《表面工程學(xué)》.doc

1、 第九章 表面微細(xì)加工技術(shù)之超聲波加工學(xué)生：侯飛班級(jí)：機(jī)械2010專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及其理論學(xué)號(hào)：2010730013摘要：結(jié)合近年來(lái)超聲加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，綜述了超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)展和超聲加工技術(shù)在深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、難加工材料的加工、超聲振動(dòng)切削、超聲復(fù)合加工等方面的最新應(yīng)用，并闡述了超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：超聲加工；超聲振動(dòng)系統(tǒng)；超聲復(fù)合加工；微細(xì)超聲加工；超聲振動(dòng)切削 概述超聲加工是利用超聲頻作小振幅振動(dòng)的工具，并通過(guò)它與工件之間游離于液體中的磨料對(duì)被加工表面的捶擊作用，使工件材料表面逐步破碎的特種加工，英文簡(jiǎn)稱(chēng)為 USM。超聲加工常用于穿孔、切割、焊接、套料

2、和拋光。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、鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時(shí)還可以用于清洗、焊接和探傷等。超聲波是一種頻率超過(guò)16000hz的縱波，它具有很強(qiáng)的能量穿透能力；在液體介質(zhì)傳播形成局部伸縮沖擊現(xiàn)象和空化現(xiàn)象；通過(guò)不同介質(zhì)，產(chǎn)生波速突變，形成波的反射和折射；一定條件能產(chǎn)生干涉、共振。幾十年來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問(wèn)題

3、，取得了良好的效果。超聲波加工歷史1927年，美國(guó)物理學(xué)家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗(yàn)，利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上；1951年，美國(guó)的科恩制成第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)。 二十世紀(jì)50年代中期，日本、蘇聯(lián)將超聲加工與電加工(如電火花加工和電解加工等)、切削加工結(jié)合起來(lái)，開(kāi)辟了復(fù)合加工的領(lǐng)域。這種復(fù)合加工的方法能改善電加工或金屬切削加工的條件，提高加工效率和質(zhì)量。1964年，英國(guó)又提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)，加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。一超聲波加工的原理超聲波加工（ultrasonic machining，U

4、SM）是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過(guò)磨料懸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。 二超聲波加工的特點(diǎn)（）加工范圍廣a可加工淬硬鋼、不銹鋼、鈦及其合金等傳統(tǒng)切削難加工的金屬、非金屬材料；特別是一些不導(dǎo)電的非金屬材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石及各種半導(dǎo)體等，對(duì)導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金也能加工，但生產(chǎn)率低。b適合深小孔、薄壁件、細(xì)長(zhǎng)桿、低剛度和形狀復(fù)雜、要求較高零件的加工；c適合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。（）切削力小、切削功率消耗低由于超聲波加工主要靠瞬

5、時(shí)的局部沖擊作用，故工件表面的宏觀(guān)切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，（3）工件加工精度高、表面粗糙度低可獲得較高的加工精度（尺寸精度可達(dá)0.0050.02mm）和較低的表面粗糙度(Ra值為0.050.2)，被加工表面無(wú)殘余應(yīng)力、燒傷等現(xiàn)象，也適合加工薄壁、窄縫和低剛度零件。（4）易于加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔和成型表面等，（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)一般比較簡(jiǎn)單，操作維修方便。三超聲波加工的工藝規(guī)律.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

6、種類(lèi)和粒度、被加工材料、磨料懸浮液的濃度。（） 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1600025000Hz之間。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。（） 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，從而降低生產(chǎn)率。（） 磨料種類(lèi)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

7、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)選用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、鍺等半導(dǎo)體材料，選用氧化鋁磨料。（）被加工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。（）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。.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，主要與磨料粒

8、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)。.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)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，工件材料越硬，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于每顆磨粒每次錘打工件材料所留下的凹痕的大小和深淺。四、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。更重要的是可以加工它們難以加工的半導(dǎo)體和非金屬的硬脆材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等，而且對(duì)于電火花加工后的一些淬火

9、鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模、塑料模等，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。.型孔和型腔的加工超聲波目前主要應(yīng)用在脆硬材料的圓孔、型孔、型腔、套料、微細(xì)孔等的加工。.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，并從被清洗表面脫落下來(lái)。此方法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、盲孔、溝槽

10、、窄縫等部位的精清洗，生產(chǎn)率和凈化率都很高。目前在半導(dǎo)體和集成電路元件、儀器儀表零件、電真空器件、光學(xué)零件、醫(yī)療器械等的清洗中應(yīng)用。4.超聲波焊接超聲波焊接就是利用超聲振動(dòng)作用去除工件表面的氧化膜，使工件露出本體表面，使兩個(gè)被焊工件表面在高速振動(dòng)撞擊下摩擦發(fā)熱并親和粘在一起。它可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化膜的鋁制品，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀，從而改善這些材料的可焊性。5復(fù)合加工在超聲波加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等硬質(zhì)金屬材料時(shí)加工速度低，工具損耗大，為了提高加工速度和降低工具損耗，采用超聲波、電解加工或電火花加工相結(jié)合來(lái)加工噴油嘴、噴絲板上的孔或窄縫，這樣可大大提高生產(chǎn)率和質(zhì)量。在

11、切削加工中引入超聲波振動(dòng)即超聲振動(dòng)切削（例如對(duì)耐熱鋼、不銹鋼等硬韌材料進(jìn)行車(chē)削、鉆孔、攻螺紋時(shí)），經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)日趨成熟，作為一種精密加工和難切削材料加工中的新技術(shù)，可以降低切削力，降低表面粗糙度值、延長(zhǎng)刀具使用壽命及提高生產(chǎn)率等。目前，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的主要有：超聲振動(dòng)車(chē)削、超聲振動(dòng)磨削、超聲振動(dòng)加工深孔、小孔和攻絲、鉸孔等。此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車(chē)工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗?？梢酝茢啵暭庸ぜ夹g(shù)在世界汽車(chē)工業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。一方面，材料加工的客觀(guān)需要推動(dòng)和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)提供的強(qiáng)有力加工手段，又促進(jìn)了新材料的發(fā)展。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。展望未來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。 參考文獻(xiàn)：1胡天明.超聲波探傷M.武漢:武漢測(cè)繪大學(xué)出版社 ,1995. 2 趙萬(wàn)生，顧琳，郭銳，等微細(xì)電加工的最新發(fā)展與應(yīng)用前景C2005年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集：第l1屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議專(zhuān)輯北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：493 J 趙福令，馮冬菊，史俊才，等陶瓷材料超聲旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)J電加工與模具2001(1)：154 周憶，米林