特种加工第七章幻灯片.ppt

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1、特种加工第七章第1页，共69页，编辑于2022年，星期一第一节 超声加工的基本原理和特点一、超声波及其特性二、超声加工的基本原理三、超声加工的特点第2页，共69页，编辑于2022年，星期一一、超声波及其特性一、超声波及其特性1616000Hz 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中纵向（前进方向）传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。第3页，共69页，编辑于2022年，星期一超声波具有下列特性：1)超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的

2、传播方向的单位面积上的能量。第4页，共69页，编辑于2022年，星期一2)当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续的形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在临近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分解、破碎等效应。第5页，共69页，编辑于2022年，星期一3)超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的发射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗（密度与波速的乘积称为波阻抗），介质的波阻抗相差

3、愈大，超声波通过界面时的能量的反射率愈高。第6页，共69页，编辑于2022年，星期一4)超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。第7页，共69页，编辑于2022年，星期一第8页，共69页，编辑于2022年，星期一第9页，共69页，编辑于2022年，星期一二、超声加工的基本原理二、超声加工的基本原理超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种成型方法。超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。第10页，共69页，编辑于2022年，星期一第11页，共69页，编辑于2022年，星期一第12页，共69页，编辑

4、于2022年，星期一 所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。第13页，共69页，编辑于2022年，星期一超声加工是基于局部撞击作用，越是硬脆的材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。工具材料 45号钢第14页，共69页，编辑于2022年，星期一三、超声加工的特点三、超声加工的特

5、点三、超声加工的特点三、超声加工的特点1）适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工生产率较低。2）由于工具可用较软的材料，做成较复杂的形状，故不需要）由于工具可用较软的材料，做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方的结构比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。便。3 3）由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面

6、的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，可达Ra1Ra10.1um，加工精度可达，加工精度可达0.010.010.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。第15页，共69页，编辑于2022年，星期一第二节 超声加工设备及其组成部分一、超声发生器二、声学部件三、机床四、磨料工作液及其循环系统第16页，共69页，编辑于2022年，星期一超声加工设备组成如下：超声发生器（超声电源）超声振动系统 包括超声换能器、变幅杆（振幅扩大棒）、工具机床本体 包括工作头、加压机构及工作进给机构、工作台及其位置调整机构工作液及循环系统和换能器冷却系统 包括磨料悬浮液循环系

7、统、换能器冷却系统。第17页，共69页，编辑于2022年，星期一一、超声发生器一、超声发生器 超声发生器也称超声波或超声频发生器，其作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。其基本要求是：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。第18页，共69页，编辑于2022年，星期一第19页，共69页，编辑于2022年，星期一二、声学部件二、声学部件 声学部件的作用是把高频电能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅的振动以进行加工。声学部件由换能器、变幅杆（振

8、幅扩大棒）及工具组成。换能器的作用是将高频振荡转换成机械振动，目前实现这一目的可利用压电效应和磁致伸缩效应两种方法。第20页，共69页，编辑于2022年，星期一（一）压电效应超声波换能器（一）压电效应超声波换能器 石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸钡等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们两对面的介面上将产生一定的电荷，形成一定的电势；反之，在它们的两介面上加以一定的电压，则将产生一定的机械变形。这一效应称为“压电效应”。晶片厚度为声波半波长或整数倍。第21页，共69页，编辑于2022年，星期一第22页，共69页，编辑于2022年，星期一第23页，共69页，编辑于2022年，星期一（二）磁致伸缩效应超

9、声波换能器（二）磁致伸缩效应超声波换能器铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处的磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应。这种材料的棒杆在交变磁场中其长度将交变伸缩，其端面将交变振动。第24页，共69页，编辑于2022年，星期一第25页，共69页，编辑于2022年，星期一为了减少高频涡流损耗，超声波加工中常用纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器。第26页，共69页，编辑于2022年，星期一交流正弦波形会引发倍频现象倍频现象，使振动节奏模糊，共振长度变短，对结构和使用均不利。为避免倍频现象，常在换能器的交流励磁电路中引入一个直流电源，叠加一个直流分量，使之成为脉动直流励磁电流。或者并联一个直流励磁绕组，

10、加上一个恒定的直流磁场。第27页，共69页，编辑于2022年，星期一镍棒的长度也应等于超声波半波长或其整数倍，使之处于共振状态。第28页，共69页，编辑于2022年，星期一（三）变幅杆（振幅扩大棒）（三）变幅杆（振幅扩大棒）压电或磁致伸缩的变形量是很小的（在共振条件下不超过0.0050.01mm），而超声波加工需0.010.1mm的振幅，因此必须通过一个上粗下细的棒杆将振幅加以扩大，此杆称为振幅扩大棒或变幅杆。第29页，共69页，编辑于2022年，星期一第30页，共69页，编辑于2022年，星期一变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一截面的振动能量是不变的，截面小的地方能量密度大，能量密度

11、J正比于振幅A的平方，第31页，共69页，编辑于2022年，星期一 为了获得较大的振幅，也应使变幅杆的固有频率和外激振动频率相等，处于共振状态。为此，应使变幅杆的长度L等于超声波振动的半波长或其整数倍。第32页，共69页，编辑于2022年，星期一 超声波在金属棒内主要以纵波形式传播，引起杆内各点沿波的前进方向按正弦规律在原地作往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超声振动。工具端面的第33页，共69页，编辑于2022年，星期一（四）工具（四）工具超声波的机械振动经变幅杆放大后即传给工具、使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状

12、和尺寸，它们相差一个“加工间隙”（稍大于平均的磨粒直径）。第34页，共69页，编辑于2022年，星期一当加工面积较小时一体 焊接 螺纹 半个波长 共振条件联结部分接触紧密 螺纹联结出土仪凡士林铀，绝不可存在空气间隙。换能器、扩大棒或整个声学头应选择在振动为零的“波节点”，夹固支撑在机床上。第35页，共69页，编辑于2022年，星期一第36页，共69页，编辑于2022年，星期一三、机床三、机床第37页，共69页，编辑于2022年，星期一第38页，共69页，编辑于2022年，星期一四、磨料工作液及其循环系统四、磨料工作液及其循环系统 抬起工具人工浇注 小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙中 对

13、于较深的加工表面，定时抬起工具以利于磨料的更换和补充 工作液：水、煤油或机油 磨料：碳化硼、碳化硅、氧化铝 粒度第39页，共69页，编辑于2022年，星期一第三节 超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素一、加工速度及其影响因素二、加工精度及其影响因素三、表面质量及其影响因素第40页，共69页，编辑于2022年，星期一一、加工速度及其影响因素一、加工速度及其影响因素加工速度是指单位时间内去除材料的多少，单位通常以g/min或mm3/min表示。1.工具的振幅和频率的影响工具的振幅和频率的影响 共振频率2.进给压力的影响进给压力的影响3.磨料的种类和粒度的影响磨料的种类和粒度的影响 加工金刚石和

14、宝石采用金刚石磨料 加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料采用碳化硼磨料，加工硬度不太高的脆性材料采用碳化硅，加工玻璃、石英、半导体时采用刚玉（氧化铝）磨料。4.磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液浓度的影响5.被加工材料的影响被加工材料的影响第41页，共69页，编辑于2022年，星期一二、加工精度及其影响因素二、加工精度及其影响因素超声加工的精度，除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质有关。对于加工圆形孔，其形状误差主要有椭圆度和锥度。椭圆度大小与工具横向振动大小和工具沿圆周磨损不均匀有关。锥度大小与工具磨损量有关。如果采用工具或工

15、件旋转的方法，可以提高孔的圆度和生产率。第42页，共69页，编辑于2022年，星期一第43页，共69页，编辑于2022年，星期一三、表面质量及其影响因素三、表面质量及其影响因素超声加工具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。超声加工的表面粗糙度也较好，一般可在Ra10.1um之间，取决于每粒磨粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨料颗粒的直径，被加工材料的性质，超声振动的振幅以及磨料悬浮工作液的成分有关。表面粗糙度 生产率 煤油 润滑油第44页，共69页，编辑于2022年，星期一第四节 超声加工的应用一、型孔、型腔加工二、切割加工三、复合加工四、超声清洗第45页，共69页，编辑于

16、2022年，星期一一、型孔、型腔加工一、型孔、型腔加工 硬脆材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔第46页，共69页，编辑于2022年，星期一第47页，共69页，编辑于2022年，星期一二、切割加工二、切割加工第48页，共69页，编辑于2022年，星期一第49页，共69页，编辑于2022年，星期一第50页，共69页，编辑于2022年，星期一三、复合加工三、复合加工在超声加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时，加工速度较低，工具损耗较大。为了提高加工速度及降低工具损耗，可以把超声加工和其它加工方法相结合进行复合加工。例如采用超声与电化学或电火花相结合的方法来加工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，可以

17、大大提高加工速度和质量。第51页，共69页，编辑于2022年，星期一1.超声电解复合加工超声电解复合加工 加工小孔和深孔第52页，共69页，编辑于2022年，星期一2.超声电火花复合加工超声电火花复合加工 加工小孔、窄缝及精微异型孔第53页，共69页，编辑于2022年，星期一3.超声抛光及电解超声复合抛光超声抛光及电解超声复合抛光超声振动还可用于研磨抛光电火花或电解加工之后的模具表面、拉丝模小孔等。超声研磨抛光时，工具与工件之间最好有相对转动或往复运动。在光整加工中，利用导电油石或镶嵌金刚石颗粒的导电工具，对工件表面进行电解超声复合抛光加工，更有利于改善表面粗糙度。第54页，共69页，编辑于2

18、022年，星期一第55页，共69页，编辑于2022年，星期一第56页，共69页，编辑于2022年，星期一 在切削中引入超声振动（如在对耐热钢、不锈钢等硬韧材料进行车削、钻孔、攻螺纹时），可以降低切削力，改善表面粗糙度，延长刀具寿命和提高加工速度等。第57页，共69页，编辑于2022年，星期一第58页，共69页，编辑于2022年，星期一第59页，共69页，编辑于2022年，星期一第60页，共69页，编辑于2022年，星期一第61页，共69页，编辑于2022年，星期一第62页，共69页，编辑于2022年，星期一第63页，共69页，编辑于2022年，星期一四、超声清洗四、超声清洗超声清洗的原理主要是

19、基于超声频振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。窄缝、细小深孔、弯孔中的污物，用于对喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮和零件，手表整体机芯，印制电路板、集成电路微电子器件的清洗，可获得很高的净化度。第64页，共69页，编辑于2022年，星期一 清洗液变脏 超声气相清洗 沸点低、不易燃、化学性质稳定的有机溶剂 三氯乙烯、三氯乙烷 氟氢化物第65页，共69页，编辑于2022年，星期一 一定频率和一定振幅的超声波引入液体，还能使半固体颗粒粉碎细化，起乳化作用。也能使乳化液分层。这些跟超声波的频率、振幅和功率有关。第66页，共69页，编辑于2022年，星期一第67页，共69页，编辑于2022年，星期

20、一1.超声波的特性有哪些？超声换能器有哪两种？答：超声波主要具有下列特性：（1）超声波能传递很强的能量。（2）当超声波经过液体介质传播时，能产生液压冲击和空化现象。（3）超声波通过不同介质时，在介面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。（4）超声波在一定条件下，汇产生波的干涉和共振现象。超声换能器主要包括压电效应超声波换能器和磁致伸缩效应超声波换能器。第68页，共69页，编辑于2022年，星期一2.2.什么频率范围内的波称为超声波？超声加工系统中，超什么频率范围内的波称为超声波？超声加工系统中，超声振动系统主要有哪几部分组成？超声频电振荡是如何声振动系统主要有哪几部分组成？超声频电振荡是如何转换为机械振动的？超声加工系统中变幅杆的作用是什转换为机械振动的？超声加工系统中变幅杆的作用是什么？么？振动频率超过振动频率超过16000Hz，超出一般人耳听觉范围的波，称，超出一般人耳听觉范围的波，称为超声波。为超声波。超声加工系统中，超声振动系统主要有换能器、变幅杆超声加工系统中，超声振动系统主要有换能器、变幅杆和工具三部分组成。和工具三部分组成。超声频电振荡是通过换能器转换为机械振动的。超声频电振荡是通过换能器转换为机械振动的。超声振动中变幅杆的主要作用是改变振动的振幅。第69页，共69页，编辑于2022年，星期一