6超聲波加工技術(shù)

1、第六章超聲波加工技術(shù)6.1超聲波的特性聲波是人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為1616000Hz。當聲波的頻率低于16Hz時就叫做次聲波，高于16000Hz那么稱為超聲波。超聲波是聲波的一局部，因此超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì) 中傳播，它遵循聲波傳播的根本規(guī)律，但由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以 傳播時方向性強，反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。在不同介質(zhì)中，超聲波傳 播的速度c亦不同例如c空氣=331m /s，c水=1430m /s： c鐵=5850m /s，它與波長 淋 頻率f之間的關(guān)系可用下式表示c=入 f6.1式中c-超聲波在介質(zhì)中的傳播速度m/s;入-波長m

2、 ； f-頻率Hz。超聲波主要具有以下性質(zhì)：1. 超聲波能傳遞很強的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加 壓力聲壓。因此，有時可用這個壓力的大小來表示超聲波的強度，傳播的波動能量 越強，那么壓力也越大。振動能量的強弱，用能量密度來衡量。能量密度就是通過垂直于波的傳播方向的 單位面積上的能量，用符號J來表示，單位為W/cm21 2J c A6.22式中p彈性介質(zhì)的密度kg/m3;c彈性介質(zhì)中的波速m/s;A振動的振幅mm；3 圓頻率，3=2 n f rad/s。由于超聲波的頻率f很高，其能量密度可達100W/cm2以上。在液體或固體中 傳播超聲波時，由于介質(zhì)密度p和振動頻率都比空氣

3、中傳播聲波時高許多倍，因此同 一振幅時，液體、固體中的超聲波強度、功率、能量密度要比空氣中的聲波高千萬倍。2. 超聲波的空化作用。當超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時，將以極高的頻率壓迫液體 質(zhì)點振動，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，由于液體根本上不可壓縮，由 此產(chǎn)生壓力正、負交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象。由于這一過程時間極短，液體空腔閉 合壓力可達幾十個大氣壓，并產(chǎn)生巨大的液壓沖擊。這一交變的脈沖壓力作用在鄰近 的零件外表上會使其破壞，引起固體物質(zhì)分散、破碎及各種物理化學(xué)作用效應(yīng)。3. 超聲波的反射、透射和折射。超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速突變， 產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決

4、定于兩種介質(zhì)的波阻抗密度與波速的 乘積pc稱為波阻抗，介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時能量的反射率愈高。當超聲波從液體或固體傳入到空氣或者相反從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100 %，此外空氣有可壓縮性，更阻礙了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相 鄰介質(zhì)中的傳遞條件，往往在聲學(xué)部件的各連接面間參加機油、凡士林作為傳遞介質(zhì) 以消除空氣及因它而引起的衰減。4. 超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干預(yù)和共振現(xiàn)象，圖6.1為超聲波在彈性桿中傳波時各質(zhì)點振動的情況。當超聲波從桿的一端向另一端傳播時，在桿的端部將發(fā) 生波的反射。所以在有限的彈性體中，實際存在著同周期、同振幅、傳播方向相反的兩個

5、波，這兩個完全相同的波從相反的方向會合，就會產(chǎn)生波的干預(yù)。當桿長符合某 一規(guī)律時，桿上有些點在波動過程中位置始終不變，其振幅為零為波節(jié)，而另一些點振幅最大，其振幅為原振幅的兩倍為波腹。圖6.1中x表示彈性桿件任意一點b相距5 fitrrT圖6.1彈性桿內(nèi)各質(zhì)點振動情況超聲波入射端的距離，那么入射波造成b點偏離平衡位置的 位移為ai，反射波造成b點偏離平衡位置的位移為a2，那么 有ai Asin 2Tt x a2 Asin2 式中x b點距離入射端的距離；入振動的波 長；T振動的周期；A振動的振幅；t振動的 某一時刻。因此，入射波和反射波所造成b點的合成位移ac為：2 x 2ac a a2 2A

6、cos sin6.3由式6.3可知：當x k時k為正整數(shù)，ac最大，b點為波腹；當x 2k 124時k為正整數(shù)，ac為0，b點為波節(jié)。由上述分析可知，為了提高超聲波加工生產(chǎn)效率，必須使彈性桿處于最大振幅的 共振狀態(tài)，其設(shè)計長度為半波的整數(shù)倍，桿的支點選在振動過程中的不動點，即波節(jié) 點上；而桿的工作端部應(yīng)選在最大振幅的波腹處。6.2超聲波加工的根本原理和特點超聲波加工的根本原理超聲波加工是近幾十年開展起來的一種加工方法，它彌補了電火花加工和電化學(xué)加工的缺乏。電火花加工和電化學(xué)加工一般只能加工導(dǎo)電材料，不能加工不導(dǎo)電的非 金屬材料。而超聲波加工不僅能加工硬脆金屬材料，而且更適合于加工不導(dǎo)電的硬脆

7、非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體等。同時超聲波還可以用于清洗、焊接、探傷等。超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。加工原理如圖6.2所示。加工時，在工具1和工件2之間參加液體水或煤油I 工具；2-工件；3-磨料懸浮液；4、5-變幅桿;6超聲換能器；7超聲波發(fā)生器 圖6.2超聲波加工原理示意圖等和磨料混合的懸浮液3,并使工具以很小的力F輕輕壓在工件上。超聲波發(fā)生器7產(chǎn) 生的超聲頻電振蕩通過超聲換能器 6產(chǎn)生16000Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于 變幅桿4、5把振幅放大到0.050.1mm左右，驅(qū)開工具端面作超聲頻振動，迫使工作 液中懸浮的磨粒以很大

8、的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工外表，把被加工外表 的材料粉碎成很細的微粒，從工件上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料很少，但 由于每秒鐘打擊的次數(shù)多達16000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時，工 作液受工具端面超聲振動作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化作用， 促使工作液鉆入被加工材料的微裂縫處，加劇了機械破壞作用。所謂空化作用，是指 當工具端面以很大的加速度離開工件外表時，加工間隙內(nèi)形成負壓和局部真空，在工 作液體內(nèi)形成很多微空腔，當工具端面以很大的加速度接近工件外表時，空泡閉合， 引起極強的液壓沖擊波，可以強化加工過程。此外，正負交變的液壓沖擊也使懸浮工 作液在加

9、工間隙中強迫循環(huán)，隨著磨料懸浮液不斷地循環(huán)，使變鈍了的磨粒及時得到 更新。由此可見，超聲加工是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊和拋磨作用以及超聲空 化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。既然超聲加工是基于局部撞擊作用，因此就不難理解，越是脆硬的材料，受撞擊 作用遭受的破壞愈大，愈易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的 緩沖作用而難以加工。根據(jù)這個道理，人們可以合理選擇工具材料，使之既能撞擊磨 粒，又不致使自身受到很大破壞，例如用 45鋼作工具即可滿足上述要求。超聲波加工的特點1適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷氧化鋁、氮化硅等、石英、鍺、硅、石

10、墨、瑪瑙、寶石，金剛石等。對于導(dǎo)電的硬質(zhì)金 屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鈦合金等，也能進行加工、但加工生產(chǎn)率較低。2由于工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，故不需要使工具和工件作比擬 復(fù)雜的相對運動，因此超聲加工機床的結(jié)構(gòu)比擬簡單，只需一個方向輕壓進給，操作、 維修方便。但假設(shè)需要加工尺寸較大、形狀復(fù)雜而精密的三維結(jié)構(gòu)的零件，仍需設(shè)計和 制造三坐標數(shù)控超聲波加工機床。3由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時局部的撞擊作用，故工件外表的宏觀切 削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，外表粗糙度也較好，可達 Ra0.630. 08叩尺寸精度可達0.010.02mm，也適于加工薄壁、窄縫

11、、低剛度零件。4超聲加工設(shè)備的幾何尺寸較小，設(shè)備本錢低。5超聲加工的面積不夠大，而且工具頭磨損較大，故生產(chǎn)率較低。6圓柱形孔深度以工具直徑的5倍為限。7工具的磨損使鉆孔的圓角增加，尖角變成了圓角，這意味著為了鉆出精確的 盲孔，更換工具是很重要的。8由于進入工具中心處的有效磨粒較少，因懸浮液的分布不適當，使型腔的底 往往不能加工得很平。有時由于工具橫截面的形狀，使重心不在中心線上而產(chǎn)生強烈 的橫向振動，故加工外表的精度有所降低。在這種情況下，唯一解決的方法是重新設(shè) 計工具。6.3超聲波加工設(shè)備及其組成局部超聲波加工設(shè)備的功率和結(jié)構(gòu)有所不同，但其組成根本相同。一般包括超聲發(fā)生 器、超聲振動系統(tǒng)、磨

12、料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)及換能器冷卻系統(tǒng)和機床本體。其主要組成 如圖6.3所示。圖6.3超聲波加工設(shè)備組成示意圖631超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器又叫超聲頻發(fā)生器或超聲波電源。它的作用是將工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)換為功率為100-4000W的超聲頻電振蕩，以供應(yīng)工具端面往復(fù)振動和去除工件材料 的能量。超聲波發(fā)生器由于功率不同，有電子管式、晶閘管式、晶體管式等。大功率的超 聲波發(fā)生器往往是電子管式。但近年來逐漸被晶體管所取代。超聲波發(fā)生器的電路由 振蕩級、電壓放大級、功率放大級及電源組成參見圖6.4。其振蕩級可以是他激式， 也可以是自動跟蹤式。后者是一種自激振蕩推動多級放大的功率發(fā)生器。自激頻率取 決于超聲波振

13、動系統(tǒng)的共振頻率。當出于某種原因，如更換工具或工具頭磨損、部件 受熱或壓力變化等，會引起超聲波振動系統(tǒng)共振頻率的變化， 可通過“聲反應(yīng)或“電 反應(yīng)使超聲波發(fā)生器的工作頻率能自動跟蹤變化，保證超聲波振動系統(tǒng)始終處于良 好的諧振狀態(tài)。為此，一般要求超聲波發(fā)生器應(yīng)滿足如下條件：1輸出阻抗與相應(yīng)的超聲波振動系統(tǒng)輸入阻抗匹配；2頻率調(diào)節(jié)范圍應(yīng)與超聲波振動系統(tǒng)頻率變化范圍相適應(yīng)，并連續(xù)可調(diào)；3輸出功率盡可能具有較大的連續(xù)可調(diào)范圍，以適應(yīng)不同工件的加工；4 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高，便于操作和維修；5 最好具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調(diào)的功能。超聲波振動系統(tǒng)超聲波振動系統(tǒng)主要包括換能器、變幅桿和工具。其

14、作用是將由超聲波發(fā)生器輸 出的高頻電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，并通過變幅桿使工具端面以一定的振幅做高頻振 動，以進行超聲波加工。1換能器換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機械振動。目前，根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理的不同， 有磁致伸縮式和壓電式兩種。壓電效應(yīng)式超聲波換能器壓電效應(yīng)是指，石英晶體、鈦酸鋇以及諸鈦酸鉛等物質(zhì)在受到機械壓縮或拉伸變 形時，在其兩端面上產(chǎn)生一定的電荷而形成一定的電勢。 相反，改變兩端面上的電壓， 也會產(chǎn)生一定的伸縮變形的現(xiàn)象。假設(shè)利用上述物質(zhì)的壓電效應(yīng)，在兩面加16000Hz以上的交變電壓，那么該物質(zhì)會產(chǎn)生高頻的伸縮變形，使周圍的介質(zhì)作超聲振動。為了獲 得最大的超聲波強度，應(yīng)使晶體處于共振狀

15、態(tài)，故晶體片厚度應(yīng)為聲波半波長或整倍 數(shù)。石英晶體的伸縮量太小，3000V電壓才能產(chǎn)生0.01 以下的變形。鈦酸鋇的壓電 效應(yīng)比石英晶體大2030倍，但效率和機械強度不如石英晶體，鉻鈦酸鉛具有二者的 優(yōu)點，一般可用作超聲波清洗、探測和小功率超聲加工的換能器。壓電陶瓷，常制成 圓形薄片，兩面鍍銀，先加高壓直流電進行極化，一面為正極，另一面為負極。使用 時，常將兩片迭在一起，正極在中間，負極在兩側(cè)經(jīng)上下端塊用螺釘夾緊，如圖6.5所示。裝夾在機床主軸頭的振幅擴大棒變幅桿的上端。正極必須與機床主軸絕緣。 為了導(dǎo)電引線方便，常用一鎳片夾在兩壓電陶瓷片正極之間作為接線端片。壓電陶瓷 片的自振頻率與其厚薄、

16、上下端塊質(zhì)量及夾緊力等成反比。圖6.5壓電式超聲波換能器1上端塊 2壓緊螺釘3鎳片4壓電陶瓷5下端塊6變幅桿圖6.6幾種材料的磁致伸縮曲線-75 %鎳 +25%鐵；2-49 %鉆 +2%釩 +49%鎳；3-6%鎳 +94%鐵;4-29%鎳+71 %鐵；5-退火鉆；6-鎳磁致伸縮式換能器磁致伸縮效應(yīng)是指，鐵、鉆、鎳及其合金；或鐵氧體等 材料的長度可隨所處磁場強度的變化而伸縮的現(xiàn)象。鎳在磁 場中的最大縮短量為其長度的0.004 %，鐵和鉆那么在磁場中為 伸長，當磁消失后又恢復(fù)原有尺寸。幾種材料的磁致伸縮曲 線參見圖6.6。這些材料的棒桿在交變磁場中，長度將交變伸 縮，其端面將作交變振動。為了減少高

17、頻渦流損耗，超聲加工中常用純鎳片疊成封 閉磁路的鎳棒換能器，即鎳磁致伸縮式換能器。在兩芯柱上 同向繞上線圈，通以超聲波發(fā)生器輸出的高頻電流，使之伸縮振動。如圖6.7所示。如果輸入磁致伸縮換能器線圈中的電流是交流正弦波形，那 么每一周波的正半波和負半波將引起磁場兩次大小變化，使換能器也伸縮兩次，出現(xiàn)“倍頻現(xiàn)象。倍頻現(xiàn)象使振動節(jié)奏模糊，并使共振長度變短，對結(jié)構(gòu)和使用均不利 為了防止這種倍頻現(xiàn)象，常在換能器的交流勵磁電路中引入一個直流電源，疊加一個 直流分量，使之成為脈動直流勵磁電流如圖 6.8所示，或并聯(lián)一個直流勵磁繞組， 加一恒定的直流磁場。“振幅放大比較小510倍，磁致伸縮式換能器的機械強度較

18、高、輸出功率較大，常用于中功率和大功率的超 聲加工。缺乏的是鎳片的渦流發(fā)熱損失較大，能量轉(zhuǎn)換效率較低，加工過程中需用風 或水冷卻，否那么隨著溫度的升高，磁致伸縮效應(yīng)變小甚至消失，也可能將線圈繞組的 絕緣材料燒壞。2變幅桿壓電或磁致伸縮的變形量很小即使在共振條件下振幅也不超過0.0050.01mm，缺乏以直接用于加工。超聲波加工需0.010.1mm的振幅，因此必須通過一 個上粗下細的棒桿將振幅加以擴大，此棒桿稱為振幅擴大棒，也稱變幅桿。常用的變 幅桿有外徑變化的實心型和內(nèi)徑變化的空心型。兩種類型的變幅桿沿長度上的截面變化是不同的，但桿上每一截面的振動能量是不變的不考慮傳播損耗。截面越小，能量密度

19、越大，振動的幅值也就越大，所以各種變幅桿的放大倍數(shù)都不相同。變幅桿可 制成錐形、指數(shù)形或階梯形等見圖6.9。錐形的變幅桿 但易于制造；指數(shù)形的放大比中等1020倍，使用 中性能穩(wěn)定，但不易制造；階梯形的放大比擬大20倍 以上，也容易制造，但當它受到負載阻力時振幅易減 小，性能不穩(wěn)定，而且在粗細過渡的地方容易產(chǎn)生應(yīng) 力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂，為此須加過渡圓弧。實際生 產(chǎn)中，加工小孔、深孔常用指數(shù)形變幅桿；階梯形變 幅桿因設(shè)計、制造容易，也常被采用。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的固有振動頻 率和外激振動頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，在設(shè) 計、制造變幅桿時，應(yīng)使其長度L等于超聲波振動的半 波長或其整倍

20、數(shù)。必須注意，超聲波加工時并不是整個變幅桿和工具都是在作上下高頻振動，它和低頻或工頻振動的概念完全不一樣。超聲波在金屬棒桿內(nèi)主要以縱波形式傳播，引起 桿內(nèi)各點沿波的前進方向一般按正弦規(guī)律在原地作往復(fù)振動，并以聲速傳導(dǎo)到工具端面，使工具端面作超聲振動。工具端面的有關(guān)參數(shù)如下：瞬時位移量S=Asin 3t最大位移量Smax=A瞬時速度v= wAcos 3t最大速度Vmax= 3 A瞬時加速度a=- w Asi n 3最大加速度amax=- 3 A式中 A超聲的振幅；3超聲的角頻率，3 =2n ； f超聲頻率；t時間。設(shè)超聲振幅A=0.02mm，頻率f=20 OOOHz，那么可算出工具端面的最大速度

21、 Vmax= 2 nA=2.513m/s，和最大加速度 amax=32A=315 829m /s2=32 330g由此可見，工具端面的最大加速度是重力加速度 g的30 000余倍(g=9.81m /s2)， 其加速度是很大的。有關(guān)變幅桿設(shè)計可參閱有關(guān)文獻。按照波動的合成原理，當系統(tǒng)處在共振狀態(tài)時，只有在此駐波節(jié)點平面內(nèi)，從單 方向入射波和反方向反射波引起的質(zhì)點位移恰好大小相等方向相反，其合成位移始終為零。例如換能器長度L/2處的中間截面上的任何點，即為靜止不動的波節(jié)點，以后 向兩端處振幅即逐漸增大，到換能器與變幅桿交界面上振幅為最大，稱波腹點。以后 振幅又逐漸減小再次出現(xiàn)波節(jié)點，到工具端面處再

22、次出現(xiàn)振幅更大的波腹點。整個振 動系統(tǒng)應(yīng)選擇波節(jié)點支承緊固在機床上，如圖 6.10所示。圖6.10聲學(xué)頭的固定1 波節(jié)點2振幅3冷卻水3 工具超聲波的機械振動經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，工具端面推動磨粒和工作液以一定 的能量撞擊工件。工具的形狀和尺寸由被加工外表的形狀和尺寸決定，它們相差一個“加工間隙(稍大于平均的磨粒直徑)。工具和變幅桿可做成一個整體，亦可將工具用焊接或螺紋連接等方法固定在變幅桿的下端。當工具不大時，可以忽略工具對振動的影響，但當 工具較重時，會減小共振頻頻率，故工具較長時，應(yīng)對擴大棒進行修正，使其滿足半 個波長的共振條件。超聲波振動系統(tǒng)所有的連接局部應(yīng)接觸緊密，否那么超聲波傳遞

23、過程中將損失很大 能量。為此在螺紋連接處應(yīng)涂以凡士林油，防止空氣間隙的存在，因為超聲波通過空 氣時很快衰減。在超聲加工中，工具在縱向和橫向都會磨損，工具端面的磨損是主要的，側(cè)面的 磨損僅占全部磨損的1 /10。這樣，不僅直接影響加工速度和加工精度，而且會破壞 振動系統(tǒng)的共振條件，降低加工效率。工具磨損量的大小，主要取決于工具材料、結(jié) 構(gòu)和工件材料。試驗說明，加工一般硬脆材料，多用 45鋼或碳素工具鋼作工具材料, 因為這些材料具有抗疲勞強度高、比擬耐磨損，加工容易的特點。如果要求加工精度 較高時，采用硬質(zhì)合金或淬火鋼較好，必要時可采用金剛石外表鍍覆工具。633機床超聲波加工機床一般比擬簡單，它的

24、主要部 件是：聲學(xué)組件、工具進給機構(gòu)、磨料輸送系統(tǒng)、 超聲發(fā)生器、加工壓力調(diào)整機構(gòu)。圖6.11為一般超 聲加工機床。如圖6.11所示4、5、6為聲學(xué)組件，安裝在一 根能上下移動的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下兩組滾動導(dǎo) 輪定位，使導(dǎo)軌能靈活、精密、可靠地上下移動。 工具的向下進給及對工件施加壓力靠聲學(xué)組件的 自重，為了能調(diào)節(jié)壓力大小，在機床后部可改變 平衡砝碼的重量，也有采用彈簧或液壓等其他方 法。目前，超聲加工機床已形成規(guī)模和市場，發(fā) 達國家那么尤其突出，各種機電一體化、自動化、 精密化超聲加工機床不斷進入市場。磨料懸浮液圖6.11 CSJ-2型超聲波加工機床1 艾駅5-Tfl fti- i.H $抿用

25、擴丈律 五一揀郭丁一邙軻蠱標比簡單的超聲加工裝置，其磨料是靠人工輸送和更換的，即在加工前將懸浮磨料的 工作液澆注在加工區(qū)，加工過程中定時抬起工具和補充磨料。也可利用小型離心泵使 磨料懸浮液攪拌后澆注到加工間隙中去。對于較深的加工外表，仍經(jīng)常應(yīng)將工具定時 抬起以利磨料的更換和補充。大型超聲加工機床都采用流量泵自動向加工區(qū)供應(yīng)磨料 懸浮液，且品質(zhì)好，循環(huán)良好。此外，工具和變幅桿尺寸較大時，可在工具和變幅桿 中間開孔，由孔內(nèi)抽吸磨料懸浮液，對提高加工質(zhì)量有利。超聲加工中常用的磨料有： 氧化鋁、碳化硼、 碳化硅、金剛砂。 硼是最貴的磨料， 但其最適合切割硬質(zhì)合金、工具鋼和貴重的寶石。硅的用途最廣。采用

26、氧化鋁的問題 是磨損快，并很快失去其切割能力，氧化鋁對切割玻璃、鍺和陶瓷是最好的。用金剛 砂來切割金剛鉆和紅寶石是最好的，能保證好的精度、外表粗糙度和切削速率。碳化 硼硅是一種新的、有希望的磨料，它含的磨料粉 (質(zhì)量分數(shù))比碳化硼的要多 812。磨料的磨粒在2002000#磨粒之間，粗級磨料對粗加工是好的，而細級磨料 (例 如1000#磨粒)作精加工用。 12002000#磨粒的很細級磨料，僅用作很精確的最后幾 道工序。兩種不同大小的顆?？傻竭_的典型外表粗糙度是：粒度280#磨粒 0.5 pm外表粗糙度。粒度800#磨粒 0.2 pm外表粗糙度。 實際上加工面的外表粗糙度是由工件材料、工具外表

27、的粗糙度、振動振幅、磨料 磨粒的粒度，以及有效懸浮液的循環(huán)來控制的。磨料懸浮在液體中，液體應(yīng)具有以下功能： (1)在工件和振開工具間起著傳聲器的作用； (2)有助于工件和工具間能量的有效 傳遞； (3)起冷卻劑的作用； (4)提供一種為把磨料帶到切削區(qū)的介質(zhì)； ( 5)有助于去除 鈍化的磨料和切屑。一種好的懸浮介質(zhì) (液體)的特性是：(1)密度要大致等于磨料的密度； (2)有好的潤 濕性浸濕工具、工件和磨料； (3)有高的熱導(dǎo)率和比熱容來有效地帶走切削區(qū)的熱量； (4)粘度低，以便于磨料沿著工具和工件之間孔隙邊下落； (5)無腐蝕性以防止腐蝕工 件和工具。常常用水作為液載體， 因為它能滿足大多

28、數(shù)要求。 通常把某種防腐蝕劑參加水中。6.4 超聲加工速度、精度、外表質(zhì)量及其影響因素6.4.1 加工速度及其影響因素加工速度又稱材料去除率。是指單位時間內(nèi)去除材料的多少。單位是 mm3/min或 g/min表示。玻璃的最大加工速度可以到達 20004000mm 3/min。影響加工速度的主要因素有：工具振動頻率、振幅、工具和工件之間的靜壓力、 磨料的種類和粒度、懸浮液的濃度、供應(yīng)及循環(huán)方式、工具與工件材料、加工面積和 深度等。1工具的振幅和頻率的影響 許多學(xué)者對這一問題進行了許多深入的研究，但結(jié)果并不相同。一般認為隨振幅 的增大和頻率的提高使加工速度增加，但這樣會降低聲學(xué)系統(tǒng)的使用壽命，同時

29、聯(lián)結(jié) 處的損耗也增大，外表粗糙度提高。因此，超聲加工振幅一般在 0.010.1mm ，頻率 在 1600025000Hz 之間。2磨料的種類和粒度的影響磨料硬度愈高，加工速度愈快，但要考慮價格本錢。加工金剛石和寶石等超硬材 料時，必須用金剛石磨料；加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬脆性材料時，宜采用硬度較 高的碳化硼磨料；加工硬度不太高的脆硬材料時，可采用碳化硅；至于加工玻璃、石 英、半導(dǎo)體等材料時，用剛玉之類氧化鋁AI2O3作磨料即可。在磨粒尺寸對速度關(guān)系曲線中有一極限值，即使很粗的粉末亦會產(chǎn)生速率的下 降。然而，最正確的尺寸可用工具振動的振幅來控制。在磨粒尺寸與振幅大小類似時， 就到達了最正確條件

30、。顆粒尺寸對外表粗糙度的影響很大。尼皮勒斯和福斯克特用玻璃 和碳化鎢作工件材料取得的數(shù)據(jù)說明，孔的底面比側(cè)面要光潔，其理由可能是射束把 磨粒向下吸人切削區(qū)域時，就在側(cè)面上留下了痕跡。3 .施加靜載荷的影響 切削速度隨作用在工具上的靜載荷的增加，而到達最大值。 如圖6.12所示，極值點隨著振動的振幅和工具的橫截面積的變化而移動。實驗發(fā)現(xiàn)，外表粗糙度很少受靜載荷的影響。用高的載荷沒有產(chǎn)生較粗的粗糙度。圖6.12不同振幅和工具尺寸條件下，靜載荷對材料去除率的影響實際上，由于高載荷把顆粒壓碎成小粒度，故外表粗糙度得到改善。4 .磨料懸浮液的影響磨料懸浮液濃度低，加工間隙內(nèi)磨粒少，特別在加工面積和深度較

31、大時可能造成 加工區(qū)局部無磨料的現(xiàn)象，使加工速度大大下降。隨著懸浮液中磨料濃度的增加，加 工速度也增加。但濃度太高時，磨粒在加工區(qū)域的循環(huán)運動和對工件的撞擊運動受到 影響，又會導(dǎo)致加工速度降低。通常采用的濃度為磨料對水的質(zhì)量比約 0.51左右或 體積比為30%40% 。懸浮液壓入切削區(qū)的壓力，對材料切除速率有顯著的影響。彭特蘭觀察到在超聲 波鉆孔時，隨著改善懸浮液的循環(huán)，可使金屬切除速率成倍地增長。增大壓送懸浮液 的壓力，材料切除速率甚至可增加十倍。5.被加工材料的影響被加工材料愈脆，那么承受沖擊載荷的能力愈低，因此愈易被去除加工；反之韌性 較好的材料那么不易加工。如以玻璃的可加工性生產(chǎn)率為1

32、00%，那么鍺、硅半導(dǎo)體單晶 為200%250%，石英為50%，硬質(zhì)合金為2%3%，淬火鋼為1%，不淬火鋼小于1%6工具外表的形狀的影響工具外表的形狀也影響切削速率的最大值。窄的矩形工具，比相同的橫截面積的 正方形工具會產(chǎn)生更大的最大切削速率。 梅特耳金Metelhn的研究結(jié)果指出，用圓錐 形的工具來取代柱形的工具，切削速率增加 50 %。此外，工具的加工截面面積過大， 也會顯著降低材料去除率。642加工精度及其影響因素超聲波加工的精度，除受機床、夾具精度的影響之外，主要與磨料粒度、工具精 度及磨損情況、工具的橫向振動、加工深度、工件材料性質(zhì)等因素有關(guān)。一般加工孔 的尺寸精度達土 0.020.

33、05mm。1. 孔的加工范圍在通常加工速度下，超聲加工最大孔和所需的功率之間的關(guān)系見表6-1。一般超聲波加工孔徑范圍約為0.190mm，長徑比可達1020以上。表6-1超聲波加工功率和最大加工孔徑的關(guān)系電源輸出功率5010020030050070010001500200025004000最大加工盲孔直徑5101520253030404050>60中空工具最大加工直徑152030405060808090>902. 加工孔的尺寸精度當工具尺寸一定時，加工出孔的尺寸比工具尺寸有所擴大，擴大量約為磨粒直徑的兩倍，加工出孔的最小直徑Dmin = Dt + 2de，Dt為工具直徑; de為磨粒

34、平均直徑。因此，磨粒的大小決定了超聲波加工中型腔輪廓的精度。由于磨料沿著孔的側(cè)面 向工具的底面流動，所以加工出的孔要比工具大些。為了獲得精確和良好的外表粗糙 度，最好是使用一套工具和不止一種尺寸等級的磨料，其等級如下：1級 小于實際尺寸的工具，高的頻率，粗的磨粒；2級 小于實際尺寸的工具，高的頻率，較細的磨粒；3級 與實際尺寸一樣大小的工具，低的頻率，很細的磨粒；磨料粒度對應(yīng)的根本尺寸見表6-2。表6-2磨料粒度及其根本尺寸磨料粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7根本尺寸125100 1008080636350504040282820201414101

35、0775對于圓孔的加工誤差主要是橢圓度和錐度。如果采用工具或工件旋轉(zhuǎn)的方法，可 提高孔的圓度和生產(chǎn)率。外表質(zhì)量及其影響因素超聲加工具有較好的外表質(zhì)量，不會產(chǎn)生外表燒傷和外表變質(zhì)層。超聲加工的外表粗糙度也較好，一般可在Ra10.1 m之間，取決于每粒磨料每次撞擊工件外表后留下的凹痕大小，它與磨料顆粒的直徑，被加工材料的性質(zhì)，超聲振 動的振幅以及磨料懸浮工作液的成分等等有關(guān)。當磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時，那么加工外表粗糙度將得 到改善，但生產(chǎn)率那么也隨之降低。磨料懸浮工作液體的性能對外表粗糙度的影響比擬復(fù)雜。實踐說明，用煤油或潤 滑油代替水可使外表粗糙度更有所改善。6.5超聲波

36、加工的應(yīng)用超聲波加工的生產(chǎn)率較雖然低，但其加工精度、外表粗糙度都比擬好，而且能加 工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料如玻璃、石英、寶石、玉石、鎢及合金、瑪瑙、金剛石 等，除此之外，如寶石軸承、拉絲模、噴絲頭還可以用于超聲拋光、光整加工、復(fù)合 加工，也可用于清洗、焊接、醫(yī)療、電鍍、冶金等許多方面，隨著科技的開展，超聲 波加工應(yīng)用前景越來越廣泛。一、型腔、型孔加工超聲加工目前在各工業(yè)部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、 微細孔等，如圖6.13所示。圖6.13超聲波加工的型孔、型腔類型 a加工圓孔b加工型腔二、切割加工用普通機械加工切割脆硬 的半導(dǎo)體材料是很困難的，采用 超聲切割那么較為有效

37、。圖6.14為 用超聲加工法切割單晶硅片示 意圖。用錫焊或銅焊將工具薄鋼 片或磷青銅片焊接在變幅桿的 端部。加工時噴注磨料液，一次 可以切割1020片。c加工異型孔d套料加工e加工微細孔圖6.14超聲波切割單晶硅片1 變幅桿2 工具薄鋼片3 磨料液4工件單晶硅圖6.15所示為成批切塊刀 具，它采用了一種多刃刀具，即 包括一組厚度為 0.127mm的軟鋼刃刀片，間隔1.14mm，鉚 合在一起，然后焊接在變幅桿 上。刀片伸出的高度應(yīng)足夠在 磨損后可作幾次重磨。在最外 邊的刀片應(yīng)比其它刀片高出0. 5mm，切割時插入坯料的 導(dǎo)槽中，起定位作用。加工時噴注磨料液，將坯 料片先切割成lmm寬的長條， 然

38、后將刀具轉(zhuǎn)過90，使導(dǎo)向片 插入另一導(dǎo)槽中，進行第二次 切割以完成模塊的切割加工。三、復(fù)合加工在超聲加工硬質(zhì)合金、耐 熱合金等硬質(zhì)金屬材料時，加圖6.15成批切槽塊刀具1變幅桿 2焊縫3鉚釘 4導(dǎo)向片5軟鋼刀片工速度較低，工具損耗較大。為了提高加工速度及降低工具損耗，可以把超聲加工和 其它加工方法相結(jié)合進行復(fù)合加工。 例如采用超聲與電化學(xué)或電火花加工相結(jié)合的方 法來加工噴油嘴、噴絲板上的小孔或窄縫，可以大大提高加工速度和質(zhì)量。圖6.16為圖6.16超聲電解復(fù)合加工小孔1 換能器2 變幅桿3工具4電解液圖6.17電解超聲復(fù)合拋光1超聲波發(fā)生器2換能器3變幅桿 4導(dǎo)電油石 5電解液噴嘴6工具手柄7

39、直流電源5工件 6直流電源7超聲波發(fā)生器超聲電解復(fù)合加工小孔和深孔的示意圖。工件 5接直流電源6的正極，工具3鋼絲、鎢 絲或銅絲接負極，工件與工具間施加618V的直流電壓，采用鈍化性電解液混加磨 料作電解液，被加工外表在電解液中產(chǎn)生陽極溶解，電解產(chǎn)物陽極鈍化膜被超聲頻振 動的工具和磨料破壞，由于超聲振動引起的空化作用加速了鈍化膜的破壞和磨料電解 液的循環(huán)更新，從而使加工速度和質(zhì)量大大提高超聲與電火花復(fù)合加工小孔、窄縫及精微異形孔時，也可獲得較好的工藝效果。 其方法是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。其裝置與圖 6.16類似，超聲聲學(xué)部件夾固在電火花加工機床主軸頭下部，電火花加工用的方波脈沖電源RC線路脈沖電源也可加到工具和工件上精加工時工件接正極，加工時主軸 作伺服進給，工具端面作超聲振動。當不加超聲時電火花精加工的放電脈沖利用率為 3%50 %，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到50%以上，從而提高生產(chǎn)率120倍，愈是小面積、小用量加工，相對生產(chǎn)率的提高倍數(shù) 愈多。隨著加工面積和加工用量脈寬、峰值電流、峰值電壓的增大，工藝效果即逐 漸不明顯，與不加超聲時的指標相接近。超聲電火花復(fù)合精微加工時，超聲功率和振幅不宜大，否那么將引起工具端面和工 件瞬時接觸頻繁短路，導(dǎo)致電弧放電。超聲振動還可用于研磨拋光電火花或電解加工之后的模