超声加工学习.pptx
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1、11、声波类型、声波类型2.1 超声波及其特性超声波及其特性q振动在弹性介质内的传播称为波动振动在弹性介质内的传播称为波动,简称简称波波。波。波动的物理实质是能量的传递过程。动的物理实质是能量的传递过程。p可闻声波:可闻声波:频率在频率在16160000 Hz之间的声波。之间的声波。p次声波:次声波:频率低于频率低于16 Hz的声波。的声波。p超声波:超声波:频率高于频率高于16000 Hz的声波。的声波。p特超声波:特超声波:频率高于频率高于1010 Hz的声波。的声波。2.1 超声波及其特性超声波及其特性第第1页页/共共47页页2声波的频率界限图声波的频率界限图2.1 超声波及其特性超声波
2、及其特性声波声波超声波超声波次声波次声波特超声波特超声波第第2页页/共共47页页32、超声波的基本特性、超声波的基本特性(1 1)超声波与声波一样,在气体、液体和固体等)超声波与声波一样,在气体、液体和固体等)超声波与声波一样,在气体、液体和固体等)超声波与声波一样,在气体、液体和固体等不同弹性介质不同弹性介质不同弹性介质不同弹性介质中传播时,其传播速度不同。中传播时,其传播速度不同。中传播时,其传播速度不同。中传播时,其传播速度不同。(2 2)超声波能传递很强的能量,它对其)超声波能传递很强的能量,它对其)超声波能传递很强的能量,它对其)超声波能传递很强的能量,它对其传播方向上的障碍物施传播
3、方向上的障碍物施传播方向上的障碍物施传播方向上的障碍物施加压力(声压)。加压力(声压)。加压力(声压)。加压力(声压)。超声波是一种纵波,其振动能量的强弱可用超声波是一种纵波,其振动能量的强弱可用超声波是一种纵波,其振动能量的强弱可用超声波是一种纵波,其振动能量的强弱可用能量密度来衡量能量密度来衡量能量密度来衡量能量密度来衡量,其能量密度可达其能量密度可达其能量密度可达其能量密度可达100W/cm100W/cm2 2 以上。以上。以上。以上。(3 3)超声波在液体介质中传播时,可)超声波在液体介质中传播时,可)超声波在液体介质中传播时,可)超声波在液体介质中传播时,可在界面上产生强烈的冲击在界
4、面上产生强烈的冲击在界面上产生强烈的冲击在界面上产生强烈的冲击和空化作用和空化作用和空化作用和空化作用,强化加工过程的进行。,强化加工过程的进行。,强化加工过程的进行。,强化加工过程的进行。(4 4)超声波会)超声波会)超声波会)超声波会产生反射、干涉和共振现象,产生反射、干涉和共振现象,产生反射、干涉和共振现象,产生反射、干涉和共振现象,出现波的叠加作用,出现波的叠加作用,出现波的叠加作用,出现波的叠加作用,从而获得更大的加工能量。从而获得更大的加工能量。从而获得更大的加工能量。从而获得更大的加工能量。2.1 超声波及其特性超声波及其特性第第3页页/共共47页页47.2 超声波加工的原理与特
5、点超声波加工的原理与特点 1、超超声声波波加加工工的的基本原理基本原理 超超声声波波加加工工是是利利用用超超声声波波作作动动力力,推推动动磨磨料料以以极极高高的的速速度度冲冲击击工工件件表表面面,工工件件材材料料在在磨磨料料打打击击下下被被破坏、脱落。破坏、脱落。2.2 超声波加工的原理与特点超声波加工的原理与特点 第第4页页/共共47页页5p超声发生器将交流电转变为超声电振荡;超声发生器将交流电转变为超声电振荡;p换能器将电振荡转变为机械振动;换能器将电振荡转变为机械振动;p变变幅幅杆杆将将振振幅幅放放大大至至0.050.1mm,驱驱动动工工具作超声振动。具作超声振动。p工工具具推推动动磨磨
6、料料高高速速撞撞击击、抛抛磨磨工工件件,击击碎碎工工件表面材料,并使之去除;件表面材料,并使之去除;p工工作作液液产产生生的的液液压压冲冲击击波波和和空空化化作作用用加加快快了了表面材料的裂纹扩展和破坏。表面材料的裂纹扩展和破坏。p超超声声波波加加工工是是机机械械撞撞击击、抛抛磨磨、空空化化作作用用的的综合结果。其中撞击起主要作用。综合结果。其中撞击起主要作用。超声波空化作用:超声波空化作用:指存在于液体中的微小气泡,在声波的作用下振动,当声指存在于液体中的微小气泡,在声波的作用下振动,当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。
7、空化作用一般包括3个阶段:个阶段:空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。2.2 超声波加工的原理与特点超声波加工的原理与特点 第第5页页/共共47页页6 2、超声波加工的特点、超声波加工的特点(1)适合加工各种硬脆材料,适合加工各种硬脆材料,特别是不导电的非金属材料,特别是不导电的非金属材料,例如玻璃、陶瓷、石英、宝石、金刚石等。例如玻璃、陶瓷、石英、宝石、金刚石等。(2)工具工具可用较软的材料做可用较软的材料做较复杂的形状。较复杂的形状。(3)工具与工件相对运动简单,使)工具与工件相对运动简单,使机床结构简单机床结构简单。(4)切削力小、切削热少,不会引起变形及烧伤
8、,)切削力小、切削热少,不会引起变形及烧伤,加工精加工精度与表面质量也较好。度与表面质量也较好。(5)超声波加工的面积较小,工具头磨损较大,因此,)超声波加工的面积较小,工具头磨损较大,因此,生生产率低。产率低。2.2 超声波加工的原理与特点超声波加工的原理与特点 第第6页页/共共47页页77.3 超声波加工设备超声波加工设备 超超声声波波加加工工设设备备又又称称超超声声波波加加工工装装置置,尽尽管管不不同同功功率率大大小小、不不同同公公司司生生产产的的超超声声波波加加工工设设备备在在结结构构形形式上各不相同,但其组成部分基本相同。式上各不相同,但其组成部分基本相同。超超声声波波加加工工装装置
9、置一一般般都都由由超超声声发发生生器器、超超声声振振动动系系统统(声声学学部部件件)、机机床床本本体体和和磨磨料料工工作作液液循循环环系系统统等部分组成。等部分组成。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第7页页/共共47页页8超声波加工装置2.3 超声波加工设备超声波加工设备1-冷却器2-磨料悬浮液抽出3-工具4-工件5-磨料悬浮液送入6-变幅杆7-换能器8-超声波发生器第第8页页/共共47页页9 1、超声发生器、超声发生器 p作作用用:将将工工频频交交流流电电转转变变为为具具有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频电振荡。频电振荡。p要求:要求:输出的功率和频率在一定范围内连续可调。输出
10、的功率和频率在一定范围内连续可调。图7-3 超声发生器的组成方图 2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第9页页/共共47页页102、声学部件、声学部件 p作作用用:将将超超声声波波发发生生器器输输出出的的高高频频率率电电能能转转变变为为机机械械振振动动能能,并并通通过过变变幅幅杆杆使使工工具具端端面面作作高高频频率率、小小振振幅幅振振动动以进行超声加工。以进行超声加工。p组成:组成:换能器、变幅杆和工具。换能器、变幅杆和工具。(1)换能器)换能器作用:作用:将超声频将超声频电振荡电振荡电振荡电振荡信号转换为超声频信号转换为超声频机械振动。机械振动。机械振动。机械振动。分类:分类:压电式换能器
11、(利用压电效应制成)压电式换能器(利用压电效应制成)压电式换能器(利用压电效应制成)压电式换能器(利用压电效应制成)磁致伸缩式换能器(磁致伸缩式换能器(磁致伸缩式换能器(磁致伸缩式换能器(利用利用磁致伸缩效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应制成制成)2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第10页页/共共47页页11压电效应压电效应 石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体、钛钛钛钛酸酸酸酸钡钡钡钡(BaTiO3BaTiO3)陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷、锆锆锆锆钛钛钛钛酸酸酸酸铅铅铅铅(ZrPbTiO3ZrPbTiO3)压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷等等等等物物物物质质质质受受受受外外外外力力力力变变变变形
12、形形形时时时时,在在在在界界界界面面面面上产生电势;或者相反的情况上产生电势;或者相反的情况上产生电势;或者相反的情况上产生电势;或者相反的情况 。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第11页页/共共47页页12磁致伸缩效应磁致伸缩效应 铁铁铁铁、钴钴钴钴、镍镍镍镍及及及及其其其其合合合合金金金金的的的的长长长长度度度度能能能能随随随随其其其其所所所所处处处处的的的的磁磁磁磁场场场场强强强强度度度度的变化而伸缩的变化而伸缩的变化而伸缩的变化而伸缩的现象。的现象。的现象。的现象。较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率。较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率。较压电式换能器有较高的机械强度和
13、输出功率。较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第12页页/共共47页页13(2)变幅杆)变幅杆p作作用用:将将换换能能器器获获得得的的超超声声振振动动振振幅幅加加以以扩扩大大,以以达到加工所需的振幅。达到加工所需的振幅。p分类分类:锥锥形形-扩扩大大比比较较小小(5-10倍),易制造。倍),易制造。指指 数数 形形-扩扩 大大 比比 中中 等等(1020倍),难制造。倍),难制造。阶阶梯梯形形-扩扩大大比比大大(20倍以上),易制造。倍以上),易制造。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第13页页/共共47页页14扩大振幅的原因扩大振幅的原因pp通
14、过变幅杆任一截面的振动能量不变(传播损耗不记)通过变幅杆任一截面的振动能量不变(传播损耗不记)通过变幅杆任一截面的振动能量不变(传播损耗不记)通过变幅杆任一截面的振动能量不变(传播损耗不记);pp截面越小,能量密度越大截面越小,能量密度越大截面越小,能量密度越大截面越小,能量密度越大 ,振动振幅也就越大,振动振幅也就越大,振动振幅也就越大,振动振幅也就越大;pp能量密度与振幅的平方成正比。能量密度与振幅的平方成正比。能量密度与振幅的平方成正比。能量密度与振幅的平方成正比。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第14页页/共共47页页15(3)工具)工具p作作用用:推推动动磨磨料料和和悬悬浮浮液
15、液冲冲击击工工件件表表面面,加加工工出出形形状和尺寸。状和尺寸。p形形状状和和尺尺寸寸:取取决决于于被被加加工工表表面面的的形形状状和和尺尺寸寸,它它们相差一个们相差一个“加工间隙加工间隙”。p材料材料 :4545钢、碳素工具钢钢、碳素工具钢钢、碳素工具钢钢、碳素工具钢一般硬脆材料;一般硬脆材料;硬质合金、淬火钢硬质合金、淬火钢硬质合金、淬火钢硬质合金、淬火钢加工精度高;加工精度高;金刚石镀覆金刚石镀覆金刚石镀覆金刚石镀覆特殊要求。特殊要求。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第15页页/共共47页页163、机床、机床1工作台;工作台;2工具;工具;3变幅杆;变幅杆;4换能器;换能器;5标尺
16、;标尺;6导轨;导轨;7支架;支架;8平衡重锤平衡重锤2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第16页页/共共47页页176、磨料工作液及其循环系统、磨料工作液及其循环系统(1)工作液)工作液常用、效果较好常用、效果较好水水表面质量要求高表面质量要求高煤油或机油煤油或机油(2)磨料)磨料碳化硼、碳化硅或氧化铝碳化硼、碳化硅或氧化铝生产率要求高生产率要求高颗粒大颗粒大加工精度、表面质量要求高加工精度、表面质量要求高颗粒小颗粒小(3)循环系统循环系统小型加工设备小型加工设备人工浇注、定期更换人工浇注、定期更换大型加工设备大型加工设备流量泵自动供给流量泵自动供给工具、变幅杆尺寸较大工具、变幅杆尺寸较大
17、在其中开孔,由孔内抽吸。在其中开孔,由孔内抽吸。2.3 超声波加工设备超声波加工设备第第17页页/共共47页页187.4 超声波加工的工艺规律超声波加工的工艺规律一、加速度及其影响因素一、加速度及其影响因素p定定义义:加加工工速速度度指指单单位位时时间间内内去去除除材材料料的的多多少少,以以mm3/min或或g/min为单位来表示。为单位来表示。p影影响响加加工工速速度度的的因因素素:主主要要有有工工具具的的振振幅幅和和频频率率、进进给给压压力力、磨磨料料的的种种类类和和粒粒度度、被被加加工工材材料料、磨磨料料悬浮液的浓度。悬浮液的浓度。2.4 超声波加工的工艺规律超声波加工的工艺规律第第18
18、页页/共共47页页191、工具振幅和频率的影响、工具振幅和频率的影响p过过大大的的振振幅幅和和过过高高的的频频率率会会使使工工具具和和变变幅幅杆杆承承受受很很大大的的内内应应力力,振振幅幅一一般般在在0.010.1mm之之间间,频频率率在在1600025000Hz之间。之间。p在在实实际际加加工工中中需需根根据据不不同同工工具具调调至至共共振振频频率率,以以获获得最大振幅,从而达到较高的加工速度。得最大振幅,从而达到较高的加工速度。2.4 超声波加工的工艺规律超声波加工的工艺规律第第19页页/共共47页页202、进给压力的影响、进给压力的影响p加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。加工时工具
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