超声波加工工艺——零件工作原理、优点

本文涵盖的主题是超声波加工过程，工作原理，优点，缺点，以及它的详细工作原理。

什么是超声波加工工艺？

超声波加工工艺 (USM) 是在超声波频率下使用轴向振荡工具去除硬脆材料的过程 [18–20 千赫兹 (kHz)]。

在该振荡过程中，B4C 或 SiC 磨料浆不断地送入软工具（黄铜钢）和工件之间的加工区。因此，磨料颗粒会被锤击到工件表面并导致细颗粒从工件表面脱落。

振动工具的振幅范围为 10 至 40 µm，对磨粒施加静压，并在去除材料时向下进给以形成所需的工具形状。 Balamuth 于 1945 年在研磨粉末的超声波研磨过程中首次发现了 USM。

工业应用始于 1950 年代新机床出现时。 USM的特点是对工件材料的金属结构没有任何有害影响。

超声波加工工艺工作原理

它的工作原理与超声波焊接相同。

这种加工方法使用超声波产生高频、低振幅的力，作为磨料驱动力。超声波机产生频率约为20000至30000Hz的高频振动波 幅度约为25-50微米 .

这种高频振动被传递到磨料浆中所含的磨粒上。这会导致磨粒压入脆性工件并从接触表面去除金属。

超声波加工零件

1. 电源
2. 传感器
3. 高频发生器
4. 超声波变幅器或工具喇叭
5. 冷却机制
6. 工具
7. 工具架
8. 喷嘴
9. 解决方案
10. 泵

1.电源

这种加工过程通常需要 50 到 60 Hz 的电流电源 .因此，可以使用交流电源来开始该过程。

2.换能器（磁致伸缩器）

该换能器是磁致伸缩的 在自然界。该换能器一旦转换成磁铁，将通过磁致伸缩作用来改变机械振动的频率。这个换能器会上下振动。

3. 高频发生器

高频发生器也称为超声波电源或电子振荡器。它通常用于转换工作在 50 或 60 赫兹的传统电源 为高频电能。最常用的频率是 20 到 40 kHz .然后将这些频率馈入电换能器。

4. 超声波振幅变压器或工具喇叭

顾名思义，该单元将工具连接到传感器。它传输放大的振动 从助推器到工具。它应该有很高的耐力极限。

它也被称为工具集中器 .传感器产生的振动幅度约为 0.025 毫米，不足以进行加工。它用于提高振动的幅度。

振动也被引导并集中在工具提示上。该工具连接到工具喇叭的下端，有助于去除材料。焊接、螺纹连接、铜焊或锡焊用于将工具连接到工具的喇叭上。

5.冷却机制

冷却系统安装在换能器的顶部。冷水通过入口门进入，从换能器接收热量并避免出口。换能器周围有一个外壳，用于冷却 ，水在这个外壳内流动。

6 . 工具

超声波加工设备通常由在脆性断裂下不失效且具有延展性的强硬脆材料制成，如碳化钨、不锈钢、钛​​、铜等。

使用工具从工件上去除材料。这些装置的形状与必须在工件表面形成的腔体相同。

7. 刀架

用来拿工具的。

8 . 喷嘴

喷嘴由钨制成 .钨用于制造喷嘴，因为泵中的浆液如果由软材料制成，可能会损坏喷嘴；它由钨等硬质材料制成。

9 . 解决方案

在机加工区，通常连续提供碳化硅、碳化硼和含有硬质磨粒的水或油混合氧化铝溶液。

10 . 泵

该泵用于在喷嘴上供应磨料溶液。

超声波加工的工作原理

机加工系统，如图 1 所示，主要由磁致伸缩器、集中器、工具和浆料供给装置组成。

此高频输入被馈送到机电换能器 r 即（磁致伸缩器），它以超声波频率通电，并且
产生小幅度的振动。

喇叭位于传感器和刀架之间。喇叭用于增加换能器振动的幅度，然后将其聚焦并指向仪器。当交流电源连接到高频发生器时，输入电源的频率从 20 kHz 上升到 40 kHz。当设备振动时，工具架会抓住它。

当设备振动时，借助泵在工具表面和工件之间以恒定的速度输送磨料浆。然后将工具轻轻压在工件上，为浆料在工具和工件之间流动留出足够的空间。由于材料去除而在工件中产生的尺寸将与工具的尺寸相同。

当振动装置压在工件上时，振动的高动能传递给这些磨粒，这些磨粒被施加到工件表面，由于微观摩擦而去除材料。

使用超声波加工 (USM) 的材料去除工艺

图显示了USM的完整材料去除机制，
这涉及三个不同的动作：

1。 通过局部直接锤击粘附在振动工具和相邻工作表面之间的磨粒进行机械磨损。

2. 飞过加工间隙并在随机位置撞击工件的颗粒的自由冲击产生的微碎屑。

3. 浆料流中的空化腐蚀工作表面。

据报道，空化效应的相对贡献不到去除的总材料的 5%。所有材料的 USM 中涉及的主要机制是直接锤击。柔软而
低碳钢等弹性材料通常首先发生塑性变形，然后
以后会以较低的速率移除。

对于玻璃等硬脆材料，加工率高，自由冲击的作用也可以看出。

超声波加工工艺切削率取决于

切割率： 使用 USM 的切削率因某些因素而异。这些是 ：

1。 磨料粒度。

2。 研磨材料。

3. 浆液浓度。

4. 振动幅度。

5. 频率

准确度： 在软陶瓷等软脆材料中的最大穿透速度为20mm/min量级，但对于硬而韧的材料，穿透速度较低。尺寸精度可达 + 0.005 mm，表面光洁度低至 R，可获得 0.1-0.125u 的值。在精加工中，最小圆角半径可以达到 0.10 mm。 USM 机器的尺寸范围从输入功率约为 20W 的轻型便携式到输入功率高达 2kW 的重型机器不等。

超声波加工的应用

应用：该过程的简单性使其经济适用于广泛的应用，例如：

1. 介绍可以制造工具的任何形状的圆孔和孔。通过在切割过程中移动工件可以增加可获得的形状范围。

2. 在所有导电和非导电材料上进行钻孔、磨削、仿形和铣削等操作/加工操作。

3. 在加工玻璃、陶瓷、钨等硬质合金、宝石、合成红宝石等宝石。

4. 通过工件或工具的近似旋转和平移来切削由硬质合金和合金制成的部件的螺纹。

5. 用于制造碳化钨和金刚石拉丝模具以及用于锻造和挤压工艺的模具。

6. 使牙医能够在牙齿上钻出任何形状的孔而不会产生任何疼痛。

超声波加工的优缺点

1。 脆性、非导电性、坚硬和易碎材料都可以使用超声波加工。

2. 由于在此加工过程中不会产生热量，因此工件的物理变化很小或没有。

3. 非金属由于导电性差而不能用EDM或ECM加工，但用超声波加工可以很好地加工。

4. 这是一个无毛刺和无变形的过程。

5。 可与EDM、ECG、ECM等其他新兴技术结合使用。

6. 运行过程中没有噪音。

7。 熟练和不熟练的操作员都可以使用这种加工中使用的设备。

8. 可以在保持高水平表面光洁度的同时实现高精度。

9. 无论其导电性如何，任何材料都可以加工。

缺点

1. 由于微碎屑或侵蚀机制，金属去除很慢。

2. 焊头的磨损更快。

3. 由于磨料浆不能在孔底流动（旋转超声加工除外），这种方法很难加工深孔。

4. 只有硬度值至少为 45 HRC 的材料才能使用超声波振动加工（HRC：洛氏硬度计来测量材料的硬度）进行加工。

超声波加工的局限性

流程限制： 该工艺的主要限制是其相对较低的金属切削率。最大金属去除率3毫米/秒，功耗高。目前圆柱孔的深度限制为刀具直径的 2.5 倍。刀具磨损增加了孔的角度，而尖角变得圆润。这意味着更换工具对于生产精确的盲孔是必不可少的。此外，该工艺在其目前的形式中受限于在相对较小尺寸的表面上进行加工。

USM 中使用的工具材料应具有韧性和延展性。由于工具寿命短，可以追溯使用铝等非常易延展的金属的困难。使用低碳钢和不锈钢作为工具材料可以解决这个困难。

实验验证表明，金属去除率随着工件硬度与工具硬度的比值而降低。因此，如果工件硬度增加，则预计工具硬度也会增加。

工具金属的选择是优化金属去除和工具成本的最重要决策之一。工具的质量长度也带来了困难，因为工具材料吸收了大部分超声波能量，从而降低了效率。较长的工具会导致压力过大。粒度和磨料浆也具有正确的尺寸。已经观察到，如果晶粒尺寸大于或小于振动幅度，则加工速率会降低。

选择精加工的晶粒不应与粗加工的指定晶粒重叠，同时切削深孔需要特殊技术通过刀架供应浆料，否则晶粒颗粒堆积，孔内将抽象进一步加工。

强制循环、交替混合较大和较小尺寸的晶粒、抽吸是解决深孔加工问题的众多有效方法中的一些。

超声波加工的最新发展

最近的发展 :最近超声波加工有了新的发展，其中使用了一种浸渍有金刚石粉尘的工具，而不使用浆料。该工具以超声波频率振荡并旋转。如果无法旋转工具，则可以旋转工件。

这项创新消除了传统工艺在钻深孔方面的缺点。例如，孔尺寸可以保持在 + 0.125 mm 以内。在陶瓷中钻出最大 75 毫米深度的孔，而不会像传统工艺所经历的那样降低加工速度。

经常提问

在超声波加工中，材料被去除

A. 在工具和工件之间使用磨料浆
B. 工具与工件的直接接触
C. 在工件和工具之间保持一个非常小的间隙中的电解质
D. 工具和工件之间快速重复的火花放电引起的腐蚀

答案： 选项A

超声波加工（USM）是通过在工件和垂直于工件以高于可听范围的频率振动的工具之间循环的载砂液体浆料的研磨作用去除材料。

在超声波加工中，换能器的功能是

A. 将机械能转化为热能
B. 将电能转化为热能
C. 将电能转化为机械振动
D.将机械能转化为电能
（回答： c)

换能器将振荡电流转换为机械振动。超声波加工中使用了两种类型的换能器；无论是压电还是磁致伸缩：……磁致伸缩是一种效应，当通过它的磁场发生变化时，它会导致材料略微改变形状。

在超声波加工中，刀具移动

A. 横向移动
B. 纵向移动
C. 横向振动
D. 纵向振动
（回答： d)

这些是有关超声波加工工艺的所有信息，它是如何工作的，它的工作原理是什么，超声波加工工艺的优点和缺点是什么。

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