《特种加工》课程教学资源（PPT课件讲稿）第六讲 超声波加工技术

超声波加工 超声波加工技术

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超声波加工 超声波加工的原理与特点 1)加工原理 超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具 头,通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法, 其加工原理如图1所示

超声波加工 1．超声波加工的原理与特点 1) 加工原理 超声波加工是利用振动频率超过16 000 Hz的工具 头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法， 其加工原理如图1所示

超声波加工 加工力 工具 振动方向 磨料十工作液 图1超声波加工原理图

超声波加工 图1 超声波加工原理图 加 工力 工 具 工 件 振 动 方 向 磨 料＋ 工 作液 工 具 振 幅

超声波加工 当工具以16000H以上的振动频率作用于悬浮液磨料时, 磨料便以极高的速度强力冲击加工表面;同时由于悬浮液磨 料的搅动,使磨粒以高速度抛磨工件表面;此外,磨料液受 工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象” 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,在磨料液内形成很 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,从而使脆性材料产生局部 疲劳,引起显微裂纹。 这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏,随着加工的不 断进行,工具的形状就逐渐“复制”在工件上

超声波加工 当工具以16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时， 磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨 料的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外，磨料液受 工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象” 。 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，在磨料液内形成很 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，从而使脆性材料产生局部 疲劳，引起显微裂纹。 这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，随着加工的不 断进行，工具的形状就逐渐“复制”在工件上

超声波加工 由此可见,超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以 及超声波空化作用的综合结果,磨粒的撞击作用是主要的。 因此,材料愈硬脆,愈易遭受撞击破坏,愈易进行超声波加 工。 2)特点 超声波加工的主要特点如下: 1)适合于加工各种硬脆材料,特别是某些不导电的非金 属材料,例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等 也可以加工淬火钢和硬质合金等材料,但效率相对较低。 (2)由于工具可用较软的材料、做成较复杂的形状,故不 需要使工具和工件作比较复杂的运动

超声波加工 由此可见，超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以 及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。 因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加 工。 2) 特点 超声波加工的主要特点如下： (1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金 属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。 也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。 (2) 由于工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，故不 需要使工具和工件作比较复杂的运动

超声波加工 (3)加工时宏观切削力很小,不会引起变形、烧 伤。表面粗糙度Ra值很小,可达0.,2pm,加工精度可 达0.05~0.02mm,而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度 的零件。 (4)加工机床结构和工具均较简单,操作维修方 便。 (5)生产率较低。这是超声波加工的一大缺点

超声波加工 (3) 加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧 伤。表面粗糙度Ra值很小，可达0.2 μm，加工精度可 达0.05～0.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度 的零件。 (4) 加工机床结构和工具均较简单，操作维修方 便。 (5) 生产率较低。这是超声波加工的一大缺点

超声波加工 2超声波加工设备 超声波加工装置如图2所示。尽管不同功率大小、 不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相 同,但一般都由高频发生器、超声振动系统(声学部 件)、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成

超声波加工 2. 超声波加工设备 超声波加工装置如图2所示。尽管不同功率大小、 不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相 同，但一般都由高频发生器、超声振动系统(声学部 件)、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成

超声波加工 2 1—冷却器:2—磨料悬浮液抽出 4—工件;5—磨料悬浮液送出;6变幅 7—换能器:8高频发生器 图2超声波加工装置

超声波加工 图2 超声波加工装置 1 2 3 4 5 6 7 8 1—冷却器； 2—磨 料 悬 浮液 抽 出 ； 3—工具； 4—工件； 5—磨 料 悬 浮液 送 出 ； 6—变幅杆； 7—换能器； 8—高 频 发 生器

超声波加工 1)高频发生器 高频发生器即超声波发生器,其作用是将低频交 流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡,以供 给工具往复运动和加工工件的能量。 2)声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动, 并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能 器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声 频电振荡信号转换为机械振动;振幅扩大棒又称变幅 杆,其作用是将振幅放大

超声波加工 1) 高频发生器 高频发生器即超声波发生器，其作用是将低频交 流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供 给工具往复运动和加工工件的能量。 2) 声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动， 并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能 器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声 频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅 杆，其作用是将振幅放大

超声波加工 由于换能器材料伸缩变形量很小,在共振情况下也超不 过0.005~001mm,而超声波加工却需要001~01mm的振 幅,因此必须用上粗下细(按指数曲线设计)的变幅杆放大振 幅。变幅杆应用的原理是:因为通过变幅杆的每一截面的 振动能量是不变的,所以随着截面积的减小,振幅就会增 大 变幅杆的常见形式如图3所示,加工中工具头与变幅杆 相连,其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对 工件进行冲击。工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性 材料,如45#钢,这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺 寸和形状取决于被加工表面,它们相差一个加工间隙值(略 大于磨料直径)

超声波加工 由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不 过0.005～0.01 mm，而超声波加工却需要0.01～0.1 mm的振 幅，因此必须用上粗下细(按指数曲线设计)的变幅杆放大振 幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的 振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增 大。 变幅杆的常见形式如图3所示，加工中工具头与变幅杆 相连，其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对 工件进行冲击。工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性 材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺 寸和形状取决于被加工表面，它们相差一个加工间隙值(略 大于磨料直径)