超聲波加工培訓(xùn)教學(xué)ppt

1、電火花加工和電解加工都只能加工金屬 導(dǎo)電材料，無(wú)法加工不導(dǎo)電的非金屬材 料，而超聲波加工不僅能加工硬質(zhì)合金、 淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合加 工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體等不導(dǎo)電的非金 屬脆硬材料，同時(shí)還可以用于清洗、探 傷等。 一、超聲波特性 1、能傳遞很強(qiáng)的能量，對(duì)其傳播 方向上的障礙物施加壓力，固、液 體中的能量密度要比空氣中的聲波 高千萬(wàn)倍 2、在液體介質(zhì)傳播時(shí)，可在界面 上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象 3、通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，在界面上發(fā) 生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射 現(xiàn)象 4、在一定條件下，會(huì)產(chǎn)生波的干 涉和共振現(xiàn)象 “超聲波”這個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述頻率高 于人耳聽覺(jué)頻率上限的一種振動(dòng)波，通常

2、 是指頻率高于16khz以上的所有頻率。超 聲波的上限頻率范圍主要是取決于發(fā)生器， 實(shí)際用的最高頻率的界限，是在5000mhz 的范圍以內(nèi)。在不同介質(zhì)中的波長(zhǎng)范圍非 常廣闊，例如在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率 為25khz的波長(zhǎng)約為200mm；而頻率為 500mhz的波長(zhǎng)約為0.008mm。 超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì) 中傳播。由于超聲波頻率高、波長(zhǎng)短、能量大，所 以傳播時(shí)反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。 在不同的介質(zhì)中，超聲波傳播的速度c亦不同; 例如c空氣=331ms；c水=1430ms；c鐵 =5850ms。 速度c與波長(zhǎng)和頻率，f 之間的關(guān)系可用下式表示： f c 超聲

3、波具有下列主要性質(zhì)： (1)超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量 超聲波的作用主要是對(duì)其傳播方向的物體施加壓力(聲 壓)。因此，可用這個(gè)壓力的大小表示超聲波的強(qiáng)度，傳 播的波動(dòng)能量越強(qiáng)，則壓力越大。 振動(dòng)能量的強(qiáng)弱，用能量密度來(lái)衡量。能量密度就是 通過(guò)垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號(hào)j 來(lái)表示，單位為wcm2 2 )( 2 1 acj 式中 彈性介質(zhì)的密度(kgm3)； c彈性介質(zhì)中的波速(ms)； a振動(dòng)的振幅(mm)； 圓頻率(rads)，=2f。 二、超聲波加工的原理二、超聲波加工的原理 超聲波加工（ultrasonic machining，usm）是利用工具端面作 超聲頻振動(dòng)，通過(guò)磨料懸

4、浮液加工硬脆材料的一種加工方法 超聲波加工是磨料在超聲波振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用與超 聲波空化作用的綜合結(jié)果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。 加工時(shí)在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工 具頭振動(dòng)方向加上一個(gè)不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電 振蕩通過(guò)換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將振幅放大到 0.010.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫 使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動(dòng)下以很大速度不斷撞擊 拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上 被打擊下來(lái)。雖然每次打擊下來(lái)的材料不多，但由于每秒鐘打擊 16000次以上，所以仍存在一定的

5、加工速度。 與此同時(shí)，懸浮液受工具端部的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的液壓沖擊和 空化現(xiàn)象促使液體鉆入被加工材料的隙裂處，加速了破壞作用，而 液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，使變鈍的磨料及 時(shí)得到更新。 由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達(dá)100wm2以上。超聲波 在液體或 固體中傳播時(shí)，由于介質(zhì)密度和振動(dòng)頻率f 比空氣中傳 播聲波時(shí)高許多倍，因此同一振幅時(shí)，液體、固體中的超聲波強(qiáng)度、 功率、能量密度要比空氣中的聲波高千萬(wàn)倍。 超聲發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌曤娬?蕩 換能器將電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng) 變幅桿將振幅放大至0.050.1mm， 驅(qū)動(dòng)工具作超聲振動(dòng) 工具推動(dòng)磨料高速撞擊、拋磨工件， 擊碎

6、工件表面材料，并使之去除 工作液產(chǎn)生的液壓沖擊波和空化作用 加快了表面材料的裂紋擴(kuò)展和破壞 超聲波加工是機(jī)械撞擊、拋磨、空化 作用的 綜合結(jié)果。 三、超聲波加工的特點(diǎn) 1、加工范圍廣 可加工一些傳統(tǒng)難加工的金屬與非金屬材 料 適合深小孔、薄壁件、細(xì)長(zhǎng)桿等低剛度零 件的加工 適合高精度、低表面粗糙度等精密零件的 精密加工 2、切削力小、切削功率消耗低 由于超聲波加工主要靠瞬時(shí)的局部沖擊作用，故 工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱 更小 3、工件加工精度高、表面粗糙度低 4、易于加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔和成形表 面等。 5、工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀 6、超聲波加工設(shè)備結(jié)構(gòu)一般

7、比較簡(jiǎn)單，操作維修 方便 1、超聲發(fā)生器 作用：將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ?輸出的超聲頻電振蕩 要求：輸出的功率和頻率在一定范圍內(nèi)連 續(xù)可調(diào) 2、聲學(xué)部件 作用：將超聲波發(fā)生器輸出的高頻率電能轉(zhuǎn)變?yōu)?機(jī)械振動(dòng)能，并通過(guò)變幅桿使工具端面作高頻率、 小振幅振動(dòng)以進(jìn)行超聲加工。 組成：換能器、變幅桿和工具 1）換能器 作用：將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振 動(dòng) 分類：壓電式換能器（利用壓電效應(yīng)） 磁致伸縮式換能器（利用磁致伸縮效應(yīng)） 壓電效應(yīng) 石英晶體、鈦酸鋇陶瓷等在外力變形時(shí)， 在界面上產(chǎn)生電勢(shì) 鐵、鈷、鎳及其合金的長(zhǎng)度能隨其所處的 磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而伸縮的現(xiàn)象 2）變幅桿 作用：將換能器獲

8、得的超聲振動(dòng)振幅加以擴(kuò)大， 以達(dá)到加工所需的振幅 分類： 錐形擴(kuò)大比較小 （510倍） 指數(shù)形擴(kuò)大比中等 （1020倍），難制造 階梯形擴(kuò)大比大 （20倍以上），易制造 擴(kuò)大振幅的原因 通過(guò)變幅桿任一截面的振動(dòng)能量不變 截面越小，能量密度越大，振動(dòng)振幅也就 越大 能量密度與振幅的平方成正比 3）工具 作用：推動(dòng)磨料和懸浮液沖擊工件表面，加工出 形狀和尺寸 形狀和尺寸：取決與被加工表面的形狀和尺寸， 它們相差一個(gè)“加工間隙” 材料： 45鋼、碳素工具鋼一般硬脆材料 硬質(zhì)合金、淬火鋼加工精度高 金剛石鍍覆特殊要求 4、磨料工作液及其循環(huán)系統(tǒng) 1）工作液 常用、效果較好水 表面質(zhì)量要求高煤油或機(jī)油

9、2）磨料 碳化硼、碳化硅或氧化鋁 生產(chǎn)率要求高顆粒大 加工精度、表面質(zhì)量要求高顆粒小 3）循環(huán)系統(tǒng) 小型加工設(shè)備人工澆注，定期更換 大型加工設(shè)備流量泵自動(dòng)供給 工具、變幅桿尺寸較大在其中開孔，由孔內(nèi)抽吸 一、超聲波加工工藝參數(shù)（工藝參數(shù)） 1、加工速度及其影響因素 加工速度指單位時(shí)間內(nèi)去除材料的多少， 以mm3/min或g/min為單位來(lái)表示 影響加工速度的因素主要有工具的振幅和 頻率、進(jìn)給壓力、磨料的種類和粒度、被 加工材料、磨料懸浮液的濃度 1）工具振幅和頻率的影響 過(guò)大的振幅和過(guò)高的頻率會(huì)使工具和變幅 桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，振幅一般在 0.010.1mm之間，頻率在 1600025000h

10、z 在實(shí)際加工中需根據(jù)不同工具調(diào)至共振頻 率以獲得最大振幅，從而達(dá)到較高的加工 速度 2）進(jìn)給壓力的影響 加工時(shí)工具對(duì)工件應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給壓 力。 壓力過(guò)小時(shí)，工具端面與工件加工表面間 的間隙增大，從而減少了磨料對(duì)工件的錘 擊力 壓力增大，間隙減少，當(dāng)間隙減少到一定 程度則會(huì)降低磨料與工作液的循環(huán)更新速 度，從而減低生產(chǎn)率。 3）磨粒種類和粒度的影響 加工時(shí)針對(duì)不同強(qiáng)度的工件材料可選擇不 同的磨料 磨料強(qiáng)度愈高，加工速度愈快，但要考慮 價(jià)格成本 加工寶石、金剛石等超硬材料，必須選用 金剛石；加工淬火鋼、硬質(zhì)合金，應(yīng)選碳 化硼。加工玻璃、石英和鍺、硅等半導(dǎo)體 材料，選用氧化鋁磨料。 4）被加工

11、材料的影響 被加工材料愈硬脆，則承受沖擊載荷的能 力愈低，愈易被去除加工，反之，韌性愈 好，愈不易加工 5）磨料懸浮液濃度的影響 磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)的磨粒少， 特別是在加工面積大、深度較大時(shí)可能造 成加工區(qū)局部沒(méi)有磨料，使加工速度大大 降低 磨料濃度的增加，加工速度也增加，但濃 度太高，磨粒在加工區(qū)域內(nèi)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和 對(duì)工件的撞擊運(yùn)動(dòng)受到影響，又會(huì)導(dǎo)致加 工速度降低。 2、加工精度及其影響因素 超聲波的加工精度，除了機(jī)床、夾具精度 影響外，主要與磨粒粒度、工具精度及其 磨損情況、工具橫向振動(dòng)大小、加工深度、 被加工材料性質(zhì)有關(guān)。 3、表面質(zhì)量的影響 超聲波加工具有良好的表面質(zhì)量，不會(huì)產(chǎn)

12、生 表面變質(zhì)層和燒傷，其表面粗糙度主要與磨 粒尺寸、超聲波振幅大小和工件材料硬度有 關(guān) 磨粒尺寸愈小，超聲振幅愈小，工件材料愈 硬，生產(chǎn)率愈低，表面粗糙度愈會(huì)得到明顯 改善，因?yàn)楸砻娲植诙戎抵饕Q于每顆磨 粒每次捶打工件材料所留下的凹痕的大小和 深淺。 4、超聲波加工的應(yīng)用 超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花加工和電 解加工低，但其加工精度和表面質(zhì)量都優(yōu)于 它們。 而且可以加工難以加工的半導(dǎo)體和非金屬的 硬脆材料 對(duì)于電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金 沖模、拉絲模等，最后還經(jīng)常用超聲波拋磨、 光整加工，使表面粗糙度進(jìn)一步降低 1）型孔和型腔的加工 2）切割加工 對(duì)于難以用普通加工方法切割的脆硬材料 如陶瓷、石英、硅、寶石等用超聲波加工 具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、 經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。 3）超聲波清洗 其原理主要是基于清洗液在超聲波作用下產(chǎn)生 空化效應(yīng)的結(jié)果?？栈?yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊液 直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破壞， 并從清洗表面脫落下來(lái)。 應(yīng)用：主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求 高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件， 特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔等部位的 靜精洗。 4）復(fù)合加工 采用超聲波加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等硬 質(zhì)合金時(shí)加工速度低，工具損耗大，為了 提高加工速度和降