超聲波加工技術

超聲波加工技術1．超聲波加工的原理與特點

1)加工原理 超聲波加工是利用振動頻率超過16000Hz的工具頭，通過懸浮液磨料對工件進行成型加工的一種方法，其加工原理如圖1所示。圖1超聲波加工原理圖 當工具以16000Hz以上的振動頻率作用于懸浮液磨料時，磨料便以極高的速度強力沖擊加工表面；同時由于懸浮液磨料的攪動，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超聲振動而產生交變的沖擊波和“空化現象”。所謂空化現象，是指當工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內形成負壓和局部真空，在磨料液內形成很多微空腔；當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，從而使脆性材料產生局部疲勞，引起顯微裂紋。這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不斷進行，工具的形狀就逐漸“復制”在工件上。 由此可見，超聲波加工是磨粒的機械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結果，磨粒的撞擊作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進行超聲波加工。 2)特點 超聲波加工的主要特點如下： (1)適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。也可以加工淬火鋼和硬質合金等材料，但效率相對較低。 (2)由于工具可用較軟的材料、做成較復雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復雜的運動。 (3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達0.1μm，加工精度可達0.05～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。 (4)加工機床結構和工具均較簡單，操作維修方便。 (5)生產率較低。這是超聲波加工的一大缺點。2.超聲波加工設備

超聲波加工裝置如圖2所示。盡管不同功率大小、不同公司生產的超聲波加工設備在結構形式上各不相同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)(聲學部件)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。圖2超聲波加工裝置 1)高頻發(fā)生器 高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交流電轉變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供給工具往復運動和加工工件的能量。 2)聲學部件 聲學部件的作用是將高頻電能轉換成機械振動，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學部件主要由換能器、振幅擴大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號轉換為機械振動；振幅擴大棒又稱變幅桿，其作用是將振幅放大。 由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過0.005～0.01mm，而超聲波加工卻需要0.01～0.1mm的振幅，因此必須用上粗下細(按指數曲線設計)的變幅桿放大振幅。變幅桿應用的原理是：因為通過變幅桿的每一截面的振動能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會增大。 變幅桿的常見形式如圖3所示，加工中工具頭與變幅桿相連，其作用是將放大后的機械振動作用于懸浮液磨料對工件進行沖擊。工具材料應選用硬度和脆性不很大的韌性材料，如45#鋼，這樣可以減少工具的相對磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個加工間隙值(略大于磨料直徑)。圖3幾種形式的變幅桿 3)機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng) 超聲波加工機床的本體一般很簡單，包括支撐聲學部件的機架、工作臺面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進給機構等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時用煤油或機油。磨料的粒度大小取決于加工精度、表面粗糙度及生產率的要求。

3．超聲波加工的加工速度及其影響因素 加工速度是指單位時間內去除的材料量，單位為g/min或mm3/min。

影響因素：1）工具振幅和頻率超聲波可傳遞很強的能量，加工能量同振幅和頻率呈正比，大的振幅和高的頻率可以獲得大的加工能量，但過大的振幅和高的頻率會使工具和變幅桿承受很大的內應力，從而降低其使用壽命，一般的振幅為0.01～0.1mm，頻率在16000～25000Hz之間。2）進給壓力在加工時，應使工具對工件保持一個合適的進給壓力。壓力過小，則工具末端與工件加工表面的間隙過大，減小了磨料對工件的撞擊力和打擊深度；壓力過大，則工具末端與工件加工表面的間隙減小，磨料和工作液不能順利循環(huán)更新，都會導致生產率下降。3）磨料種類和粒度磨料硬度愈高，加工速度愈快；磨料粒度愈粗，加工速度愈快，精度和表面粗糙度愈差。4）磨料懸浮液濃度磨料懸浮液中磨料濃度低，加工間隙內磨粒少，特別在加工面積和深度較大時可能造成加工區(qū)局部無磨料的現象，降低加工速度；隨著磨料懸浮液中磨料濃度的增加，加工速度也增加；但濃度過高，磨料在加工區(qū)的循環(huán)更新和對工件的撞擊運動受到影響，又會導致生產率下降。通常采用的濃度為磨料對水的重量比約0.5～1左右。5）工件材料材料愈脆，則承受沖擊載荷的能力愈低，愈容易加工，反之，韌性愈好的材料則不易加工。4．超聲波加工的加工精度 超聲波加工的加工精度，除受機床、夾具精度影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及其磨損程度、工具橫向振動的大小、加工深度、被加工材料性質等因素有關?？椎某叽缇纫话銥?.05～0.02mm。5．超聲波加工的表面質量超聲波加工具有較好的表面質量，不會產生表面燒傷和表面變質層。超聲波加工的表面粗糙度取決于每顆磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，它與磨粒直徑、工具振動的幅度、磨料懸浮液的成分、被加工材料性質等因素有關。表面粗糙度Ra值可達1～0.1μm。6．超聲波加工的應用 超聲波加工的生產率雖然比電火花、電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能加工半導體、非導體的脆硬