第七章 超声加工

第7章超声加工7.1超声加工的基本原理和特点一、超声波及其特性超声波的频率范围超声波16kHz16Hz次声波可听声波0100020003000400050006000传递速度（m/s）超声波为纵波，可在各种介质中传播–传递速度•c=λf，λ-波长，f-频率不同介质中传播速度不同：c空气=331m/s，c水=1430m/s，c铁=5850m/s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=ρc(ωA)2/2ω=2πf(rad/s)A—振幅（mm）ρ—介质的密度固体、液体的ρ和c大→J大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＞16kHz通过不同介质时，波速突变–折射–反射•介质的波阻抗ρc之差越大，反射率越大•连接面间加入凡士林或机油固体(液体)空气反射率≈100%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)(2sinxTtAa入TxAaaa2sin2cos2反入合合成波)(2sinxTtAa反共振的条件：杆长为半波长的整数倍，L=kλ/2波节M点处：不振动ABM二、超声加工的基本原理•加工原理–冲击(为主)–抛磨•磨料冲击工件表面–空化作用•工作液进入裂缝•加快磨料更新速度•有助于排屑三、超声加工的特点适合加工各种硬脆材料加工质量高，尺寸精度0.01~0.02mm，Ra0.63~0.08μm，无残余应力宏观切削力小，切削热小，适合加工薄壁、窄缝、低刚度件可加工复杂型面及型腔加工效率低工具有损耗7.2超声加工设备及其组成部分•超声波发生器•超声振动系统–超声换能器–变幅杆–工具•机床本体•辅助系统–磨料悬浮液循环系统–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1235467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换能器超声振动系统超声换能器–作用•高频电振荡→机械能•换能器长度=kλ/2–种类•压电效应式•磁致伸缩式•压电效应式–石英晶体、钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(ZrPbTiO3)–伸缩量小(石英晶体：3kV时，0.01μm)–用于小功率超声加工•磁致伸缩式–铁磁体(Fe、Co、Ni)、铁氧体–有高频涡流损失→片状叠加–“双频现象”•交流正弦波→脉动直流励磁电流变幅杆•作用：放大振幅•振幅放大原理–J=ρc(ωA)2/2–振幅A=(2J/K)1/2其中，K=ρcω2S1S2J1×S1=J2×S2A=0.005~0.01mm→A=0.01~0.1mm变幅杆的形式(5~10倍)(10~20倍)(＞20倍)加工工具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“驻波节点”处机床1－工作台；2－工具；3－变幅杆；4－换能器；5－标尺；6－导轨；7－支架；8－平衡重锤超声加工机床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7.3超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素•影响加工速度的因素–工具的振幅和频率–进给压力–磨料的硬度和粒度–磨料悬浮液的浓度–工件和工具材料超声加工精度和表面质量•孔加工范围–Φ0.1~90mm，深径比＞20•孔加工精度–0.05~0.02mm•表面粗糙度–Ra1~0.08µm7.4超声波的应用技术•超声切割加工•型孔、型腔加工•超声振动切削•超声清洗•超声波测距•超声波探伤•超声雾化1超声切割加工123454321(a)超声切割单晶硅片示意图1—变幅杆；2—工具(薄钢片)；3—磨料液；4—工件(单晶硅)(b)刀具1—变幅杆；2—焊缝；3—铆钉；4—导向片；5—软钢刀片(c)切割成的陶瓷模块2型孔、型腔加工(a)加工圆孔(b)加工型腔(c)加工异形孔(d)套料加工(e)加工微细孔•在超声波加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时加工速度低，工具损耗大，为了提高加工速度和降低工具损耗，采用超声波、电解加工或电火花加工相结合来加工喷油嘴、喷丝板上的孔或窄缝，这样可大大提高生产率和质量。•在切削加工中引入超声波振动即超声振动切削（例如对耐热钢、不锈钢等硬韧材料进行车削、钻孔、攻螺纹时），经过几十年的发展，已经日趋成熟，作为一种精密加工和难切削材料加工中的新技术，可以降低切削力，降低表面粗糙度值、延长刀具使用寿命及提高生产率等。•目前，在国内应用较多的主要有：超声振动车削、超声振动磨削、超声振动加工深孔、小孔和攻丝、铰孔等。（1）超声振动车削3超声波复合加工（2）超声波复合振动研磨（3）超声电解复合抛光超声电解复合抛光的加工原理图1—工具；2—电解电源；3—电解液；4、8—工件；5—结合剂；6—磨料；7—工件；8—阳极薄膜；9—电极间隙及电解液（4）超声电解复合加工超声-电解复合加工简图1—换能器；2—变幅杆；3—工具；4—混合液；5—液槽；6—工件（5）超声波焊接•超声波焊接就是利用超声振动作用去除工件表面的氧化膜，使工件露出本体表面，使两个被焊工件表面在高速振动撞击下摩擦发热并亲和粘在一起。•它可以焊接尼龙、塑料及表面易生成氧化膜的铝制品，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银，从而改善这些材料的可焊性。1234567891—清洗槽；2—变幅杆；3—压紧螺钉；4—压电陶瓷换能器；5—镍片(＋)；6—镍片(－)；7—接线螺钉；8—垫圈；9—钢垫块（6）超声波清洗7.无损检测利用超声波定向发射、反射、穿透大多数材料特性，在测距、控制、监测及材料测量方面进行无损检测。探测金属内部缺陷例如：探测材料内部和表面缺陷，评价物理、力学性质，锅炉、压力容器制造、运行中的检测。5、超声波在生活中的应用超声波除尘•只要在烟囱里装一个超声波除尘器，不消片刻，烟囱就冒着干净的白烟了。超声波除尘装置超声波促进植物生长•种子发芽需要水分、氧气和一定的温度。种子外面裹着一层严严实实的种皮，它虽然能保护种子不受伤害，但是它的透水性和透气性都不好，是种子“喝”不到足够的水分，“呼吸”也特别微弱，就像睡着了。因此，有了合适的条件也不易发芽。超声波促进植物生长•当超声波射到浸泡在水里的种子时，激烈的超声振动会对种子产生一种类似摩擦的作用，因而使得种皮的透水性和透气性大大增强，并能使种子得到一定温度。这样种子吸着水“发胖”，呼吸也加快了，种子就能提早发芽。•同时超声波还能促使种子内贮存的淀粉、脂肪和蛋白质更好的溶解于水，变成易被种胚吸收的养料，苗儿就使劲的长个儿。此外，超声波还具有杀菌作用，能杀死潜伏在种子身上的某些病菌和虫卵。超声波侦察海底•超声波在水中能过按着一定的方向直线前进，它能传到几公里、几十公里，甚至几百公里以外。而且，它又能形成射束，聚成很狭的一束，向一个方向传播。当它中途遇到障碍物时，又会有一部分能量按原方向反射回来。因此，当接收到回声讯号，经过放大送到显示器，就可以立刻显示出目标的距离和方位了。超声波诊断疾病•医生会把发射超声波的探头放在病人体表的适当位置，让超声波在人体里面传播。当那个器官的了病，反射的回升讯号与正常的情况不一样，医生就可以诊断那部分脏器有了病变和分析病变的性质。比如像肿瘤、脑瘤、肝硬化、胃下垂、结石等等。•此外，有一种“超声波现象仪”，人们还可以在它的电视荧光拼上看到诸如跳动着的心脏、母亲腹内的胎儿等的活动“电影”。因此，超声波也是医生的好助手。作业1、超声加工时，变幅杆能扩大振幅的原理是什么？2、试述超声波加工的原理及其应用。3、超声波为什么能“强化”工艺过程？