6.3超声加工的基本工艺规律

6.3　超声加工的基本工艺规律

6.3.1　加工速度及其影响因素

加工速度是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。

影响加工速度的主要因素有工具振动频率和振幅、工具和工件间的静压力、磨料的种类和粒度、磨料悬浮液的浓度、供给及循环方式、工具与工件材料、加工面积、加工深度等。

(1)工具的振幅和频率的影响

振幅和频率提高可在一定范围内线性的提高加工速度，如图6.6所示。但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，可能超过它的疲劳强度而降低使用寿命，而且在联接处的损耗也增大，振幅一般为0.01～0.1 mm，频率为16 000～25 000 Hz。在实际加工中，需根据不同工具调至共振频率，以获得最大振幅，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合适的进给压力，压力过小，则工具与工件的间隙增大，减弱了磨料对工件的撞击力和打击深度，从而降低生产率；压力增大，工具与工件的间隙减少，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。一般工具对工件有一个最佳的压力，在该压力下可达到最大加工速度。如图6.7所示为玻璃超声加工时静压力与加工速度的关系。

图6.6　玻璃的超声加工速度与振幅和频率的关系

图6.7　静压力与加工速度的关系

(3)磨料的种类和粒度的影响

磨料的种类和粒度对超声加工速度都有一定的影响，一般加工时针对不同强度的工件材料选择不同的磨料。磨料强度越高，加工速度越快，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。磨料粒度越粗加工速度越快，但加工精度和表面质量越差。

(4)磨料悬浮液浓度的影响

磨料悬浮液浓度低，加工间隙内磨粒少，特别在加工面积和深度较大时，可能造成加工区局部无磨料的现象，使加工速度大大下降。随着悬浮液中磨料浓度的增加，加工速度也增加。但浓度太高时，磨料在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的质量比为0.5～1。

(5)被加工材料的影响

被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，在磨粒冲击下越容易被粉碎，故加工速度越快；反之，韧性较好的材料则不易加工。

6.3.2　加工精度及其影响因素

超声波加工精度主要包括尺寸精度、形状精度等。其影响加工精度的因素有工具精度、磨料粒度、加工中工具的横向振动、加工深度以及被加工材料性质等。一般尺寸精度可控制为0.02～0.05 mm。工具制造或安装偏心或不对称时，加工将产生偏振，使加工精度降低。利用真空抽吸法或内冲法供给磨料悬浮液，可提高加工精度，尤其能减少锥度；外浇法只适用于一般的超声波加工。加工深度增加，工具损耗也增加，使精度下降。

加工圆孔时孔的最小直径D_min等于工具直径D与磨料磨粒平均直径d₀的2倍之和，即

D_min＝D＋2d₀

磨粒越细加工孔的精度越高，特别是加工深孔时可减少孔的锥度。磨料的钝化和破碎导致磨粒的不均匀性，这也会影响孔的精度。因此，磨料在使用一段时间后(10～15 h)应更换，对保证加工精度和提高加工速度都很重要。

形状误差主要是圆度和锥度误差。圆度误差的大小与工具横向振动大小和工具沿圆周磨损的不均匀程度有关。锥度大小与工具磨损和加工深度有关。采用工具或工件旋转的方法，可以减少圆度误差。

6.3.3　表面质量及其影响因素

超声波加工具有较好的表面质量，不会产生表面烧伤和表面变质层。

超声波加工的表面粗糙度也较好，一般可达到R_a1～0.1 μm，取决于每粒磨料撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒的直径、超声振幅、被加工材料性质以及工作液成分有关。如图6.8所示，当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅小时，加工表面粗糙度将得到改善，但加工速度也随之下降。工作液的性能对表面粗糙度影响比较复杂，实践表明，用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。

图6.8　超声加工表面粗糙度与磨料粒度和工件材料的关系

1—玻璃；2—半导体硅；3—工业陶瓷；4—硬质合金