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1、超声波加工本讲稿第一页，共三十一页超声波加工的机理与特点超声波加工的机理与特点 频率超过频率超过16000Hz的声波称为超声波的声波称为超声波超声波加工的机理超声波加工的机理超声波是超声波是由压电晶由压电晶片片（如石英、（如石英、钛酸钡等）钛酸钡等）的逆压电效的逆压电效应产生的应产生的本讲稿第二页，共三十一页超声波的特性超声波的特性超声波能传递很强的能量超声波能传递很强的能量当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率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，由此缩和稀疏区域
2、，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的产生压力正、负交变的液压冲击液压冲击和和空化现象空化现象，从而，从而引起固体物质引起固体物质分散、破碎等效应分散、破碎等效应通过不同介质时，在界面上发生波速突变，通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生产生波的反射波的反射和和折射折射现象现象在一定条件下，会产生在一定条件下，会产生波的干涉波的干涉和和共振共振现象现象本讲稿第三页，共三十一页利用超声波的特性进行加工的工艺称为超声加工利用超声波的特性进行加工的工艺称为超声加工超声加工是利用工具端面作超声振动，通过超声加工是利用工具端面作超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的磨料悬浮液加工脆硬材料
3、的超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，磨和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的粒的撞击作用是主要的超声加工是基于局部撞击作用，因此越超声加工是基于局部撞击作用，因此越是脆硬的材料，越易进行超声加工。而是脆硬的材料，越易进行超声加工。而选择工具材料时则应使之既能撞击磨拉，选择工具材料时则应使之既能撞击磨拉，又不致使自身受到破坏又不致使自身受到破坏本讲稿第四页，共三十一页超声加工原理图超声加工原理图本讲稿第五页，共三十一页加工精度高、表面粗糙度小、加工质量好加工精度高、表面粗糙度小、加工质量好工
4、具和工件无需复杂的相对运动，超工具和工件无需复杂的相对运动，超声加工机床结构简单声加工机床结构简单工件表面宏观切削力很小，切削应力、切削热工件表面宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形和烧伤很小，不会引起变形和烧伤 适合加工各种硬脆材料，特适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料别是不导电的非金属材料超声波加工的特点超声波加工的特点工具可用软材料工具可用软材料本讲稿第六页，共三十一页超声加工设备包括超声加工设备包括超声发生器、超声超声发生器、超声振动系统、机床本振动系统、机床本体和磨料工作液循体和磨料工作液循环系统环系统超声波加工装置超声波加工装置的构成及关键部件的构成及关键
5、部件 CSJ-2型型超声加工机床超声加工机床本讲稿第七页，共三十一页超声波超声波发生器发生器作用是将工频交流电转变为有一定作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供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工具端面往复振动和去除被加工材料的能量料的能量基本要求：输出功率和频率在一定范围基本要求：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能；还要求结构动跟踪和自动微调的功能；还要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等简单、工作可靠、价格便宜、体积小等有电子管式、晶体管式有电子管式、晶体管式
6、本讲稿第八页，共三十一页声学声学部件部件将高频电能转变为将高频电能转变为机械能，使工具端机械能，使工具端面作高频率小振幅面作高频率小振幅的振动以进行加工的振动以进行加工压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器本讲稿第九页，共三十一页磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器镍棒长度应等于镍棒长度应等于超声波半波长或其超声波半波长或其整数倍，使之处于整数倍，使之处于共振状态共振状态（20kHz的换能器，其长度为125mm）本讲稿第十页，共三十一页几种变幅杆几种变幅杆声学头的固定声学头的固定选择振幅为零的波节点选择振幅为零的波节点本讲稿第十一页，共三十一页磨料工磨料工作液及其作液及其循环系统循环系统磨料可以靠人工输送和磨料
7、可以靠人工输送和更换，也可利用小型离更换，也可利用小型离心泵注入心泵注入工工作作液液常常用用的的是是水水；为为了了提提高高表表面面质质量量，有有时时也用煤油或机油也用煤油或机油磨料常用碳化硼、碳化磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等硅或氧化铝等本讲稿第十二页，共三十一页.加工速度及其影响因素加工速度指单位时间内去除材料的多少，加工速度指单位时间内去除材料的多少，以以mmmm3 3/min/min或或g/ming/min为单位来表示。为单位来表示。影响加工速度的因素主要有工具的振幅影响加工速度的因素主要有工具的振幅和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、被加工材料、磨
8、料悬浮液的浓度。被加工材料、磨料悬浮液的浓度。超声波加工的工艺规律超声波加工的工艺规律本讲稿第十三页，共三十一页（）工具振幅和频率的影响过大的振幅和过高的频率会使工具和变过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，振幅一般在幅杆承受很大的内应力，振幅一般在0.010.010.1mm0.1mm之间，频率在之间，频率在160001600025000Hz25000Hz之间。之间。在实际加工中需根据不同工具调至共振在实际加工中需根据不同工具调至共振频率，以获得最大振幅，从而达到较高频率，以获得最大振幅，从而达到较高的加工速度。的加工速度。本讲稿第十四页，共三十一页（）进给压力的影响加工时工
9、具对工件应有一个适当的进给加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。压力。压力过小时，工具端面与工件加工表面压力过小时，工具端面与工件加工表面间的间隙增大，从而减少了磨料对工件间的间隙增大，从而减少了磨料对工件的锤击力；的锤击力；压力增大，间隙减少，当间隙减少到一压力增大，间隙减少，当间隙减少到一定程度则会降低磨料与工作液的循环更定程度则会降低磨料与工作液的循环更新速度，从而降低生产率。新速度，从而降低生产率。本讲稿第十五页，共三十一页（）磨料种类和粒度的影响加工时针对不同强度的工件材料可选择加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料。不同的磨料。磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考磨料强度愈高
10、，加工速度愈快，但要考虑价格成本。虑价格成本。加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应选用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、锗选用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、锗等半导体材料，选用氧化铝磨料。等半导体材料，选用氧化铝磨料。本讲稿第十六页，共三十一页（）被加工材料的影响被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧性愈好，愈不易加工。性愈好，愈不易加工。本讲稿第十七页，共三十一页（）磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液浓度低，
11、加工间隙内的磨粒磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒少，特别是在加工面积大、深度较大时少，特别是在加工面积大、深度较大时可能造成加工区局部没有磨料，使加工可能造成加工区局部没有磨料，使加工速度大大降低。速度大大降低。磨料浓度的增加，加工速度也增加，但磨料浓度的增加，加工速度也增加，但浓度太高，磨粒在加工区域内的循环运浓度太高，磨粒在加工区域内的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。导致加工速度降低。本讲稿第十八页，共三十一页.加工精度及其影响因素超声波的加工精度，除了机床、夹具精超声波的加工精度，除了机床、夹具精度影响外，主要与磨料粒度、工具
12、精度度影响外，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、被加工材料性质有关。工深度、被加工材料性质有关。本讲稿第十九页，共三十一页.表面质量的影响超声波加工具有良好的表面质量，不会超声波加工具有良好的表面质量，不会产生表面变质层和烧伤，其表面粗糙度产生表面变质层和烧伤，其表面粗糙度主要与磨粒尺寸、超声波振幅大小和工主要与磨粒尺寸、超声波振幅大小和工件材料硬度有关。件材料硬度有关。磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材料越硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会料越硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会得到明显改善，因为表面粗
13、糙度值主要得到明显改善，因为表面粗糙度值主要取决于每颗磨粒每次锤打工件材料所留取决于每颗磨粒每次锤打工件材料所留下的凹痕的大小和深浅。下的凹痕的大小和深浅。本讲稿第二十页，共三十一页加工加工型孔、型孔、型腔型腔主要用于对脆硬材料加工圆孔、主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等型孔、型腔、套料、微细孔等超声波加工的应用超声波加工的应用加工圆孔、加工圆孔、加工型腔加工型腔本讲稿第二十一页，共三十一页加工异形孔、套料加工、加工微细孔加工异形孔、套料加工、加工微细孔本讲稿第二十二页，共三十一页切割切割加工加工用普通机械加工切割脆硬的用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难，采用超半导体
14、材料很困难，采用超声切割较为有效声切割较为有效超声切割超声切割单晶硅片单晶硅片本讲稿第二十三页，共三十一页成批切槽刀具成批切槽刀具切割成的切割成的陶瓷模块陶瓷模块本讲稿第二十四页，共三十一页复合复合加工加工用超声加工与其它加工方法相用超声加工与其它加工方法相结合进行复合加工，以提高加结合进行复合加工，以提高加工速度和表面质量工速度和表面质量超声电解复超声电解复合加工小孔合加工小孔本讲稿第二十五页，共三十一页手携式电解超声手携式电解超声复合抛光原理图复合抛光原理图超声振动超声振动切削加工切削加工本讲稿第二十六页，共三十一页超声波切割金刚石超声波切割金刚石本讲稿第二十七页，共三十一页超声波超声波焊
15、接焊接利用高频振动产生的撞击能量，利用高频振动产生的撞击能量，去除工件表面的氧化膜杂质，露去除工件表面的氧化膜杂质，露出新鲜的本体，在两个被焊工件出新鲜的本体，在两个被焊工件表面分子的撞击下，亲和、熔化表面分子的撞击下，亲和、熔化并粘接在一起并粘接在一起 可以焊尼龙、塑料制品，特别是表面易可以焊尼龙、塑料制品，特别是表面易产生氧化层的难焊接金属材料，如铝制产生氧化层的难焊接金属材料，如铝制品等；此外，利用超声波化学镀工艺还品等；此外，利用超声波化学镀工艺还可以在陶瓷等金属表面挂锡、挂银及涂可以在陶瓷等金属表面挂锡、挂银及涂覆熔化的金属薄层覆熔化的金属薄层 本讲稿第二十八页，共三十一页超声波超声波清洗清洗主要基于超声振动在液体中产生主要基于超声振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用的交变冲击波和空化作用清洗喷油嘴、喷清洗喷油嘴、喷丝板、微型轴承、丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表仪表齿轮、手表机芯、印刷电路机芯、印刷电路板、集成电路微板、集成电路微电子器件等电子器件等超声清洗装置超声清洗装置本讲稿第二十九页，共三十一页四槽式超声波气相清洗机简图四槽式超声波气相清洗机简图本讲稿第三十页，共三十一页本讲稿第三十一页，共三十一页