特种加工–超声加工

超声加工是利用作超声频小振幅振动的工具﹐并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用﹐使工件材料表面逐步破碎的特种加工﹐英文简称为USM。超声加工可用于穿孔﹑切割﹑焊接(见超声波焊)﹑套料和拋光。

简史

1927年美国物理学家R.W.伍德和A.L.卢米斯最早作了超声加工试验﹐利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔﹐但当时并未应用在工业上。1951年﹐美国的A.S.科恩制成第一台实用的超声加工机。50年代中期﹐日本﹑苏联将超声加工与电加工(如电火花加工和电解加工等)﹑切削加工(如磨削和车削等)结合起来﹐开辟了复合加工的领域。这种复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件﹐提高加工效率和质量。1964年﹐英国又提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法﹐克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点。

加工原理

由超声发生器产生的高频电振荡(频率一般为16～25千赫﹐焊接频率可更高)施加于超声换能器上﹐将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅(双振幅为20～80微米)﹐并驱动以一定静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件﹐使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒﹐为循环的磨料悬浮液带走﹐工具便逐渐进入到工件中﹐加工出与工具相应的形状。

特点和应用

超声加工的主要特点是：①不受材料是否导电的限制。②工具对工件的宏观作用力小﹑热影响小﹐因而可加工薄壁﹑窄缝和薄片工件。③被加工材料的脆性越大越容易加工﹔④材料越硬或强度﹑韧性越大则越难加工。由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用﹐磨料的硬度应比被加工材料的硬度高﹐而工具的硬度可以低于工件材料。⑤可以与其它多种加工方法结合应用﹐如超声振动切削﹑超声电火花加工和超声电解加工等。

超声加工主要用于各种硬脆材料﹐如玻璃﹑石英﹑陶瓷﹑硅﹑锗﹑铁氧体﹑宝石和玉器等的打孔(包括圆孔﹑异形孔和弯曲孔等)﹑切割﹑开槽﹑套料﹑雕刻﹑成批小型零件去毛刺﹑模具表面拋光和砂轮修整等方面。超声打孔的孔径范围是0.1～90毫米﹐加工深度可达100毫米以上﹐孔的尺寸精度可达0.02～0.05毫米。表面粗糙度在采用W40碳化硼磨料加工玻璃时可达R1.25～0.63微米﹐加工硬质合金时可达R0.63～0.32微米。

超声加工机

由电源(即超声发生器)﹑振动系统(包括超声换能器和变幅杆)和机床本体3部分组成。超声发生器将50赫的交流电转换为超声频电功率输出﹐功率由数瓦至数千瓦﹐最大可达10千瓦。通常使用的超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类。磁致伸缩换能器又有金属的和铁氧体的两种﹐金属的通常用于千瓦以上的大功率超声加工机﹔铁氧体的通常用于千瓦以下的小功率超声加工机。电致伸缩换能器用压电陶瓷制成﹐主要用于小功率超声加工机。变幅杆起着放大振幅和聚能的作用﹐按截面积变化规律有锥形﹑指数曲线形﹑悬链线形﹑阶梯形等。机床本体一般有立式和卧式两种类型﹐超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置。