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1、2023/9/29,1,超声波技术及其应用,超声波加工原理及其在光学玻璃加工方面的应用,学院：机电工程学院学号：15S008154姓名：杨永喜,2,超声波技术及其应用,主要汇报内容,3,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,4,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,5,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,6,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,7,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,8,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,9,超声波技术及其应用,一、超声波加工发展历史,10,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,声波加工方法是近40年来
2、逐步发展的一种新型加工方法,它不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料,而且更适合于半导体和不导电的非金属硬脆材料(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。在难加工材料和精密加工中,超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果,具有广泛的应用范围。,11,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,1.超声波加工原理,超声波加工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，加工原理如图所示。加工中自由磨粒对工件的冲击对材料去除起主要作用,通过高频振动工具的顶端把能量传递到磨料悬浮液,使磨粒不断冲击工件,去除小的碎片。,12,超声波技术及其应
3、用,二、超声波加工的基本原理和特点,1.超声波加工原理,加工时,由超声波发生器产生1620kHz的高频电振动信号,经换能器转换为机械振动,此机械振动的振幅较小,约为0.0050.01mm,不能直接用于超声加工。需通过变幅杆(又称为聚能器)将其放大到约0.01一0.1mm,再传给工具。工具一般通过焊接连接在变幅杆的下端,在工具顶端和工件之间充满着液体(水或煤油)与磨料(碳化硅或碳化硼)混合的磨料悬浮液。工具以一定的压力作用在工件上,工作液中悬浮的磨料颗粒在工具的超声振动下,以很高的速度不断冲击抛磨被加工工件表面。磨料打击工件表面的加速度可达重力加速度的104倍,因而在被加工的表面上造成很大的局部
4、单位面积压力,使工件局部材料发生变形;当达到其强度极限时,材料将发生破坏,被粉碎成特别细的微粒,并被循环的磨料悬浮液带走。,13,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,1.超声波加工原理,与此同时,悬浮工作液受工具端部的超声振动作用而产生液压冲击和空化作用。所谓空化作用是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时,加工间隙内形成负压和局部真空,在工作液体内形成很多微空腔,促使工作液钻入被加工工件表面材料的微裂纹处。当工具端面以很大的加速度接近工件表面时,空腔闭合,引起极强的液压冲击波,加速了磨料对工件表面的破碎作用。随着磨料悬浮液不断地循环,磨粒的不断更新,加工下来的碎屑不断被排除
5、。综上所述,在游离磨料的冲击、抛磨和磨料悬浮液的空化腐蚀的综合作用下,最终在工件上加工出与工具几何形状相对应的型腔。,14,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,1.超声波加工原理,15,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,2.超声波加工的特点,由上述超声波加工的原理和过程可以看出,超声波加工方法具有以下特点:、适于加工各种硬脆材料,尤其是玻璃、陶瓷、人造宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料;也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、软合金等硬质或耐热导电的金属材料,但加工效率较低。被加工材料的脆性越大越容易加工,材料越硬或强度、韧性越大则越难加工。、可以加工复杂
6、型腔及型面。由于工件材料的去除主要靠磨料的作用,磨料的硬度应比被加工材料的硬度高,而工具的硬度可以低于工件材料,工具材料一般选用韧性材料(如45钢、65Mn、40Cr)、做成较复杂的形状,且不需要工具与工件作比,16,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,2.超声波加工的特点,较复杂的相对运动,因此,超声波加工可加工出各种复杂的型腔和型面。这也决定了超声波加工机床结构比较简单,操作维修也比较方便。、工件在加工过程中受力小,加工精度高。由于加工过程中去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用,工件表面的宏观切削力很小,切削应力、切削热小,不会产生变形及烧伤,表面粗糙度也较低,Ra可
7、达0.63一0.08m,尺寸精度可达0.010.02mm;也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。、与电解加工、电火花加工等加工方法相比,超声波加工的效率低,随着加工深度的增加材料去除率下降;而且加工过程中工具的磨损较大。可与其他传统或特种加工结合应用,如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。,17,超声波技术及其应用,二、超声波加工的基本原理和特点,3.旋转超声波加工及其特点,旋转超声波加工(RUM)是在传统超声波加工的基础上发展起来的,它与传统超声波加工不同之处在于:工具在作超声振动的同时附加了旋转运动;工具由金属粉末和人造金刚石或方氮化硼磨料按一定比例烧结而成;将冷却水而不是磨料悬浮液
8、输入到工具和工件表面之间。这种加工方法把金刚石工具的优良切削性能和工具的超声频振动结合在一起,与传统超声波加工相比,具有以下优点:(1)加工速度快;(2)加工精度高;(3)工具磨损小;(4)对加工材料的适应性广。,18,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,1.光学玻璃及其特点,随着现代科学技术的发展,光学玻璃以其具有的耐高温、膨胀系数低、机械强度高、化学性能好等特点,被广泛应用于航空航天、信息、微电子及测绘等诸多现代高技术行业。但由于光学玻璃硬度高、强度大、质地脆,使得传统的切削加工方法难以胜任制造任务,所以对这些材料的精密和超精密加工已成为先进制造技术领域的一个重要研究方向。,
9、19,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,2.传统加工工艺存在的问题,1)钻孔的精美问题 在光学件制造中,多采用的是钻头打孔方式。在打孔过程中,常出现锥形、中心偏、爆边和破片等问题。这类打孔方式,对于精度要求不高的孔可满足加工要求,但对高精度、轴心位置误差要求高的孔,传统加工方式通常不能满足要求。同时由于传统打孔方式由工人师傅操作，钻孔质量还依赖于操作人员的熟练程度。,20,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,2.传统加工工艺存在的问题,2)切槽的崩边问题 由于玻璃的硬脆特性,加工过程中的崩边无法避免。但玻璃基板边缘的崩边现象直接影响工件后续镀膜的平整度,从而影响到
10、成品测量的精度。因此,需要将崩边控制到最小程度。加工过程中如不注意,崩边现象明显,将导致玻璃基板报废。,21,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,2.传统加工工艺存在的问题,3)切削的精密问题 由于精密测量的要求,一对玻璃基板要求镀膜面重合度高,误差不超过丝米级。如采用传统的研抛工艺,不但周期长,成本高,而且镀膜面的加工精度很难保证。,22,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,3.实验结果,23,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,3.实验结果,24,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,3.实验结果,25,超声波技术及其应用,三、光学玻璃的超声波精密加工,4.实验结论,采用超声波加工,不仅可以解决光学玻璃精密切削的要求，而且有效解决了打孔、切槽的加工难题！,26,超声波技术及其应用,THE END,汇报人：杨永喜,请老师、各位同学批评指正，谢谢大家！,
