《表面工程学》word版

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1、第九章表面微细加工技术之超声波加工学生：侯飞班级：机械2010专业：机械设计及其理论学号：2010730013摘要：结合近年来超声加工技术的发展状况，综述了超声振动系统的研究进展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。关键词：超声加工；超声振动系统；超声复合加工；微细超声加工；超声振动切削概述超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，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

2、称为USM。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。电火花加工和电解加工都只能加工金属导电材料，无法加工不导电的非金属材料，而超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体、锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。超声波是一种频率超过16000hz的纵波，它具有很强的能量穿透能力；在液体介质传播形成局部伸缩冲击现象和空化现象；通过不同介质，产生波速突变，形成波的反射和折射；一定条件能产生干涉、共振。几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及

3、型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。超声波加工历史1927年，美国物理学家伍德和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，美国的科恩制成第一台实用的超声加工机。　二十世纪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

4、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。一．超声波加工的原理超声波加工（ultrasonicmachining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。二．超声波加工的特点（１）加工范围广a．可加工淬硬钢、不锈钢、钛及其合金等传统切削难加工的金属、非金属材料；特别是一些不导电的非金属材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石及各种半导体等

5、，对导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金也能加工，但生产率低。b．适合深小孔、薄壁件、细长杆、低刚度和形状复杂、要求较高零件的加工；c．适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。（２）切削力小、切削功率消耗低由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，（3）工件加工精度高、表面粗糙度低可获得较高的加工精度（尺寸精度可达0.005～0.02mm）和较低的表面粗糙度(Ra值为0.05～0.2)，被加工表面无残余应力、烧伤等现象，也适合加工薄壁、窄缝和低刚度零件。（4）易于加工各种复杂形状的型

6、孔、型腔和成型表面等，（5）工具可用较软的材料做成较复杂的形状。（6）超声波加工设备结构一般比较简单，操作维修方便。三．超声波加工的工艺规律１.加工速度及其影响因素加工速度指单位时间内去除材料的多少，以mm3/min或g/min为单位来表示。影响加工速度的因素主要有工具的振幅和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、被加工材料、磨料悬浮液的浓度。（１）工具振幅和频率的影响过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，振幅一般在0.01～0.1mm之间，频率在16000～25000Hz之间。在实际加工中需根据不同工具调至共振频率，以获

7、得最大振幅，从而达到较高的加工速度。（２）进给压力的影响加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。压力过小时，工具端面与工件加工表面间的间隙增大，从而减少了磨料对工件的锤击力；压力增大，间隙减少，当间隙减少到一定程度则会降低磨料与工作液的循环更新速度，从而降低生产率。（３）磨料种类和粒度的影响加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料。磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考虑价格成本。加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应选用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、锗等半导体材料，选用氧化铝磨料。（４）被加工材料的影响被加

8、工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧性愈好，愈不易加工。（５）磨料悬浮液浓度的影响磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒少，特别是在加工面积大、深度较大时可能造成加工区局部没有磨料，