特種加工技術(shù)第章物料切蝕加工.ppt

,第六章物料切蝕加工,6.1超聲加工,超聲波加工也稱超聲加工。超聲加工不僅能對(duì)硬質(zhì)合金、淬火鋼等金屬材料進(jìn)行加工，還可以對(duì)非導(dǎo)體、半導(dǎo)體等硬脆材料進(jìn)行加工，如玻璃、陶瓷、石英、寶石、鍺、硅等，也可應(yīng)用于清洗、焊接、探傷、測(cè)量、冶金等方面。,原理與特點(diǎn),加工規(guī)律,基本應(yīng)用,加工設(shè)備,超聲加工的特點(diǎn)：1）適合于加工各種硬、脆材料，如玻璃、陶瓷、石英、半導(dǎo)體、石墨等，淬火鋼、硬質(zhì)合金、耐熱鋼也可加工。2）靠磨料的沖擊作用，宏觀切削力很小，變形、燒傷小。Ra=0.1-0.1m，加工精度=0.01-0.02mm，且可加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。3）加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)單，只要加工出形狀與工件相同的工具，只要上下的振動(dòng)和進(jìn)給就可以加工出所需要的工件。另外操作維修也很方便。4）超聲加工的生產(chǎn)率較低，加工面積不夠大，工具損耗也大，這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。,超聲波加工原理,超聲波及其特性,當(dāng)聲波頻率超出16000Hz范圍稱為超聲波。超聲波可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳遞，由于超聲波頻率高、波長(zhǎng)短、能量大，所以傳播時(shí)反射、折射、共振和損耗等更為嚴(yán)重。超聲波具有下列特征：1）傳遞能量強(qiáng)。超聲波頻率很高，其能量密度可達(dá)100W/cm2，超聲波的作用是對(duì)其傳播方向的物體施加壓力（即聲壓），傳播的波的能量越大，則聲壓越大。2）空化作用。超聲波振動(dòng)，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，產(chǎn)生沖擊和空化。3）反射和折射。超聲波通過(guò)不同的介質(zhì)時(shí)，在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射。4）干涉和共振。在一定的條件下會(huì)產(chǎn)生干涉和共振現(xiàn)象。為了使彈性桿處于最大振幅共振狀態(tài)，應(yīng)使彈性桿設(shè)計(jì)成半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，而固定彈性桿的支撐點(diǎn)應(yīng)該選在振動(dòng)過(guò)程的波節(jié)處（沒(méi)有振動(dòng)的地方）。,超聲波加工是利用超聲振動(dòng)的工具，在具有磨料的液體介質(zhì)或磨料干粉中，產(chǎn)生沖擊、拋磨等產(chǎn)生氣蝕來(lái)去除材料，或是振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為熱量而進(jìn)行加工的加工方法。在超聲加工，高頻電源接在超聲換能器上，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為垂直于工件表面的超聲機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)過(guò)變幅桿，把振動(dòng)的振幅放大到0.05-0.1mm左右，以驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)；此時(shí)磨料由于受超聲振動(dòng)的沖擊，也產(chǎn)生振動(dòng)，并沖擊工件，使之在沖擊、拋磨和空化的作用下，把材料去除。由于超聲加工是基于磨粒的局部撞擊作用，因此特別適合于硬脆材料的加工。,超聲加工原理與特點(diǎn),超聲波加工設(shè)備及其組成,超聲波發(fā)生器,超聲波振動(dòng)系統(tǒng),高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供給工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。其基本要求是：可靠性好、效率高、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，還要求功率和頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，能對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)微調(diào)。超聲波發(fā)生器由于功率不同，有電子管、晶閘管式和晶體管式，大功率的以前用電子管的比較多，但近年來(lái)逐漸被晶體管所取代。超聲波發(fā)生器分振蕩級(jí)、電壓放大級(jí)、功率放大級(jí)和電源四部分。,機(jī)床本體,工作液循環(huán)系統(tǒng),磨料工作液是磨料和工作液的混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時(shí)用煤油或機(jī)油。,超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；圖6-4是CSJ-2超聲波加工機(jī)床。圖中聲學(xué)部件安裝在一根能上下移動(dòng)的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌由上下二組滾動(dòng)導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌能靈活精密地上下移動(dòng)。工具的向下進(jìn)給及對(duì)工件施加壓力靠聲學(xué)部件的自重，為了能調(diào)節(jié)壓力的大小，在機(jī)床后部可以改變平衡重錘，也有采用彈簧或液壓等其它方法改變平衡砝碼的重量。,超聲波振動(dòng)系統(tǒng),超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能器、振幅擴(kuò)大桿及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這種目的的方法有兩種，一是壓電效應(yīng)，二是磁致伸縮效應(yīng)。,壓電效應(yīng)換能器,磁致效應(yīng)換能器,石英晶體、鈦酸鋇、鋯釔酸鉛等物質(zhì)在受到機(jī)械壓縮或拉伸后，其表面會(huì)產(chǎn)生一定的電荷，形成一定的電勢(shì)；同理，如果在表面加一定的電壓，晶體會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械變形，這個(gè)效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。石英晶體：0.01m/3000V，鈦酸鋇：20-30倍，但效率和機(jī)械強(qiáng)度差，鋯釔酸鉛：二者的優(yōu)點(diǎn)；壓電陶瓷片：自振頻率與厚度、上下端塊質(zhì)量及夾緊力成反比。,鐵、鈷、鎳及其合金的長(zhǎng)度能隨其所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而伸縮的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。鎳：縮短0.004%，鐵和鈷：伸長(zhǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)去除后恢復(fù)原尺寸，材料在交變磁場(chǎng)中會(huì)交變伸縮，產(chǎn)生振動(dòng)。磁致式換能器比壓電式換能器有更高的機(jī)械強(qiáng)度和輸出功率，常用于中、大功率的超聲加工。但缺點(diǎn)是渦流發(fā)熱損失大，能量轉(zhuǎn)換效率低，需冷卻系統(tǒng)，以保證換能器溫度低于材料200左右的居里點(diǎn)。,超聲波振動(dòng)系統(tǒng),由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過(guò)0.005-0.01mm，而超聲波加工卻需要0.01-0.1mm的振幅，因此必須用上粗下細(xì)（按指數(shù)曲線設(shè)計(jì)）的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^(guò)變幅桿的每一截面的振動(dòng)能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增大。變幅桿的常見(jiàn)形式如圖6-3所示，加工中工具頭與變幅桿相連，其作用是將放大后的機(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料，對(duì)工件進(jìn)行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性材料，如45#鋼，這樣可以減少工具的相對(duì)磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)加工間隙值（略大于磨料直徑）。,變幅桿,超聲波加工規(guī)律,加工精度,表面質(zhì)量,加工速度,表面粗糙度一般為Ra0.1-1mm，取決于每個(gè)磨粒每次撞擊在工件表面留下的凹坑的大小。凹坑的大小與磨粒直徑、被加工材料性質(zhì)、超聲振動(dòng)的振幅、磨料懸浮液等有關(guān)。當(dāng)磨粒尺寸小、工件材料硬度大、超聲振動(dòng)振幅小，則粗糙度好，但加工速度低。煤油潤(rùn)滑油為工作液時(shí)的表面粗糙度將比水作為工作液時(shí)明顯改善。,加工精度：機(jī)床精度、夾具精度、磨料粒度、工具精度、工具磨損、工具的橫向振動(dòng)、加工深度、工件材料性質(zhì)等有關(guān)。一般孔的尺寸精度可達(dá)到0.02-0.05mm。,表6-1超聲波加工功率與加工孔徑的關(guān)系,加工孔的尺寸比工具尺寸有所放大，放大量約為磨粒直接的二倍?？椎募庸ふ`差：橢圓度和錐度，橢圓度與工具橫向振動(dòng)和沿圓周磨損不均勻有關(guān)；錐度與工具磨損有關(guān)。用工具或工件旋轉(zhuǎn)可提高孔的圓度和生產(chǎn)率。,表6-2常用幾種磨料粒度和磨粒尺寸范圍,超聲加工速度的影響,隨加工振幅和頻率的增大加工速度加快，但工具和變幅桿需承受的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)增大，降低系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)表面粗糙度也會(huì)提高。振幅一般在0.1-0.01mm，頻率在16000-25000Hz。實(shí)際加工時(shí)應(yīng)調(diào)至共振頻率，以獲得最大振幅。,加工速度又稱材料去除率，是指單位時(shí)間內(nèi)去除材料的多少，單位是g/min或mm3/min，加工玻璃時(shí)最大加工速度可達(dá)2000-4000mm3/min。,工具振幅和頻率,磨料和粒徑,靜壓力,懸浮液濃度,工件和工具,磨料硬度越高，加工速度越快。氧化鋁玻璃、鍺和陶瓷；碳化硼硬質(zhì)合金、工具鋼和寶石；金剛砂金剛鉆和紅寶石。磨料的粒度加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的。磨料粒徑較小時(shí)加工速度慢，磨料粒徑增大加工速度隨著增大，但當(dāng)磨料粒徑過(guò)大時(shí)加工速度反而下降。,被加工工件材料越脆，受沖擊的能力越弱，越容易被加工，反之，韌性越好，則不容易被加工。如玻璃的可加工性為100%，鍺、硅等半導(dǎo)體單晶為200-250%，石英為50%，硬質(zhì)合金為2-3%，淬火鋼為1%，不淬火鋼不到1%。工具表面形狀也影響加工速度的最大值，窄的矩形工具比相同截面積的正方形工具具有更大的加工速度，用圓錐形的工具來(lái)代替圓柱形工具，生產(chǎn)率可以提高50%。,在靜壓力不大時(shí)加工速度隨作用在工具上的靜載荷增大而增大，當(dāng)靜壓力超過(guò)一定的值，則加工速度反而隨靜壓力增大而減小，因?yàn)閴毫πr(shí)工具和工件之間的間隙過(guò)大，減弱了磨料對(duì)工件的沖擊作用，而壓力過(guò)大時(shí)工件和工具之間的距離過(guò)小，使磨料和工作液不能順利循環(huán)更新，反而影響加工效率（加工速度以穿透率表達(dá)）。一般地，當(dāng)加工面積小的時(shí)候，靜壓力可以較大。例如采用圓形實(shí)心工具在玻璃上加工孔時(shí)，加工面積在5-13mm3時(shí)，其最佳靜壓力為400kPa，當(dāng)加工面積大于20mm3時(shí)，最佳靜壓力為200-300kPa。,超聲加工速度的影響,靜壓力,懸浮液濃度,增加懸浮液濃度可以提高切割效率，當(dāng)懸浮液混合物的磨料/水的體積比為30-40%時(shí)就產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，如果懸浮液濃度再增加，由于加工區(qū)域磨料的循環(huán)運(yùn)動(dòng)受影響，反而會(huì)降低加工速度。當(dāng)然隨懸浮液的粘度的增加加工效率會(huì)急劇下降。,切割加工,型孔和型腔加工,超聲加工工藝及應(yīng)用,金屬冶煉,超聲清洗,焊接加工,復(fù)合加工,復(fù)合加工是為了提高加工脆硬金屬材料的速度及降低工具的損耗，把超聲波加工與其他加工方法相結(jié)合加工，揚(yáng)長(zhǎng)避短。如超聲電解加工、超聲電火花加工、超聲拋光、超聲電解拋光、超聲調(diào)制激光加工等。,在冶金工業(yè)中，超聲波用于控制結(jié)晶過(guò)程，增加擴(kuò)散和分散，改善材料性能。最顯著的是細(xì)化晶粒。加入超聲波，對(duì)晶核的增加和晶粒有破碎作用，產(chǎn)生的空化作用促使局部超冷，有利于形成新的晶核。對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響不僅細(xì)化宏觀組織和用等軸結(jié)構(gòu)代替板狀結(jié)構(gòu)，而且還細(xì)化微觀組織。同時(shí)超聲波的作用還改善了金屬力學(xué)性能。超聲波的機(jī)械攪拌和空化作用使油水混合在一起，這種現(xiàn)象叫乳化，在冶金學(xué)中，一些合金是飛熔成合金，重金屬相和輕金屬相各自保持粗粒狀態(tài)。注入超聲波后也起乳化作用。,是利用超聲振動(dòng)作用，去除工作表面的氧化層，使新鮮的本體顯露出來(lái)，并在二個(gè)被焊工件振動(dòng)沖撞、摩擦發(fā)熱、親和粘結(jié)在一起。其可以焊接普通的金屬材料，也可焊接尼龍、塑料、薄膜、絲、化學(xué)纖維等，目前在大規(guī)模集成電路的焊接中已得到廣泛的應(yīng)用,切割加工,型孔和型腔加工,超聲加工工藝及應(yīng)用,超聲清洗,超聲波清洗是基于超聲振動(dòng)在液體中產(chǎn)生交變的沖擊和空化效應(yīng)的，將這樣強(qiáng)烈的沖擊波作用到被清洗部位的污物上，使之產(chǎn)生疲勞破壞而脫落。主要用來(lái)清除各種形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高的中小精密零件，特別是清洗窄縫、細(xì)小深孔、彎孔、盲孔、溝槽等。,超聲加工在工業(yè)生產(chǎn)中主要是針對(duì)各種脆硬材料進(jìn)行圓孔、異形孔、型孔、型腔、套料和細(xì)微孔加工。,切割脆硬的半導(dǎo)體材料用普通的機(jī)械加工方法是困難的，但采用超聲波切割則很方便，而且具有切片薄、切口窄、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)常用于精密切割半導(dǎo)體、鐵氧體、石英、寶石、陶瓷、金剛石等硬脆材料。,利用水或水加添加劑，經(jīng)水泵和增壓器，達(dá)到7000Mpa的壓力，再經(jīng)儲(chǔ)液蓄能器，使高壓液流平穩(wěn)流動(dòng)，最后有人工寶石做的噴嘴形成3000m/s的高速液流束，從孔徑為0.1-0.5mm的噴嘴噴射到工件，而達(dá)到去除材料的目的。加工深度取決于液壓噴射的速度、壓力和壓射距離。被液體沖刷下來(lái)的切屑被液體帶走。入口出射流的功率密度可達(dá)106W/mm2。,設(shè)備,6.2液體噴射加工,特點(diǎn),應(yīng)用,原理,規(guī)律,1）加工精度高、切邊質(zhì)量好。0.075-0.005mm。2）可割的材料多。鋼、鋁、銅等金屬和塑料、皮革、紙張等非金屬。3）加工速度快。能量密度高（106W/cm2）、流速快（7.5L/min）。4）切縫窄。切縫一般可達(dá)0.075-0.04mm。5）適合于易燃材料加工。6）無(wú)塵、無(wú)污染；噴嘴壽命長(zhǎng)；設(shè)備簡(jiǎn)單，加工成本低。,液體噴射加工需要液壓系統(tǒng)和機(jī)床本體。液壓系統(tǒng)包括控制器、過(guò)濾器、密封裝置、泵、閥、增壓器、儲(chǔ)液槽等。液體噴射加工時(shí)，作為工具的射流是不會(huì)變鈍的，噴嘴的壽命也長(zhǎng)。液體要經(jīng)過(guò)很好的過(guò)濾（含微粒直徑0.5mm），液體精脫礦質(zhì)和去離子處理后，可以減少對(duì)噴嘴的腐蝕作用。切割時(shí)可以多個(gè)噴嘴同時(shí)工作，達(dá)到多路切割。,加工速度與精度,加工精度,加工速度,加工速度取決于工件材料，并與功率大小成正比，與材料厚度成反比。,切割精度主要受噴嘴軌跡精度的影響，切縫=噴嘴孔徑+0.025mm，加工復(fù)合材料時(shí)射流速度要高、噴嘴直徑要小、噴射距離要小。噴嘴越小，加工精度越高，但材料去除速度降低。,切邊質(zhì)量受材料形狀影響很大，軟材料表面光滑，塑性好切邊質(zhì)量高。液體壓力低降低切邊質(zhì)量（復(fù)合材料易引起離層和起鱗）。進(jìn)給速度低切邊質(zhì)量好。,表6-3不同材料的切割速度,液體噴射加工的應(yīng)用,可以切割和打孔很薄、很軟的金屬或非金屬，例如銅、鋁、鉛、塑料、木材、橡膠、紙張等。水射流切割可以代替硬質(zhì)合金切槽刀具，而且切邊質(zhì)量很好。如切割19mm厚的吸聲天花板，采用水壓為310Mpa，切割速度達(dá)到76m/min。,表6-4為水射流切割常用的加工參數(shù),汽車工業(yè)中用水射流切割石棉制動(dòng)片、橡膠地毯、復(fù)合材料板、玻璃纖維等。航天工業(yè)中也常用以切割復(fù)合材料、蜂窩夾層板、鈦合金元件和印刷電路板等。在機(jī)械工業(yè)中還常用以鑄件的清砂、鋼板的除銹、去毛刺、代替噴丸處理等。,是采用含有微細(xì)磨料的高速干燥氣體流對(duì)工件表面噴射，以實(shí)現(xiàn)去除材料的加工方法。磨料噴射加工不同于噴砂，這種加工所選用的磨料更細(xì)，而且不能循環(huán)使用，加工參數(shù)和切割作用需精密控制?？蓪?duì)精密零件進(jìn)行表面清理和去毛刺，也可以對(duì)脆硬材料進(jìn)行切割和刻蝕。,6.3磨料噴射加工,特點(diǎn),應(yīng)用,原理,規(guī)律,1）去毛刺。各種小型精密零件、醫(yī)療器械上的交叉空、橫孔、內(nèi)螺紋、窄縫和用尼龍、聚四氟乙烯等制成的復(fù)雜零件及注射針頭的去毛刺。2）表面清理。常用于硅、鎵、磨砂玻璃、微調(diào)電路板、薄壁零件上的型面、各種不規(guī)則表面的清理。3）切割加工。切割硬脆材料，如玻璃等，且質(zhì)量好。4）雕刻、落料、打孔等。,1）適合于加工硬脆材料，如水晶、陶瓷等，加工軟、韌的材料效果極差。2）工具無(wú)法進(jìn)入處的精密切割、去毛刺、表面清理、刻蝕和拋光。加工面積小、無(wú)熱應(yīng)力和表面損傷。3）設(shè)備簡(jiǎn)單、功率消耗小、加工成本低。4）噴嘴磨損，影響質(zhì)量。5）噴射加工的噪音、磨料及去除物的飛濺，對(duì)人體和環(huán)境有害。,磨料噴射加工基本規(guī)律,加工質(zhì)量,加工速度,影響因素有磨料種類、粒度、噴嘴直徑、噴嘴到工件距離、噴嘴角度、磨料噴射速度等。磨料越粗、噴射速度越快，加工速度越快；但噴射速度太高，加工速度反下降。,最小切寬=0.13mm，加工誤差90%。提高效率。4）加工精度：不會(huì)破壞原來(lái)的精度，也不能修正原來(lái)的形狀誤差。尺寸精度=IT5-