第八章超聲波加工課件

第八章超聲波加工

第八章超聲波加工 超聲加工（UltrasonicMachining簡稱USM）有時也稱超聲波加工。電火花加工和電化學(xué)加工都只能加工金屬導(dǎo)電材料，不易加工不導(dǎo)電的非金屬材料，然而超聲加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷等。 超聲加工（UltrasonicMachining簡稱

一、超聲波及其特性

聲波是人耳能感受的一種縱波，它的頻率在16~16000Hz范圍內(nèi)。當(dāng)頻率超過16000Hz超出一般人耳聽覺范圍，就稱為超聲波。超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中縱向（前進(jìn)方向）傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。在不同介質(zhì)中，超聲波傳播的速度c亦不同（如c空氣=331m/s；c水=1430m/s；c鐵=5850m/s），它與波長和頻率之間的關(guān)系可用下式表示： 一、超聲波及其特性 超聲波主要具有下列特性：1）超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力（聲壓）。因此，有時可用這個壓力的大小來表示超聲波的強(qiáng)度，傳播的波動能量越強(qiáng)，則壓力也越大。振動能量的強(qiáng)弱，用能量密度來衡量。能量密度就是通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號J來表示，單位為W/cm2 超聲波主要具有下列特性：由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達(dá)100W/cm2以上。在液體或固體中傳播超聲波時，由于介質(zhì)密度和振動頻率都比空氣中傳播聲波時高許多倍，因此同一振幅時，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倍。2）當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時，將以極高的頻率壓迫液體質(zhì)點(diǎn)振動，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，由于液體基本上不可壓縮，由此產(chǎn)生壓力正、負(fù)交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象。由于這一過程時間極短，液體空腔閉合壓力可達(dá)幾十個大氣壓，并產(chǎn)生巨大的液壓沖擊。這一交變的脈沖壓力作用在鄰近的零件表面上會使其破壞，引起固體物質(zhì)分散、破碎等效應(yīng)。由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達(dá) 3）超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質(zhì)的波阻抗。介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時能量的反射率愈高。當(dāng)超聲波從液體或固體傳入到空氣或者相反從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100%，因?yàn)榭諝庥锌蓧嚎s性，更阻礙了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相鄰介質(zhì)中的傳遞條件，往往在聲學(xué)部件的各連接面間加入機(jī)油、凡士林作為傳遞介質(zhì)，以消除空氣及因它而引起的衰減。 3）超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速 4）超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。當(dāng)超聲波從彈性桿的一端向另一端傳播時，在桿的端部將發(fā)生波的反射。所以在有限的彈性體中，實(shí)際存在著同周期、同振幅、傳播方向相反的兩個波，這兩個完全相同的波從相反的方向會合，就會產(chǎn)生波的干涉。當(dāng)桿長符合某一規(guī)律時，桿上有些點(diǎn)在波動過程中位置始終不變，其振幅為零（為波節(jié)），而另一些點(diǎn)振幅最大，其振幅為原振幅的兩倍（為波腹）。

為了使彈性桿處于最大振幅共振狀態(tài)，應(yīng)將彈性桿設(shè)計(jì)成半波長的整數(shù)倍；而固定彈性桿的支持點(diǎn)，應(yīng)該選在振動過程中的波節(jié)處，這一點(diǎn)不振動。 4）超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干涉和共

二、超聲波加工的原理 超聲加工是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。加工原理如圖所示。加工時，在工具1和工件2之間加入液體（水或煤油等）和磨料混合的懸浮液3，并使工具以很小的力F輕輕壓在工件上。超聲換能器6產(chǎn)生16000Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于變幅桿把振幅放大到0.05~0.lmm左右，驅(qū)動工具端面作超聲振動，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從工件上被打擊下來。 二、超聲波加工的原理雖然每次打擊下來的材料很少，但由于每秒鐘打擊的次數(shù)多達(dá)16000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時，工作液受工具端面超聲振動作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波和“空化”作用，促使工作液鉆入被加工材料的微裂縫處，加劇了機(jī)械破壞作用。雖然每次打擊下來的材料很少，但由于

所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可以強(qiáng)化加工過程。由此可見，超聲加工是磨粒在超聲振動作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。超聲加工是基于局部撞擊作用，越是脆硬的材料，受撞擊作用遭受的破壞愈大，愈易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工。 所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時 三、超聲加工的特點(diǎn) (1)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。也可以加工導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對較低。 (2)由于工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的相對運(yùn)動。因此超聲加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個方向輕壓進(jìn)給，操作、維修方便。

三、超聲加工的特點(diǎn) (3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達(dá)0.1μm，加工精度可達(dá)0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。 (4)生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。 (3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗四、超聲波加工設(shè)備 超聲加工設(shè)備又稱超聲加工裝置，它們的功率大小和結(jié)構(gòu)形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)。超聲發(fā)生器（超聲電源）超聲振動系統(tǒng)包括超聲換能器、變幅桿（振幅擴(kuò)大棒）、工具機(jī)床本體包括工作頭、加壓機(jī)構(gòu)及工作進(jìn)給機(jī)構(gòu)、工作臺及其位置調(diào)整機(jī)構(gòu)工作液及循環(huán)系統(tǒng)和換能器冷卻系統(tǒng)包括磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)、換能器冷卻系統(tǒng)四、超聲波加工設(shè)備超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器也稱超聲波或超聲頻發(fā)生器，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動和去除被加工材料的能量。其基本要求是：輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調(diào)的功能，此外要求結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、體積小等。超聲加工用的超聲頻發(fā)生器，由于功率不同，有電子管的，也有晶體管的，且結(jié)構(gòu)大小也很不同。大功率的（1kW以上）超聲頻發(fā)生器，過去往往是電子管式的，但近年來逐漸有被晶體管取代的趨勢。超聲發(fā)生器2.聲學(xué)部件聲學(xué)部件的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，使工具端面作高頻率小振幅的振動以進(jìn)行加工。它是超聲波加工機(jī)床中很重要的部件。聲學(xué)部件由換能器、變幅桿（振幅擴(kuò)大棒）及工具組成。換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，目前實(shí)現(xiàn)這一目的可利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)兩種方法。2.聲學(xué)部件 由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過0.005～0.01mm，而超聲波加工卻需要0.01～0.1mm的振幅，因此必須用上粗下細(xì)的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^變幅桿的每一截面的振動能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會增大。 變幅桿的常見形式如圖8-2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)械振動作用于懸浮液磨料對工件進(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45#鋼，這樣可以減少工具的相對磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個加工間隙值(略大于磨料直徑)。 由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過0.0圖8-2幾種形式的變幅桿圖8-2幾種形式的變幅桿3.機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng) 超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡單，包括支撐聲學(xué)部件的機(jī)架、工作臺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。效果較好而又最常用的工作液是水，為了提高表面質(zhì)量，有時也用煤油或機(jī)油作工作液。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時用煤油或機(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。

3.機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)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、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，超聲波廣泛應(yīng)用于型(腔)孔加工(如圖8-3所示)、切割加工(如圖8-4所示)、清洗(如圖8-5所示)等方面。在超聲加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等硬質(zhì)金屬材料時，加工速度較低，工具損耗較大。為了提高加工速度及降低工具損耗，可以把超聲加工和其它加工方法相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合加工。例如采用超聲與電化學(xué)或電火花加工相結(jié)合的方法來加工噴油嘴、噴絲板上的小孔或窄縫，可以大大提高加工速度和質(zhì)量。

四、超聲波加工的應(yīng)用圖8-3超聲波加工的型孔、腔孔類型圖8-3超聲波加工的型孔、腔孔類型圖8-4超聲波切割加工圖8-4超聲波切割加工圖8-5超聲波清洗裝置圖8-5超聲波清洗裝置第八章超聲波加工

第八章超聲波加工 超聲加工（UltrasonicMachining簡稱USM）有時也稱超聲波加工。電火花加工和電化學(xué)加工都只能加工金屬導(dǎo)電材料，不易加工不導(dǎo)電的非金屬材料，然而超聲加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷等。 超聲加工（UltrasonicMachining簡稱

一、超聲波及其特性

聲波是人耳能感受的一種縱波，它的頻率在16~16000Hz范圍內(nèi)。當(dāng)頻率超過16000Hz超出一般人耳聽覺范圍，就稱為超聲波。超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中縱向（前進(jìn)方向）傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。在不同介質(zhì)中，超聲波傳播的速度c亦不同（如c空氣=331m/s；c水=1430m/s；c鐵=5850m/s），它與波長和頻率之間的關(guān)系可用下式表示： 一、超聲波及其特性 超聲波主要具有下列特性：1）超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力（聲壓）。因此，有時可用這個壓力的大小來表示超聲波的強(qiáng)度，傳播的波動能量越強(qiáng)，則壓力也越大。振動能量的強(qiáng)弱，用能量密度來衡量。能量密度就是通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號J來表示，單位為W/cm2 超聲波主要具有下列特性：由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達(dá)100W/cm2以上。在液體或固體中傳播超聲波時，由于介質(zhì)密度和振動頻率都比空氣中傳播聲波時高許多倍，因此同一振幅時，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倍。2）當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時，將以極高的頻率壓迫液體質(zhì)點(diǎn)振動，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，由于液體基本上不可壓縮，由此產(chǎn)生壓力正、負(fù)交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象。由于這一過程時間極短，液體空腔閉合壓力可達(dá)幾十個大氣壓，并產(chǎn)生巨大的液壓沖擊。這一交變的脈沖壓力作用在鄰近的零件表面上會使其破壞，引起固體物質(zhì)分散、破碎等效應(yīng)。由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達(dá) 3）超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質(zhì)的波阻抗。介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時能量的反射率愈高。當(dāng)超聲波從液體或固體傳入到空氣或者相反從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100%，因?yàn)榭諝庥锌蓧嚎s性，更阻礙了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相鄰介質(zhì)中的傳遞條件，往往在聲學(xué)部件的各連接面間加入機(jī)油、凡士林作為傳遞介質(zhì)，以消除空氣及因它而引起的衰減。 3）超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速 4）超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。當(dāng)超聲波從彈性桿的一端向另一端傳播時，在桿的端部將發(fā)生波的反射。所以在有限的彈性體中，實(shí)際存在著同周期、同振幅、傳播方向相反的兩個波，這兩個完全相同的波從相反的方向會合，就會產(chǎn)生波的干涉。當(dāng)桿長符合某一規(guī)律時，桿上有些點(diǎn)在波動過程中位置始終不變，其振幅為零（為波節(jié)），而另一些點(diǎn)振幅最大，其振幅為原振幅的兩倍（為波腹）。

為了使彈性桿處于最大振幅共振狀態(tài)，應(yīng)將彈性桿設(shè)計(jì)成半波長的整數(shù)倍；而固定彈性桿的支持點(diǎn)，應(yīng)該選在振動過程中的波節(jié)處，這一點(diǎn)不振動。 4）超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干涉和共

二、超聲波加工的原理 超聲加工是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。加工原理如圖所示。加工時，在工具1和工件2之間加入液體（水或煤油等）和磨料混合的懸浮液3，并使工具以很小的力F輕輕壓在工件上。超聲換能器6產(chǎn)生16000Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于變幅桿把振幅放大到0.05~0.lmm左右，驅(qū)動工具端面作超聲振動，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從工件上被打擊下來。 二、超聲波加工的原理雖然每次打擊下來的材料很少，但由于每秒鐘打擊的次數(shù)多達(dá)16000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時，工作液受工具端面超聲振動作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波和“空化”作用，促使工作液鉆入被加工材料的微裂縫處，加劇了機(jī)械破壞作用。雖然每次打擊下來的材料很少，但由于

所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可以強(qiáng)化加工過程。由此可見，超聲加工是磨粒在超聲振動作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。超聲加工是基于局部撞擊作用，越是脆硬的材料，受撞擊作用遭受的破壞愈大，愈易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工。 所謂空化現(xiàn)象，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時 三、超聲加工的特點(diǎn) (1)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。也可以加工導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對較低。 (2)由于工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的相對運(yùn)動。因此超聲加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個方向輕壓進(jìn)給，操作、維修方便。

三、超聲加工的特點(diǎn) (3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達(dá)0.1μm，加工精度可達(dá)0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。 (4)生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。 (3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗四、超聲波加工設(shè)備 超聲加工設(shè)備又稱超聲加工裝置，它們的功率大小和結(jié)構(gòu)形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)。超聲發(fā)生器（超聲電源）超聲振動系統(tǒng)包括超聲換能器、變幅桿（振幅擴(kuò)大棒）、工具機(jī)床本體包括工作頭、加壓機(jī)構(gòu)及工作進(jìn)給機(jī)構(gòu)、工作臺及其位置調(diào)整機(jī)構(gòu)工作液及循環(huán)系統(tǒng)和換能器冷卻系統(tǒng)包括磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)、換能器冷卻系統(tǒng)四、超聲波加工設(shè)備超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器也稱超聲波或超聲頻發(fā)生器，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動和去除被加工材料的能量。其基本要求是：輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調(diào)的功能，此外要求結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、體積小等。超聲加工用的超聲頻發(fā)生器，由于功率不同，有電子管的，也有晶體管的，且結(jié)構(gòu)大小也很不同。大功率的（1kW以上）超聲頻發(fā)生器，過去往往是電子管式的，但近年來逐漸有被晶體管取代的趨勢。超聲發(fā)生器2.聲學(xué)部件聲學(xué)部件的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，使工具端面作高頻率小振幅的振動以進(jìn)行加工。它是超聲波加工機(jī)床中很重要的部件。聲學(xué)部件由換能器、變幅桿（振幅擴(kuò)大棒）及工具組成。換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，目前實(shí)現(xiàn)這一目的可利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)兩種方法。2.聲學(xué)部件 由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過0.005～0.01mm，而超聲波加工卻需要0.01～0.1mm的振幅，因此必須用上粗下細(xì)的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^變幅桿的