超聲波加工技術(shù)

1、超聲波加工超聲波加工 超聲波加工技術(shù)超聲波加工技術(shù) 主講：蘇飛遠(yuǎn)主講：蘇飛遠(yuǎn) 超聲波加工超聲波加工 1超聲波加工的原理與特點(diǎn)超聲波加工的原理與特點(diǎn) 1) 加工原理加工原理 超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過(guò)超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過(guò)16 000 Hz的工具的工具 頭，通過(guò)懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行成型加工的一種方法，頭，通過(guò)懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行成型加工的一種方法， 其加工原理如圖其加工原理如圖1所示。所示。 超聲波加工超聲波加工 圖圖1 超聲波加工原理圖超聲波加工原理圖 加工力 工具 工件 振 動(dòng) 方 向 磨料工作液 工具振幅 超聲波加工超聲波加工 當(dāng)工具以當(dāng)工具以16 000 Hz以上的振動(dòng)頻率作用于

2、懸浮液磨料時(shí)，以上的振動(dòng)頻率作用于懸浮液磨料時(shí)， 磨料便以極高的速度強(qiáng)力沖擊加工表面；同時(shí)由于懸浮液磨磨料便以極高的速度強(qiáng)力沖擊加工表面；同時(shí)由于懸浮液磨 料的攪動(dòng)，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受料的攪動(dòng)，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受 工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生交變的沖擊波和工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生交變的沖擊波和“空化現(xiàn)象空化現(xiàn)象”。 所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開(kāi)工件表所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開(kāi)工件表 面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在磨料液內(nèi)形成很面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在磨料液內(nèi)形成很 多微空腔；當(dāng)工具端面以很大

3、的加速度接近工件表面時(shí)，空多微空腔；當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，空 泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局部泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局部 疲勞，引起顯微裂紋。疲勞，引起顯微裂紋。 這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不 斷進(jìn)行，工具的形狀就逐漸斷進(jìn)行，工具的形狀就逐漸“復(fù)制復(fù)制”在工件上。在工件上。 超聲波加工超聲波加工 由此可見(jiàn)，超聲波加工是磨粒的機(jī)械撞擊和拋磨作用以由此可見(jiàn)，超聲波加工是磨粒的機(jī)械撞擊和拋磨作用以 及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。及超聲波空化作用

4、的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。 因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進(jìn)行超聲波加因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進(jìn)行超聲波加 工。工。 2) 特點(diǎn)特點(diǎn) 超聲波加工的主要特點(diǎn)如下：超聲波加工的主要特點(diǎn)如下： (1) 適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導(dǎo)電的非金適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導(dǎo)電的非金 屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。 也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對(duì)較低。也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對(duì)較低。 (2) 由于工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，故不由于工具

5、可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，故不 需要使工具和工件作比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。需要使工具和工件作比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 超聲波加工超聲波加工 (3) 加工時(shí)宏觀切削力很小，不會(huì)引起變形、燒加工時(shí)宏觀切削力很小，不會(huì)引起變形、燒 傷。表面粗糙度傷。表面粗糙度Ra值很小，可達(dá)值很小，可達(dá)0.2 m，加工精度可，加工精度可 達(dá)達(dá)0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度 的零件。的零件。 (4) 加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)單，操作維修方加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)單，操作維修方 便。便。 (5) 生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。

6、 超聲波加工超聲波加工 2. 超聲波加工設(shè)備超聲波加工設(shè)備 超聲波加工裝置如圖超聲波加工裝置如圖2所示。盡管不同功率大小、所示。盡管不同功率大小、 不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相 同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)(聲學(xué)部件聲學(xué)部件)、 機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。 超聲波加工超聲波加工 圖圖2 超聲波加工裝置超聲波加工裝置 1 2 3 4 5 6 7 8 1冷卻器；2磨料懸浮液抽出；3工具； 4工件；5磨料懸浮液送出；6變幅桿； 7換能器

7、；8高頻發(fā)生器 超聲波加工超聲波加工 1) 高頻發(fā)生器高頻發(fā)生器 高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交 流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供 給工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。給工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。 2) 聲學(xué)部件聲學(xué)部件 聲學(xué)部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，聲學(xué)部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)， 并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能 器、振幅擴(kuò)大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲器、振幅擴(kuò)大棒及工具組成。換能器的作用

8、是把超聲 頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)；振幅擴(kuò)大棒又稱(chēng)變幅頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)；振幅擴(kuò)大棒又稱(chēng)變幅 桿，其作用是將振幅放大。桿，其作用是將振幅放大。 超聲波加工超聲波加工 由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不 過(guò)過(guò)0.0050.01 mm，而超聲波加工卻需要，而超聲波加工卻需要0.010.1 mm的振的振 幅，因此必須用上粗下細(xì)幅，因此必須用上粗下細(xì)(按指數(shù)曲線設(shè)計(jì)按指數(shù)曲線設(shè)計(jì))的變幅桿放大振的變幅桿放大振 幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^(guò)變幅桿的每一截面的幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^(guò)變幅桿的每一截面的 振動(dòng)能量是不變的，所

9、以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增振動(dòng)能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增 大。大。 變幅桿的常見(jiàn)形式如圖變幅桿的常見(jiàn)形式如圖3所示，加工中工具頭與變幅桿所示，加工中工具頭與變幅桿 相連，其作用是將放大后的機(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料對(duì)相連，其作用是將放大后的機(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料對(duì) 工件進(jìn)行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性工件進(jìn)行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性 材料，如材料，如45#鋼，這樣可以減少工具的相對(duì)磨損。工具的尺鋼，這樣可以減少工具的相對(duì)磨損。工具的尺 寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)加工間隙值寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)加工間隙值(略略

10、大于磨料直徑大于磨料直徑)。 超聲波加工超聲波加工 (a) 錐形(b) 指數(shù)形(c) 階梯形 圖3 幾種形式的變幅桿 超聲波加工超聲波加工 3) 機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng) 超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部 件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件 上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。 常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常 用的

11、工作液是水，有時(shí)用煤油或機(jī)油。磨料的粒度大小用的工作液是水，有時(shí)用煤油或機(jī)油。磨料的粒度大小 取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。 超聲波加工超聲波加工 3超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工的應(yīng)用 超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等 低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能 加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶 石、鍺、硅甚至金剛石等。在實(shí)際生產(chǎn)中，超聲波廣石、鍺、硅甚至金剛石等。在實(shí)際生產(chǎn)中，超聲波廣 泛應(yīng)用于型泛應(yīng)用于型(腔腔)孔加工孔加工(如圖如圖4所示所示)、切割加工、切割加工(如圖如圖5所所 示示)、清洗、清洗(如圖如圖6所示所示)等方面。等方面。 超聲波加工超聲波加工 圖圖4 超聲波加工的型孔、腔孔類(lèi)型超聲波加工的型孔、腔孔類(lèi)型 (a) 加工圓孔(b) 加工型