行无损检测。探测金属内部缺陷例如：探测材料内部和表面缺陷，评价物理、力学性质，锅炉、压力容器制造、运行中的检测。

5、超声波在生活中的应用超声波除尘只要在烟囱里装一个超声波除尘器，不消片刻，烟囱就冒着干净的白烟了。超声波除尘装置超声波促进植物生长种子发芽需要水分、氧气和一定的温度。种子外面裹着一层严严实实的种皮，它虽然能保护种子不受伤害，但是它的透水性和透气性都不好，是种子“喝”不到足够的水分，“呼吸”也特别微弱，就像睡着了。因此，有了合适的条件也不易发芽。超声波促进植物生长当超声波射到浸泡在水里的种子时，激烈的超声振动会对种子产生一种类似摩擦的作用，因而使得种皮的透水性和透气性大大增强，并能使种子得到一定温度。这样种子吸着水“发胖”，呼吸也加快了，种子就能提早发芽。同时超声波还能促使种子内贮存的淀粉、脂肪和蛋白质更好的溶解于水，变成易被种胚吸收的养料，苗儿就使劲的长个儿。此外，超声波还具有杀菌作用，能杀死潜伏在种子身上的某些病菌和虫卵。超声波侦察海底超声波在水中能过按着一定的方向直线前进，它能传到几公里、几十公里，甚至几百公里以外。而且，它又能形成射束，聚成很狭的一束，向一个方向传播。当它中途遇到障碍物时，又会有一部分能量按原方向反射回来。因此，当接收到回声讯号，经过放大送到显示器，就可以立刻显示出目标的距离和方位了。超声波诊断疾病

医生会把发射超声波的探头放在病人体表的适当位置，让超声波在人体里面传播。当那个器官的了病，反射的回升讯号与正常的情况不一样，医生就可以诊断那部分脏器有了病变和分析病变的性质。比如像肿瘤、脑瘤