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第七章超声加工•第一节超声加工的基本原理和特点•第二节超声加工设备及其组成部分•第三节超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素•第四节超声波的应用技术第一节超声加工的基本原理和特点•一、超声波及其特性•二、超声加工的基本原理•三、超声加工的特点一、超声波及其特性超声波的频率范围10-4Hz16Hz16kHz105kHz次声波超声波可听声波超声波为纵波,可在各种介质中传播传递速度c=λf,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/sc铁=5850m/s0100020003000400050006000传递速度(m/s)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)2/2ω=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形成真空,产生气泡空泡闭合,形成压力高频上下运动:f>16kHz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距入射端距离为x的b点处:入射波反射波)(2sinxTtAa入TxAaaa2sin2cos2反入合合成波)(2sinxTtAa反共振的条件:杆长为半波长的整数倍,L=kλ/2波节M点处:不振动ABM超声波在固体弹性杆内各质点的振动情况二、超声加工的基本原理•加工原理–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3.宏观切削力小,切削热小,适合加工薄壁、窄缝、低刚度件4.可加工复杂型面及型腔5.加工效率低(导电的硬质金属材料)6.工具有损耗第二节超声加工设备及其组成部分1.超声波发生器2.超声振动系统–超声换能器–变幅杆–工具3.机床本体4.磨料悬浮液循环系统和换能器冷却系统1--工作台2—工具3--变幅杆4--换能器5--导轨6--支架7--平衡重锤1235467一、超声波发生器功率放大器信号放大器震荡器电源作用: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。超声发生器的组成方框图14二、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。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)15(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。16(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。•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•振幅AcJ221kJA22.变幅杆(振幅扩大棒)变幅杆的形式(5~10倍)(10~20倍)(>20倍)193.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。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21三、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22四、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。第三节超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素•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。•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↓–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↓→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+2dsDmin:加工孔的最小直径Dt:工具直径ds:磨料平均直径影响因素:磨料粒度、工具精度、磨料情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质三、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•措施–磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小–用煤油或润滑油代替水工作液第四节超声加工的应用•型孔、型腔加工•切割加工•复合加工•超声清洗一、型孔、型腔加工32一、型(腔)孔加工(a)加工圆孔(b)加工型腔(c)加工异形孔(d)套料加工(e)加工微细孔图7-12超声波加工的型孔、腔孔类型•超声波目前主要应用在脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等的加工。33图7-15超声波切割加工123454321(a)超声切割单晶硅片示意图1—变幅杆;2—工具(薄钢片);3—磨料液;4—工件(单晶硅)(b)刀具1—变幅杆;2—焊缝;3—铆钉;4—导向片;5—软钢刀片(c)切割成的陶瓷模块二、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。34三、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。1234567891—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—钢垫块图7-20超声波清洗装置35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。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、医疗器械等的清洗中应用。36四、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。37超声波塑料焊接机五、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转动或往复移动39(1)超声电解复合加工辅以超声振动的复合电解加工。用于难加工材料的表面光整及深小孔加工。40(2)超声电火化复合加工原理:在普通电火花加工时,引入超声波,使电极工具端面作超声振动。超声声学部件夹固在电火花加工机床的主轴头下部,脉冲电源加在工具和工件上,加工时主轴作伺服进给,工具端面作超声振动。效果:不加超声时电火花精加工的放电脉冲利用率为3%~5%,加上超声振荡后,电火花精加工时的有效放电脉冲利用率可提高50%以上,从而提高生产效率2~20倍。41(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。42六、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。探测金属内部缺陷例如: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。43超声波除尘•只要在烟囱里装一个超声波除尘器,不消片刻,烟囱就冒着干净的白烟了。超声波除尘装置44超声波促进植物生长•种子发芽需要水分、氧气和一定的温度。种子外面裹着一层严严实实的种皮,它虽然能保护种子不受伤害,但是它的透水性和透气性都不好,是种子“喝”不到足够的水分,“呼吸”也特别微弱,就像睡着了。因此,有了合适的条件也不易发芽。45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。46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。47超声波诊断疾病•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。•此外,有一种“超声波现象仪”,人们还可以在它的电视荧光拼上看到诸如跳动着的心脏、母亲腹内的胎儿等的活动“电影”。因此,超声波也是医生的好助手。B超诊断疾病
本文标题:第七章_超声加工.
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