超聲波在加工方面的應(yīng)用

1、超聲波技術(shù)及其應(yīng)用超聲波加工原理及其在光學(xué)玻璃加工方面的應(yīng)用超聲波加工原理及其在光學(xué)玻璃加工方面的應(yīng)用學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院學(xué)號(hào)：15S008154姓名：楊永喜12022-3-5超聲波技術(shù)及其應(yīng)用主要匯報(bào)內(nèi)容主要匯報(bào)內(nèi)容2國(guó)內(nèi)外超聲波加工發(fā)展國(guó)內(nèi)外超聲波加工發(fā)展歷史歷史超聲波加工的基本原理超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)和特點(diǎn)光學(xué)玻璃的超聲波精密光學(xué)玻璃的超聲波精密加工加工超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史3 1927年，美國(guó)物理學(xué)家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗(yàn)，利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上；1951年，美國(guó)的科恩制成第一臺(tái)實(shí)用的超

2、聲加工機(jī)。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史4 二十世紀(jì)50年代中期，日本、蘇聯(lián)將超聲加工與電加工(如電火花加工和電解加工等)、切削加工結(jié)合起來(lái)，開辟了復(fù)合加工的領(lǐng)域。這種復(fù)合加工的方法能改善電加工或金屬切削加工的條件，提高加工效率和質(zhì)量。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史5 1964年，英國(guó)又提出使用燒結(jié)或電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)，加工速度低和精度差的缺點(diǎn)。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史6 20世紀(jì)70年代之前超聲波加工工具主要是與磁致伸縮換能器配套使用，從1970年開

3、始,隨著壓電材料用于超聲波換能器,超聲波加工技術(shù)有了很大進(jìn)展。壓電換能器使振動(dòng)振幅能精確控制,電聲轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%,對(duì)于硬脆材料的精加工,如鉆孔,超聲波加工工具可以加工0.0125mm的小孔。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史7 自80年代以后,新的合成材料和陶瓷材料進(jìn)展很快,促進(jìn)了超聲波加工技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)電火花加（EDM)出現(xiàn)后,它代替了超聲波加工硬的鋼鐵,效率更高,應(yīng)用到許多場(chǎng)合中。80年代中期,隨著電火花線切割的成功進(jìn)展,減少了超聲波加工硬質(zhì)合金的市場(chǎng),超聲波加工的主要應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榍懈畈Ａ?、石英、陶瓷和硅板等低?dǎo)電性的硬脆材料,這些材料一般不能用于EDM加工。

4、后來(lái),力傳感器和計(jì)算機(jī)數(shù)控伺服機(jī)構(gòu)被應(yīng)用于加工工具,使超聲波加工中的加工壓力變得穩(wěn)定可控。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史8 我國(guó)超聲波加工的研究始于50年代末,曾經(jīng)掀起過(guò)一陣群眾性的“超聲熱”,由于當(dāng)時(shí)超聲波發(fā)生器、換能器、聲振系統(tǒng)很不成熟,缺乏合理的組織和持續(xù)的研究工作,很快就冷了下來(lái)。60年代末,哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲車削,加工了一批飛機(jī)上的鋁制細(xì)長(zhǎng)軸,取得了良好的切削效果。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、超聲波加工發(fā)展歷史一、超聲波加工發(fā)展歷史9 1976年以后,我國(guó)再次開展超聲試驗(yàn)研究和理論探討工作。在1993年為止,我國(guó)已發(fā)表了300多篇有關(guān)超聲加工方面的科學(xué)研

5、究論文?？梢韵嘈?隨著超聲加工設(shè)備的不斷完善和理論研究的不斷深入,它必將在我國(guó)技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)中起到重要的作用。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)10 聲波加工方法是近40年來(lái)逐步發(fā)展的一種新型加工方法,它不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等硬脆金屬材料,而且更適合于半導(dǎo)體和不導(dǎo)電的非金屬硬脆材料(如半導(dǎo)體硅片、鍺片以及陶瓷、玻璃等)的精密加工和成形加工。在難加工材料和精密加工中,超聲波加工方法具有普通加工無(wú)法比擬的工藝效果,具有廣泛的應(yīng)用范圍。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)11 1.超聲波加工原理

6、 超聲波加工是利用工具端面做超聲頻振動(dòng),通過(guò)磨料懸浮液加工脆性材料的一種成形加工方法，加工原理如圖所示。加工中自由磨粒對(duì)工件的沖擊對(duì)材料去除起主要作用,通過(guò)高頻振動(dòng)工具的頂端把能量傳遞到磨料懸浮液,使磨粒不斷沖擊工件,去除小的碎片。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)12 1.超聲波加工原理 加工時(shí),由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生1620kHz的高頻電振動(dòng)信號(hào),經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng),此機(jī)械振動(dòng)的振幅較小,約為0.0050.01mm,不能直接用于超聲加工。需通過(guò)變幅桿(又稱為聚能器)將其放大到約0.01一0.1mm,再傳給工具。工具一般通過(guò)焊接連接在變幅桿的下端,

7、在工具頂端和工件之間充滿著液體(水或煤油)與磨料(碳化硅或碳化硼)混合的磨料懸浮液。工具以一定的壓力作用在工件上,工作液中懸浮的磨料顆粒在工具的超聲振動(dòng)下,以很高的速度不斷沖擊拋磨被加工工件表面。磨料打擊工件表面的加速度可達(dá)重力加速度的104倍,因而在被加工的表面上造成很大的局部單位面積壓力,使工件局部材料發(fā)生變形;當(dāng)達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí),材料將發(fā)生破壞,被粉碎成特別細(xì)的微粒,并被循環(huán)的磨料懸浮液帶走。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)13 1.超聲波加工原理 與此同時(shí),懸浮工作液受工具端部的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生液壓沖擊和空化作用。所謂空化作用是指當(dāng)工具端

8、面以很大的加速度離開工件表面時(shí),加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空,在工作液體內(nèi)形成很多微空腔,促使工作液鉆入被加工工件表面材料的微裂紋處。當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí),空腔閉合,引起極強(qiáng)的液壓沖擊波,加速了磨料對(duì)工件表面的破碎作用。隨著磨料懸浮液不斷地循環(huán),磨粒的不斷更新,加工下來(lái)的碎屑不斷被排除。綜上所述,在游離磨料的沖擊、拋磨和磨料懸浮液的空化腐蝕的綜合作用下,最終在工件上加工出與工具幾何形狀相對(duì)應(yīng)的型腔。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)14 1.超聲波加工原理超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)

9、15 2.超聲波加工的特點(diǎn) 由上述超聲波加工的原理和過(guò)程可以看出,超聲波加工方法具有以下特點(diǎn):、適于加工各種硬脆材料,尤其是玻璃、陶瓷、人造寶石、石英、鍺、硅、石墨等不導(dǎo)電的非金屬材料;也可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、軟合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的金屬材料,但加工效率較低。被加工材料的脆性越大越容易加工,材料越硬或強(qiáng)度、韌性越大則越難加工。、可以加工復(fù)雜型腔及型面。由于工件材料的去除主要靠磨料的作用,磨料的硬度應(yīng)比被加工材料的硬度高,而工具的硬度可以低于工件材料,工具材料一般選用韌性材料(如45鋼、65Mn、40Cr)、做成較復(fù)雜的形狀,且不需要工具與工件作比超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本

10、原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)16 2.超聲波加工的特點(diǎn)較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此,超聲波加工可加工出各種復(fù)雜的型腔和型面。這也決定了超聲波加工機(jī)床結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,操作維修也比較方便。、工件在加工過(guò)程中受力小,加工精度高。由于加工過(guò)程中去除工件材料主要依靠磨粒瞬時(shí)局部的沖擊作用,工件表面的宏觀切削力很小,切削應(yīng)力、切削熱小,不會(huì)產(chǎn)生變形及燒傷,表面粗糙度也較低,Ra可達(dá)0.63一0.08m,尺寸精度可達(dá)0.010.02mm;也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。、與電解加工、電火花加工等加工方法相比,超聲波加工的效率低,隨著加工深度的增加材料去除率下降;而且加工過(guò)程中工具的磨損較大?？膳c其他傳

11、統(tǒng)或特種加工結(jié)合應(yīng)用,如超聲振動(dòng)切削、超聲電火花加工和超聲電解加工等。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)二、超聲波加工的基本原理和特點(diǎn)17 3.旋轉(zhuǎn)超聲波加工及其特點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)超聲波加工(RUM)是在傳統(tǒng)超聲波加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的, 它與傳統(tǒng)超聲波加工不同之處在于:工具在作超聲振動(dòng)的同時(shí)附加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);工具由金屬粉末和人造金剛石或方氮化硼磨料按一定比例燒結(jié)而成;將冷卻水而不是磨料懸浮液輸入到工具和工件表面之間。這種加工方法把金剛石工具的優(yōu)良切削性能和工具的超聲頻振動(dòng)結(jié)合在一起, 與傳統(tǒng)超聲波加工相比, 具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)加工速度快;(2)加工精度高;(3)工具磨損小;(4)對(duì)加工

12、材料的適應(yīng)性廣。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用三、三、光學(xué)玻璃的超聲波精密加工光學(xué)玻璃的超聲波精密加工18 1.光學(xué)玻璃及其特點(diǎn) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 光學(xué)玻璃以其具有的耐高溫、膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能好等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于航空航天、信息、微電子及測(cè)繪等諸多現(xiàn)代高技術(shù)行業(yè)。但由于光學(xué)玻璃硬度高、強(qiáng)度大、質(zhì)地脆, 使得傳統(tǒng)的切削加工方法難以勝任制造任務(wù), 所以對(duì)這些材料的精密和超精密加工已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用三、三、光學(xué)玻璃的超聲波精密加工光學(xué)玻璃的超聲波精密加工19 2.傳統(tǒng)加工工藝存在的問(wèn)題 1)鉆孔的精美問(wèn)題 在光學(xué)件制造中,多采用的是鉆頭打孔方式。

13、在打孔過(guò)程中,常出現(xiàn)錐形、中心偏、爆邊和破片等問(wèn)題。這類打孔方式,對(duì)于精度要求不高的孔可滿足加工要求,但對(duì)高精度、軸心位置誤差要求高的孔,傳統(tǒng)加工方式通常不能滿足要求。同時(shí)由于傳統(tǒng)打孔方式由工人師傅操作，鉆孔質(zhì)量還依賴于操作人員的熟練程度。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用三、三、光學(xué)玻璃的超聲波精密加工光學(xué)玻璃的超聲波精密加工20 2.傳統(tǒng)加工工藝存在的問(wèn)題2)切槽的崩邊問(wèn)題 由于玻璃的硬脆特性,加工過(guò)程中的崩邊無(wú)法避免。但玻璃基板邊緣的崩邊現(xiàn)象直接影響工件后續(xù)鍍膜的平整度,從而影響到成品測(cè)量的精度。因此,需要將崩邊控制到最小程度。加工過(guò)程中如不注意,崩邊現(xiàn)象明顯,將導(dǎo)致玻璃基板報(bào)廢。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用三、三、光學(xué)玻璃的超聲波精密加工光學(xué)玻璃的超聲波精密加工21 2.傳統(tǒng)加工工藝存在的問(wèn)題3)切削的精密問(wèn)題 由于精密測(cè)量的要求,一對(duì)玻璃基板要求鍍膜面重合度高, 誤差不超過(guò)絲米級(jí)。如采用傳統(tǒng)的研拋工藝, 不但周期長(zhǎng), 成本高, 而且鍍膜面的加工精度很難保證。超聲波技術(shù)及其應(yīng)用三、三、光學(xué)玻璃的超聲波精密加工光學(xué)玻璃的超聲波精密加工22 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果超