超声加工的原理

第一节超声加工的基本原理和特点一、超声波及其特性声波频率在16～16000Hz范围内。频率超过16000Hz超出一般人耳听觉范围，就称为超声波。超声波可以在气、液、固体介质中纵向传播。fc超声波主要具有下列特性：1）超声波能传递很强的能量；由于超声波频率很高，其能量密度可达100W/cm2以上。在同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。2）当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变地液压冲击和空化现象。高频振动会使液体中产生大量地小气泡，即微细间隙－空化腔。这些小气泡会随声振动而强烈生长，最终达到更强烈的闭合，即破裂或称崩溃。在气泡破裂瞬间，会产生极大的声冲击力作用，这种现象称为空化现象。这一交变的脉冲压力作用在临近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎等效应。2)(21AcJ3）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。为改善传递条件，在连接界面加机油、凡士林等作为传递介质以消除空气及因它引起的衰减。4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象，图7－1为超声波在弹性杆中传播时各质点振动的情况。为使弹性杆处于最大振幅共振状态，弹性杆设计成半波长的整数倍；而固定弹性杆的支撑点，应选在振动过程中的波节（x＝（2k＋1）λ/4）处。二、超声加工的原理1-工具2－工件3－磨料悬浮液4、5－变幅杆6－换能器7－超声波发生器超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成形方法。加工时，在工具和工件之间加入液体（水或没有等）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声换能器产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05～0.1mm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上被打击下来。同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。（空化作用会引起极强的液压冲击波）空化作用可强化加工过程，液压冲击也是悬浮工作液强迫循环，使变钝的磨粒得到更新。超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易超声加工。相反，韧性材料难以加工。根据这个道理，合理选择工具材料，使之既能撞击磨粒，自身又不致受到很大破坏，如45钢。三、超声加工的特点1）适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、宝石、金刚石等。2）由于工具可用较软材料，做成复杂形状，故不需工具与工件做比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向的进给，操作维修方便。3）去除材料靠磨料瞬时局部的撞击作用，宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度也较好，而且可加工薄壁、窄缝、低刚度零件。第二节超声加工设备及其组成部分一般包括超声发生器、超生振动系统、机床本体、磨料工作液循环系统、换能器冷却系统。一、超声波发生器超声波发生器也称超声波或超声频发生器，其作用是将工频交流电转换为又一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。基本要求：输出功率和频率在一定范围内可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。框图如图7－3所示，分振荡级、电压放大级、功率放大级及电源等。振荡级由三极晶体管接成电感反馈振荡电路，调节电容量可改变振荡频率，即可调节输出的超声频率。振荡级的输出经耦合至电压放大级进行放大后，利用变压器倒相输送到末级功率放大管，功率放大管有时用多管并联推挽输出，经输出变压器输至换能器。二、声学部件作用：把高频电能转变为机械能，使工具端面以高频小振幅的振动进行加工。组成：换能器、变幅杆及工具一、压电效应超声波换能器石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们的两对面的介面上将产生一定的电荷，形成一定的电势；反之，在它们的两介面上加以一定的电压，则将产生一定的机械变形，这一现象称为“压电效应”。为了使晶体处于共振状态，晶体片厚度应为声波半波长的整数倍。石英晶体的伸缩量太小，钛酸钡的压电效应比石英晶体大20～30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅具有二者的优点，一般可用作超声清洗、探测中和小功率（250W以下）的超声波加工的换能器。通常制成圆形薄片，两面镀银，先加高压直流电进行极化，一面为正极，另一面为负极。使用时，常将两片迭在一起，正极在中间，负极在两侧经上下端用螺钉夹紧，如图7－5所示。1－上端块2－压紧螺钉3－导电镍片4－压电陶瓷5－下端块6－变幅杆（二）磁致伸缩效应超声波换能器铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应，其中镍在磁场中的最大缩短量为其长度的0.004％，铁和钴则在磁场中为伸长，当磁场消失后又恢复原有尺寸，如图7－6。为了减少高频涡流损耗，常用纯镍片迭成封闭磁路的镍棒换能器，如图7－7所示。它比压电式换能器有较高机械强度和较大输出功率，常用于中功率和大功率的超声加工。缺点：镍片的涡流发热损失较大，能量转换效率较低，加工中需用水冷却。倍频现象：通入线圈的电流为交流正弦波形，每一周期的正半波和负半波引起磁场两次大小变化，使换能器也伸缩两次，出现倍频现象。倍频现象使振动节奏模糊，并使共振长度变短，对结构和使用均不利。为避免倍频现象，在交流电路中引入一个直流电源，迭加一个直流分量，称为脉动直流励磁电流。镍棒的长度也应等于超声波半波长或其整数倍。共振频率为20KHz左右的换能器，其长度约为125mm。（三）变幅杆超声加工需0.01～0.1mm的振幅，因此需一个上粗下细的杆棒将振幅加以扩大，此杆称为振幅扩大棒或变幅杆，如图7－9所示。变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一截面的振动能量是不变的，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。故截面越小，能量密度越大，振幅也就越大。变幅杆的长度等于超声波半波长或其整数倍。超声波在钢铁中波长为0.31～0.2m，故钢扩大棒的长度一般在100～160mm。222cJAa）锥形（5～10倍）b）指数形（10～20倍）c）阶梯形（20倍以上）常用指数形变幅杆（四）工具工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状和尺寸，相差一个加工间隙。联接部分应接触紧密，否则能量损失很大。在螺纹联接处应涂以凡士林油，决不可存在空气间隙。换能器、扩大棒或整个声学头的加固点应选在振幅为零的“波节点”（或称驻波点），固定在机床上。如图7－10所示。三、机床1－支架2－平衡重锤3－工作台4－工具5－振幅扩大棒6－换能器7－导轨8－标尺四、磨料工作液及其循环系统简单——人工输送和更换利用离心泵使磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙中去。较深表面，配合工具定时抬起。工作液——最常用是水，表面质量好用煤油、机油磨料——碳化硼、碳化硅或氧化铝，粒度大小根据加工生产率和精度要求来选定。颗粒大，生产率高，但精度、粗糙度差。第三节超声加工速度、精度、表面质量及其影响因素一、加工速度及其影响因素加工速度——单位时间内去除材料的多少，单位以g/min或mm3/min，玻璃的最大加工速度可达2000～4000mm3/min。影响因素：工具振动频率、振幅、工具和工件间的静压力、磨料的种类和粒度、磨料悬浮液的浓度、供给及循环方式、工具与工件材料、加工面积、加工深度等。1.工具的振幅和频率的影响内应力的问题，超过疲劳强度而降低使用寿命，联接处损耗加大。一般取振幅在0.01～0.1mm，频率在16000～25000Hz。实际加工时调至共振频率。2.进给压力的影响合适的进给压力。加工面积5～13mm2时，最佳静压力约400kPa，加工面积20mm2以上时，最佳静压力约在200～300Kpa。3.磨料种类和粒度的影响硬度高，加工速度快，但要考虑价格成本。加工金刚石和宝石——金刚石磨料加工硬质合金、淬火钢——碳化硼磨料玻璃、石英、半导体——氧化铝磨料磨料粒度越粗，加工速度越快，但精度和粗糙度变差4.磨料悬浮液浓度的影响浓度低，加工速度大大下降，浓度增加加工速度增加，但不宜太高。通常采用的浓度为磨料对水的质量比为0.5～1左右。5.被加工材料的影响脆性材料，加工容易；韧性材料，不易加工。玻璃－100％，锗、硅半导体晶体－200～250％，石英－50％，硬质合金－2～3％，淬火钢－1％，不淬火钢－小于1％二、加工精度及其影响因素除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质等有关。一般加工孔的尺寸精度可达±0.02～0.05mm。1.孔加工范围孔径0.1～90mm，深度可达直径10～20倍2.孔的尺寸精度采用240＃～280＃磨粒，一般可达±0.05mm；采用W28～W7磨粒，可达±0.02mm或更高。三、表面质量及其影响因素表面质量较好，不会产生表面烧伤和表面变质层。表面粗糙度较好，一般在Ra1～0.1µm之间。磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小时，粗糙度将得到改善。但生产率降低。用煤油、润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。第四节超声加工的应用一、型孔、型腔加工二、切割加工1－变幅杆2－焊缝3－铆钉4－导向片5－软钢刀片三、复合加工1.超声电解复合加工1－换能器2－变幅杆3－工具4－电解液和磨料5－工件6－直流电源7－超声波发生器2.超声电火花复合加工超声与电火花复合加工小孔、窄缝及精微异形孔时，也可获得较好得工艺效果。其方法是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。其装置与图7－16类似，超声声学部件加固在电火花加工机床主轴头下部，电火花加工用的方波脉冲电源加到工具和工件上，加工时主轴作伺服进给，工件端面作超声振动。加上超声振动后，电火花静加工时的有效放电脉冲利用率可提高到50％以上，从而提高生产率2－20倍。精微加工时，超声功率和振幅不易过大，否则引起瞬时接触频繁短路，导致电弧放电。3.超声抛光及电解超声复合抛光1－超声波发生器2－压电陶瓷换能器3－变幅杆4－导电油石5－电解液喷嘴6－工具手柄7－直流电源1－换能器2－变幅杆3－工具头4－金刚石（工件）5－切割圆片（工具）6－重锤磨料－金刚石磨料四、超声清洗原理：基于超声频振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。液体中的正负交变的微冲击波使污物遭到破坏，从被清洗表面脱落下来。清洗液－汽油、煤油、酒精、丙酮、水广泛用于喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、零件、手表整体机芯、印刷电路板、集成电路微电子器件的清洗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1－操作面板2－超声波发生器3－冷排管4－气相清洗槽5－第二超声清洗槽6－第一超声清洗槽7－整流回收槽8－水分分离器9－加热装置10超声波换能器11－冷凝器