超声波,频率在16~16000hz范围内,人耳能感受。频率超过16000hz的就称为超声波。
所谓超声波加工(usm,ultrasonicmachining):是利用工具端面做超声频振动,通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形加工方法。如图所示。
工具1的形状和尺寸取决于被加工表面(工件-2)的形状和尺寸,它们相差一个“加工间隙”。
工具1与工件-2之间充满磨料悬浮颗粒-3,磨粒一般采用碳化硅、氧化铝。加工硬质合金用碳化硼,加工金刚石则用金刚石粉。粒度大小要根据加工生产率和精度要求选定。磨料硬度愈高,加工速度愈快。
超声波振动系统主要有超声波发生器-7、换能器-6和变辐杆-4、5组成。超声波发生器-7作用是把直流电转换成与超声波换能器-6相匹配的高频交流电信号,驱动超声波换能器工作,目前使用的功率为20-4000w。大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式,是超声系统重要组成部分。
超声波换能器-6将高频电能转变为高频率的机械振荡(超声波),分为压电效应超声波换能器与磁致伸缩效应超声波换能器。对于前者,压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应),反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频振动,则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号(机械振动),这就是我们平常所说的超声波信号。石英晶体的压电效应较弱,3000v才产生小于0.01um的变形。对于后者,由于磁致伸缩材料在磁场作用下,其长度发生变化,可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短,从而产生振动或声波,这种材料可将电磁能(或电磁信息)转换成机械能或声能(或机械位移信息或声信息),相反也可以将机械能(或机械位移与信息)。转换成电磁能(或电磁信息),它是重要的能量与信息转换功能材料。镍棒的振幅一般也不超过0.005~0.01mm。超声波加工需0.01~0.1mm的振幅,因此需要变辐杆4、5。
变辐杆又称振幅扩大棒,将振幅放大5~20倍,其形状有以下三种形式,a)为圆锥形;b)指数曲线型;c)阶梯形。截面的振动能量不变,截面小的地方能量密度大,能量密度正比于振幅的平方,若使变辐杆处于共振状态,其振动将达到。
工具和扩大棒,整体、焊接或螺纹联结等。换能器、变辐杆、工具三者应衔接紧密。
超声波具有波长短、能量大,传播过程中反射、折射、共振、损耗等现象显著的特点。超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料,而且更适合于不导电的非金属材料(如半导体硅片、锗片以及陶瓷、玻璃等)的精密加工和成形加工,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、模具表面抛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1.25~o.63微米,加工硬质合金时可达0.63~0.32微米。
超声波还可以用于清洗、探伤和焊接等工作,在农业、国防、医疗等方面的用途十分广泛。
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