特種加工技術物料切蝕加工

特種加工技術物料切蝕加工超聲波加工原理超聲波及其特性當聲波頻率超出16000Hz范圍稱為超聲波。超聲波可以在氣體、液體與固體介質(zhì)中傳遞,由于超聲波頻率高、波長短、能量大,所以傳播時反射、折射、共振與損耗等更為嚴重。超聲波具有下列特征:1)傳遞能量強。超聲波頻率很高,其能量密度可達100W/cm2,超聲波得作用就是對其傳播方向得物體施加壓力(即聲壓),傳播得波得能量越大,則聲壓越大。2)空化作用。超聲波振動,在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮與稀疏區(qū)域,產(chǎn)生沖擊與空化。3)反射與折射。超聲波通過不同得介質(zhì)時,在界面上發(fā)生波速突變,產(chǎn)生波得反射與折射。4)干涉與共振。在一定得條件下會產(chǎn)生干涉與共振現(xiàn)象。為了使彈性桿處于最大振幅共振狀態(tài),應使彈性桿設計成半波長得整數(shù)倍,而固定彈性桿得支撐點應該選在振動過程得波節(jié)處(沒有振動得地方)。超聲波加工就是利用超聲振動得工具,在具有磨料得液體介質(zhì)或磨料干粉中,產(chǎn)生沖擊、拋磨等產(chǎn)生氣蝕來去除材料,或就是振動得能量轉化為熱量而進行加工得加工方法。在超聲加工,高頻電源接在超聲換能器上,把電信號轉化為垂直于工件表面得超聲機械振動,再經(jīng)過變幅桿,把振動得振幅放大到0、05-0、1mm左右,以驅動工具端面作超聲振動;此時磨料由于受超聲振動得沖擊,也產(chǎn)生振動,并沖擊工件,使之在沖擊、拋磨與空化得作用下,把材料去除。由于超聲加工就是基于磨粒得局部撞擊作用,因此特別適合于硬脆材料得加工。超聲加工原理與特點超聲波加工設備及其組成超聲波發(fā)生器超聲波振動系統(tǒng)高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器,其作用就是將低頻交流電轉變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅贸曨l電振蕩,以供給工具往復運動與加工工件得能量。其基本要求就是:可靠性好、效率高、機構簡單、成本低,還要求功率與頻率能在一定得范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),能對振動頻率進行自動跟蹤與自動微調(diào)。超聲波發(fā)生器由于功率不同,有電子管、晶閘管式與晶體管式,大功率得以前用電子管得比較多,但近年來逐漸被晶體管所取代。超聲波發(fā)生器分振蕩級、電壓放大級、功率放大級與電源四部分。機床本體工作液循環(huán)系統(tǒng)磨料工作液就是磨料與工作液得混合物。常用得磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等;常用得工作液就是水,有時用煤油或機油。超聲波加工機床得本體一般很簡單,包括支撐聲學部件得機架、工作臺面以及使工具以一定壓力作用在工件上得進給機構等;圖6-4就是CSJ-2超聲波加工機床。圖中聲學部件安裝在一根能上下移動得導軌上,導軌由上下二組滾動導輪定位,使導軌能靈活精密地上下移動。工具得向下進給及對工件施加壓力靠聲學部件得自重,為了能調(diào)節(jié)壓力得大小,在機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得重量。超聲波振動系統(tǒng)超聲波振動系統(tǒng)得作用就是將高頻電能轉換成機械振動能,并以波得形式傳遞到工具端面。聲學部件主要由換能器、振幅擴大桿及工具組成。換能器得作用就是把超聲頻電振蕩信號轉換為機械振動。實現(xiàn)這種目得得方法有兩種,一就是壓電效應,二就是磁致伸縮效應。壓電效應換能器磁致效應換能器石英晶體、鈦酸鋇、鋯釔酸鉛等物質(zhì)在受到機械壓縮或拉伸后,其表面會產(chǎn)生一定得電荷,形成一定得電勢;同理,如果在表面加一定得電壓,晶體會產(chǎn)生一定得機械變形,這個效應稱為壓電效應。石英晶體:0、01μm/3000V,鈦酸鋇:20-30倍,但效率與機械強度差,鋯釔酸鉛:二者得優(yōu)點;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、鎳及其合金得長度能隨其所處得磁場強度變化而伸縮得現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。鎳:縮短0、004%,鐵與鈷:伸長。當磁場去除后恢復原尺寸,材料在交變磁場中會交變伸縮,產(chǎn)生振動。磁致式換能器比壓電式換能器有更高得機械強度與輸出功率,常用于中、大功率得超聲加工。但缺點就是渦流發(fā)熱損失大,能量轉換效率低,需冷卻系統(tǒng),以保證換能器溫度低于材料200℃左右得居里點。超聲波振動系統(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0、005-0、01mm,而超聲波加工卻需要0、01-0、1mm得振幅,因此必須用上粗下細(按指數(shù)曲線設計)得變幅桿放大振幅。變幅桿應用得原理就是:因為通過變幅桿得每一截面得振動能量就是不變得,所以隨著截面積得減小,振幅就會增大。變幅桿得常見形式如圖6-3所示,加工中工具頭與變幅桿相連,其作用就是將放大后得機械振動作用于懸浮液磨料,對工件進行沖擊。工具材料應選用硬度與脆性不很大得韌性材料,如45#鋼,這樣可以減少工具得相對磨損。工具得尺寸與形狀取決于被加工表面,它們相差一個加工間隙值(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,取決于每個磨粒每次撞擊在工件表面留下得凹坑得大小。凹坑得大小與磨粒直徑、被加工材料性質(zhì)、超聲振動得振幅、磨料懸浮液等有關。當磨粒尺寸小、工件材料硬度大、超聲振動振幅小,則粗糙度好,但加工速度低。煤油潤滑油為工作液時得表面粗糙度將比水作為工作液時明顯改善。加工精度:機床精度、夾具精度、磨料粒度、工具精度、工具磨損、工具得橫向振動、加工深度、工件材料性質(zhì)等有關。一般孔得尺寸精度可達到±0、02-0、05mm。超聲電源輸出功率

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

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

mm520-3040-5060-8080-90>90表6-1超聲波加工功率與加工孔徑得關系加工孔得尺寸比工具尺寸有所放大,放大量約為磨粒直接得二倍?？椎眉庸ふ`差:橢圓度與錐度,橢圓度與工具橫向振動與沿圓周磨損不均勻有關;錐度與工具磨損有關。用工具或工件旋轉可提高孔得圓度與生產(chǎn)率。表6-2常用幾種磨料粒度與磨粒尺寸范圍磨粒粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7磨粒尺寸范圍mm125-100100-8080-6363-5050-4040-2828-2020-1414-1010-77-5超聲加工速度的影響隨加工振幅與頻率得增大加工速度加快,但工具與變幅桿需承受得內(nèi)應力也會增大,降低系統(tǒng)得使用壽命,同時表面粗糙度也會提高。振幅一般在0、1-0、01mm,頻率在16000-25000Hz。實際加工時應調(diào)至共振頻率,以獲得最大振幅。加工速度又稱材料去除率,就是指單位時間內(nèi)去除材料得多少,單位就是g/min或mm3/min,加工玻璃時最大加工速度可達2000-4000mm3/min。工具振幅與頻率磨料與粒徑靜壓力懸浮液濃度工件與工具磨料硬度越高,加工速度越快。氧化鋁—玻璃、鍺與陶瓷;碳化硼—硬質(zhì)合金、工具鋼與寶石;金剛砂—金剛鉆與紅寶石。磨料得粒度—加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率得。磨料粒徑較小時加工速度慢,磨料粒徑增大加工速度隨著增大,但當磨料粒徑過大時加工速度反而下降。被加工工件材料越脆,受沖擊得能力越弱,越容易被加工,反之,韌性越好,則不容易被加工。如玻璃得可加工性為100%,鍺、硅等半導體單晶為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得最大值,窄得矩形工具比相同截面積得正方形工具具有更大得加工速度,用圓錐形得工具來代替圓柱形工具,生產(chǎn)率可以提高50%。在靜壓力不大時加工速度隨作用在工具上得靜載荷增大而增大,當靜壓力超過一定得值,則加工速度反而隨靜壓力增大而減小,因為壓力小時工具與工件之間得間隙過大,減弱了磨料對工件得沖擊作用,而壓力過大時工件與工具之間得距離過小,使磨料與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)。一般地,當加工面積小得時候,靜壓力可以較大。例如采用圓形實心工具在玻璃上加工孔時,加工面積在5-13mm3時,其最佳靜壓力為400kPa,當加工面積大于20mm3時,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,當懸浮液混合物得磨料/水得體積比為30-40%時就產(chǎn)生飽與現(xiàn)象,如果懸浮液濃度再增加,由于加工區(qū)域磨料得循環(huán)運動受影響,反而會降低加工速度。當然隨懸浮液得粘度得增加加工效率會急劇下降。切割加工型孔和型腔加工超聲加工工藝及應用金屬冶煉超聲清洗焊接加工復合加工復合加工就是為了提高加工脆硬金屬材料得速度及降低工具得損耗,把超聲波加工與其她加工方法相結合加工,揚長避短。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,超聲波用于控制結晶過程,增加擴散與分散,改善材料性能。最顯著得就是細化晶粒。加入超聲波,對晶核得增加與晶粒有破碎作用,產(chǎn)生得空化作用促使局部超冷,有利于形成新得晶核。對結晶過程得影響不僅細化宏觀組織與用等軸結構代替板狀結構,而且還細化微觀組織。同時超聲波得作用還改善了金屬力學性能。

超聲波得機械攪拌與空化作用使油水混合在一起,這種現(xiàn)象叫乳化,在冶金學中,一些合金就是飛熔成合金,重金屬相與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。就是利用超聲振動作用,去除工作表面得氧化層,使新鮮得本體顯露出來,并在二個被焊工件振動沖撞、摩擦發(fā)熱、親與粘結在一起。其可以焊接普通得金屬材料,也可焊接尼龍、塑料、薄膜、絲、化學纖維等,目前在大規(guī)模集成電路得焊接中已得到廣泛得應用切割加工型孔和型腔加工超聲加工工藝及應用超聲清洗超聲波清洗就是基于超聲振動在液體中產(chǎn)生交變得沖擊與空化效應得,將這樣強烈得沖擊波作用到被清洗部位得污物上,使之產(chǎn)生疲勞破壞而脫落。主要用來清除各種形狀復雜、清洗質(zhì)量要求高得中小精密零件,特別就是清洗窄縫、細小深孔、彎孔、盲孔、溝槽等。超聲加工在工業(yè)生產(chǎn)中主要就是針對各種脆硬材料進行圓孔、異形孔、型孔、型腔、套料與細微孔加工。切割脆硬得半導體材料用普通得機械加工方法就是困難得,但采用超聲波切割則很方便,而且具有切片薄、切口窄、經(jīng)濟性好得優(yōu)點。經(jīng)常用于精密切割半導體、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)水泵與增壓器,達到7000Mpa得壓力,再經(jīng)儲液蓄能器,使高壓液流平穩(wěn)流動,最后有人工寶石做得噴嘴形成3000m/s得高速液流束,從孔徑為0、1-0、5mm得噴嘴噴射到工件,而達到去除材料得目得。加工深度取決于液壓噴射得速度、壓力與壓射距離。被液體沖刷下來得切屑被液體帶走。入口出射流得功率密度可達106W/mm2。設備6、2液體噴射加工特點應用原理規(guī)律1)加工精度高、切邊質(zhì)量好。0、075-0、005mm。2)可割得材料多。鋼、鋁、銅等金屬與塑料、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0、075-0、04mm。5)適合于易燃材料加工。6)無塵、無污染;噴嘴壽命長;設備簡單,加工成本低。液體噴射加工需要液壓系統(tǒng)與機床本體。液壓系統(tǒng)包括控制器、過濾器、密封裝置、泵、閥、增壓器、儲液槽等。液體噴射加工時,作為工具得射流就是不會變鈍得,噴嘴得壽命也長。液體要經(jīng)過很好得過濾(含微粒直徑<0、5mm),液體精脫礦質(zhì)與去離子處理后,可以減少對噴嘴得腐蝕作用。切割時可以多個噴嘴同時工作,達到多路切割。12大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流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得影響,切縫=噴嘴孔徑+0、025mm,加工復合材料時射流速度要高、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(復合材料易引起離層與起鱗)。進給速度低—切邊質(zhì)量好。材料厚度

mm噴嘴直徑

mm壓力

Mpa切割速度

m/s吸聲板190、253101、25玻璃鋼3、550、254120、0025環(huán)氧樹脂6、90、354120、0275皮革4、450、053030、0091膠質(zhì)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體噴射加工的應用可以切割與打孔很薄、很軟得金屬或非金屬,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厚得吸聲天花板,采用水壓為310Mpa,切割速度達到76m/min。表6-4為水射流切割常用得加工參數(shù)汽車工業(yè)中用水射流切割石棉制動片、橡膠地毯、復合材料板、玻璃纖維等。航天工業(yè)中也常用以切割復合材料、蜂窩夾層板、鈦合金元件與印刷電路板等。在機械工業(yè)中還常用以鑄件得清砂、鋼板得除銹、去毛刺、代替噴丸處理等。液體種類:水,水加添加劑添加劑:甘油、聚乙烯、其她長鏈聚合物壓力:70-415Mpa射流速度:300-900m/s流量:7、5L/min對工件作用力:45-134N噴嘴材料:人造金剛石、淬火鋼、不銹鋼直徑:0、05-0、38mm角度:與工件表面法線成0-30°性能功率:38kW切割速度:(見表6-3)切縫寬度:0、075-0、41mm壓射距離:2、5-90mm就是采用含有微細磨料得高速干燥氣體流對工件表面噴射,以實現(xiàn)去除材料得加工方法。磨料噴射加工不同于噴砂,這種加工所選用得磨料更細,而且不能循環(huán)使用,加工參數(shù)與切割作用需精密控制?？蓪芰慵M行表面清理與去毛刺,也可以對脆硬材料進行切割與刻蝕。6、3磨料噴射加工特點應用原理規(guī)律1)去毛刺。各種小型精密零件、醫(yī)療器械上得交叉空、橫孔、內(nèi)螺紋、窄縫與用尼龍、聚四氟乙烯等制成得復雜零件及注射針頭得去毛刺。2)表面清理。常用于硅、鎵、磨砂玻璃、微調(diào)電路板、薄壁零件上得型面、各種不規(guī)則表面得清理。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、韌得材料效果極差。2)工具無法進入處得精密切割、去毛刺、表面清理、刻蝕與拋光。加工面積小、無熱應力與表面損傷。3)設備簡單、功率消耗小、加工成本低。4)噴嘴磨損,影響質(zhì)量。5)噴射加工得噪音、磨料及去除物得飛濺,對人體與環(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