了解超声波加工技术
时间：2020-01-16 浏览：
超声波通常指频率高于16kHz以上,即高于人工听觉频率上限的一种振动波。超声波的上限频率范围主要取决于发生器,实际使用的在5000MHz以内。超声波与声波一样,可以在气体、液体和固体介质中传播,但由于频率高、波长短、能量大,所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象很显著。
超声波具有下列主要性质
①能传递很强的能量,其能量密度可达100W/m2以上;
②具有空化作用,即超声波在液体介质传播时局部会产生极大的冲击力、瞬时高温、物质的分散、破碎及各种物理化学作用;
③通过不同介质时会在界面发生波速突变,产生波的反射、透射和折射现象;
④具有尖锐的指向性,即超声波换能器设为小圆片时,其中心法线方向上声强极大,而偏离这个方向时,声强就会减弱;
⑤在一定条件下,会产生波的干涉和共振现象。
超声波加工又称超声加工,不仅能加工脆硬金属材料,而且适合于加工半导体以及玻璃、陶瓷等非导体。同时,它还可应用于焊接、清洗等方面。
图10-1超声波加工原理
1—换能器 2、3—变幅杆
4—工作液 5—工件 6—工具
超声波加工原理如图10-1所示。由超声波发生器产生的16kHz以上的高频电流作用于超声换能器上,产生机械振动,经变幅杆放大后可在工具端面(变幅杆的终端与工具相连接)产生纵向振幅达0.01~0.1mm的超声波振动。工具的形状和尺寸取决于被加工面的形状和尺寸,常用韧性材料制成,如未淬火的碳素钢。
工具与工件之间充满磨料悬浮液(通常是在水或煤油中混有碳化硼、氧化铝等磨料的悬浮液,称为工作液)。加工时,由超声换能器引起的工具端部的振动传送给工作液,使磨料获得巨大的加速度,猛烈地冲击工件表面,再加上超声波在工作液中的空化作用,可实现磨料对工件的冲击破碎,完成切削功能。通过选择不同工具端部形状和不同的运动方法,可进行不同的微细加工。
超声波加工适合于加工各种硬脆材料,尤其是不导电的非金属硬脆材料,如玻璃、陶瓷、石英、铁氧体、硅、锗、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工,但加工效率较低。加工的尺寸精度可达±0.01mm,表面粗糙度Ra=0.08~0.63μm。超声波加工主要用于加工硬脆材料的圆孔、弯曲孔、型孔、型腔等;可进行套料切割、雕刻以及研磨金刚石拉丝模等;此外,也可加工薄壁、窄缝和低刚度零件。
超声波加工的应用
超声波加工在焊接、清洗等方面有许多应用。超声波焊接是两焊件在压力作用下,利用超声波的高频振荡,使焊件接触面产生强烈的摩擦作用,表面得到清理,并且局部被加热升温而实现焊接的一种压焊方法。用于塑料焊接时,超声振动与静压力方向一致,而在金属焊接时超声振动与静压力方向垂直。振动方式有纵向振动、弯曲振动、扭转振动等。接头可以是焊点,相互重叠焊点形成连续焊缝。用线状声极一次焊成直线焊缝,用环状声极一次焊成圆环形、方框形等封闭焊缝。相应的焊接机有超声波点焊机、缝焊机、线焊机、环焊机。超声波焊接适于焊接高导电、高导热性金属,以及焊接异种金属、金属与非金属、塑料等,也可焊接薄至2μm的金箔,广泛用于微电子器件、微电机、铝制品工业以及航空、航天领域。
超声波清洗
图10-2超声波清洗装置
1—超声波发生器 2—被清洗工件
3—清洗篮 4—清洗槽 5—换能器
超声波清洗是表面技术中对材料表面常用的清洗方法之一。其原理主要是基于超声波振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。图10-2所示为超声波清洗装置。清洗液通常使用汽油、煤油、酒精、丙酮、水等液体。超声波在清洗液中传播时,液体分子高频振动产生正负交变的冲击波,声强达到一定数值后液体中急剧生长微小空化气泡并瞬时强烈闭合,产生微冲击波,使材料表面的污物遭到破坏,并从材料表面脱落下来,即使是窄缝、细小深孔、弯孔中的污物,也很容易被清洗干净。
