超声加工技术课件.ppt

超声加工11.超声加工（Ultrasonic Machining,USM)n n 超声加工的基本原理和特点n n 超声加工设备及其组成部分n n 超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素 n n 超声波的应用技术n n 超声加工新技术11.1 超声加工的基本原理和特点n n11.1.1 11.1.1 超声波及其特性超声波及其特性n n11.1.2 11.1.2 超声加工的基本原理超声加工的基本原理n n11.1.3 11.1.3 超声加工的特点超声加工的特点11.1.1 超声波及其特性v v 超声波的频率范围10-4Hz16Hz 16kHz105kHz次声波超声波 可听声波v超声波的特性（1）超声波为纵波，可在各种介质中传播超声波为纵波，可在各种介质中传播u u传递速度t tcc=f f，-波长，波长，ff-频率频率不同介质中传播速度不同不同介质中传播速度不同cc空气 空气=331m/s=331m/s，cc水 水=1430m/s=1430m/scc铁 铁=5850m/s=5850m/s0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 传递速度（m/s）v超声波的特性（2）可传递很强的能量 传播的能量密度 垂直于波的传播方向单位面积上的能量 J=c(A)2/2=2=2f f(rad/s)(rad/s)A A 振 振幅 幅（mm mm）介质的密度 介质的密度 固体、液体的 固体、液体的 和 和c c大 大 J J大 大v 超声波的特性（3）在液体介质中传播时，在界面上产生在液体介质中传播时，在界面上产生 液压冲击 空化现象形成真空，产生气泡空泡闭合，形成压力高频上下运动：f 16kHzv 超声波的特性（4）通过不同介质时，波速突变u u折射折射u u反射反射t t介质的波阻抗介质的波阻抗c c 之差越大，反射率越大之差越大，反射率越大t t连接面间加入凡士林或机油连接面间加入凡士林或机油固体(液体)空气反射率100%v 超声波的特性（5）在一定条件下，产生干涉和共振现象 距入射端距离为x的b点处：入射波反射波合成波共振的条件：杆长为半波长的整数倍，L=k/2波节M点处：不振动ABM11.1.2 超声加工的基本原理nn加工原理u u冲击冲击(为主为主)u u抛磨抛磨t t磨料冲击工件表面磨料冲击工件表面u u空化作用空化作用t t工作液进入裂缝工作液进入裂缝t t加快磨料更新速度加快磨料更新速度t t有助于排屑有助于排屑11.1.3 超声加工的特点vv适合加工各种硬脆材料适合加工各种硬脆材料vv加工质量高，尺寸精度加工质量高，尺寸精度0.010.02mm0.010.02mm，Ra0.630.08mRa0.630.08m，无残余应力，无残余应力vv宏观切削力小，切削热小，适合加工薄壁、窄宏观切削力小，切削热小，适合加工薄壁、窄缝、低刚度件缝、低刚度件vv可加工复杂型面及型腔可加工复杂型面及型腔vv加工效率低加工效率低vv工具有损耗工具有损耗11.2 超声加工设备及其组成部分n n超声波发生器超声波发生器n n超声振动系统超声振动系统u u超声换能器超声换能器u u变幅杆变幅杆u u工具工具n n机床本体机床本体n n辅助系统辅助系统u u磨料悬浮液循环系统磨料悬浮液循环系统u u换能器冷却系统换能器冷却系统1-工作台2-上具3-变幅杆4-换能器5-导轨6-支架7-平衡重锤 123546711.2.1 超声波发生器功率放大器 信号放大器 震荡器电 源作用：产生超声频率的电流11.2.2 超声振动系统v 超声换能器u u作用t t高频电振荡高频电振荡机械能机械能t t换能器长度换能器长度=k/2u u种类t t压电效应式压电效应式t t磁致伸缩式磁致伸缩式磁场强度(A/m)相对伸长量nn 压电效应式u u石英晶体、钛酸钡石英晶体、钛酸钡(BaTiO(BaTiO3 3)、锆钛酸铅、锆钛酸铅(ZrPbTiO(ZrPbTiO3 3)u u伸缩量小伸缩量小(石英晶体：石英晶体：3kV3kV时，时，0.01m)0.01m)u u用于小功率超声加工用于小功率超声加工nn 磁致伸缩式u u铁磁体铁磁体(Fe(Fe、CoCo、Ni)Ni)、铁氧体、铁氧体u u有高频涡流损失有高频涡流损失片状叠加片状叠加u u“双频现象双频现象”t t交流正弦波交流正弦波脉动直流励磁电流脉动直流励磁电流v变幅杆n n 作用：放大振幅n n 振幅放大原理u uJ=J=c(Ac(A)22/2/2u u振幅振幅 A=A=(2(2JJ/K/K)1/21/2其中 其中，K=cc22S1S2J1S1=J2 S2A=0.0050.01mm A=0.0050.01mm A=0.010.1mm A=0.010.1mm变幅杆的形式(510倍)(1020倍)(20倍)v 工具工具材料：45钢等韧性材料部件之间应连接紧密 螺纹连接处：涂凡士林油 支撑点应选在“驻波节电”处11.2.3 超声加工机床加工压力调节：声部的自重-平衡重调压机构：杠杆、弹簧、气动、电磁铁11.3 超声加工速度、精度、表面质量 及其影响因素 n n 影响加工速度的因素 u u工具的振幅和频率 u u进给压力 u u磨料的硬度和粒度 u u磨料悬浮液的浓度u u工件和工具材料 影响加工速度的因素（1）n n 工具的振幅和频率u u振幅AA 冲击力 加工速度t t过大过大内应力内应力 工具寿命工具寿命u u频率ff 冲击次数 加工速度t t过大过大能量损失能量损失 加工速度加工速度u u一般：一般：A=0.01A=0.010.1mm0.1mm，f f=1625kHz=1625kHz影响加工速度的因素（2）n n 进给压力u u过小过小工作间隙工作间隙冲击力冲击力加工速度加工速度u u过大过大磨料被挤出来磨料被挤出来 加工速度加工速度影响加工速度的因素（3）n n 磨料的硬度和粒度 u u硬度硬度 加工速度加工速度u u粒度粒度过小过小能量损失能量损失 加工速度加工速度 更新速度更新速度 加工速度加工速度 u u粒度粒度过大过大同时参与磨粒数同时参与磨粒数加工速度加工速度影响加工速度的因素（4）n n 磨料悬浮液的浓度u u浓度过小过小磨粒数磨粒数加工速度加工速度u u浓度过大过大能量损失能量损失 加工速度加工速度 更新速度更新速度 加工速度加工速度 影响加工速度的因素（5）n n 工件材料u u脆性受冲击载荷的能力加工速度超声加工精度和表面质量n n 孔加工范围u u0.190mm，深径比20n n 孔加工精度u u0.050.02mmn n 表面粗糙度u uRa 10.08um11.4 超声波的应用技术n n超声切割加工超声切割加工n n型孔、型腔加工型孔、型腔加工n n超声振动切削超声振动切削n n超声清洗超声清洗n n超声波测距超声波测距n n超声波探伤超声波探伤n n超声雾化超声雾化11.4.1 超声切割加工单晶硅片切割方法绞合线结构示意图11.4.2 型孔、型腔加工存在问题工具有损耗损耗不易补偿影响加工精度a）微细孔b）型腔c）异形通孔d)弯曲孔e)刻槽g）套料h）切圆i）复杂沟槽11.4.3 超声振动切削11.4.3 超声振动切削11.4.3 超声振动切削11.4.4 超声波复合振动研磨11.4.5 超声清洗(1)11.4.5 超声清洗(2)11.4.5 超声清洗(3)11.4.5 超声清洗(4)11.4.6 超声测距11.4.7 超声波无损检测11.4.8 超声雾化11.5 超声波加工新技术vv超声波仿铣加工（Ultrasonic Milling)v 微细超声波加工技术