6.2超声加工设备

6.2　超声加工设备

超声加工设备包括超声波发生器(超声电源)、超声振动系统(换能器、振幅扩大棒、工具头)、机床本体(工作台、进给系统、床身等)、磨料工作液及循环系统4个部分。它们根据功率大小不同，结构形式和布局有所差异，但其组成部分基本都由上面4部分构成。

6.2.1　超声发生器

超声发生器也称超声电源或超声频发生器，超声发生器将交流电转换为超声频电功率输出，功率由数瓦至数千瓦，最大可达10 kW。其作用是将50 Hz的交流电转变为频率16 000 Hz以上的超声高频振荡电流。它是工具端面产生高频超声机械振动而去除被加工材料的能量。其基本要求是输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。此外，要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。超声电源主要由振荡电路、电压放大器和功率放大器等组成。

超声发生器有电子管和晶体管两种类型，前者不仅功率大，而且频率稳定，在大中型超声波加工设备中用得较多。后者体积小，能量损耗小，因而发展较快，并有取代前者的趋势，超声发生器输出的高频振荡电流通过换能器转换为超声机械振动。

6.2.2　超声振动系统

超声振动系统由换能器、变幅杆(振幅扩大棒)及工具组成。它们的作用首先是通过换能器把高频振荡的电能转变为机械能，并通过变幅杆将振幅扩大到一定范围(0.01～0.15 mm)以保证工具端面有较大的振幅，这样才能对工件进行有效的加工。超声振动系统是超声加工机床中很重要的部件。

(1)换能器

图6.2　压电式换能器

换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类，图6.2为电致伸缩(压电)换能器，图6.3为磁致伸缩换能器。它们都是由高频振荡的电流变化导致其长度变化而将电流的振荡改变成机械振动。磁致伸缩换能器又有金属的(镍、钴、铁等)和铁氧体的(铁的氧化物及其他配料烧结而成)两种。金属的通常用于千瓦以上的大功率超声加工机床；铁氧体的通常用于千瓦以下的小功率超声加工机床。电致伸缩换能器用压电陶瓷(石英、碳酸钡)制成，主要用于小功率超声加工机床。为获得最大的超声振动强度，换能器应处于共振状态，这时换能器的长度或厚度应为超声波半波长的整数倍。

图6.3　磁致伸缩换能器

(2)变幅杆

变幅杆又称振幅扩大棒。变幅杆起着放大振幅和聚能的作用，按截面积变化规律有锥形、指数曲线形、阶梯形等。机床本体一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置。超声机械振动振幅很小，一般只有0.005～0.01 mm，不足以直接用来加工。因此，必须通过一个上粗下细的棒杆将振幅加以扩大，此杆称为振幅扩大棒或变幅杆。通过变幅杆振幅可以增大到0.01～0.15 mm，固定在振幅扩大棒端头的工具即产生超声振动。常见的变幅杆形状如图6.4所示。

变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一截面的振动能量是不变的(略去传播损耗)，截面小的地方能量密度大，能量密度J正比于振幅A的平方，即

图6.4　3种变幅杆结构

(a)锥形　(b)指数形　(c)阶梯形

故

式中　ω——振动的频率，Hz；

　　　A——振动的振幅，mm；

　　　ρ——弹性介质的密度，kg/m³；

　　　c——弹性介质中的波速，m/s；

　　　K——ρcω²是一常数。

由上式可知，截面越小，能量密度就越大，振动振幅也就越大。为了获得较大的振幅，就应使变幅杆的固有频率和外激振动频率相等，处于共振状态。因此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度L等于超声波振动的半波长或其整数倍。

超声波的机械振动经变幅杆放大后即传给工具，而工具端面的振动将使磨粒和工作液以一定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。工具安装在变幅杆的细小端。因而工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状和尺寸，两者只相差一个加工间隙。为减少工具损耗，只能选有一定弹性的钢作工具材料，如45钢。工具长度也要考虑和声学部件一起应为超声波半波长整数倍的共振条件。

工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状和尺寸，它们相差一个“加工间隙”也就是平均的磨粒直径。当加工表面积较小时，工具和变幅杆做成一个整体，否则可将工具用焊接或螺纹联接等方法固定在变幅杆下端。当工具不大时，可以忽略工具对振动的影响，但当工具较重时，会减低工具头的共振频率。工具较长时，应对变幅杆进行修正，使之满足半个波长的共振条件。

6.2.3　磨料工作液及循环系统

对于简单的超声波加工装置，其磨料是靠人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注堆积在加工区，加工过程中定时抬起工具并补充磨料，也可利用小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙中去。对于较深的加工表面，应将工具定时抬起以利于磨料的更换和补充。大型超声波加工机床采用流量泵自动向加工区供给磨料悬浮液，且品质好，循环也好。

效果较好而又最常用的工作液是水，为了提高表面质量，有时也用煤油或机油当做工作液。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铅等。其粒度大小是根据加工生产率和精度等要求选定的，颗粒大的生产率高，但加工精度及表面粗糙度则较差。

图6.5　CSJZ型超声波加工机床简图

6.2.4　机床本体

超声波加工机床一般比较简单，机床本体就是把超声波发生器、超声波振动系统、磨料工作液及其循环系统、工具及工件按照所需要的位置和运动组成一体，还包括支撑声学部件的机架及工作台，使工具以一定压力作用在工件上的进给机构，以及床体等部分。如图6.5所示为国产CSJZ型超声波加工机床简图。图中，4，5，6为声学部件，安装在一根能上下移动的导轨上，导轨由上、下两组滚动导轮定位，使导轨能灵活精密地上、下移动。工具的向下进给及对工件施加压力依靠声学部件自重，为了能调节压力大小，在机床后部有可加减的平衡重锤2，也有采用弹簧或其他办法加压的。