第七章-超声加工案例

– 冲击(为主) – 抛磨 – 空化作用
• 工作液进入裂缝 • 加快磨料更新速度 • 有助于排屑
1-工具 2-工件 3-磨料悬浮液 4、5-变幅杆 6-超声换能器 7-超声发生器
三、 超声加工的特点
1.适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金 属材料
2.加工质量高，尺寸精度0.01~0.02mm， Ra0.63~0.08μm，无残余应力
1.孔的加工范围 Φ0.1~90mm，深径比＞10-20倍
2.加工孔的尺寸精度 Dmin=Dt+2ds
Dmin ：加工孔的最小直径 Dt ：工具直径 ds ：磨料平均直径
三、表面质量及其影响因素
• 表面粗糙度 – Ra1~0.1μm
• 影响
– 磨料颗粒的直径、被加工材料的性质、超声 振动的振幅、磨料悬浮工作液的成分
高频上下运动： f ＞16kHz
形成真空，产 生气泡
空泡闭合，形 成压力
超声波的特性（3）
（3） 通过不同介质时，波速突变
折射现象、反射现象 介质的波阻抗ρc 之差越大，反射率越大 在声学部件连接面间加入凡士林或机油
固体(液体)
空气
反射率≈100%
超声波的特性（4）
（4）在一定条件下，产生干涉和共振现象
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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。
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（2）磁致伸缩效应换能器
铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处的磁场强度 的变化而伸缩的现象。
较压电式换能器有较高的机械强度和输出功率。
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2. 变幅杆（振幅扩大棒）
• 变幅杆：上粗下细的棒杆将振幅加以扩大
• 作用：放大振幅
• 振幅放大原理
J 1 c A 2
• 振幅
2
A 2J
超声波的频率范围
10-4Hz 次声波
16Hz
16kHz
105kHz
可听声波
超声波
超声波为纵波，可在各种介质中传播 传递速度 c = λ f ，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
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 传递速度（m/s）
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超声波塑料焊接机 37
五、复合加工
• 超声电解复合加工 加工小孔和深孔
钝化性电解液混加磨料电解液
• 超声电火花复合加工
加工小孔、窄缝及精微异形孔 超声功率和振幅不宜大，否则导致电弧放电
• 超声抛光及电解超声复合抛光
模具表面、拉丝小孔 超声研磨抛光，工具与工件之间最好有相对
3—磨 料 液 ； 4—工 件 (单 晶 硅 )
4—导 向 片 ； 5—软 钢 刀 片
(a) 超 声 切 割 单 晶 硅 片 示 意 图
(b) 刀 具
(c) 切 割 成 的 陶 瓷 模 块
图7-15 超声波切割加工 33
三、超声波清洗
原理：基于清洗液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。
超声波的特性（1）
（1）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
超声波的特性（2）
（2）在液体介质中传播时，在界面上产生 液压冲击 空化现象
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超声波诊断 疾病
B超
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。
k
变幅杆的形式
(5~10倍)
(10~20倍)
(＞20倍)
3. 工具
作用：推动磨料和悬浮液冲击工件表面，加工出形 状和尺寸。
形状和尺寸：取决于被加工表面的形状和尺寸，它 们相差一个“加工间隙”。
材料 ： 45钢、碳素工具钢－－一般硬脆材料； 硬质合金、淬火钢－－加工精度高； 金刚石－－特殊要求。
图7-12 超声波加工的型孔、腔孔类型
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二、切割加工
• 对于难以用普通加工方法切割的脆硬 材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声 波加工具有切片薄、切口窄、精度高、 生产率高、经济性好等优点。
1
2 3
4
5
1 2 3
4
1—变 幅 杆 ； 2—工 具 (薄 钢 片 )； 1—变 幅 杆 ； 2—焊 缝 ； 3—铆 钉 ；
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第三节 超声加工速度、精度、表面质量 及其影响因素
加工速度：指单位时间内去除材料的多少，以 mm3/min或g/min为单位来表示。
• 一、加工速度极其影响因素
– 工具的振幅和频率 – 进给压力 – 磨料的种类和粒度 – 磨料悬浮液的浓度 – 被加工材料
• 1.工具的振幅和频率的影响
– 振幅A ↑→冲击力↑ →加工速度↑ • 过大→内应力↑ →工具寿命↓
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一、 超声波发生器
作用：将工频交流电转变为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。
震荡器
信号放大器 功率放大器
电源 超声发生器的组成方框图
二、声学部件
作用：将超声波发生器输出的高频率电振荡转变为机械 振动，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。
– 频率f ↑→冲击次数↑ →加工速度↑
• 过大→能量损失↑ →加工速度↓
– 一般：A=0.01～0.1mm，f =16~25kHz
• 2.进给压力的影响 – 过小→工作间隙↑→冲击力↓→加工速度↓ – 过大→磨料被挤出来 →加工速度↓
• 3.磨料的种类和粒度的影响
– 硬度↑ →加工速度↑ – 粒度过小→能量损失↑ →加工速度↓
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（利用压电效应制成）
磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应制成 ）
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（1）压电效应换能器
石 英 晶 体 、 钛 酸 钡 （ BaTiO3 ） 陶 瓷 、 锆 钛 酸 铅 （ZrPbTiO3）压电陶瓷等物质受外力变形时，在界面 上产生电势；或者相反的情况 。
1
2
3 4 5 6 7 8 9
图7-20 超声波3清4 洗装置
1—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
应用：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，特别是工件上的深小 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。
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（3）超声抛光及电解超声复合加工
利用导电油石作导电工具，对工件表面进行电解 超声复合抛光加工，有利于改善表面粗糙度。
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六、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 。
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。
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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。
→更新速度↓ →加工速度↓ – 粒度过大→同时参与磨粒数↓→加工速度↓
• 4.磨料悬浮液的浓度的影响
– 浓度过小→磨粒数↓→加工速度↓ – 浓度过大→能量损失↑ →加工速度↓
→更新速度↓ →加工速度↓
5.被加工材料的影响
脆性↑→受冲击载荷的能力↓→加工速度↑
二、加工精度及其影响因素
影响因素：磨料粒度、工具精度、磨料情况、工具横 向振动大小、加工深度、被表零件、电 真空器件、光学零件、医疗器械等的清洗中应用。
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四、超声波焊接 原理：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。
应用：用于焊接尼龙、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； 焊接一般很难焊接的稀有金属，如钛、钼等 。
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声学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
三、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
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四、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。