《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課件第5章

第5章特種加工5.1電火花加工5.2電解加工5.3超聲波加工5.4高能束加工復(fù)習(xí)思考題第二次世界大戰(zhàn)后,特別是進(jìn)入20世紀(jì)50年代以來,隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)實驗的需要,很多工業(yè)部門要求產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化等方向發(fā)展,所用的材料越來越難加工,零件形狀越來越復(fù)雜,精度、表面粗糙度和某些特殊要求也越來越高。對機(jī)械制造部門提出了下列新的要求:

(1)解決各種難切削材料的加工問題。如硬質(zhì)合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬硬鋼、金剛石、寶石、石英以及鍺、硅等各種高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性的金屬及非金屬材料的加工。

(2)解決各種特殊復(fù)雜表面的加工問題。如噴氣渦輪機(jī)葉片、整體渦輪、噴絲頭上的小孔、窄縫等的加工。

(3)解決各種超精、光整或具有特殊要求的零件的加工問題。如對表面質(zhì)量和精度要求很高的航天、航空業(yè)裝備上的陀螺儀以及細(xì)長軸、薄壁零件等低剛度零件的加工。

要解決上述一系列工藝問題,僅僅依靠傳統(tǒng)的切削加工方法是很難實現(xiàn)的，因此人們不斷探索、研究新的加工方法,特種加工就是在這種前提條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。特種加工所以能產(chǎn)生和發(fā)展,主要在于它具有常規(guī)切削加工所不具有的本質(zhì)和特點。切削加工的本質(zhì)和特點一是靠刀具材料比工件更硬,二是靠機(jī)械能把工件上多余的材料切除,一般情況下這是行之有效的方法。但是,當(dāng)工件材料愈來愈硬,零件結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜的情況下,原來行之有效的方法就會轉(zhuǎn)化為限制生產(chǎn)率和影響加工質(zhì)量的不利因素。于是人們開始探索用軟的工具加工硬的材料,不僅用機(jī)械能而且還采用電、化學(xué)、光、聲等能量來進(jìn)行加工。到目前為止,已經(jīng)找到了多種加工方法,為區(qū)別于現(xiàn)有的金屬切削加工,這類新的加工方法統(tǒng)稱為特種加工,國外稱作非傳統(tǒng)加工或非常規(guī)機(jī)械加工。它們與常規(guī)切削加工的不同點亦即特種加工的特點是:

(1)主要用電、化學(xué)、光、聲、熱等能量去除金屬材料;

(2)工具硬度可以低于被加工材料的硬度;

(3)加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械切削力。

特種加工可以加工任何硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性的金屬或非金屬材料,尤其是加工復(fù)雜表面、微細(xì)表面和低剛度零件。

特種加工按能量來源和加工原理可分成電火花加工、電化學(xué)加工、激光加工、電子束加工、粒子束加工、等離子弧加工、超聲加工、化學(xué)加工、快速成型等,如表5-1所示。

生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是電火花加工、電解加工、超聲波加工和高能束加工。表5-1常用特種加工方法分類表

5.1電火花加工

電火花加工又稱放電加工(ElectricalDischargeMachining，簡稱EDM),在20世紀(jì)50年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。5.1.1電火花加工的原理及特點

1.電火花加工原理

電火花加工是一種利用電能和熱能對工件進(jìn)行加工的方法。利用工具和工件兩極間脈沖放電時局部瞬時產(chǎn)生的高溫把金屬腐蝕去除,達(dá)到對工件進(jìn)行加工的目的。當(dāng)脈沖電流作用在工件表面時,工件表面上導(dǎo)電部位立即熔化。若電脈沖能量足夠大時,金屬將直接氣化。熔化的金屬因劇烈飛濺而拋離電極表面,使材料表面形成電腐蝕的坑穴。在這一加工過程中我們可看到放電過程中伴有火花,因此將這一加工方法稱為電火花加工。如適當(dāng)控制這一過程,就能準(zhǔn)確地加工出所需的工件形狀。

圖5-1所示為電火花加工裝置原理圖。脈沖電源2的兩極分別接在工具電極4與零件1上,當(dāng)兩極在工作液5中靠近時,極間電壓擊穿間隙而產(chǎn)生火花放電,在放電通道中瞬時產(chǎn)生大量的熱,達(dá)到很高的溫度(10000℃以上),使零件和工具表面局部材料熔化甚至氣化，從而被蝕除下來形成微小的凹坑。多次放電的結(jié)果就使零件表面形成許多非常小的凹坑。電極不斷下降,工具電極的輪廓形狀便復(fù)制到零件上,這樣就完成了零件的加工。圖5-1電火花加工原理圖進(jìn)行電火花加工應(yīng)具備如下條件:

(1)工具和工件被加工面的兩極之間要經(jīng)常保持一定的放電間隙,通常約為幾微米到幾百微米。如果間隙過大,工作電壓擊不穿,電流接近于零;如果間隙過小,形成短路接觸,極間電壓接近于零,這兩種情況都形成不了火花放電的條件,電極間均沒有功率輸出。為此,在電火花加工過程中必須具有電極工具的自動進(jìn)給和調(diào)節(jié)裝置。

(2)必須采用脈沖電源?；鸹ǚ烹姳仨毷撬矔r的脈沖放電,由于放電的時間短,使放電產(chǎn)生的熱來不及傳導(dǎo),從而把放電蝕除點局限在很小的范圍內(nèi)。如果像持續(xù)電弧放電那樣,必然會使整個工件發(fā)熱,致使表面“燒糊”。為此,電火花加工須采用脈沖電源,如圖5-2。

(3)火花放電必須在一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行。沒有一定的絕緣性能,就不能擊穿放電,形成火花通道。使用液體介質(zhì),一方面是為了能把電火花加工后的金屬屑等電蝕產(chǎn)物從放電間隙中懸浮排除出去;另一方面液體對電極表面有較好的導(dǎo)熱冷卻作用。圖5-2脈沖電源電壓波形

2.電火花加工的特點

(1)可加工高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高熔點的難切削加工的導(dǎo)電材料,不受加工材料的物理、力學(xué)性能影響,如淬火鋼、硬質(zhì)合金、導(dǎo)電陶瓷、立方氮化硼等。在一定條件下,還可加工半導(dǎo)體材料和非導(dǎo)體材料。

(2)工具硬度可以低于被加工材料的硬度。

(3)加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械力,有利于小孔、窄槽、曲線孔及薄壁零件的加工。

(4)脈沖參數(shù)可任意調(diào)節(jié)。加工中只需更換工具電極或采用階梯形工具電極就可以在同一機(jī)床上連續(xù)進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工。

(5)效率低于切削加工。生產(chǎn)中可以先用切削加工作為粗加工,再用電火花加工進(jìn)行精加工。

(6)放電過程中有一部分能量消耗于工具電極而導(dǎo)致電極消耗,對成型精度有一定影響。5.1.2電火花加工的基本工藝規(guī)律

1.加工速度和工具損耗速度

1)加工速度

單位時間內(nèi)工件的電蝕量稱為加工速度,一般采用體積加工速度vW表示。

式中,V為被加工掉的體積,單位為mm3;

t為加工時間,單位為min。有時為了測量方便,也采用質(zhì)量加工速度vm(g/min)表示。在電火花加工過程中,無論正極或負(fù)極都存在單個脈沖的蝕除量與單個脈沖能量在一定范圍內(nèi)成正比的關(guān)系。某一段時間內(nèi)的總蝕除量約等于這段時間內(nèi)各單個有效脈沖蝕除量的總和,所以正、負(fù)極的蝕除速度與單個脈沖能量、脈沖頻率成正比。

qp=KpWMfft

式中,qp為在t時間內(nèi)的總蝕除量,單位為g或mm3;

v為蝕除速度,單位為g/min或mm3/min,亦即工件生產(chǎn)率或工具損耗速度;WM為單個脈沖能量;f為脈沖頻率;f為有效脈沖利用率;t為加工時間,單位為s;

Kp為與電極材料、脈沖參數(shù)、工作液等有關(guān)的工藝參數(shù)。提高加工速度的途徑在于提高脈沖頻率f、增加單個脈沖能量、提高工藝參數(shù)Kp及正確選擇工件的極性,還要考慮各因素間的相互制約關(guān)系。

(1)提高脈沖頻率f。提高脈沖頻率一方面靠縮小脈沖停歇時間,另一方面靠壓縮脈沖寬度,這是提高加工速度的有效途徑。但是如果脈沖停歇時間過短,會使加工區(qū)工作液來不及消電離、排除電蝕產(chǎn)物及氣泡來恢復(fù)其介電性能,導(dǎo)致形成破壞性的穩(wěn)定電弧放電,使電火花加工過程不能正常進(jìn)行。

(2)增加單個脈沖能量WM。增加單個脈沖能量主要靠加大脈沖電流和增加脈沖寬度。單個脈沖能量的增加可以提高加工速度,但同時又會使表面粗糙度變壞并降低加工精度,因此一般只用于粗加工和半精加工的場合。

(3)提高工藝參數(shù)Kp

。合理選用電極材料、電參數(shù)和工作液,改善工作液的循環(huán)過濾方式,可以提高有效脈沖利用率,提高加工速度。

(4)正確選擇工件的極性。正、負(fù)極在加工中都要不同程度地受到電熱蝕除。當(dāng)采用窄脈沖、精加工時應(yīng)選用正極性加工;當(dāng)采用長脈沖、粗加工時,應(yīng)采用負(fù)極性加工。這樣可得到較高的蝕除速度和較低的電極損耗。

2)工具的相對損耗

加工中的工具相對損耗是產(chǎn)生加工誤差的主要原因之一。工具相對損耗是指單位時間內(nèi)工具的電蝕量。在生產(chǎn)實際中用來衡量工具的損耗程度時不但要考慮工具損耗速度而且要考慮加工速度。一般采用相對損耗或損耗比來衡量工具電極的損耗程度。

式中,θ為體積相對損耗;

vE為工具損耗速度,單位為mm3/min;

vW為加工速度,單位為mm3/min。

如加工速度vW以g/min為單位計算,θ即為質(zhì)量相對損耗。為了降低工具電極的相對損耗,要正確處理好電火花加工過程中的各種效應(yīng)。

(1)極性效應(yīng)。

在電火花放電加工過程中,無論是正極還是負(fù)極,都會受到不同程度的電蝕。這種單純由于正、負(fù)極性不同而彼此電蝕量不一樣的現(xiàn)象叫做極性效應(yīng)。

產(chǎn)生極性效應(yīng)的原因很復(fù)雜,一般認(rèn)為在火花放電過程中,正、負(fù)電極表面分別受到負(fù)電子和正離子的轟擊和瞬時熱源的作用,在兩極表面所分配到的能量不一樣,因而熔化、氣化拋出的電蝕量也不一樣。一般,短脈沖精加工時采用正極性加工,長脈沖粗加工時采用負(fù)極性加工。其極性效應(yīng)對工具相對損耗的試驗曲線如圖5-3所示,試驗用的工具電極為f6mm的純銅,加工工件為鋼,工作液為煤油,矩形波脈沖電源,加工電流幅值為10A。

如圖5-3所示,不論是正極性加工還是負(fù)極性加工,當(dāng)峰值電流一定時,隨著脈沖寬度的增加電極相對損耗都在下降。圖5-3電極相對損耗與極性、脈寬的關(guān)系采用負(fù)極性加工時,純銅電極的相對損耗隨脈沖寬度的增加而減少,當(dāng)脈沖寬度大于120μs后,電極相對損耗將小于1%,可以實現(xiàn)低耗加工。

如果采用正極性加工,不論采用哪一擋脈沖寬度,電極的相對損耗都難低于10%。然而在小于15μs的窄脈寬范圍內(nèi),正極性加工的工具電極相對損耗比負(fù)極性加工小。

(2)覆蓋效應(yīng)。

當(dāng)采用煤油等碳?xì)浠衔镒鞴ぷ饕簳r,當(dāng)電極表面瞬時溫度在400℃左右,并持續(xù)一定時間時,就會形成一定強(qiáng)度和厚度的化學(xué)吸附碳層,一般稱為“炭黑膜”。由于碳的熔點和氣化點很高,炭黑膜可對電極起到保護(hù)和補償作用,從而實現(xiàn)“低損耗”加工。

由于炭黑膜只能在正極表面形成,因此,若要利用炭黑膜的補償作用來實現(xiàn)電極的低損耗,必須采用負(fù)極性加工。實驗表明,當(dāng)峰值電流、脈沖間隔一定時,炭黑膜厚度隨脈寬的增加而增厚。當(dāng)脈沖寬度和峰值電流一定時,炭黑膜厚度隨脈沖間隔的增大而減薄。隨著脈沖間隔的減少,電極損耗隨之降低。但過小的脈沖間隔將使放電間隔來不及消電離和電蝕產(chǎn)物擴(kuò)散而造成拉弧燒傷。

(3)傳熱效應(yīng)。

從電極表面的溫度場分布看,電極表面放電點的瞬時溫度與瞬時放電的總熱量、放電通道的截面積、電極材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)。在放電初期,限制脈沖電流的增長率將有利于降低電極損耗,由于電流密度不太高,電極表面溫度不會過高而遭受較大的損耗。又由于一般采用的工具電極的導(dǎo)熱性

能比工件好,如果采用較大的脈沖寬度和較小的脈沖電流進(jìn)行加工,導(dǎo)熱作用使工具電極表面溫度較低而減少損耗,但工件表面溫度仍比較高而得到蝕除。

(4)沉積效應(yīng)。

當(dāng)選用水或水溶液為工作液時(乳化液、自來水),因水本身為弱電解質(zhì),放電加工過程產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)將導(dǎo)致陽極溶解和陰極沉積,從而保護(hù)陰極減少損耗。所以采用水基工作液時,應(yīng)采用正極性加工。

(5)選擇合適的工具電極材料。

在電火花的加工過程中,為了減少工具電極的損耗,必須正確選用工具材料。鎢、鉬的熔點和沸點較高,損耗小,但機(jī)械加工性能不好,價格又貴,所以除線切割外很少采用。銅的熔點雖低,但其導(dǎo)熱性好,損耗小,同時又能制成各種精密、復(fù)雜的電極,所以常用來制造對中、小型腔加工用的工具電極。石墨電極不僅熱學(xué)性能好,而且在長脈沖粗加工時能吸附游離的碳來補償電極的損耗,所以相對損耗很低,目前已廣泛用于型腔加工的電極。銅碳、銅鎢、銀鎢合金等復(fù)合材料不僅導(dǎo)熱性好,而且熔點高,電極損耗小,但由于其價格較貴,制造成型比較困難,因而一般只在精密電火花加工時用來制作工具電極。

2.影響加工精度的主要因素

電火花加工中影響加工精度的因素除工件安裝誤差、機(jī)床幾何精度、工具誤差等以外,主要還有放電間隙的大小及其一致性、工具電極的損耗及加工過程中的二次放電等因素。

(1)放電間隙的大小及一致性。

電火花加工中,工具與工件間存在著放電間隙。放電間隙是隨電參數(shù)、電極材料、工作液的絕緣性能變化而變化的,從而影響了加工精度。同時,間隙大小對加工尺寸精度也有影響,尤其是對復(fù)雜形狀的加工表面,棱角部位電場強(qiáng)度分布不均,間隙越大影響越嚴(yán)重。因此,為了減少加工尺寸誤差,應(yīng)該采用較弱小的加工規(guī)準(zhǔn),縮小放電間隙,另外還應(yīng)盡可能地使加工過程穩(wěn)定。

(2)工具電極的損耗及二次放電。

工具電極的損耗對尺寸精度和形狀精度都有影響。精密加工時,工具的尺寸精度一般要求在±0.5μm范圍內(nèi),表面粗糙度Ra值小于0.63μm。電火花穿孔加工時,工具電極可以貫穿工件型孔而補償它的損耗。但型腔加工時,因為型腔本身是有底的凹穴,無法補償電極的損耗,故精密型腔加工

時常采用更換電極等加工方法。影響電火花加工形狀精度的因素還有二次放電。二次放電是指已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等的介入再次進(jìn)行的非正常放電。二次放電的目的是在加工深度方向的側(cè)面產(chǎn)生斜度和使加工棱角邊變鈍,如圖5-4所示。

由于工具電極下端部加工時間長,絕對損耗大,而電極入口處的放電間隙則由于電蝕產(chǎn)物的存在,二次放電的幾率大而間隙逐漸擴(kuò)大,因而產(chǎn)生了加工斜度。此外,成型加工時工具電極的振動及線切割加工時電極絲的抖動,也會使側(cè)面放電次數(shù)增多而產(chǎn)生工件的形狀誤差。圖5-4電火花加工時的加工斜度另外,工具的尖角或凹角很難精確地復(fù)制在工件的表面上,如圖5-5所示。其原因是除了工具電極的損耗外,還有放電間隙的等距離性的影響。當(dāng)工具為尖角時,由于尖角處放電等距性必然使工件成為圓角;當(dāng)工具為凹角時,凹角尖點又根本不起放電作用,同時由于積屑也會使工件尖端倒圓。因此如果進(jìn)行倒圓半徑很小的加工時則必須縮小放電間隙,采用高頻窄脈寬精加工,這樣可提高仿形精度,從而獲得圓角半徑小于0.01mm的尖棱。圖5-5電火花加工時的尖角變圓

3.影響表面質(zhì)量的因素

電火花加工的表面質(zhì)量主要包括表面粗糙度、表面變質(zhì)層和表面力學(xué)性能。下面分析影響電火花加工表面質(zhì)量的因素。

1)電火花加工對表面粗糙度的影響

影響電火花加工表面粗糙度的主要因素是單個脈沖放電能量。單個脈沖能量越大,脈沖放電的蝕除量越大,越易產(chǎn)生大的放電凹坑。在一定的脈沖能量下,不同的工件電極材料表面粗糙度值大小不同,熔點高的材料表面粗糙度值要比熔點低的材料小。工具電極表面的粗糙度值大小也影響工件的加工表面粗糙度值。例如石墨電極表面比較粗糙,因此它加工出的工件表面粗糙度值也大。減少脈沖寬度和峰值電流能使粗糙度值下降,但又會導(dǎo)致生產(chǎn)率有很大程度的下降。除電參數(shù)和電極材料對表面粗糙度值的影響外,成型電極和電極絲的抖動,電極絲的入口和出口處因工作液的供應(yīng)、冷卻情況、排屑情況的不同,進(jìn)給速度的忽快忽慢等,都會對表面粗糙度值有很大影響。

2)電火花加工對表面變質(zhì)層的影響

在電火花加工過程中,由于放電瞬時的高溫和工作液迅速冷卻的作用,表面層發(fā)生了很大變化,產(chǎn)生了熔化層和熱影響層,導(dǎo)致氧化、燒傷、熱應(yīng)力和顯微裂紋,如圖5-6所示。圖5-6單個脈沖放電痕剖面放大示意圖熔化層位于電火花加工后工件表面的最上層,它被電火花脈沖放電產(chǎn)生的瞬時高溫所熔化,又受到周圍工作液介質(zhì)的快速冷卻作用而凝固。對于碳鋼來說,熔化層由馬氏體、晶粒極細(xì)的殘余奧氏體和某些碳化物組成。熔化層厚度一般為0.01～0.1mm,脈沖量愈大,熔化層也愈厚。

熱影響層位于熔化層和基體之間,熱影響層的金屬受熱的影響而發(fā)生金相組織變化。由于加工材料和加工前熱處理狀態(tài)及加工脈沖參數(shù)的不同,熱影響層的變化也不同。對淬火鋼將產(chǎn)生二次淬火區(qū)、高溫回火區(qū)和低溫回火區(qū);對未淬火鋼而言主要是產(chǎn)生淬火區(qū);對耐熱合金鋼而言,它的影響層與基體差異不大。電火花加工中,加工表面層受到高溫作用后又迅速冷卻而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。在脈沖能量較大時,表面層甚至出現(xiàn)細(xì)微裂紋。裂紋主要產(chǎn)生在熔化層,只有脈沖能量很大時才擴(kuò)展到熱影響層。不同材料對裂紋的敏感性不同,硬脆材料容易產(chǎn)生裂紋。脈沖能量大,顯微裂紋寬且深。脈沖能量很小

時,一般不會出現(xiàn)顯微裂紋。

3)電火花加工對表面力學(xué)性能的影響

(1)顯微硬度及耐磨性。工件在加工前由于熱處理狀態(tài)及加工中脈沖參數(shù)不同,加工后的表面層顯微硬度變化也不同。加工后表面層的顯微硬度一般會提高,但由于加工電參數(shù)、冷卻條件及工件材料熱處理狀況不同,有時顯微硬度也會降低。一般來說,電火花加工表面最外層的硬度比較高,

耐磨性好。但對于滾動摩擦,因熔化層和基體的結(jié)合不牢固,容易剝落而磨損。因此,有些要求比較高的模具加工時需要通過研磨把電火花加工后的表面變質(zhì)層去掉。

(2)殘余應(yīng)力。電火花加工件表面存在著由于瞬時先熱后冷作用而形成的殘余應(yīng)力,而且大部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力大小和分布主要和材料在加工前熱處理的狀態(tài)及加工時的脈沖能量有關(guān)。因此對表面層要求質(zhì)量較高的工件,應(yīng)盡量避免使用較大的加工規(guī)準(zhǔn),同時在加工中一定要注意工件熱處理的質(zhì)量,以減少工件表面的殘余應(yīng)力。

(3)耐疲勞性能。電火花加工后,工件表面層的金相組織的變化會使耐疲勞性能大大降低。采用回火處理、噴丸強(qiáng)化工藝處理甚至去掉表面變化層,將有助于降低殘余應(yīng)力或使殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,從而提高其耐疲勞性能。采用小的加工規(guī)準(zhǔn)是減小殘余拉應(yīng)力的有效措施。5.1.3電火花加工的應(yīng)用范圍

電火花加工按加工特點分為電火花成型加工與電火花線切割加工。它具有許多傳統(tǒng)切削加工所無法比擬的優(yōu)點,主要用以進(jìn)行難加工材料及復(fù)雜形狀零件的加工。

1.穿孔加工

電火花穿孔成型加工主要是用于沖模(包括凸凹模及卸料板、固定板)、粉末冶金模、擠壓模、型孔零件的加工,如圖5-7和圖5-8所示。

穿孔加工的尺寸精度主要取決于工具電極的尺寸和放電間隙。工具電極的尺寸精度和表面粗糙度比工件高一級,一般精度不低于IT7。工具電極要具有足夠的長度。若加工硬質(zhì)合金時,由于電極損耗較大,電極還應(yīng)適當(dāng)加長。工具電極的截面輪廓尺寸除考慮配合間隙外,還要比預(yù)定加工的型孔尺寸均勻地縮小一個加工時火花放電的間隙。圖5-7凹模的電火花加工圖5-8異型孔的電火花加工對于硬質(zhì)合金、耐熱合金等特殊材料的小孔加工,采用電火花加工是首選的辦法。小孔電火花加工適用于深徑比(小孔深度與直徑的比)小于20、直徑大于0.01mm的小孔。還適用于精密零件上的各種型孔(包括異型孔)的單件和小批生產(chǎn)。

小孔加工由于工具電極截面積小,容易變形,加工時不易散熱,排屑困難,電極損耗大。因此,小孔電火花加工的電極材料應(yīng)選擇消耗小、雜質(zhì)少、剛性好、容易矯直和加工穩(wěn)定的金屬絲。近年來,在電火花穿孔加工中發(fā)展了高速小孔加工。加工時,一般采用管狀電極,電極內(nèi)通以高壓工作液。工具電極在回轉(zhuǎn)的同時作軸向進(jìn)給運動(見圖5-9)。這種方式適合0.3~3mm的小孔的加工。高速小孔加工的加工速度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小直徑麻花鉆頭鉆孔,而且避免了小直徑鉆頭容易折

斷的問題。利用這種方法還可以在斜面和曲面上打孔,且孔的尺寸精度和形狀精度較高。圖5-9電火花高速小孔加工示意圖工

2.型腔加工

電火花型腔加工主要用于加工各類熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠木模的型腔。這類型腔多為盲孔,形狀復(fù)雜,給加工增加了因難。加工中為了便于排除加工產(chǎn)物和進(jìn)行冷卻,以提高加工的穩(wěn)定性,有時在工具電極中間開有沖油孔。如圖5-10所示。圖5-10電火花型腔加工

3.電火花線切割加工

電火花線切割加工(WEDM)是在電火花加工的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)50年代末發(fā)展起來的一種加工方法。

電火花線切割加工的基本原理是利用移動的細(xì)金屬導(dǎo)線(銅絲或鉬絲)做電極,對工件進(jìn)行脈沖火花放電,切割成型。根據(jù)電極絲的運行速度,電火花切割機(jī)床分為兩大類:一類是高速走絲電火花線切割機(jī)床,這類機(jī)床的電極絲作高速往復(fù)運動,一般走絲速度8~10m/s,是我國生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種,也是我國獨創(chuàng)的線切割加工模式;另一類是低速走絲(慢速走絲)線切割機(jī)床,這類機(jī)床作低速單向運動,速度低于0.2m/s,是國外生產(chǎn)中使用的主要機(jī)種。

圖5-11為高速走絲電火花線切割工藝及裝置示意圖。利用鉬絲4作為工具電極對工件進(jìn)行切割加工,貯絲桶7帶動鉬絲作正反向交替移動,加工能源由脈沖電源3供給。在電極絲和工件間澆注工作液介質(zhì),工作臺在水平面兩個坐標(biāo)方向各自按預(yù)定的控制程序,根據(jù)火花間隙狀態(tài)作伺服進(jìn)給運動,合成各種曲線軌跡,將工件切割成型。圖5-11電火花線切割原理電火花線切割加工與電火花成型加工的共性:

(1)電火花線切割加工的電壓、電流波形與電火花成型加工基本相似。

(2)電火花線切割加工的加工機(jī)理、生產(chǎn)率、表面粗糙度等工藝規(guī)律以及材料的可加工性等也都與電火花成型加工基本相似,可以加工硬質(zhì)合金等一切導(dǎo)電材料。線切割加工與電火花成型加工的不同點:

(1)電火花線切割加工電極絲直徑小,脈沖電源的加工電流較小,脈寬較窄,屬于中、精正極性電火花加工。

(2)電火花線切割加工采用水或水基工作液,很少使用煤油,不易引燃起火,容易實現(xiàn)安全無人操作運行。

(3)電火花線切割加工一般沒有穩(wěn)定的電弧放電狀態(tài),因為電極絲與工件始終存在相對運動。

(4)電火花線切割加工電極與工件之間存在著“疏松接觸”式輕壓放電現(xiàn)象。

(5)電火花線切割加工省掉了成型的工具電極,大大降低了成型工具的設(shè)計和制造費用。

(6)電火花線切割加工由于電極絲比較細(xì),可以加工微細(xì)異形孔、窄縫和復(fù)雜形狀的工件。

(7)電火花線切割加工由于采用移動的長電極絲進(jìn)行加工,使單位長度電極絲的損耗較少,從而對加工精度的影響比較小。利用電火花線切割加工的特點可以加工以下幾種結(jié)構(gòu)的工件:

(1)具有薄壁、窄槽、異形孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。

(2)由直線和圓弧組成的二維曲面圖形和一些由直線組成的三維直紋曲面,如阿基米德螺旋線、拋物線、雙曲線等特殊曲線的圖形。圖5-12異形孔噴絲板實例

(3)可以加工形狀大小和材料厚度差異大的零件。圖5-12是對異形孔噴絲板加工的實例。異形孔噴絲板的孔形特殊、復(fù)雜?？椎囊恢滦砸蠛芨?精度要求±0.005mm,Ra≤0.4μm。噴絲板的材料是不銹鋼(1Gr18Ni9Ti)。加工中為保證高精度、低粗糙度值的要求應(yīng)采取以下措施:穿絲孔用細(xì)鉬絲作電極在電火花成型機(jī)床上加工,穿絲孔的位置一般是選在窄縫交會處,這樣便于校正和加工;當(dāng)電極絲進(jìn)退軌跡重復(fù)時,應(yīng)當(dāng)切斷脈沖電源,使得異形孔諸槽一次加工成型,保持縫寬的一致性;采用直徑為0.035～0.10mm的電極絲,電極絲速度控制在0.8～2m/s;為保持電極絲運動的穩(wěn)定,利用定時限位器保持電極絲運動的位置精度。利用電火花線切割加工異形孔噴絲板、異形孔拉絲模及異形整體電極,都獲得較好的工藝效果。

電火花線切割加工已廣泛用于國防和民用的生產(chǎn)和科研工作中,用于各種難加工材料、復(fù)雜表面和有特殊要求的零件、刀具和模具的加工。通過線切割加工還可制作精美的工藝美術(shù)制品。

5.2電解加工

電解加工是繼電火花加工之后發(fā)展起來的一種適用于加工難切削材料、復(fù)雜形狀的零件的特種加工方法。5.2.1電解加工基本原理及特點

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的電化學(xué)原理,將金屬工件加工成型的一種方法。

電解加工的加工過程如圖5-13所示。加工時,工件陽極與工具陰極通以5～24V低電壓的連續(xù)或脈沖直流電;工具向工件緩慢進(jìn)給,兩極間保持很小的加工間隙(0.1～1mm),通過兩極間加工間隙的電流密度高達(dá)10～102A/cm2數(shù)量級;具有一定壓力(0.5～2MPa)的電解液從間隙中不斷高速(6~30m/s)流過,以保證帶走工件陽極的溶解產(chǎn)物和電解電流通過電解液時所產(chǎn)生的熱量,并去除極化。圖5-13電解加工示意圖電解加工成型原理如圖5-14。加工開始時,成型的陰極與陽極工件距離較近的地方電流密度較大,電解液流速較快,陽極溶解速度也就較快,如圖5-14(a)。由于工具相對工件不斷進(jìn)給,工件表面就不斷被電解,電解產(chǎn)物不斷被電解液沖走,直至工件表面形成與陰極表面基本相似的形狀為止,如圖

5-14(b)。圖5-14電解加工成形原理電解加工鋼件時,常用的電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14％～

18％的NaCl溶液。在電解液中存在著H＋、OH－、Na＋、

Cl－四種離子。因此在陽極上可能參與電極反應(yīng)的物質(zhì)就有Cl－、OH－和Fe;在陰極上可能參與電極反應(yīng)的物質(zhì)就有Na＋、H＋。

在陽極,就反應(yīng)發(fā)生的可能性而言,其反應(yīng)方程如下(據(jù)能斯特公式計算出電極電位E,作為分析時的參考):Fe－2e→Fe2+E=－0.59V

Fe－3e→Fe3+E=－0.323V

2Cl－－2e

Cl2↑E=+1.334V

4OH－－4e→O2↑E=+0.8671V按照電極反應(yīng)過程基本原理,電極電位負(fù)值最大的物質(zhì)首先在陽極反應(yīng)。在陽極首先是鐵失去電子變成二價鐵離子Fe2+溶解。溶入電解液中的Fe2+又與OH－離子化合,生成Fe(OH)2,由于其在水中的溶解度很小,故生成沉淀離開反應(yīng)系統(tǒng)。

Fe2++2OH－=Fe(OH)2↓

Fe(OH)2為墨綠色絮狀物,隨著電解液的流動而被帶走。Fe(OH)2又逐漸被電解液中及空氣中的氧氣氧化為黃褐色沉淀Fe(OH)3。

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓

同理,在陰極按照電極反應(yīng)基本規(guī)律,電極電位最高的離子首先在陰極反應(yīng)。

Na++eNaE=－2.69V

2H++2eH2↑E=－0.42V因此,陰極只有氫氣溢出而不會發(fā)生鈉沉積的電極反應(yīng)。由此可見,電解加工過程中,理想情況是陽極鐵不斷被以Fe2+的形式被溶解,水被分解消耗,因而電解液濃度逐漸增大。電解液中氯離子和鈉離子起導(dǎo)電作用,本身不消耗。所以NaCl電解液的使用壽命長,只要過濾干凈并添加水分,可長期使用。電解加工的工件材料如果是合金鋼時,若鋼中各合金元素的平衡電極電位相差較大,則電解加工后的表面粗糙度值將變大。就碳鋼而言,由于鋼中存在Fe3C相,其電極電位約為＋0.37V而很難電解,因此高碳鋼、鑄鐵和經(jīng)過表面滲碳處理的零件不適于電解加工。電解加工的特點:

(1)加工范圍廣,可成型范圍寬。電解加工不受材料本身硬度和強(qiáng)度的限制,可以加工硬質(zhì)合金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱合金等高硬度、高強(qiáng)度及韌性金屬材料。從簡單的圓孔、型孔到如葉片、鍛模等復(fù)雜型面、型腔都可以加工。

(2)生產(chǎn)效率高。在加工難切削材料、復(fù)雜形狀的工件時,加工效率比傳統(tǒng)切削加工高。電解加工特別適合對難切削材料、復(fù)雜形狀工件的批量加工。

(3)由于加工過程中不存在機(jī)械切削力,所以不會產(chǎn)生切削力所引起的殘余應(yīng)力和變形。電解加工表面光整、無加工紋路,無毛刺,可以達(dá)到較好的表面粗糙度(Ra為0.2～1.25μm)和±0.1mm左右的平均加工精度。

(4)工具無損耗。由于工具陰極上的電化學(xué)反應(yīng)只是析氫而無溶解,且不與工件接觸,故正常加工時工具陰極不會發(fā)生損耗,可長期使用。

(5)電解液對機(jī)床有腐蝕作用,電解產(chǎn)物的處理回收困難。5.2.2電解加工的基本工藝規(guī)律

1.生產(chǎn)率及其影響因素

電解加工的生產(chǎn)率是以單位時間內(nèi)被電解蝕除的金屬量衡量的,用mm3/min或g/min表示。影響生產(chǎn)率的因素有工件材料的電化學(xué)當(dāng)量、電流密度、電解液及電極間隙等。

1)電化學(xué)當(dāng)量對生產(chǎn)率的影響

由生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗得知,電解時電極上溶解或析出物質(zhì)的量(質(zhì)量m或體積V),與電解電流I和電解時間t成正比,即與電荷量(Q=It)成正比,其比例系數(shù)稱為電化學(xué)當(dāng)量。這一規(guī)律(法拉第電解定律)用下式表示:式中,m為電極上溶解或析出物質(zhì)的質(zhì)量,單位為g;

V為電極上溶解或析出物質(zhì)的體積,單位為mm3;K為被電解物質(zhì)的質(zhì)量電化學(xué)當(dāng)量,單位為g/(A·h);ω為被電解物質(zhì)的體積電化學(xué)當(dāng)量,單位為mm3/(A·h);I為電解電流,單位為A;t為電解時間,單位為h。在實際電解加工時,在陽極上還可能出現(xiàn)其他反應(yīng),如氧氣或氯氣的析出,或有部分金屬以高價離子溶解,從而額外地多消耗一些電荷量,所以被電解掉的金屬會小于所計算的理論值。為此,引入電流效率η，有實際蝕除量為:

m=ηKIt

V=ηωIt

正常電解時,對于NaCl電解液,陽極上析出氣體的可能性不大,所以η常接近100%。但有時η卻會大于100%,這是由于被電解的金屬材料中含有碳、Fe3C等難電解的微?；虍a(chǎn)生了晶間腐蝕,在合金晶粒邊緣先電解,高速流動的電解液把這些微粒成塊沖刷脫落下來,從而節(jié)省了一部分電解電荷量。

2)電流密度對生產(chǎn)率的影響

在實際生產(chǎn)時通常用電解加工速度或電解加工蝕除速度來衡量生產(chǎn)率。當(dāng)在NaCl電解液中進(jìn)行電解加工時,蝕除速度與該處的電流密度成正比,電流密度越高,生產(chǎn)率也越高。電解加工時的平均電流密度為10～100A/cm2,電解液壓力和流速較高時,可以選用較高的電流密度。但電流密度過高,將會出現(xiàn)火花放電,析出氯氣、氧氣,并使電解液溫度過高,甚至在間隙內(nèi)造成沸騰氣化引起局部短路。

實際電流密度取決于電壓、電極間隙的大小以及電解液的導(dǎo)電率。因此要定量計算蝕除速度,必須推導(dǎo)出蝕除速度與電極間隙大小、電壓等的關(guān)系。

3)電極間隙對生產(chǎn)率的影響

實際加工中,電極間隙越小,電解液的電阻越小,電流密度會越大,加工速度就越高。但間隙過小將引起火花放電或電解產(chǎn)物特別是氫氣排除不暢,反而降低蝕除速度或間隙被雜質(zhì)堵塞引起短路。

2.提高電解加工精度的途徑

1)脈沖電流電解加工

采用脈沖電流電解加工是近年來發(fā)展起來的新方法,可以明顯地提高加工精度、表面質(zhì)量和加工穩(wěn)定性,在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多。采用脈沖電流電解加工能夠提高加工精度的原因是能消除加工間隙內(nèi)電解液電導(dǎo)率的不均勻化,同時脈沖電流電解加工使陰極在電化學(xué)反應(yīng)中析出的斷續(xù)的、呈脈沖狀的氫氣可以對電解液起攪拌作用,有利于電解產(chǎn)物的去除,提高電解加工精度。

2)小間隙加工

工件材料的蝕除速度va與加工間隙Δ成反比,C為常數(shù)(此時工件材料、電解液參數(shù)、電壓均保持穩(wěn)定)。

實際加工中由于余量分布不均,以及加工前零件表面不平度的影響,在加工時零件的加工間隙是不均勻的。

下面以圖5-15中用平面陰極加工平面為例來分析。圖5-15余量不均勻時電解加工示意圖若工件最大的平直度為δ,則凸出部位的加工間隙為Δ,蝕除速度為va;低凹部位的加工間隙為Δ+δ,設(shè)其蝕除速度為,則兩處蝕除速度之比為

如果加工間隙Δ小,則的比值增大,凸出部位蝕除速度將大大高于低凹處,提高了整平效果。由此可見,加工間隙愈小,愈能提高加工精度。對側(cè)面間隙的分析也可得出相同結(jié)論,由式可知,側(cè)面間隙Δs隨加工深度h的變化而變化,間隙Δb愈小,側(cè)面間隙Δs的變化也愈小,孔的成型精度也愈高?？梢?采用小間隙加工,對提高加工精度和生產(chǎn)率是有利的。但間隙越小,對工作液流動的阻力越大;電流密度大,間隙內(nèi)電解液溫升快,溫度高,需要高的電解液的壓力;同時間隙過小容易引起短路。因此,小間隙電解加工的應(yīng)用受到機(jī)床剛度、傳動精度、電解液系統(tǒng)所能提供的壓力、流速以及過濾情況的限制。

3)改進(jìn)電解液

除了采用鈍化性電解液如NaNO3、NaClO3外,還可以采用復(fù)合電解液。復(fù)合電解液主要是在氯化鈉電解液中添加其他成分,可以保持NaCl電解液的高效率,同時提高加工精度。

采用低濃度電解液加工精度可顯著提高。例如采用NaNO34%的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解液來加工壓鑄模,加工表面質(zhì)量良好,間隙均勻,復(fù)制精度高,棱角很清,側(cè)壁基本垂直,垂直面加工后的斜度小于1°。采用低質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解液的缺點是效率較低,加工速度不能很快。

4)混氣電解加工

混氣電解加工是將一定壓力的氣體(一般是壓縮空氣,也可采用二氧化碳或氮氣等),經(jīng)氣道進(jìn)入氣液混合腔(又叫霧化器)內(nèi),與電解液混合,使電解液成為含有無數(shù)氣泡的氣液混合物,并進(jìn)入加工間隙進(jìn)行電解加工。電解液中混入氣體的作用:

(1)增加了電解液的電阻率,減少雜散腐蝕,使電解液向非線性方向轉(zhuǎn)化。間隙內(nèi)的電阻率隨著壓力的變化而變化,一般間隙小處壓力高,氣泡體積小,電阻率較低,電解作用強(qiáng);間隙大處剛好相反,電解作用弱。

(2)減小了電解液的密度和粘度,增加流速、消除死水區(qū),使流場均勻;高速流動的微細(xì)氣泡起攪拌作用,有效減輕濃差極化,保證加工間隙內(nèi)電流密度分布趨于均勻。

3.表面質(zhì)量及其影響因素

電解加工的表面質(zhì)量,包括表面粗糙度和表面物理化學(xué)性質(zhì)的改變兩方面。正常的電解加工的表面粗糙度Ra值能達(dá)到1.25~0.16μm,由于電解加工是靠電化學(xué)陽極溶解去除金屬,所以沒有切削力和切削熱的影響,不會在加工表面發(fā)生塑性變形,不存在殘余應(yīng)力、冷作硬化或燒傷退火層等缺陷。但如掌握不好可能會出現(xiàn)晶間腐蝕、流紋、麻點,工件表面有黑膜,甚至短路燒傷等疵病。影響表面質(zhì)量的因素主要有:

(1)工件材料的合金成分、金相組織及熱處理狀態(tài)對粗糙度的影響。合金成分多、雜質(zhì)多、金相組織不均勻、結(jié)晶粗大都會造成溶解速度的差別,從而影響表面粗糙度。例如鑄鐵、高碳鋼的表面粗糙度就較差。采用適當(dāng)?shù)臒崽幚?如高溫均勻化退火、球化退火,使組織均勻及晶粒細(xì)化可提高加工后的表面質(zhì)量。

(2)工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響。一般來說,電流密度高,有利于陽極的均勻溶解。電解液的流速過低,會導(dǎo)致電解產(chǎn)物排出不及時、氫氣泡的分布不均勻,或由于加工間隙內(nèi)電解液的局部沸騰氣化造成表面缺陷;電解液流速過高,有可能引起流場不均,局部形成真空而影響表面質(zhì)量。電解液的溫度過高會引起陽極表面的局部剝落;溫度過低,鈍化比較嚴(yán)重,會引起陽極表面不均勻溶解或形成黑膜。

(3)陰極表面質(zhì)量的影響。工具陰極上的表面條紋、刻痕會相應(yīng)地復(fù)印到工件表面,所以陰極表面要注意其加工質(zhì)量。陰極上噴液口如果設(shè)計不合理,流場不均,就可能使局部電解液供應(yīng)不足而引起短路，造成條紋等缺陷。陰極進(jìn)給不勻會引起橫向條紋。

此外,加工時工件表面必須除油去銹,電解液必須沉淀過濾,不含固體顆粒雜質(zhì)。5.2.3電解加工的應(yīng)用

國內(nèi)自20世紀(jì)中期將電解加工成功地應(yīng)用在膛線加工以來,現(xiàn)在電解加工工藝在花鍵孔、深孔、內(nèi)齒輪、鏈輪、葉片、異形零件及模具加工等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.型腔加工

目前對鍛模、輥鍛模等型腔模大多采用電火花加工。其加工精度比較容易控制,但生產(chǎn)率較低,對模具消耗量較大。近年來精度要求一般的礦山機(jī)械、汽車拖拉機(jī)等零件的型腔的加工逐漸采用電解加工。

2.葉片加工

葉片是發(fā)動機(jī)的重要零件。葉片型面形狀比較復(fù)雜,精度要求較高,加工批量大,在發(fā)動機(jī)和汽輪機(jī)制造中占有相當(dāng)大的比重。采用電解加工在一次行程中可加工出復(fù)雜的葉片型面,生產(chǎn)率高,表面粗糙度值小。

葉片加工的方式有單面加工和雙面加工兩種。機(jī)床也有立式和臥式兩種,立式大多用于單面加工,臥式大多用于雙面加工。電解加工整體葉輪在我國已得到普遍應(yīng)用,如圖5-16所示。葉輪上的葉片是逐個加工的,加工完一個葉片,退出陰極,分度后再加工下一個葉片。電解加工整體葉輪只要把葉輪毛坯加工好后,直接在輪坯上加工葉片,加工周期大大縮短,葉輪強(qiáng)度高、質(zhì)量好。圖5-16整體葉輪電解加工示意圖

3.電解去毛刺

機(jī)械加工中去毛刺的工作量很大,尤其是去除硬而韌的金屬毛刺需要占用很多人力。電解倒棱去毛刺可以大大提高工效和節(jié)省費用,圖5-17是齒輪的電解去毛刺裝置。工件齒輪套在絕緣柱上,環(huán)形電極工具也靠絕緣柱定位安放在齒輪上,保持約3mm～5mm間隙(根據(jù)毛刺大小而定),電解液在陰極端部和齒輪的端面齒面之間流過,陰極和工件間通以20V以上的電壓,經(jīng)過大約1min就可去除毛刺。圖5-17電解去毛刺示意圖

5.3超聲波加工

5.3.1超聲波加工的原理和特點

1.超聲波加工的原理

超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振動,通過懸浮磨料對零件表面撞擊、拋磨實現(xiàn)加工脆硬材料的一種方法。

超聲波加工是利用高頻振動的工具頭進(jìn)行加工的,它的振幅不大,一般在0.01~0.1mm之間。加工時在切削區(qū)域中加入液體與磨料混合的懸浮液,并在工具頭振動方向加上一個不大的壓力,如圖5-18所示。圖5-18超聲波加工原理當(dāng)工件、懸浮液和工具頭緊密相靠時,懸浮液中的懸浮磨粒將在工具頭的超聲振動作用下以很大的速度不斷沖擊、琢磨工件表面,局部產(chǎn)生很大的壓力,使工件材料發(fā)生破壞,形成粉末被打擊下來。與此同時,懸浮液受工具端部的超聲振動作用而產(chǎn)生液壓沖擊和空化現(xiàn)象,促使液體鉆入被加工材料的隙裂處,加速了機(jī)械破壞作用的效果。由于空化現(xiàn)象,在工件表面形成的液體空腔,在閉合時所引起的極強(qiáng)的液壓沖擊,加速了工件表面的破壞,也促使懸浮液循環(huán),使變鈍了的磨粒及時得到更換。由此可知,超聲波加工是磨粒在超聲振動作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結(jié)果,其中磨粒的連續(xù)沖擊作用是主要的。

2.超聲波加工的特點

(1)由于去除工件上的被加工材料是靠磨粒和液體分子的連續(xù)沖擊、拋磨和空化作用,所以超聲波加工能加工各種硬脆材料,特別是一些電火花加工等方法無法加工的不導(dǎo)電材料,如寶石、陶瓷、玻璃及各種半導(dǎo)體材料等。

(2)超聲波加工在利用磨粒切除被加工材料時,工件只受到瞬時的局部撞擊壓力,而不存在橫向摩擦力,所以受力很小。

(3)由于除去加工材料是靠極小磨粒的拋磨作用,所以超聲波加工可獲得較高的加工精度和低的表面粗糙度值,被加工表面也無殘余應(yīng)力、燒傷等現(xiàn)象。

(4)工件上被加工出的形狀與工具頭形狀一致,只要將工具頭做成一定的形狀和尺寸就可以加工出不同的各種孔型,如六角形、正方形、非圓形。

(5)由于工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀,故不需要使工具和工件作比較復(fù)雜的運動,加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡單,操作維修方便。5.3.2超聲波加工的基本工藝規(guī)律

1.加工速度及其影響因素

被加工速度是指單位時間內(nèi)去除材料的多少,以g/min或mm3/min為單位。影響加工速度的因素有如下幾種：

(1)工具的振幅和頻率的影響。過大的振幅和過高的頻率會使工具和變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力,可能超過它的疲勞強(qiáng)度而降低使用壽命,而且在聯(lián)結(jié)處的損耗也增大。實際加工中應(yīng)調(diào)至共振頻率,以獲得最大振幅。

(2)進(jìn)給壓力的影響。壓力過小,工具末端與工件加工表面間的間隙增大,減弱了磨料對工件的撞擊力和打擊深度;壓力過大,會使工具和工件間隙減小,磨料和工作液不能順利循環(huán)更新,降低生產(chǎn)率。

(3)磨料的種類和粒度的影響。磨料硬度越高,加工速度越快。加工金剛石和寶石等超硬材料時必須用金剛石磨料;加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬度的脆性材料時,采用硬度較高的碳化硼磨料;加工硬度不太高的脆硬材料時,可采用碳化硅;而加工玻璃、半導(dǎo)體等材料時,用剛玉之類的氧化鋁磨料。

磨料粒度越粗,加工速度越快,但精度和表面粗糙度會變差。

(4)被加工材料的影響。被加工材料越脆,越容易被加工去除。韌性好的材料不易利用超聲波加工。

(5)磨料懸浮液濃度的影響。磨料懸浮液濃度低,加工間隙內(nèi)磨粒少,特別是加工面積和深度較大時,可能造成加工區(qū)無磨料現(xiàn)象,使加工速度大大降低。隨著懸浮液中磨料濃度的增加,加工速度也增加。但濃度太高時,磨粒在加工區(qū)域的循環(huán)和對工件的沖擊都會受到影響,也會導(dǎo)致加工速度降低。通常采用的濃度為磨料對水的重量比,一般約為0.5～1左右。

2.加工精度及其影響因素

超聲加工的精度,除受機(jī)床、夾具精度影響之外,主要與磨料粒度、工具精度及其磨損情況、工具橫向振動大小、加工深度、被加工材料性質(zhì)等有關(guān)。一般加工孔的尺寸精度可達(dá)±0.02～0.05mm。

3.表面質(zhì)量及其影響因素

超聲加工具有較好的表面質(zhì)量,不會產(chǎn)生表面燒傷和變質(zhì)層。

超聲加工的表面粗糙度也較好,一般Ra值為1～0.1μm,取決于每粒磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕的大小,它與磨料磨粒的直徑、被加工材料的性質(zhì)、超聲振動的振幅及磨料懸浮工作液成分等有關(guān)。磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時,則加工表面粗糙度將得到改善,但生產(chǎn)率也隨之降低。

磨料懸浮工作液的性能對表面粗糙度的影響比較復(fù)雜。實踐表明,用煤油或潤滑油代替水可使粗糙度有所改善。5.3.3超聲波加工的應(yīng)用

超聲波加工廣泛用于加工半導(dǎo)體和非導(dǎo)體的脆硬材料。由于加工精度和表面粗糙度優(yōu)于電火花加工和電解加工,因此電火花加工后的一些淬火件和硬質(zhì)合金零件還常用超聲拋磨進(jìn)行光整加工。

此外,超聲波加工還可以用于清洗、焊接和探傷等。

1.型孔、型腔加工

超聲加工目前主要用于對脆硬材料的圓孔、型孔、型腔、套料、微細(xì)孔的加工等,如圖5-19所示。圖5-19超聲型孔、型腔加工

2.切割加工

采用超聲波切割可以加工普通機(jī)械加工難加工的脆硬的半導(dǎo)體材料,如圖5-20所示。圖5-20超聲切割(a)超聲切割單晶硅片示意圖;(b)刀具

3.超聲清洗

超聲清洗的原理主要是利用超聲振動在液體中產(chǎn)生的交變沖擊波和空化作用進(jìn)行的?？栈?yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波,直接作用到被清洗部位上的污物等,并使之脫落下來;空化作用產(chǎn)生的空化氣泡滲透到污物與被清洗部位表面之間,促使污物脫落;在污物被清洗液溶解的情況下,空化效應(yīng)可加速溶解過程。超聲清洗主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高的中、小精密零件,特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗,清洗效果好、生產(chǎn)率高。目前在半導(dǎo)體和集成電路元件、儀表儀器零件、電真空器件、光學(xué)零件、精密機(jī)械零件、醫(yī)療器械、放射性污染等的清洗

中應(yīng)用。

超聲清洗時,應(yīng)合理選擇工作頻率和聲壓強(qiáng)度以產(chǎn)生良好的空化效應(yīng),提高清洗效果。此外,清洗液的溫度不可過高,以防空化效應(yīng)的減弱,影響清洗效果。

4.超聲焊接

超聲焊接是利用超聲頻振動作用,去除工件表面的氧化膜,使新的本體表面顯露出來,并在兩個被焊工件表面分子的高速振動撞擊下,經(jīng)摩擦發(fā)熱粘接在—起。超聲焊接可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化膜的鋁制品,還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆熔化的金屬薄層。

5.復(fù)合加工

近年來超聲波加工與其他加工方法相結(jié)合進(jìn)行的復(fù)合加工發(fā)展迅速,如超聲振動切削加工、超聲電火花加工、超聲電解加工、超聲調(diào)制激光打孔等。這些復(fù)合加工方法由于把兩種甚至多種加工方法結(jié)合在一起,起到取長補短的作用,使加工效率、加工精度及加工表面質(zhì)量顯著提高,因此越來越受到人們的重視。

5.4高能束加工

5.4.1激光加工

1.激光加工的原理和特點

激光加工是利用高強(qiáng)度、高亮度、方向性好、單色性好的相干光通過一系列的光學(xué)系統(tǒng)聚焦成平行度很高的微細(xì)光束(直徑幾微米至幾十微米),獲得極高的能量密度和10000℃以上的高溫,使材料在極短的時間(千分之幾秒甚至更短)內(nèi)熔化甚至氣化,以達(dá)到去除材料的目的。

1)激光加工的基本原理

激光加工是以激光為熱源對工件材料進(jìn)行熱加工。其加工過程如下:激光束照射工件材料—工件材料吸收光能—光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁构ぜ牧霞訜帷ぜ牧媳蝗刍舭l(fā)—氣化并濺出去除—加工區(qū)冷凝。

(1)光能的吸收及其能量轉(zhuǎn)化。

激光束照射工件材料表面時,光的輻射能一部分被反射,一部分被吸收并對材料加熱,還有一部分因熱傳導(dǎo)而損失。這幾部分能量消耗的相對值,取決于激光的特性和激光束持續(xù)照射時間及工件材料的性能。

(2)工件材料的加熱。

光能轉(zhuǎn)換成熱能的結(jié)果就是工件材料的加熱。激光束在很薄的金屬表層內(nèi)被吸收,使金屬中自由電子的熱運動能增加,并在與晶格碰撞中的極短時間內(nèi)將電子的能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動能,引起工件材料溫度的升高。同時按熱傳導(dǎo)規(guī)律向周圍或內(nèi)部傳播,改變工件材料表面或內(nèi)部各加熱點的溫度。

對于非金屬材料,一般導(dǎo)熱性很小。在激光照射下,當(dāng)激光波較長時,光能可直接被材料的晶格吸收而加劇熱振蕩;當(dāng)激光波較短時,光能激勵原子殼層上的電子。這種激勵通過碰撞而傳播到晶格上,使光能轉(zhuǎn)換為熱能。

(3)工件材料的熔化氣化及去除。

在足夠的功率密度的激光束照射下,工件材料表面才能達(dá)到熔化、氣化的溫度,從而使工件材料氣化蒸發(fā)或熔融濺出,達(dá)到去除的目的。當(dāng)激光功率密度過高時,工件材料在表面上氣化,不在深處熔化;當(dāng)激光功率密度過低,則能量就會擴(kuò)散分布和加熱面積較大,致使焦點處熔化深度很小。因此,要滿足不同激光束加工的要求,必須合理選擇相應(yīng)的激光功率密度和作用時間。

(4)工件加工區(qū)的冷凝。

激光輻射作用停止后,工件加工區(qū)材料便開始冷凝,其表層將發(fā)生一系列變化,形成特殊性能的新表面層。新表面層的性能取決于加工要求、工件材料、激光性能等復(fù)雜因素。一般情況下,激光束加工工件表面所受的熱影響區(qū)很小,在薄材上加工,氣化是瞬時的,熔化則很少,對新表面層的金相

組織沒有顯著影響。

2)激光束加工的特點

(1)激光加工的功率密度高達(dá)108~1010W/cm2,幾乎可熔化、氣化任何材料。

(2)激光光斑大小可以聚焦到微米級,功率可調(diào),因此激光加工可用于進(jìn)行精密微細(xì)加工。

(3)由于加工工具是激光束,屬于非接觸加工,無明顯機(jī)械力,沒有工具損耗。加工速度快,熱影響區(qū)小,易實現(xiàn)自動化,能通過透明體加工。

(4)激光加工和電子束加工相比,加工裝置比較簡單,不需復(fù)雜的抽真空裝置。

(5)激光加工由于光的反射作用,在加工表面光澤或透明材料時,要進(jìn)行色化或打毛處理。

2.激光加工的應(yīng)用

1)激光打孔

目前激光打孔技術(shù)已廣泛用于火箭發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴、寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等微小孔的加工中。

2)激光切割

激光切割是一種應(yīng)用最為廣泛的激光加工技術(shù)。激光切割可用于各種材料的切割,如可切割金屬、玻璃、陶瓷、皮革等各種材料。圖5-21為激光切割原理示意圖。圖5-21激光切割原理示意圖

3)激光焊接

激光焊接是利用激光束聚焦到工件表面,使輻射作用區(qū)表面的金屬“燒熔”粘合而形成焊接接頭。激光束焊接所需要的能量密度較低(一般為104~106W／cm2),通?？刹捎脺p小激光輸出功率來實現(xiàn)。如果加工區(qū)域不需限制在微米級的小范圍內(nèi),也可通過調(diào)節(jié)焦點位置來減小工件被加工點的能量密度。

激光焊接已經(jīng)成功地應(yīng)用于微電子器件等小型精密零部件的焊接以及深熔焊接等,如晶體管元件的焊接。

4)激光表面熱處理

激光表面熱處理是利用激光束快速掃描工件,使其表