第七章 超聲加工

第7章超聲加工

7.1超聲加工的基本原理和特點(diǎn)一、超聲波及其特性 超聲波的頻率范圍超聲波16kHz16Hz次聲波可聽(tīng)聲波0

100020003000400050006000

傳遞速度（m/s）超聲波為縱波，可在各種介質(zhì)中傳播傳遞速度c=λf

，λ-波長(zhǎng)，f-頻率不同介質(zhì)中傳播速度不同：c空氣=331m/s，c水=1430m/s，c鐵=5850m/s可傳遞很強(qiáng)的能量

傳播的能量密度垂直于波的傳播方向單位面積上的能量J=ρc(ωA)2/2ω=2πf(rad/s)A—振幅（mm）ρ—介質(zhì)的密度固體、液體的ρ和c大→J大在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，在界面上產(chǎn)生液壓沖擊空化現(xiàn)象形成真空，產(chǎn)生氣泡空泡閉合，形成壓力高頻上下運(yùn)動(dòng)：f

＞16kHz

通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，波速突變折射反射介質(zhì)的波阻抗ρc之差越大，反射率越大連接面間加入凡士林或機(jī)油固體(液體)空氣反射率≈100%

在一定條件下，產(chǎn)生干涉和共振現(xiàn)象距入射端距離為x的b點(diǎn)處：入射波反射波合成波共振的條件：桿長(zhǎng)為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，L=kλ/2波節(jié)M點(diǎn)處：不振動(dòng)ABM二、超聲加工的基本原理加工原理沖擊(為主)拋磨磨料沖擊工件表面空化作用工作液進(jìn)入裂縫加快磨料更新速度有助于排屑三、超聲加工的特點(diǎn)適合加工各種硬脆材料加工質(zhì)量高，尺寸精度0.01~0.02mm，Ra0.63~0.08μm，無(wú)殘余應(yīng)力宏觀切削力小，切削熱小，適合加工薄壁、窄縫、低剛度件可加工復(fù)雜型面及型腔加工效率低工具有損耗7.2超聲加工設(shè)備及其組成部分超聲波發(fā)生器超聲振動(dòng)系統(tǒng)超聲換能器變幅桿工具機(jī)床本體輔助系統(tǒng)磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)換能器冷卻系統(tǒng)1--工作臺(tái)

2--上具

3--變幅桿

4--換能器

5--導(dǎo)軌

6--支架

7--平衡重錘

1235467超聲波發(fā)生器功率放大器信號(hào)放大器震蕩器電源作用：產(chǎn)生超聲頻率的電流換能器超聲振動(dòng)系統(tǒng)

超聲換能器作用高頻電振蕩→機(jī)械能換能器長(zhǎng)度=kλ/2種類(lèi)壓電效應(yīng)式磁致伸縮式壓電效應(yīng)式石英晶體、鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(ZrPbTiO3)伸縮量小(石英晶體：3kV時(shí)，0.01μm)用于小功率超聲加工磁致伸縮式鐵磁體(Fe、Co、Ni)、鐵氧體有高頻渦流損失→片狀疊加“雙頻現(xiàn)象”

交流正弦波→脈動(dòng)直流勵(lì)磁電流變幅桿作用：放大振幅振幅放大原理J=ρc(ωA)2/2振幅A=(2J/K)1/2其中，K=ρcω2S1S2J1×S1=J2×S2A=0.005~0.01mm→

A=0.01~0.1mm變幅桿的形式(5~10倍)(10~20倍)(＞20倍)加工工具

工具材料：45＃鋼等韌性材料部件之間應(yīng)連接緊密螺紋連接處：涂凡士林油支撐點(diǎn)應(yīng)選在“駐波節(jié)點(diǎn)”處機(jī)床1－工作臺(tái)；2－工具；3－變幅桿；4－換能器；5－標(biāo)尺；6－導(dǎo)軌；7－支架；8－平衡重錘超聲加工機(jī)床

加工壓力調(diào)節(jié)：聲部的自重-平衡重調(diào)壓機(jī)構(gòu)：杠桿、彈簧、氣動(dòng)、電磁鐵7.3超聲加工速度、精度、表面質(zhì)量及其影響因素影響加工速度的因素

工具的振幅和頻率進(jìn)給壓力磨料的硬度和粒度磨料懸浮液的濃度工件和工具材料

超聲加工精度和表面質(zhì)量孔加工范圍Φ0.1~90mm，深徑比＞20孔加工精度0.05~0.02mm表面粗糙度Ra1~0.08μm7.4超聲波的應(yīng)用技術(shù)超聲切割加工型孔、型腔加工超聲振動(dòng)切削超聲清洗超聲波測(cè)距超聲波探傷超聲霧化1超聲切割加工2型孔、型腔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。（1）

超聲振動(dòng)車(chē)削3超聲波復(fù)合加工（2）超聲波復(fù)合振動(dòng)研磨（3）超聲電解復(fù)合拋光（4）超聲電解復(fù)合加工（5）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。（6）超聲波清洗7.無(wú)損檢測(cè)

利用超聲波定向發(fā)射、反射、穿透大多數(shù)材料特性，在測(cè)距、控制、監(jiān)測(cè)及材料測(cè)量方面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。探測(cè)金屬內(nèi)部缺陷例如：探測(cè)材料內(nèi)部和表面缺陷，評(píng)價(jià)物理、力學(xué)性質(zhì)，鍋爐、壓力容器制造、運(yùn)行中的檢測(cè)。

5、超聲波在生活中的應(yīng)用超聲波除塵只要在煙囪里裝一個(gè)超聲波除塵器，不消片刻，煙囪就冒著干凈的白煙了。超聲波除塵裝置超聲波促進(jìn)植物生長(zhǎng)種子發(fā)芽需要水分、氧氣和一定的溫度。種子外面裹著一層嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的種皮，它雖然能保護(hù)種子不受傷害，但是它的透水性和透氣性都不好，是種子“喝”不到足夠的水分，“呼吸”也特別微弱，就像睡著了。因此，有了合適的條件也不易發(fā)芽。超聲波促進(jìn)植物生長(zhǎng)當(dāng)超聲波射到浸泡在水里的種子時(shí)，激烈的超聲振動(dòng)會(huì)對(duì)種子產(chǎn)生一種類(lèi)似摩擦的作用，因而使得種皮的透水性和透氣性大大增強(qiáng)，并能使種子得到一定溫度。這樣種子吸著水“發(fā)胖”，呼吸也加快了，種子就能提早發(fā)芽。同時(shí)超聲波還能促使種子內(nèi)貯存的淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)更好的溶解于水，變成易被種胚吸收的養(yǎng)料，苗兒就使勁的長(zhǎng)個(gè)兒。此外，超聲波還具有殺菌作用，能殺死潛伏在種子身上的某些病菌和蟲(chóng)卵。超聲波偵察海底超聲波在水中能過(guò)按著一定的方向直線前進(jìn)，它能傳到幾公里、幾十公里，甚至幾百公里以外。而且，它又能形成射束，聚成很狹的一束，向一個(gè)方向傳播。當(dāng)它中途遇到障礙物時(shí)，又會(huì)有一部分能量按原方向反射回來(lái)。因此，當(dāng)接收到回聲訊號(hào)，經(jīng)過(guò)放大送到顯示器，就可以立刻顯示出目標(biāo)的距離和方位了。超聲波診斷疾病

醫(yī)生會(huì)把發(fā)射超聲波的探頭放在病人體表的適當(dāng)位置，讓超聲波在人體里面?zhèn)鞑?。?dāng)那個(gè)器官的了病，反射的回升訊號(hào)與正常的情況不一樣，醫(yī)生就可以診斷那部分臟器有了病變和分析病變的性質(zhì)。比如像腫瘤、腦瘤