第八章 超声波加工.pptVIP

第八章 超声波加工 超声加工（Ultrasonic Machining简称USM）有时也称超声波加工。电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。 一、超声波及其特性 声波是人耳能感受的一种纵波，它的频率在16~16000Hz范围内。当频率超过16000 Hz超出一般人耳听觉范围，就称为超声波。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中纵向（前进方向）传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同介质中，超声波传播的速度c亦不同（如c空气=331m/s； c水=1430m/s；c铁=5850m/s），它与波长和频率之间的关系可用下式表示： 超声波主要具有下列特性： 1）超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。因此，有时可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。 振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J来表示，单位为W/cm2 由于超声波的频率很高，其能量密度可达100W/cm2以上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，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、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻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。 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。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗。介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近100%，因为空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质，以消除空气及因它而引起的衰减。 4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。当超声波从弹性杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着同周期、同振幅、传播方向相反的两个波，这两个完全相同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，其振幅为零（为波节），而另一些点振幅最大，其振幅为原振幅的两倍（为波腹）。 为了使弹性杆处于最大振幅共振状态，应将弹性杆设计成半波长的整数倍；而固定弹性杆的支持点，应该选在振动过程中的波节处，这一点不振动。 二、超声波加工的原理 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型方法。加工原理如图所示。加工时，在工具1和工件2之间加入液体（水或煤油等）和磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声换能器6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.lmm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地撞击、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。 虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达16000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，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。 所谓空化现象，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。 由此可见，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，其中磨粒的撞击作用是主要的。 超声加工是基于局部撞击作用，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受