特種加工 第七章

特種加工第七章第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)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、超聲加工的特點第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三一、超聲波及其特性16～16000Hz

超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中縱向（前進方向）傳播。由于超聲波頻率高、波長短、能量大，所以傳播時反射、折射、共振及損耗等現(xiàn)象更顯著。第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三超聲波具有下列特性：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）。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。第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三2)當(dāng)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)的形成壓縮和稀疏區(qū)域，由于液體基本上不可壓縮，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臨近的零件表面上會使其破壞，引起固體物質(zhì)分解、破碎等效應(yīng)。第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三3)超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的發(fā)射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質(zhì)的波阻抗（密度與波速的乘積稱為波阻抗），介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時的能量的反射率愈高。第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三4)超聲波在一定條件下，會產(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三二、超聲加工的基本原理超聲加工是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種成型方法。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。

第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三所謂空化作用，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時，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(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時，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工間隙中強迫循環(huán)，使變鈍了的磨粒及時得到更新。第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三超聲加工是基于局部撞擊作用，越是硬脆的材料，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。工具材料45號鋼第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三三、超聲加工的特點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、石英、鍺、硅、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較復(fù)雜的相對運動，因此超聲加工機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個方向輕壓進給，操作、維修方便。3）由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，可達Ra1～0.1um，加工精度可達0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)超聲加工設(shè)備及其組成部分一、超聲發(fā)生器二、聲學(xué)部件三、機床四、磨料工作液及其循環(huán)系統(tǒng)第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三超聲加工設(shè)備組成如下：超聲發(fā)生器（超聲電源）超聲振動系統(tǒng)包括超聲換能器、變幅桿（振幅擴大棒）、工具機床本體包括工作頭、加壓機構(gòu)及工作進給機構(gòu)、工作臺及其位置調(diào)整機構(gòu)工作液及循環(huán)系統(tǒng)和換能器冷卻系統(tǒng)包括磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)、換能器冷卻系統(tǒng)。第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三一、超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器也稱超聲波或超聲頻發(fā)生器，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動和去除被加工材料的能量。其基本要求是：輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調(diào)的功能，此外要求結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、體積小等。第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三二、聲學(xué)部件聲學(xué)部件的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，使工具端面作高頻率小振幅的振動以進行加工。聲學(xué)部件由換能器、變幅桿（振幅擴大棒）及工具組成。換能器的作用是將高頻振蕩轉(zhuǎn)換成機械振動，目前實現(xiàn)這一目的可利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)兩種方法。第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三（一）壓電效應(yīng)超聲波換能器石英晶體、鈦酸鋇以及鋯鈦酸鋇等物質(zhì)在受到機械壓縮或拉伸變形時，在它們兩對面的介面上將產(chǎn)生一定的電荷，形成一定的電勢；反之，在它們的兩介面上加以一定的電壓，則將產(chǎn)生一定的機械變形。這一效應(yīng)稱為“壓電效應(yīng)”。晶片厚度為聲波半波長或整數(shù)倍。第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三（二）磁致伸縮效應(yīng)超聲波換能器鐵、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(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。這種材料的棒桿在交變磁場中其長度將交變伸縮，其端面將交變振動。第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三為了減少高頻渦流損耗，超聲波加工中常用純鎳片疊成封閉磁路的鎳棒換能器。第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三交流正弦波形會引發(fā)倍頻現(xiàn)象，使振動節(jié)奏模糊，共振長度變短，對結(jié)構(gòu)和使用均不利。為避免倍頻現(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?；蛘卟⒙?lián)一個直流勵磁繞組，加上一個恒定的直流磁場。第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三鎳棒的長度也應(yīng)等于超聲波半波長或其整數(shù)倍，使之處于共振狀態(tài)。第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三（三）變幅桿（振幅擴大棒）壓電或磁致伸縮的變形量是很小的（在共振條件下不超過0.005～0.01mm），而超聲波加工需0.01～0.1mm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，此桿稱為振幅擴大棒或變幅桿。第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三變幅桿之所以能擴大振幅，是由于通過它的每一截面的振動能量是不變的，截面小的地方能量密度大，能量密度J正比于振幅A的平方，第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三為了獲得較大的振幅，也應(yīng)使變幅桿的固有頻率和外激振動頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，應(yīng)使變幅桿的長度L等于超聲波振動的半波長或其整數(shù)倍。第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三超聲波在金屬棒內(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。工具端面的第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三（四）工具超聲波的機械振動經(jīng)變幅桿放大后即傳給工具、使磨粒和工作液以一定的能量沖擊工件，并加工出一定的尺寸和形狀。工具的形狀和尺寸決定于被加工表面的形狀和尺寸，它們相差一個“加工間隙”（稍大于平均的磨粒直徑）。第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三當(dāng)加工面積較小時一體焊接螺紋半個波長共振條件聯(lián)結(jié)部分接觸緊密螺紋聯(lián)結(jié)出土儀凡士林鈾，絕不可存在空氣間隙。換能器、擴大棒或整個聲學(xué)頭應(yīng)選擇在振動為零的“波節(jié)點”，夾固支撐在機床上。第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三三、機床第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三四、磨料工作液及其循環(huán)系統(tǒng)抬起工具人工澆注小型離心泵使磨料懸浮液攪拌后注入加工間隙中對于較深的加工表面，定時抬起工具以利于磨料的更換和補充工作液：水、煤油或機油磨料：碳化硼、碳化硅、氧化鋁粒度第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)超聲加工速度、精度、表面質(zhì)量及其影響因素一、加工速度及其影響因素二、加工精度及其影響因素三、表面質(zhì)量及其影響因素第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三一、加工速度及其影響因素加工速度是指單位時間內(nèi)去除材料的多少，單位通常以g/min或mm3/min表示。1.工具的振幅和頻率的影響共振頻率2.進給壓力的影響3.磨料的種類和粒度的影響加工金剛石和寶石采用金剛石磨料加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬脆性材料采用碳化硼磨料，加工硬度不太高的脆性材料采用碳化硅，加工玻璃、石英、半導(dǎo)體時采用剛玉（氧化鋁）磨料。4.磨料懸浮液濃度的影響5.被加工材料的影響第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三二、加工精度及其影響因素超聲加工的精度，除受機床、夾具精度影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及其磨損情況、工具橫向振動大小、加工深度、被加工材料性質(zhì)有關(guān)。對于加工圓形孔，其形狀誤差主要有橢圓度和錐度。橢圓度大小與工具橫向振動大小和工具沿圓周磨損不均勻有關(guān)。錐度大小與工具磨損量有關(guān)。如果采用工具或工件旋轉(zhuǎn)的方法，可以提高孔的圓度和生產(chǎn)率。第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三三、表面質(zhì)量及其影響因素超聲加工具有較好的表面質(zhì)量，不會產(chǎn)生表面燒傷和表面變質(zhì)層。超聲加工的表面粗糙度也較好，一般可在Ra1～0.1um之間，取決于每粒磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，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有關(guān)。表面粗糙度生產(chǎn)率煤油潤滑油第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)超聲加工的應(yīng)用一、型孔、型腔加工二、切割加工三、復(fù)合加工四、超聲清洗第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三一、型孔、型腔加工硬脆材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三二、切割加工第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三三、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。第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三1.超聲電解復(fù)合加工加工小孔和深孔第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三2.超聲電火花復(fù)合加工加工小孔、窄縫及精微異型孔第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三3.超聲拋光及電解超聲復(fù)合拋光超聲振動還可用于研磨拋光電火花或電解加工之后的模具表面、拉絲模小孔等。超聲研磨拋光時，工具與工件之間最好有相對轉(zhuǎn)動或往復(fù)運動。在光整加工中，利用導(dǎo)電油石或鑲嵌金剛石顆粒的導(dǎo)電工具，對工件表面進行電解超聲復(fù)合拋光加工，更有利于改善表面粗糙度。第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三在切削中引入超聲振動（如在對耐熱鋼、不銹鋼等硬韌材料進行車削、鉆孔、攻螺紋時），可以降低切削力，改善表面粗糙度，延長刀具壽命和提高加工速度等。第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第六十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第六十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三第六十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三四、超聲清洗超聲清洗的原理主要是基于超聲頻振動在液體中產(chǎn)生的交變沖擊波和空化作用。窄縫、細小深孔、彎孔中的污物，用于對噴油嘴、噴絲板、微型軸承、儀表齒輪和零件，手表整體機芯，印制電路板、集成電路微電子器件的清洗，可獲得很高的凈化度。第六十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三清洗液變臟超聲氣相清洗沸點低、不易燃、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的有機溶劑三氯乙烯、三氯乙烷氟氫化物第六十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期三一定頻率和一定振幅的超聲波引入液體，還能使半固