超声波加工技术课件

详细描述
超声波加工技术利用磨料在超声波振动下的高速冲击和研磨作用，实现对非金属材料的加工。该技术能够有效地 降低材料硬度、提高加工效率，同时减少对工件的损伤。
05 超声波加工技术发展趋势 与挑战
新材料的应用
总结词
随着新材料行业的快速发展，超声波加工技术在新材料的应用中面临新的挑战和机遇。
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超声波加工技术课件
目录
CONTENTS
• 超声波加工技术概述 • 超声波加工设备与工具 • 超声波加工工艺 • 超声波加工技术应用实例 • 超声波加工技术发展趋势与挑战 • 结论
01 超声波加工技术概述
定义与特点
定义
超声波加工技术是一种利用超声 波振动对材料进行加工的工艺方 法。
特点
具有加工精度高、表面质量好、 适用范围广等优点，尤其适合于 难加工材料的加工。
根据不同的加工需求，选择合 适的工具头能够提高加工效率
、降低表面粗糙度。
工具头的设计和制造需要充分 考虑其与工件的相互作用机制
，以提高加工效果。
冷却系统
冷却系统是保证超声波加工设 备稳定运行的必要部件。
在高强度的超声波振动下，设 备会产生大量的热量，冷却系 统可以有效降低设备温度，防
止过热造成设备损坏。
微细结构的加工
总结词
利用超声波的高频振动和微小磨料， 实现微细结构的加工，满足高精度、 高效率的加工需求。
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超声波加工技术利用微小磨料在超声 波振动下的高速冲击和研磨作用，实 现对微细结构的加工。该技术能够有 效地提高加工精度和效率，同时减少 对工件的损伤。
非金属材料的加工
总结词
利用超声波的高频振动和磨料冲击作用，实现对非金属材料的加工。

4）磨料悬浮液的类型及浓度的影响 • 磨料悬浮液有水、汽油、煤油、酒精、亚麻仁油、变 压器油、甘油等，其中水的冷却性和湿润性良好，相 对生产率最高，其次是汽油或煤油。 • 磨料悬浮液的浓度，直接影响加工速度。磨料悬浮液 浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度 较大时可能造成加工区局部无磨料的现象，使加工速 度大大降低。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，磨粒在加工区域的循环和对工件的冲 击都受到影响，也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。
5.1.2 超声加工的特点 1）适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石 英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、 硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料， 但加工效率较低。 2）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用， 故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不 会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra0．63-0． 08um，尺寸精度可达正负0．03mm，也适于加工薄壁、窄 缝、低刚度零件。 3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工 具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔 和型面。一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修 也比较方便。 4）超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产 率较低。
• 3）要求超声波发生器结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。
7.2.2 超声波振动系统
• 超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、工具。其作用 是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能， 并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进行超 声加工。
• 1、换能器 换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根 据其转换原理的不同，有磁致伸缩式和压电式两种。

工件后处理包括清洗、去毛刺 、检测等环节，以确保工件的 质量和精度。
超声波加工的主要参数
频率
超声波的频率是影响加工效果的重要 参数，需要根据不同的加工需求选择 合适的频率。
介质
介质是传递超声波能量的媒介，选择 合适的介质可以提高超声波的传递效 率和加工效果。
01
02
振幅
振幅是影响超声波加工效果的重要因 素，振幅的大小直接影响到加工效率 、加工精度和表面质量。
技术，将超声波加工与其他加工方法相结合，实现更高效、高精度的加
工效果。
03
超声波精密加工技术
随着精密制造领域的不断发展，超过精细化控制超声波的振幅、频率和波形等参数，实现对微小尺
寸和复杂形状的精密加工。
超声波加工技术面临的挑战与解决方案
01 02 03
加工稳定性的问题
利用超声波振动使金属表 面产生微观塑性变形，实 现金属间的紧密连接。
超声波复合连接
将超声波振动与其他连接 方法（如钎焊、扩散焊等 ）结合，实现更高效、高 质量的材料连接。
超声波在材料表面处理中的应用
超声波清洗
超声波强化
利用超声波振动产生的强烈空化效应 ，有效去除材料表面的污垢和杂质。
利用超声波振动对材料表面进行强化 处理，提高材料的硬度和疲劳强度。
要点二
多功能化和复合化
未来的超声波加工技术将进一步向多 功能化和复合化方向发展。通过将多 种加工方法和技术集成到一台设备中 ，实现多种材料的加工和制造，满足 复杂零件和高精度产品的制造需求。
要点三
绿色化和可持续发展
随着环保意识的不断提高，未来的超 声波加工技术将更加注重绿色化和可 持续发展。通过采用环保材料、优化 加工过程、降低能耗和减少废弃物排 放等措施，实现绿色制造和可持续发 展。

•四、超声波加工设备
• 1、超声发生器 • 作用：将工频交流电转变为具有一定功率 输出的超声频电振荡 • 要求：输出的功率和频率在一定范围内连 续可调
• 2、声学部件 • 作用：将超声波发生器输出的高频率电能转变为 机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作高频率、 小振幅振动以进行超声加工。 • 组成：换能器、变幅杆和工具 • 1）换能器 • 作用：将超声频电振荡信号转换为超声频机械振 动 • 分类：压电式换能器（利用压电效应） • 磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应）
• 4、超声波加工的应用 • 超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电 解加工低，但其加工精度和表面质量都优于 它们。 • 而且可以加工难以加工的半导体和非金属的 硬脆材料 • 对于电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金 冲模、拉丝模等，最后还经常用超声波抛磨、 光整加工，使表面粗糙度进一步降低
• 1）型孔和型腔的加工
• 三、超声波加工的特点 • 1、加工范围广 • 可加工一些传统难加工的金属与非金属材 料 • 适合深小孔、薄壁件、细长杆等低刚度零 件的加工 • 适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的 精密加工
• 2、切削力小、切削功率消耗低 • 由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用，故 工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热 更小 • 3、工件加工精度高、表面粗糙度低 • 4、易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成形表 面等。 • 5、工具可用较软的材料做成较复杂的形状 • 6、超声波加工设备结构一般比较简单，操作维修 方便
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4、磨料工作液及其循环系统 1）工作液 常用、效果较好——水 表面质量要求高——煤油或机油 2）磨料 碳化硼、碳化硅或氧化铝 生产率要求高——颗粒大 加工精度、表面质量要求高——颗粒小 3）循环系统 小型加工设备——人工浇注，定期更换 大型加工设备——流量泵自动供给 工具、变幅杆尺寸较大——在其中开孔，由孔内抽吸

医疗器械
超声波切割和焊接用于医疗器械的制造和组装， 如手术器械、医用器械的焊接。
其他应用场景
超声波加工还广泛应用于食品加工、塑料制品、 纺织品等领域。
超声波加工市场
1
市场现状
超声波加工市场在汽车工业、电子工业、医疗器械等领域稳步发展，并取得了一 定的市场份额。
2
市场前景
随着现代制造业需求的不断增加和技术的不断进步，超声波加工市场有望继续扩 大。
超声波加工技术可能面临材料适应性、工艺稳定性等方面的挑战。需要继续研发和改进。
参考文献
• 杨洪光, 陈兴东. 超声波加工技术现状与发展[J]. 上海交通大学学报. 2004. • 马国庆, 陈然. 超声波加工技术发展现状与趋势[J]. 机械工程与自动化. 2016. • 刘伟, 姚建榕. 超声波加工技术应用与研究现状[J]. 塑料, 橡胶与复合材
3
市场竞争情况
目前，超声波加工市场存在一定的竞争，研发新技术和提高产品质量是企业保持 竞争力的关键。
结论
1 超声波加工的未来发展
超声波加工将在制造业中发挥越来越重要的作用，为产品的制造和加工提供高效、精确 的解决方案。
2 发展趋势
超声波加工技术将更加智能化、自动化，提高生产效率和产品质量。
3 技术可能面临的挑战
超声波焊接
1 原理和特点
超声波焊接利用超声波的振动摩擦作用，将材料表面分子结构重新排列，实现固态焊接。
2 焊接材料
超声波焊接可用于金属、塑料、陶瓷等各种材料的焊接。
3 焊接效果示例
超声波焊接可实现高强度、无痕迹的焊接效果，广泛应用于汽车零部件、电子器件等领 域。
超声波打孔
1 原理和特点
超声波打孔利用超声波的高频振动，通过在材料表面聚焦能量，是一种利用超声波振动进行材料切割、焊接和打孔的先进技术。 本课件将介绍超声波加工的简介、原理和特点、应用案例以及市场前景。

２)用超声波切割脆硬的半导体材料。
图８-１２ 超声波切割单晶 第29页/共35页
３)复合加工
图８-１３ 超声波电解复合加工小孔 第30页/共35页
３)复合加工
第31页/共35页
３)复合加工
图８-１４ 超声波振动车削加工 第32页/共35页
４)超声波清洗。
图８-１５ 超声波清洗装置示意图 第33页/共35页
第3页/共35页
第二节 超声波加工的设备及构成
一、超声波发生器 二、超声波振动系统 三、超声波加工机床本体 四、磨粒悬浮液及冷却循环系统
第4页/共35页
一、超声波发生器
第5页/共35页
二、超声波振动系统
１.超声波换能器 ２.变幅杆(振幅扩大棒) 3.工具
第6页/共35页
பைடு நூலகம்
１.超声波换能器
(１)压电效应超声波换能器 (２)磁致伸缩效应超声波换能器
第11页/共35页
２.变幅杆(振幅扩大棒)
（8-5） （8-6）
第12页/共35页
3.工具
超声波的机械振动经变幅杆放大后传递给工具，使磨料和工作液以一定的能量冲击工件， 加工出需要的尺寸和形状。
第13页/共35页
三、超声波加工机床本体
图８-６ ＣＳＪ-２型超声波 加工机床
１—支架 ２—平衡重锤 ３—工作台 ４—工具 ５—变幅杆 ６—换能器 ７—导轨 ８—标尺
(３)磨料悬浮液
第22页/共35页
(４)工件材料
第23页/共35页
２.加工精度及其影响因素
图８-９ 工具磨损对圆孔加工 精度影响的示意图 第24页/共35页
３.加工表面质量及其影响因素
图８-１０ 超声波加工表面粗糙度与磨料粒度的关系 １—玻璃 ２—半导体材料(硅)

超声波加工
超声波加工 （Ultrasonic Machining , USM)
超声波加工的基本原理和特点 超声波加工设备及其组成部分 超声波加工速度、精度、 超声波加工速度、精度、表面质量及其影响 因素 超声波的应用技术
1.超声加工的基本原理和特点 1.超声加工的基本原理和特点
1.1 超声波及其特性 1.2 超声加工的基本原理 1.3 超声加工的特点
a）微细孔 b）型腔 c）异形通孔 d) 弯曲孔 e) 刻槽 g）套料 h）切圆 i） 复杂沟槽
4.3 超声振动切削
4.3 超声振动切削
4.3 超声振动切削
4.4 超声波复合振动研磨
4.5 超声清洗
冲击液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破坏， 冲击液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破坏， 并从被清洗表面脱落下来。 并从被清洗表面脱落下来。其原理主要是基于清洗液 在超声波作用下产生空化效应的结果。 在超声波作用下产生空化效应的结果。空化效应产生 的强烈 此方法主要用于几何形状复杂、 此方法主要用于几何形状复杂、清洗质量要求高而用 其它方法清洗效果差的中小精密零件， 其它方法清洗效果差的中小精密零件，特别是工件上 的深小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、 的深小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的 精清洗，生产率和净化率都很高。 精清洗，生产率和净化率都很高。目前在半导体和集 成电路元件、仪器仪表零件、电真空器件、光学零件、 成电路元件、仪器仪表零件、电真空器件、光学零件、 医疗器械等的清洗中应用。 医疗器械等的清洗中应用。
次声波
可听声波
超声波
超声波的特性
超声波可在气体、液体、固体、 ① 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效 传播。 传播。 超声波可传递很强的能量。 ② 超声波可传递很强的能量。 ③ 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 超声波在液体介质中传播时， ④ 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的 空化现象。 冲击和空化现象 冲击和空化现象。

和可靠性。
超声加工效率与成本分析
成本构成分析
分析超声加工过程中的各项成本，如设备 折旧、材料消耗、能源消耗和人工成本等
，为降低成本提供依据。
A 加工效率评估
通过对比不同工艺参数下的加工时 间、材料去除率和表面质量等因素
，评估不同工艺方案的效率。
B
C
D
经济性评价
综合考虑加工效率、质量稳定性和成本等 因素，对超声加工的经济性进行评价。
01
根据产品要求、工艺要求和生产条件等因素综合考虑，选择适
合的加工材料。
材料预处理
02
在超声加工前，需要对材料进行预处理，如清洗、除锈、干燥
等，以提高加工质量和效率。
材料加工后处理
03
加工完成后，根据需要，对材料进行清洗、抛光、涂层等后处
理，以满足产品外观和使用性能的要求。
05
超声加工质量与控制
超声加工质量检测
详细描述
超声复合加工是一种将超声波技术与其他加工技 术相结合的工艺方法。它具有高效、多功能和高 精度等优点，可广泛应用于各种复杂零件的加工 制造。
应用范围
适用于各种复杂零件的加工制造，如精密机械零 件、光学零件、半导体器件等。
案例五：超声表面处理实践
01 总结词
环保、低成本、高效率
02
详细描述
超声表面处理是一种利用超声 波能量对材料表面进行清洗、 强化等处理的工艺方法。它具 有环保、低成本和高效率等优 点，广泛应用于各种材料的表 面处理领域。
根据加工材料的性质和加工要求 ，选择合适的磨料对于实现高效 和高质量的超声加工至关重要。
磨具则是用来固定磨料的工具， 需具备足够的强度和耐久性以承
受高强度的振动和磨削力。