超声波加工应用.docx

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1、题目：超声波加工的应用讨论姓名郑木彬吉林高校机械科学与工程学院班级41070122长春130022摘要：简略概述超声波加工规律及特点，以及超声波熔焊.塑料焊接机等应 用状况.关键词：超声波,规律.特点.应用 引言：超声波加工作为一种先进的加工工艺正在各行各业得到广泛的应用和推 广，其先进性也越来越得到更多人的关注，将超声加工与电加工（如电火花加工 和电解加工等）、切削加工结合起来，开拓了复合加工的领域。这种复合加工的 方法能改善电加工或金属切削加工的条件，提高加工效率和质量，这篇论文旨在 概括介绍一下这一先进加工工艺的特点和规律，以及在各个行业的应用状况。超声波加工的基本规律.影响加工精度的因

2、素超声加工的精度，除受机床、夹具精度的影响之外，主要与磨料粒度、工具的精 度及磨损、横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。超声加工孔时，其孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大，扩大量约为磨料磨粒直径的 两倍，孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍，即 Dmin = Dt+2da （5-9）式中Dmin-工件最小孔径（mm）； Dt-工具直径（mm）； da 磨料磨粒平均直径（um）可见，孔的加工精度直接受到工具精度和磨粒粗细的影响。通常，用#240#280 磨粒时，可获得正负0.05mm的力口工精度，用W28W7时，可获得正负0. 02mm 的加工精度。此外，孔的外形误差与工具的不匀

3、称磨损及横向振动大小有关。 般可采纳工具或工件转动的加工方式来减小孔的圆度误差。超声加工孔时，一般简单消失锥度和孔的出口处有环带。其缘由主要是由于变幅 杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的二次冲击，形成从进口到出口渐渐减小的 锥度；出口处环带则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处快速排出，使磨料循环时间 过短所造成的。如用240碳化硼磨料加50mm深的孔，所形成的锥度为1。，若 穿孔后再用未磨损的工具作低频振动修磨，锥度可以减小。在多数状况下，使用 精密工具几乎完全可避开孔的锥度。超声加工所用的磨料粒度原来就是不匀称的，加工中又要被磨钝、甚至破裂，更 加剧了磨料的不匀称性。因此，不仅影响加工速度更影响加

4、工精度。加工时必需 常常搅动磨料悬浮液，保证肯定的循环速度，使用10-15h后应准时更换，还可 设法向工具端面喷注磨料悬浮液，以提高加工精度。1 .影响加工表面质量的因素超声加工具有较好的表面质量，非但不会产生烧伤和表面变质层、热应力，有时 反而产生表面压应力，对提高工件的疲惫强度和抗应力腐蚀力量有益。超声加工 的工件表面粗糙度较低，可达RaO. 630. 08um,主要取决于每粒磨料每次冲 击工件表面后留下的凹痕大小，并与超声振动的振幅、磨料领料的直径、工件材 料的性质以及磨料悬浮液的成分等有关。当磨粒比较细，工作材料硬度较高、超声振幅较小时，工件的表面粗糙度将得到 改善，但生产率随之降低。

5、磨料悬浮液的性能对表面粗糙度的影响比较简单，且 报道较少。资料表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。超声波加工的特点不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工 薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越简单加工，材料越硬或强度、 韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比 被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方 法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、铝、铁氧体、 宝石和玉器等的打孔（包括圆孔、异形孔和弯曲孔等）、切割、

6、开槽、套料、雕刻、 成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。超声打孔的孔径范围是0.190毫米，加工深度可达100毫米以上，孔的精度 可达0.020.05毫米。表面粗糙度在采纳W40碳化硼磨料加工玻璃时可达1.25 0.63微米，加工硬质合金时可达0.630.32微米。超声加工机一般由由电源（即超声发生器）、振动系统（包括超声换能器和变幅杆）和机床本体三部分组成。 超声发生器将沟通电转换为超声频电功率输出，功率由数瓦至数千瓦，最大可达 10千瓦。通常使用的超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类。磁致伸缩换 能器又有金属的和铁氧体的两种，金属的通常用于千瓦以上的大功率超声加工 机；铁氧

7、体的通常用于千瓦以下的小功率超声加工机。电致伸缩换能器用压电陶 瓷制成，主要用于小功率超声加工机。变幅杆起着放大振幅和聚能的作用，按截面积变化规律有锥形、指数曲线形、 悬链线形、阶梯形等。机床本体一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相 应地垂直放置和水平放置。超声波塑料焊接加工技术超声波加工的应用(I)成形加工超声波加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯穿孔、弯曲孔、微 细一孔、套料等。虽然其生产率不如电火花、电解加工，但加工精度及工件表面 质量则化于电火花、电解加工。例如，生产上用硬质冶金代替合金工具钢制造技 深模、拉丝模等模具，其耐用度可提高80-100倍。采纳电火花加工，工

8、件表面 常消失微裂纹，影响了模具表面质量和使用寿命。而采纳超声加工则无此缺陷， 且尺寸精度可掌握在之内、内孔锥度可修整至8o对硅等半导体硬脆材料进行套料等加工，更显示了超声波加工的特色。例如，在 直径90mm、厚0. 25mm的硅片上，可套料加工出176个直径仅为1mm的元件, 时间只需1. 5min,合格率高达90%-95%,加工精度为正负0.02mm。此外，近年来，超声加工已经排解其通向微细加工领域的障碍。图5 14是日本 东京高校工业科学学院采纳超声加工方法，加工出的微小透平胜和玻璃上直径仅 9um的微孔。(2)切割加工超声精亲密割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，比用

9、金 刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点。例如, 超声切割高7mm、宽15-20mm的错晶片，可在3. 5min内切割出厚0.08mm的 薄片；超声切割单晶硅片一次可切割10-20片。再如，在陶瓷厚膜集成电路用的 元件中，加工8mm、厚0. 6mm的陶瓷片，Imin内可加工4片；在4Xlmm2的 陶瓷元件上，加工0. 03mm厚的陶瓷片振子，0. 5-lmin以内，可加工18片，尺寸精度可达正负0.02mm。(3)焊接加工超声焊接是采用超声频振动作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本体表面显露 出来，并在两个被焊工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热。亲和粘接在一 起

10、。其不仅可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化股的铝制品等，还可以在陶瓷 等非金属表面挂锡、挂银、涂覆薄层。由于超声焊接不需要外加热和焊剂，焊接 热影响区很小，施加压力微小，故可焊接直径或厚度很小的(0. 015-0.03)不 同金属材料，也可焊接塑料薄纤维及不规章外形的硬热塑料。目前，大规模集成 电路引线连接等，己广泛采纳超声焊接。(4)超声清洗加工主要用于几何外形简单、清洗质量要求高的中、小精密零件，特殊是工件上的探 小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗。采纳其他清洗方法，效 果差，甚至无法清洗，采纳超声清洗则效果好、生产率高。目前，在半导体和集 成电路元件、仪表仪器零件、电真空器

11、件、光学零件、精密机械零件、医疗器械、 放射性污染等的清洗中应用。一般认为，超声清洗是由于清洗液(水基清洗剂、氯化烽类溶剂、石油熔剂等应 超声波作用下产生空化效应的结果。空化效应产生的剧烈冲击波，直接作用到被 清洗部位上的污物等，并使之脱落下来；空化作用产生的空化气泡渗透到污物与 被清洗部位表面之间，促使污物脱落；在污物被清洗液溶解的状况下，空化效应 可加速溶解过程。超声清洗时，应合理选择工作频率和声压强度，以产生良好的空化效应，提高清 洗效果。此外，清洗液的温度不行过高，以防空化效应的减弱，影响清洗效果。超音波的熔焊应用方法一、熔接法：以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合

12、面产生磨擦 热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采纳合适的工件和合理的接口设计, 可达到水密及气密，并免除采纳帮助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。 二、钾焊法：将超音波超高频率振动的焊头，压着塑胶品突出的梢头，使其瞬间发热融成 为钾钉外形，使不同材质的材料机械钾合在一起。三、埋植：藉着焊头之传道及适当之压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预 留入塑胶孔内，固定在肯定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成 型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。四、成型：本方法与钾焊法类似，将凹状的焊头压着于塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频 振动后将塑胶溶融成形而包覆于金属物件使其固定

13、，且外观光滑美观、此方法多 使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。五、点焊：A1将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果, 可同时点焊多点。六、切割封口：运用超音波瞬间发振工作原理,对化纤织物进行切割，其优点切口光滑不开裂、 不拉丝。超声波塑料焊接机当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动, 这种达到肯定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊 区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性 差，一时还不能准时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面

14、快速熔化， 加上肯定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒 钟，使其凝固成型，这样就形成一个结实的分子链，达到焊接的目的，焊接 强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅, 所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调整的，振幅 由换能器和变幅杆打算。这三个量相互用有个相宜值，能量超过相宜值时， 塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也 不能达大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。 二、超声波塑料焊接的方法熔接法超声波振动随焊头将超声波传导至焊件，由于两焊件处声阻大，因此 产生局部高温，使

15、焊件交界面熔化。在肯定压力下，使两焊件达到美观、快 速、结实的熔接效果。2、埋插法螺母或其它金属欲插入塑料工件。首先将超声波传至金属，经高 速振动，使金属物直接埋入成型塑胶内，同时将塑胶熔化，其固化后完成埋 插。3、钟接法欲将金属和塑料或两块性质不同的塑料接合起来，可采用超声波 钟接法，使焊件不易脆化、美观、结实。4、点焊法采用小型焊头将两件大型塑料制品分点焊接，或整排齿状的焊 头直接压于两件塑料工件上，从而达到点焊的效果。5、成型法采用超声波将塑料工件瞬间熔化成型，当塑料凝固时可使金属 或其它材质的塑料坚固。6、切除法采用焊头及底座的特殊设计方式，当塑料工件刚射出时，直接 压于塑料的枝干上，

16、通过超声波传导达到切除的效果。三、起声波塑料焊接机的组成及其作用超声波塑料焊接机由气压传动系统、掌握系统、超声波发生器、换能器及 工具头和机械装置等组成。1、气动传动系统工作时首先由空压机驱动冲程气缸，以带动超声换能器振动系统上下移 动，动力气压在中小功率的超声波焊接中气压依据焊接需要调定。2、掌握系统主要功能是：一是掌握气压传动系统工作，使其焊接时在定时掌握下打 开气路阀门，气缸加压使焊头下降，以肯定压力压住被焊物件，当焊接完后 保压一段时间，然后掌握系统将气路阀门换向，使焊头回升复位；二是掌握 超声波发生器工作时间，本系统使整个焊接过程实现自动化，操作时只启动 按钮产生一个触发脉冲，便能自

17、动地完在本次焊接全过程。整个掌握系统的 挨次是：电源启动一触发掌握信号气压传动系统，气缸加压焊头下降并压住 焊触发超声发生器工作，放射超声并保持肯定焊接时间去除超声放射连续保 持肯定压力时间退压，焊头回升焊接结束。3、超声波发生器1）功率较大的超声波塑料焊接机，发生器信号采纳锁相式频率自动跟踪 电路，使发生器输出的频率基本上与换能器谐振频率全都。2）功率在500W以上的超声波塑料焊接机所用发生器采纳自激式功率振荡 器，也具有肯定的频率跟踪力量。4、超声波塑料焊接机使用的声学系统1）换能器超声波塑料焊接机用的声学系统包括三个部分：1驱动部分2固定部分3工作部分。在以上三个组成部分中，驱动是核心，

18、一般采纳螺栓夹紧的纵向 振动换能器，其中半波长纵向振子与四分之一的波长纵向振子，半波长纵向 振与半波长聚能器相连接组成一个全波长塑料焊接换能器，而四分之一波长 纵向振子与四分之一波长聚能器相连，组成一个半波长换能器。2）工具头对不同的焊接对象需要有不同工具头，不管是近场焊接还是传输焊接，只 有半波长的工具头才能使焊接端面达到最大的振幅。工具头，有带振幅放大 的和不带振幅放大的两种，塑料焊接机用声学系统工具头，所用材料通常为 铝合金，其端面镀硬质合金，功率较大时也有用钛合金材料制成的，该材料 疲惫强度比铝合金高一倍多。结论：超声波加工应用范围极其广泛，能加工各种材料且能保证很高的加工 精度和较低的表面粗糙度，可以大大降低切削力，对加工设施的要求不高， 操作修理便利，设和与加工各种硬脆的材料，因而这种加工方法越来越得到 广泛的应用，提高了加工效率和加工精度，对于制造业的进展起到了很大的 推动作用。参考文献先进制造技术王隆太主编超声波加工超声波加工原理王强超声波加工新技术