超聲加工案例第1頁/共50頁第一節

超聲加工的基本原理和特點一、超聲波及其特性二、超聲加工的基本原理三、超聲加工的特點第2頁/共50頁一、超聲波及其特性

超聲波的頻率范圍10-4Hz

16Hz16kHz105kHz次聲波超聲波可聽聲波第3頁/共50頁超聲波為縱波，可在各種介質中傳播傳遞速度c=λf

，λ-波長，f-頻率不同介質中傳播速度不同c空氣=331m/s，c水=1430m/sc鐵=5850m/s0

100020003000400050006000

傳遞速度（m/s）第4頁/共50頁超聲波的特性（1）（1）可傳遞很強的能量

傳播的能量密度垂直于波的傳播方向單位面積上的能量J=ρc(ωA)2/2ω=2πf(rad/s)A—振幅（mm）ρ—介質的密度固體、液體的ρ和c大→J大第5頁/共50頁

超聲波的特性（2）（2）在液體介質中傳播時，在界面上產生液壓沖擊空化現象形成真空，產生氣泡空泡閉合，形成壓力高頻上下運動：f

＞16kHz第6頁/共50頁

超聲波的特性（3）（3）

通過不同介質時，波速突變折射現象、反射現象介質的波阻抗ρc之差越大，反射率越大在聲學部件連接面間加入凡士林或機油固體(液體)空氣反射率≈100%第7頁/共50頁

超聲波的特性（4）

（4）在一定條件下，產生干涉和共振現象距入射端距離為x的b點處：入射波反射波合成波共振的條件：桿長為半波長的整數倍，L=kλ/2波節M點處：不振動ABM超聲波在固體彈性桿內各質點的振動情況第8頁/共50頁二、

超聲加工的基本原理加工原理沖擊(為主)拋磨空化作用工作液進入裂縫加快磨料更新速度有助于排屑1-工具2-工件3-磨料懸浮液4、5-變幅桿6-超聲換能器7-超聲發生器第9頁/共50頁三、

超聲加工的特點1.適合加工各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料2.加工質量高，尺寸精度0.01~0.02mm，Ra0.63~0.08μm，無殘余應力3.宏觀切削力小，切削熱小，適合加工薄壁、窄縫、低剛度件4.可加工復雜型面及型腔5.加工效率低（導電的硬質金屬材料）6.工具有損耗第10頁/共50頁第二節

超聲加工設備及其組成部分1.超聲波發生器2.超聲振動系統超聲換能器變幅桿工具3.機床本體4.磨料懸浮液循環系統和換能器冷卻系統1--工作臺

2—工具

3--變幅桿

4--換能器

5--導軌

6--支架

7--平衡重錘

1235467第11頁/共50頁第12頁/共50頁一、

超聲波發生器功率放大器信號放大器震蕩器電源作用：將工頻交流電轉變為有一定功率輸出的超聲頻電振蕩。要求：輸出的功率和頻率在一定范圍內連續可調。超聲發生器的組成方框圖第13頁/共50頁14二、聲學部件作用：將超聲波發生器輸出的高頻率電振蕩轉變為機械振動，并通過變幅桿使工具端面作高頻率、小振幅振動以進行超聲加工。組成：換能器、變幅桿和工具。1.換能器作用：將超聲頻電振蕩信號轉換為超聲頻機械振動。分類：壓電式換能器（利用壓電效應制成）磁致伸縮式換能器（利用磁致伸縮效應制成）第14頁/共50頁15（1）壓電效應換能器

石英晶體、鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷、鋯鈦酸鉛（ZrPbTiO3）壓電陶瓷等物質受外力變形時，在界面上產生電勢；或者相反的情況。第15頁/共50頁16（2）磁致伸縮效應換能器

鐵、鈷、鎳及其合金的長度能隨其所處的磁場強度的變化而伸縮的現象。較壓電式換能器有較高的機械強度和輸出功率。第16頁/共50頁變幅桿：上粗下細的棒桿將振幅加以擴大作用：放大振幅振幅放大原理振幅

2.變幅桿（振幅擴大棒）第17頁/共50頁變幅桿的形式(5~10倍)(10~20倍)(＞20倍)第18頁/共50頁193.工具作用：推動磨料和懸浮液沖擊工件表面，加工出形狀和尺寸。形狀和尺寸：取決于被加工表面的形狀和尺寸，它們相差一個“加工間隙”。材料：45鋼、碳素工具鋼－－一般硬脆材料；硬質合金、淬火鋼－－加工精度高；金剛石－－特殊要求。第19頁/共50頁聲學部件之間應連接緊密螺紋連接處：涂凡士林油支撐點應選在“駐波節點”處第20頁/共50頁21三、機床1－工作臺；2－工具；3－變幅桿；4－換能器；5－標尺；6－導軌；7－支架；8－平衡重錘第21頁/共50頁22四、磨料工作液及其循環系統（1）工作液常用、效果較好——水表面質量要求高——煤油或機油（2）磨料碳化硼、碳化硅或氧化鋁生產率要求高——顆粒大加工精度、表面質量要求高——顆粒小（3）循環系統小型加工設備——人工澆注、定期更換大型加工設備——流量泵自動供給工具、變幅桿尺寸較大——在其中開孔，由孔內抽吸。第22頁/共50頁第三節

超聲加工速度、精度、表面質量

及其影響因素一、加工速度極其影響因素

工具的振幅和頻率進給壓力磨料的種類和粒度磨料懸浮液的濃度被加工材料加工速度：指單位時間內去除材料的多少，以mm3/min或g/min為單位來表示。第23頁/共50頁1.工具的振幅和頻率的影響振幅A↑→沖擊力↑→加工速度↑過大→內應力↑→工具壽命↓頻率f

↑→沖擊次數↑→加工速度↑過大→能量損失↑→加工速度↓一般：A=0.01～0.1mm，f=16~25kHz第24頁/共50頁2.進給壓力的影響過小→工作間隙↑→沖擊力↓→加工速度↓過大→磨料被擠出來

→加工速度↓第25頁/共50頁3.磨料的種類和粒度的影響硬度↑→加工速度↑粒度過小→能量損失↑→加工速度↓→更新速度↓→加工速度↓粒度過大→同時參與磨粒數↓→加工速度↓第26頁/共50頁4.磨料懸浮液的濃度的影響濃度過小→磨粒數↓→加工速度↓濃度過大→能量損失↑→加工速度↓→更新速度↓→加工速度↓5.被加工材料的影響脆性↑→受沖擊載荷的能力↓→加工速度↑第27頁/共50頁二、加工精度及其影響因素1.孔的加工范圍Φ0.1~90mm，深徑比＞10-20倍2.加工孔的尺寸精度Dmin=Dt+2ds

Dmin

：加工孔的最小直徑

Dt：工具直徑

ds：磨料平均直徑影響因素：磨料粒度、工具精度、磨料情況、工具橫向振動大小、加工深度、被加工材料性質第28頁/共50頁三、表面質量及其影響因素表面粗糙度Ra1~0.1μm影響磨料顆粒的直徑、被加工材料的性質、超聲振動的振幅、磨料懸浮工作液的成分措施磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小用煤油或潤滑油代替水工作液第29頁/共50頁第四節超聲加工的應用型孔、型腔加工切割加工復合加工超聲清洗第30頁/共50頁一、型孔、型腔加工第31頁/共50頁32一、型（腔）孔加工圖7-12超聲波加工的型孔、腔孔類型超聲波目前主要應用在脆硬材料的圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔等的加工。第32頁/共50頁33圖7-15超聲波切割加工

二、切割加工

對于難以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、寶石等用超聲波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生產率高、經濟性好等優點。第33頁/共50頁34三、超聲波清洗原理：基于清洗液在超聲波作用下產生空化效應的結果。空化效應產生的強烈沖擊液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來。圖7-20超聲波清洗裝置第34頁/共50頁35應用：主要用于幾何形狀復雜、清洗質量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件，特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗，生產率和凈化率都很高。目前在半導體和集成電路元件、儀器儀表零件、電真空器件、光學零件、醫療器械等的清洗中應用。第35頁/共50頁36四、超聲波焊接原理：利用超聲振動作用去除工件表面的氧化膜，使工件露出本體表面，使兩個被焊工件表面在高速振動撞擊下摩擦發熱并親和粘在一起。應用：用于焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化膜的鋁制品，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀，從而改善這些材料的可焊性；焊接一般很難焊接的稀有金屬，如鈦、鉬等。第36頁/共50頁37超聲波塑料焊接機第37頁/共50頁五、復合加工超聲電解復合加工

加工小孔和深孔

鈍化性電解液混加磨料電解液

超聲電火花復合加工加工小孔、窄縫及精微異形孔超聲功率和振幅不宜大，否則導致電弧放電超聲拋光及電解超聲復合拋光模具表面、拉絲小孔超聲研磨拋光，工具與工件之間最好有相對轉動或往復移動第38頁/共50頁39（1）超聲電解復合加工輔以超聲振動的復合電解加工。用于難加工材料的表面光整及深小孔加工。第39頁/共50頁40（2）超聲電火化復合加工

原理：在普通電火花加工時，引入超聲波，使電極工具端面作超聲振動。超聲聲學部件夾固在電火花加工機床的主軸頭下部，脈沖電源加在工具和工件上，加工時主軸作伺服進給，工具端面作超聲振動。效果：不加超聲時電火花精加工的放電脈沖利用率為3%~5%，加上超聲振蕩后，電火花精加工時的有效放電脈沖利用率可提高50%以上，從而提高生產效率2~20倍。第40頁/共50頁41（3）超聲拋光及電解超聲復合加工

利用導電油石作導電工具，對工件表面進行電解超聲復合拋光加工，有利于改善表面粗糙度。第41頁/共50頁42六、無損檢測

利用超聲波定向發射、反射、穿透大多數材料特性，在測距、控制、監測及材料測量方面進行無損檢測。探測金屬內部缺陷

例如：探測材料內部和表面缺陷，評價物理、力學性質，鍋爐、壓力容器制造、運行中的檢測。

第42頁/共50頁43超聲波除塵只要在煙囪里裝一個超聲波除塵器，不消片刻，煙囪就冒著干凈的白煙了。超聲波除塵裝置第43頁/共50頁44超聲波促進植物生長

種子發芽需要水分、氧氣和一定的溫度。種子外面裹著一層嚴嚴實實的種皮，它雖然能保護種子不受傷害，但是它的透水性和透氣性都不好，是種子“喝”不到足夠的水分，“呼吸”也特別微弱，就像睡著了。因此，有了合適的條件也不易發芽。第44頁/共50頁45超聲波促進植物生長

當超聲波射到浸泡在水里的種子時，激烈的超聲振動會對種子產生一種類似摩擦的作用，因而使得種皮的透水性和透氣性大大增強，并能使種子得到一定溫度。這樣種子吸著水“發胖”，呼吸也加快了，種子就能提早發芽。同時超聲波還能促使種子內貯存的淀粉、脂肪和蛋白質更好的溶解于水，變成易被種胚吸收的養料，苗兒就使勁的長個兒。此外，超聲波還具有殺菌作用，能殺死潛伏在種子身上的某些病菌和蟲卵。第45頁/共50頁46超聲波偵察海底

超聲波在水中能過按著一定的方