第七章 超声加工

1、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,超声波为纵波，可在各种介质中传播 传递速度 c = f ，-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=c (A)2/2 =2f (rad/s) A振幅 （mm） 介质的密度 固体、液体的和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,通过不同介质时，波速突变 折射 反射 介质的波阻抗c 之差越大，反射率越大 连接面间加入凡士林或机油,在一定条件

2、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= k/2 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 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0.010.02mm，Ra0.630.08m，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

3、 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,超声波发生器,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= k/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，0.01m) 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=c (A)2/2 振幅 A= (2J

4、/K)1/2 其中 ，K= c2,J1S1 = J2 S2,A= 0.0050.01mm A= 0.010.1mm,变幅杆的形式,(510倍) (1020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

5、工件和工具材料,超声加工精度和表面质量,孔加工范围 0.190mm，深径比20 孔加工精度 0.050.02mm 表面粗糙度 Ra 10. 08m,7.4 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

6、），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

7、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

8、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、肝硬化、胃下垂、结石等等。 此