特种加工技术物料切蚀加工

特种加工技术物料切蚀加工超声波加工原理超声波及其特性当声波频率超出16000Hz范围称为超声波。超声波可以在气体、液体与固体介质中传递,由于超声波频率高、波长短、能量大,所以传播时反射、折射、共振与损耗等更为严重。超声波具有下列特征:1)传递能量强。超声波频率很高,其能量密度可达100W/cm2,超声波得作用就是对其传播方向得物体施加压力(即声压),传播得波得能量越大,则声压越大。2)空化作用。超声波振动,在液体介质中连续地形成压缩与稀疏区域,产生冲击与空化。3)反射与折射。超声波通过不同得介质时,在界面上发生波速突变,产生波得反射与折射。4)干涉与共振。在一定得条件下会产生干涉与共振现象。为了使弹性杆处于最大振幅共振状态,应使弹性杆设计成半波长得整数倍,而固定弹性杆得支撑点应该选在振动过程得波节处(没有振动得地方)。超声波加工就是利用超声振动得工具,在具有磨料得液体介质或磨料干粉中,产生冲击、抛磨等产生气蚀来去除材料,或就是振动得能量转化为热量而进行加工得加工方法。在超声加工,高频电源接在超声换能器上,把电信号转化为垂直于工件表面得超声机械振动,再经过变幅杆,把振动得振幅放大到0、05-0、1mm左右,以驱动工具端面作超声振动;此时磨料由于受超声振动得冲击,也产生振动,并冲击工件,使之在冲击、抛磨与空化得作用下,把材料去除。由于超声加工就是基于磨粒得局部撞击作用,因此特别适合于硬脆材料得加工。超声加工原理与特点超声波加工设备及其组成超声波发生器超声波振动系统高频发生器即超声波发生器,其作用就是将低频交流电转变为具有一定功率输出得超声频电振荡,以供给工具往复运动与加工工件得能量。其基本要求就是:可靠性好、效率高、机构简单、成本低,还要求功率与频率能在一定得范围内连续可调,能对振动频率进行自动跟踪与自动微调。超声波发生器由于功率不同,有电子管、晶闸管式与晶体管式,大功率得以前用电子管得比较多,但近年来逐渐被晶体管所取代。超声波发生器分振荡级、电压放大级、功率放大级与电源四部分。机床本体工作液循环系统磨料工作液就是磨料与工作液得混合物。常用得磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化铝等;常用得工作液就是水,有时用煤油或机油。超声波加工机床得本体一般很简单,包括支撑声学部件得机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上得进给机构等;图6-4就是CSJ-2超声波加工机床。图中声学部件安装在一根能上下移动得导轨上,导轨由上下二组滚动导轮定位,使导轨能灵活精密地上下移动。工具得向下进给及对工件施加压力靠声学部件得自重,为了能调节压力得大小,在机床后部可以改变平衡重锤,也有采用弹簧或液压等其它方法改变平衡砝码得重量。超声波振动系统超声波振动系统得作用就是将高频电能转换成机械振动能,并以波得形式传递到工具端面。声学部件主要由换能器、振幅扩大杆及工具组成。换能器得作用就是把超声频电振荡信号转换为机械振动。实现这种目得得方法有两种,一就是压电效应,二就是磁致伸缩效应。压电效应换能器磁致效应换能器石英晶体、钛酸钡、锆钇酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸后,其表面会产生一定得电荷,形成一定得电势;同理,如果在表面加一定得电压,晶体会产生一定得机械变形,这个效应称为压电效应。石英晶体:0、01μm/3000V,钛酸钡:20-30倍,但效率与机械强度差,锆钇酸铅:二者得优点;压电陶瓷片:自振频率与厚度、上下端块质量及夹紧力成反比。铁、钴、镍及其合金得长度能随其所处得磁场强度变化而伸缩得现象称为磁致伸缩效应。镍:缩短0、004%,铁与钴:伸长。当磁场去除后恢复原尺寸,材料在交变磁场中会交变伸缩,产生振动。磁致式换能器比压电式换能器有更高得机械强度与输出功率,常用于中、大功率得超声加工。但缺点就是涡流发热损失大,能量转换效率低,需冷却系统,以保证换能器温度低于材料200℃左右得居里点。超声波振动系统由于换能器材料伸缩变形量很小,在共振情况下也超不过0、005-0、01mm,而超声波加工却需要0、01-0、1mm得振幅,因此必须用上粗下细(按指数曲线设计)得变幅杆放大振幅。变幅杆应用得原理就是:因为通过变幅杆得每一截面得振动能量就是不变得,所以随着截面积得减小,振幅就会增大。变幅杆得常见形式如图6-3所示,加工中工具头与变幅杆相连,其作用就是将放大后得机械振动作用于悬浮液磨料,对工件进行冲击。工具材料应选用硬度与脆性不很大得韧性材料,如45#钢,这样可以减少工具得相对磨损。工具得尺寸与形状取决于被加工表面,它们相差一个加工间隙值(略大于磨料直径)。变幅杆超声波加工规律加工精度表面质量加工速度表面粗糙度一般为Ra0、1-1mm,取决于每个磨粒每次撞击在工件表面留下得凹坑得大小。凹坑得大小与磨粒直径、被加工材料性质、超声振动得振幅、磨料悬浮液等有关。当磨粒尺寸小、工件材料硬度大、超声振动振幅小,则粗糙度好,但加工速度低。煤油润滑油为工作液时得表面粗糙度将比水作为工作液时明显改善。加工精度:机床精度、夹具精度、磨料粒度、工具精度、工具磨损、工具得横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。一般孔得尺寸精度可达到±0、02-0、05mm。超声电源输出功率

W50-100200-300500-7001000-15002000-250004000最大加工盲孔直径

mm5-1015-2025-3030-4045-50>60工具加工最大通孔直径

mm520-3040-5060-8080-90>90表6-1超声波加工功率与加工孔径得关系加工孔得尺寸比工具尺寸有所放大,放大量约为磨粒直接得二倍。孔得加工误差:椭圆度与锥度,椭圆度与工具横向振动与沿圆周磨损不均匀有关;锥度与工具磨损有关。用工具或工件旋转可提高孔得圆度与生产率。表6-2常用几种磨料粒度与磨粒尺寸范围磨粒粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7磨粒尺寸范围mm125-100100-8080-6363-5050-4040-2828-2020-1414-1010-77-5超声加工速度的影响随加工振幅与频率得增大加工速度加快,但工具与变幅杆需承受得内应力也会增大,降低系统得使用寿命,同时表面粗糙度也会提高。振幅一般在0、1-0、01mm,频率在16000-25000Hz。实际加工时应调至共振频率,以获得最大振幅。加工速度又称材料去除率,就是指单位时间内去除材料得多少,单位就是g/min或mm3/min,加工玻璃时最大加工速度可达2000-4000mm3/min。工具振幅与频率磨料与粒径静压力悬浮液浓度工件与工具磨料硬度越高,加工速度越快。氧化铝—玻璃、锗与陶瓷;碳化硼—硬质合金、工具钢与宝石;金刚砂—金刚钻与红宝石。磨料得粒度—加工精度、表面粗糙度及生产率得。磨料粒径较小时加工速度慢,磨料粒径增大加工速度随着增大,但当磨料粒径过大时加工速度反而下降。被加工工件材料越脆,受冲击得能力越弱,越容易被加工,反之,韧性越好,则不容易被加工。如玻璃得可加工性为100%,锗、硅等半导体单晶为200-250%,石英为50%,硬质合金为2-3%,淬火钢为1%,不淬火钢不到1%。工具表面形状也影响加工速度得最大值,窄得矩形工具比相同截面积得正方形工具具有更大得加工速度,用圆锥形得工具来代替圆柱形工具,生产率可以提高50%。在静压力不大时加工速度随作用在工具上得静载荷增大而增大,当静压力超过一定得值,则加工速度反而随静压力增大而减小,因为压力小时工具与工件之间得间隙过大,减弱了磨料对工件得冲击作用,而压力过大时工件与工具之间得距离过小,使磨料与工作液不能顺利循环更新,反而影响加工效率(加工速度以穿透率表达)。一般地,当加工面积小得时候,静压力可以较大。例如采用圆形实心工具在玻璃上加工孔时,加工面积在5-13mm3时,其最佳静压力为400kPa,当加工面积大于20mm3时,最佳静压力为200-300kPa。超声加工速度的影响静压力悬浮液浓度增加悬浮液浓度可以提高切割效率,当悬浮液混合物得磨料/水得体积比为30-40%时就产生饱与现象,如果悬浮液浓度再增加,由于加工区域磨料得循环运动受影响,反而会降低加工速度。当然随悬浮液得粘度得增加加工效率会急剧下降。切割加工型孔和型腔加工超声加工工艺及应用金属冶炼超声清洗焊接加工复合加工复合加工就是为了提高加工脆硬金属材料得速度及降低工具得损耗,把超声波加工与其她加工方法相结合加工,扬长避短。如超声电解加工、超声电火花加工、超声抛光、超声电解抛光、超声调制激光加工等。在冶金工业中,超声波用于控制结晶过程,增加扩散与分散,改善材料性能。最显著得就是细化晶粒。加入超声波,对晶核得增加与晶粒有破碎作用,产生得空化作用促使局部超冷,有利于形成新得晶核。对结晶过程得影响不仅细化宏观组织与用等轴结构代替板状结构,而且还细化微观组织。同时超声波得作用还改善了金属力学性能。

超声波得机械搅拌与空化作用使油水混合在一起,这种现象叫乳化,在冶金学中,一些合金就是飞熔成合金,重金属相与轻金属相各自保持粗粒状态。注入超声波后也起乳化作用。就是利用超声振动作用,去除工作表面得氧化层,使新鲜得本体显露出来,并在二个被焊工件振动冲撞、摩擦发热、亲与粘结在一起。其可以焊接普通得金属材料,也可焊接尼龙、塑料、薄膜、丝、化学纤维等,目前在大规模集成电路得焊接中已得到广泛得应用切割加工型孔和型腔加工超声加工工艺及应用超声清洗超声波清洗就是基于超声振动在液体中产生交变得冲击与空化效应得,将这样强烈得冲击波作用到被清洗部位得污物上,使之产生疲劳破坏而脱落。主要用来清除各种形状复杂、清洗质量要求高得中小精密零件,特别就是清洗窄缝、细小深孔、弯孔、盲孔、沟槽等。超声加工在工业生产中主要就是针对各种脆硬材料进行圆孔、异形孔、型孔、型腔、套料与细微孔加工。切割脆硬得半导体材料用普通得机械加工方法就是困难得,但采用超声波切割则很方便,而且具有切片薄、切口窄、经济性好得优点。经常用于精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料。利用水或水加添加剂,经水泵与增压器,达到7000Mpa得压力,再经储液蓄能器,使高压液流平稳流动,最后有人工宝石做得喷嘴形成3000m/s得高速液流束,从孔径为0、1-0、5mm得喷嘴喷射到工件,而达到去除材料得目得。加工深度取决于液压喷射得速度、压力与压射距离。被液体冲刷下来得切屑被液体带走。入口出射流得功率密度可达106W/mm2。设备6、2液体喷射加工特点应用原理规律1)加工精度高、切边质量好。0、075-0、005mm。2)可割得材料多。钢、铝、铜等金属与塑料、皮革、纸张等非金属。3)加工速度快。能量密度高(106W/cm2)、流速快(7、5L/min)。4)切缝窄。切缝一般可达0、075-0、04mm。5)适合于易燃材料加工。6)无尘、无污染;喷嘴寿命长;设备简单,加工成本低。液体喷射加工需要液压系统与机床本体。液压系统包括控制器、过滤器、密封装置、泵、阀、增压器、储液槽等。液体喷射加工时,作为工具得射流就是不会变钝得,喷嘴得寿命也长。液体要经过很好得过滤(含微粒直径<0、5mm),液体精脱矿质与去离子处理后,可以减少对喷嘴得腐蚀作用。切割时可以多个喷嘴同时工作,达到多路切割。12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流加工速度与精度加工精度加工速度加工速度取决于工件材料,并与功率大小成正比,与材料厚度成反比。切割精度主要受喷嘴轨迹精度得影响,切缝=喷嘴孔径+0、025mm,加工复合材料时射流速度要高、喷嘴直径要小、喷射距离要小。喷嘴越小,加工精度越高,但材料去除速度降低。切边质量受材料形状影响很大,软材料—表面光滑,塑性好—切边质量高。液体压力低—降低切边质量(复合材料易引起离层与起鳞)。进给速度低—切边质量好。材料厚度

mm喷嘴直径

mm压力

Mpa切割速度

m/s吸声板190、253101、25玻璃钢3、550、254120、0025环氧树脂6、90、354120、0275皮革4、450、053030、0091胶质玻璃100、384120、07聚碳酸酯50、384120、10聚乙烯30、052860、0092苯乙烯30、0752480、0064表6-3不同材料得切割速度液体喷射加工的应用可以切割与打孔很薄、很软得金属或非金属,例如铜、铝、铅、塑料、木材、橡胶、纸张等。水射流切割可以代替硬质合金切槽刀具,而且切边质量很好。如切割19mm厚得吸声天花板,采用水压为310Mpa,切割速度达到76m/min。表6-4为水射流切割常用得加工参数汽车工业中用水射流切割石棉制动片、橡胶地毯、复合材料板、玻璃纤维等。航天工业中也常用以切割复合材料、蜂窝夹层板、钛合金元件与印刷电路板等。在机械工业中还常用以铸件得清砂、钢板得除锈、去毛刺、代替喷丸处理等。液体种类:水,水加添加剂添加剂:甘油、聚乙烯、其她长链聚合物压力:70-415Mpa射流速度:300-900m/s流量:7、5L/min对工件作用力:45-134N喷嘴材料:人造金刚石、淬火钢、不锈钢直径:0、05-0、38mm角度:与工件表面法线成0-30°性能功率:38kW切割速度:(见表6-3)切缝宽度:0、075-0、41mm压射距离:2、5-90mm就是采用含有微细磨料得高速干燥气体流对工件表面喷射,以实现去除材料得加工方法。磨料喷射加工不同于喷砂,这种加工所选用得磨料更细,而且不能循环使用,加工参数与切割作用需精密控制。可对精密零件进行表面清理与去毛刺,也可以对脆硬材料进行切割与刻蚀。6、3磨料喷射加工特点应用原理规律1)去毛刺。各种小型精密零件、医疗器械上得交叉空、横孔、内螺纹、窄缝与用尼龙、聚四氟乙烯等制成得复杂零件及注射针头得去毛刺。2)表面清理。常用于硅、镓、磨砂玻璃、微调电路板、薄壁零件上得型面、各种不规则表面得清理。3)切割加工。切割硬脆材料,如玻璃等,且质量好。4)雕刻、落料、打孔等。1)适合于加工硬脆材料,如水晶、陶瓷等,加工软、韧得材料效果极差。2)工具无法进入处得精密切割、去毛刺、表面清理、刻蚀与抛光。加工面积小、无热应力与表面损伤。3)设备简单、功率消耗小、加工成本低。4)喷嘴磨损,影响质量。5)喷射加工得噪音、磨料及去除物得飞溅,对人体与环境有害。磨料喷射加工基本规律加工质量加工速度影响因素有磨料种类