第七章超声加工

第七章超声加工1第七章超声加工人耳能感受的声波频率在16—16000Hz范围内，声波频率超过16000Hz被称为超声波。超声波加工(ultrasonicMachining)是近几十年发展起来的一种加工方法，它弥补了电火花加工和电化学加工的不足。第七章超声加工2电火花加工和电化学加工一般只能加工导电材料，不能加工不导电的非金属材料。而超声波加工不仅能加工脆硬金属树料，而且更适合于加工不导电的脆硬非金屑材料．如玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等。同时超声波还可用于清洗、焊接和探伤等。第七章超声加工37.1超声波加工的基本原理和特点一、超声波及其特性超声波波长l，频率f和传播速度c之间关系为l=c/f第七章超声加工4超声波主要性质：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，产生液压冲击和空化现象。3）超声波通过不同介质时，产生波的反射和折射现象。4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。第七章超声加工5图7-1中，当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。在杆内存在周期相同、振幅相同、方向相反的两个波，产生干涉。图中x为弹性杆件任意点b距超声波入射端的距离。第七章超声加工6第七章超声加工7为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，应将弹性杆设计成半波长的整数倍；固定弹性杆的支持点，应该选在振动过程中的波节处，不振动。第七章超声加工8超声波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波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。二、超声波加工的基本原理第七章超声加工9三、超声波加工的特点1)适合于加工各种脆硬材料。既然超声波加工是基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏越大，愈适宜超声波加工。例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛蹈、宝石、金刚石等材料，比较适宜超声波加工。相反，脆性和硬度不大却具有韧性的材料，由于具有缓冲作用而难以采用超声波加工。因此，选择工具材料时，应选择既能撞击磨粒，又不使自身受到很大破坏的材料，例如不淬火的45钢等。第七章超声加工102)由于工具材料校软，易制成复杂的形状，工具和工件又无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构简单。但若需要加工较大而复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计和制造三坐标数控超声波加工机床。3)由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面租糙度Ra值可达1．0—0.1um，加工精度可达0.01—0．02mm，并可加工细小结构和低刚度的工件。第七章超声加工117.2超声加工设备及其组成部分超声波加工设备一般包括超声波发生器、超声波振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。超声发生器：超声电源超声振动系统：超声换能器、变幅杆和工具机床本体：工作头、加压机构和进给机构、工作台及位置调整机构工作液及循环系统和换能器冷却系统：磨料悬浮循环系统、换能器冷却系统。第七章超声加工12一、超声波发生器作用：将50Hz工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面控复振动和去除被加工材料的能量。基本要求：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。此外还要求结构简单、工作可靠、价格便宜和体积小等。第七章超声加工13第七章超声加工14二、声学部件作用：是把超声频电振荡转变为机械振动，使工具端面获得高频率及一定振幅的振动。它是超声波加工机床中最重要的部分，由换能器、振幅扩大器和工具组成。换能器的作用是把高频电能转变为机械能，目前实现这种能量转换常采用压电效应和磁致伸缩效应。第七章超声加工15（一）压电效应超声波换能器利用压电效应工作。在压电材料上加上16000Hz以上的交变电压，压电材料产生高频伸缩变形，使周围介质做超声振动。第七章超声加工16（二、）磁致伸缩效应超声波换能器基于磁致伸缩效应工作。铁和钴在磁场中伸长，磁场消失后又恢复原有尺寸。材料在交变磁场中长度交变伸缩，其端面将交变振动。第七章超声加工17（三）、变幅杆（振幅扩大棒）压电或磁致伸缩的变形量很小(即使在共振条件下振幅也不超过0.05--0.01mm)，不足以直接用于加工。超声波加工需0.01——0.1mm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，此棒杆称为振幅扩大棒，亦称变幅杆，如图。第七章超声加工18变幅杆能扩大振幅，是由于通过它每个截面的振动能量是不变的(赂去传播损耗)，截面小的地方能量密度大，振幅也大。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。为此，在设计、制造变幅扦时，应使其长度L等于超声振动的半波长或整倍数。第七章超声加工19由于固由此，可知超声波在钢铁中的传播的波长为0.31~0.2m，对应钢扩大棒长度一般为半波长100mm至160mm之间。第七章超声加工20振幅扩大棒可制成锥形的、指数形的或阶梯形的等。锥形的“振幅放大比”较小，(5一l0倍)，但易于制造。指数形的放大比中等(10一20倍)，使用中性能稳定，但不易制造；阶梯形的放大比较大(20倍以上)，也容易制造，但当它受到负载阻力时振幅易减小，性能不稳定，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而导致疲劳断裂，为此须加过渡圆弧。实际生产中，加工小孔、深孔常用指数形变幅扦：阶梯形变幅杆因设计、制造容易，也常被采用。第七章超声加工21（四）工具超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，工具端面推动磨粒和工作液以一定的能量撞击工件。工具的形状和尺寸由被加工表面的形状和尺寸决定，它们相差一个“加工间隙”(稍大于平均的磨粒直径)工具和振幅扩大棒可做成一个整体，亦可特工具用焊接或螺纹连接等方法固定在振幅扩大棒下端。第七章超声加工22当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但当工具较重时，会减小共振频率，故工具较长时，应对扩大棒进行修正，使其满足半个波长的共振条件。超声波振动系统所有的连接部分应接触紧密，否则超声波传递过程中将损失很大能量。为此在螺纹连接处应涂以凡士林油，避免空气间隙的存在，因为超声波通过空气时很快衰减。第七章超声加工23三、机床本体普通超声波加工机床的结构比较简单，包括支撑超声波振动系统的机架、安装工件的工作台、使工具以一定压力作用在工件上的进给机构以及机身等部分。第七章超声加工24四、磨料工作液及其循环系统简单的超声波加工装置，磨料要靠人工输送和更换，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注堆积在加工区域，加工过程中需要定时反向拾起工具以补充和更新磨料。较复杂的超声波加工机床则利用小型离心泵将磨料悬浮液搅拌后注人加工间隙。对于较深的加工表面，需要经常将工具定时拾起以利磨料的更换和补充。第七章超声加工25磨料悬浮液中的液体最常用的是水，为了提高表面质量，也可用煤油或机油。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等，其粒度大小需根据生产率和精度要求选定，颗粒大的生产率高．但加工精度及表面粗糙度较差。第七章超声加工267.3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加工速度是指单位时间内去除的材料量，单位通常以g／min或mm3／min表示。加工玻璃的最大速度可达2000—4000mm3／min。第七章超声加工27影响加工速度的主要因素有工具振动频率、振幅、工具作用在工件上的静压力、磨料种类和粒度、磨料悬浮液浓度、供给及循环分式、工具与工件材料、加工面积和加工深度等。第七章超声加工281工具振幅和频率的影响采用大的振幅和高的频率可以获得大的加工能量。但过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，甚至超过其疲劳强度而降低使用寿命，而且在连接处的损耗也增大。第七章超声加工292进给压力的影响在加工时，应使工具对工件保持一个合适的进给压力。压力过小，则工具末端与工件加工表面之间的间隙增大，减小了磨料对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会使工具与工件加工表面之间间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新．都会导致生产率下降。在通常情况下，当加工面积小时，可使单位面积最佳静压力较大，反之则较小。第七章超声加工303磨料种类和粒度的影响磨料硬度愈高，加工速度愈快。通常加工金刚石和宝石等高硬材料时，必须用金刚石磨料；加工硬质合金、淬火钢等材料时，宜采用硬度较高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬材料时，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石英、半导体等材料时．用氧化铝作磨料即可。另外，磨料粒度愈粗．加工速度愈快，精度和表面粗糙度则愈差。第七章超声加工314磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液中磨料浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工而积和深度较大时可能造成加工区局部无磨料的现象，使加工速度大大下降。随着悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加。但浓度太高时，磨料在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的重量比约0.5~1左右。第七章超声加工325工件材料的影响材料愈脆，则承受冲击裁荷的能力愈低，愈容易加工；反之韧性较好的材料则不易加工。如以玻璃的可加工性为l00%，则锗、硅半导体单晶为200%—250%，石英为50%，硬质合金为2%—3%，淬火钢为1%，不淬火钢小于1%。第七章超声加工33二、加工精度及其影响因素超声波加工的精度，除受机床、夹具精度影响之外．主要与磨料粒度、工具精度及其磨损程度、工具在横向振动的大小、加工深度、被加工材料性质等因素有关。第七章超声加工34孔加工范围在通常加工速度下，孔径范围为0.1~90mm，深度可达直径10~20倍以上。第七章超声加工35加工孔的尺寸精度当工具尺寸一定时，加工孔的尺寸比工具尺寸有所扩大。第七章超声加工36对于加工圆形孔，性质误差主要有椭圆度和锥度。椭圆度大小和工具横向振动大小和工具沿圆周磨损不均匀有关。锥度大小和工具磨损有关。采用工具或工件旋转的方法可以提高孔的圆度和生产率。第七章超声加工37三、表面质量及其影响因素超声波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。超声波加工的表面随糙度值也较小，一般可达Ra＝l—0.1um。超声波加工的表面粗糙度取决于每颗磨粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒的直径、被加工材料的性质、超声波振动的振幅以及磨料悬浮工作液的成分等有关。第七章超声加工38当磨粒尺寸较小、工件材料较硬、超声波振幅较小时，加工表面粗糙度Ra值较小，但生产率也随之降低。磨料悬浮工作液体的性质对表面随糙度的影响比较复杂。实践表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。第七章超声加工397.4超声波加工的应用1型孔、型腔加工超声波加工日前在工业部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料和微细孔等。第七章超声加工402切割加工用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难．采用超声波切割则较为有效。图7-13为用超声波加工切割单晶硅片示意图。用锡焊或铜好将工具(薄钢片或磷青铜片)焊接在变幅杆的端部。加工时喷注磨料悬浮液，一次可以割10—20片。第七章超声加工41图7-14所示为成批切块刀具，采用多刃刀具。第七章超声加工423复合加工利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料时，存在加工速度低，工具损耗大等问题。为了提高加工速度，降低工具损耗，可以把超声波加工与其它加工方法结合起来，这就是所谓的复合加工。第七章超声加工43图7-16为超声波电解复合加工小孔和深孔的示意图。工件5接直流电源6的正极，工具3(钢丝、钨丝或铜丝)接负极，在工件与工具间加6一18v的直流电压，采用20%浓度的硝酸钠等钝化性电解液混加磨料作为电解液。第七章超声加工44超声电火花复合加工超声抛光及电解超声复合抛光超声波磨削切割金刚石第七章超声加工454超声波清洗基于超声波振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用工作。第七章超声加工465超声波焊接超声波焊接原理是利用超声频振动作用去除工件表面的氧化膜，暴露出新的本体表面，通过两个工件表面在一定压力下相互剧烈摩擦、发热面亲和粘接在一起。它不仅可以焊接尼龙、塑料以及表面易生成氧化膜