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1、,第六章 物料切蚀加工,6.1 超声加工,超声波加工也称超声加工。超声加工不仅能对硬质合金、淬火钢等金属材料进行加工，还可以对非导体、半导体等硬脆材料进行加工，如玻璃、陶瓷、石英、宝石、锗、硅等，也可应用于清洗、焊接、探伤、测量、冶金等方面。,原理与特点,加工规律,基本应用,加工设备,超声加工的特点：1）适合于加工各种硬、脆材料，如玻璃、陶瓷、石英、半导体、石墨等，淬火钢、硬质合金、耐热钢也可加工。2）靠磨料的冲击作用，宏观切削力很小，变形、烧伤小。Ra=0.1-0.1 m，加工精度=0.01-0.02 mm，且可加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。3）加工机床结构和工具均较简单，只要加工出形状与工
2、件相同的工具，只要上下的振动和进给就可以加工出所需要的工件。另外操作维修也很方便。4）超声加工的生产率较低，加工面积不够大，工具损耗也大，这是超声波加工的一大缺点。,超声波加工原理,超声波及其特性,当声波频率超出16000 Hz范围称为超声波。超声波可以在气体、液体和固体介质中传递，由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振和损耗等更为严重。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100 W/cm2，超声波的作用是对其传播方向的物体施加压力（即声压），传播的波的能量越大，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和稀疏区域，产生
3、冲击和空化。3）反射和折射。超声波通过不同的介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射。4）干涉和共振。在一定的条件下会产生干涉和共振现象。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的整数倍，而固定弹性杆的支撑点应该选在振动过程的波节处（没有振动的地方）。,超声波加工是利用超声振动的工具，在具有磨料的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，或是振动的能量转化为热量而进行加工的加工方法。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的超声机械振动，再经过变幅杆，把振动的振幅放大到0.05-0.1 mm左右，以驱动工具端面作超声振动；此时磨
4、料由于受超声振动的冲击，也产生振动，并冲击工件，使之在冲击、抛磨和空化的作用下，把材料去除。由于超声加工是基于磨粒的局部撞击作用，因此特别适合于硬脆材料的加工。,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，其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供给工具往复运动和加工工件的能量。其基本要求是：可靠性好、效率高、机构简单、成本低，还要求功率和频率能在一定的范围内连续可调，能对振动频率进行自动跟踪和自动微调。超声波发生器由于功率不同，有电子管、晶闸管式和晶体管式，大功率的以前用电子管的比较多，但近年来逐渐被晶体管所取代。超
5、声波发生器分振荡级、电压放大级、功率放大级和电源四部分。,机床本体,工作液循环系统,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、氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水，有时用煤油或机油。,超声波加工机床的本体一般很简单，包括支撑声学部件的机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；图6-4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的导轨上，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。工具的向下进给及对工件施加压力靠声学部件的自重，为了能调节压力的大小，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的重量。,超声波
6、振动系统,超声波振动系统的作用是将高频电能转换成机械振动能，并以波的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。换能器的作用是把超声频电振荡信号转换为机械振动。实现这种目的的方法有两种，一是压电效应，二是磁致伸缩效应。,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，其表面会产生一定的电荷，形成一定的电势；同理，如果在表面加一定的电压，晶体会产生一定的机械变形，这个效应称为压电效应。石英晶体：0.01 m/3000 V，钛酸钡：20-30倍，但效率和机械强度差，锆钇酸铅：二者的优点；压电陶瓷片：自振频率与厚度、上下端块质量及夹紧力成反
7、比。,铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处的磁场强度变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应。镍：缩短0.004%，铁和钴：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的机械强度和输出功率，常用于中、大功率的超声加工。但缺点是涡流发热损失大，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左右的居里点。,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0.005-0.01 mm，而超声波加工却需要0.01-0.1 mm的振幅，因此必须用上粗下细（按指数曲线设计）的变幅杆放大振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截
8、面的振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。变幅杆的常见形式如图6-3所示，加工中工具头与变幅杆相连，其作用是将放大后的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和脆性不很大的韧性材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺寸和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Ra0.1-1 mm，取决于每个磨粒每次撞击在工件表面留下的凹坑的大小。凹坑的大小与磨粒直径、被加工材料性质、超声振动的振幅、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
9、糙度好，但加工速度低。煤油润滑油为工作液时的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、工具的横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。一般孔的尺寸精度可达到0.02-0.05 mm。,表6-1 超声波加工功率与加工孔径的关系,加工孔的尺寸比工具尺寸有所放大，放大量约为磨粒直接的二倍。孔的加工误差：椭圆度和锥度，椭圆度与工具横向振动和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的圆度和生产率。,表6-2 常用几种磨料粒度和磨粒尺寸范围,超声加工速度的影响,随加工振幅和频率的增大加工速度加快，但工具和变幅杆需承受的内应力
10、也会增大，降低系统的使用寿命，同时表面粗糙度也会提高。振幅一般在0.1-0.01 mm，频率在16000-25000 Hz。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，是指单位时间内去除材料的多少，单位是g/min或mm3/min，加工玻璃时最大加工速度可达2000-4000mm3/min。,工具振幅和频率,磨料和粒径,静压力,悬浮液浓度,工件和工具,磨料硬度越高，加工速度越快。氧化铝玻璃、锗和陶瓷；碳化硼硬质合金、工具钢和宝石；金刚砂金刚钻和红宝石。磨料的粒度加工精度、表面粗糙度及生产率的。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
11、速度反而下降。,被加工工件材料越脆，受冲击的能力越弱，越容易被加工，反之，韧性越好，则不容易被加工。如玻璃的可加工性为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的最大值，窄的矩形工具比相同截面积的正方形工具具有更大的加工速度，用圆锥形的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的静载荷增大而增大，当静压力超过一定的值，则加工速度反而随静压力增大而减小，因为压力小时工具和工件之间的间隙过大，减弱了磨料对工件的冲击作用，而压力过大时工件和工具之间的距离过小，使磨
12、料和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，当加工面积小的时候，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5-13 mm3时，其最佳静压力为400 kPa，当加工面积大于20 mm3时，最佳静压力为200-300 kPa。,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，当悬浮液混合物的磨料/水的体积比为30-40%时就产生饱和现象，如果悬浮液浓度再增加，由于加工区域磨料的循环运动受影响，反而会降低加工速度。当然随悬浮液的粘度的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
13、洗,焊接加工,复合加工,复合加工是为了提高加工脆硬金属材料的速度及降低工具的损耗，把超声波加工与其他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，增加扩散和分散，改善材料性能。最显著的是细化晶粒。加入超声波，对晶核的增加和晶粒有破碎作用，产生的空化作用促使局部超冷，有利于形成新的晶核。对结晶过程的影响不仅细化宏观组织和用等轴结构代替板状结构，而且还细化微观组织。同时超声波的作用还改善了金属力学性能。超声波的机械搅拌和空化作用使油水混合在一起，这种现象叫乳化，在冶金学中，一些合金是飞熔成合金，重金
14、属相和轻金属相各自保持粗粒状态。注入超声波后也起乳化作用。,是利用超声振动作用，去除工作表面的氧化层，使新鲜的本体显露出来，并在二个被焊工件振动冲撞、摩擦发热、亲和粘结在一起。其可以焊接普通的金属材料，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的焊接中已得到广泛的应用,切割加工,型孔和型腔加工,超声加工工艺及应用,超声清洗,超声波清洗是基于超声振动在液体中产生交变的冲击和空化效应的，将这样强烈的冲击波作用到被清洗部位的污物上，使之产生疲劳破坏而脱落。主要用来清除各种形状复杂、清洗质量要求高的中小精密零件，特别是清洗窄缝、细小深孔、弯孔、盲孔、沟槽等。,超声加工在工业生产中主
15、要是针对各种脆硬材料进行圆孔、异形孔、型孔、型腔、套料和细微孔加工。,切割脆硬的半导体材料用普通的机械加工方法是困难的，但采用超声波切割则很方便，而且具有切片薄、切口窄、经济性好的优点。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，经水泵和增压器，达到7000 Mpa的压力，再经储液蓄能器，使高压液流平稳流动，最后有人工宝石做的喷嘴形成3000m/s的高速液流束，从孔径为0.1-0.5 mm的喷嘴喷射到工件，而达到去除材料的目的。加工深度取决于液压喷射的速度、压力和压射距离。被液体冲刷下来的切屑被液体带走。入口出射流的功率密度可达106W/mm2。,
16、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。0.075-0.005 mm。2）可割的材料多。钢、铝、铜等金属和塑料、皮革、纸张等非金属。3）加工速度快。能量密度高（106 W/cm2）、流速快（7.5 L/min）。4）切缝窄。切缝一般可达0.075-0.04 mm。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和机床本体。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，作为工具的射流是不会变钝的，喷嘴的寿命也长。液体要经过很好的过滤（含微粒直径0.5 mm），液体精脱矿
17、质和去离子处理后，可以减少对喷嘴的腐蚀作用。切割时可以多个喷嘴同时工作，达到多路切割。,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的影响，切缝=喷嘴孔径+0.025 mm，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和起鳞）。进给速度低切边质量好。,表6-3不同材料的切割速度,液体喷射加工的应用,可以切割和打孔很薄、很软的金属或非金属，例如铜、铝、铅、
18、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19 mm厚的吸声天花板，采用水压为310 Mpa，切割速度达到76 m/min。,表6-4为水射流切割常用的加工参数,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、钛合金元件和印刷电路板等。在机械工业中还常用以铸件的清砂、钢板的除锈、去毛刺、代替喷丸处理等。,是采用含有微细磨料的高速干燥气体流对工件表面喷射，以实现去除材料的加工方法。磨料喷射加工不同于喷砂，这种加工所选用的磨料更细，而且不能循环使用，加工参数和切割作用需精密控制。可对精密零件
19、进行表面清理和去毛刺，也可以对脆硬材料进行切割和刻蚀。,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、医疗器械上的交叉空、横孔、内螺纹、窄缝和用尼龙、聚四氟乙烯等制成的复杂零件及注射针头的去毛刺。2）表面清理。常用于硅、镓、磨砂玻璃、微调电路板、薄壁零件上的型面、各种不规则表面的清理。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、韧的材料效果极差。2）工具无法进入处的精密切割、去毛刺、表面清理、刻蚀和抛光。加工面积小、无热应力和表面损伤。3）设备简单、功率消耗小、加工成本低。4）喷嘴磨损，
20、影响质量。5）喷射加工的噪音、磨料及去除物的飞溅，对人体和环境有害。,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、粒度、喷嘴直径、喷嘴到工件距离、喷嘴角度、磨料喷射速度等。磨料越粗、喷射速度越快，加工速度越快；但喷射速度太高，加工速度反下降。,最小切宽=0.13 mm，加工误差0.13 mm，喷嘴和工件间距离对加工精度的影响很大。粗糙度与磨料尺寸关系见表6-6。加工软材料时，磨料颗粒会嵌入工件表面，加工后必须仔细清理加工表面、缝隙和沟槽。,表6-6 磨料喷射加工的表面粗糙度,表6-5 磨料喷射加工常用的工艺参数,特点,6.4 磨料流加工,原理,应用,磨料流加工是利用含有磨料的
21、半流体状的粘性介质，在一定的压力下，往复通过工件表面，由磨料的磨削作用去除工件表面材料而实现加工的工艺方法。,介质,夹具,1）各种模具、叶片、各种齿轮、燃料旋流器、喷油嘴等零件的去毛刺。2）微量去除其它加工所留下的表面硬化层和表面微观缺陷。3）在金属材料上，加工、光整小孔和窄缝。,1）适用范围：适应各种型孔、型面的抛光和去毛刺，如齿轮、叶片、交叉孔、喷嘴小孔、弯孔、液压元件、模具等。可加工金属和陶瓷、硬塑料。2）抛光效果：挤压珩磨能降低原粗糙度的10%，最佳可达Ra0.025 mm的镜面。最大加工深度0.025 mm，可去除前工序留下的变质层和微观缺陷。3）加工速度：挤压珩磨去除量=0.01-
22、0.1 mm，加工时间=1-5 min，减少加工时间90%。提高效率。4）加工精度：不会破坏原来的精度，也不能修正原来的形状误差。尺寸精度=IT5-6，表面粗糙=0.05 mm，可减小残余应力，去除表面变质层等。5）其他：设备简单、操作方便、介质不损耗，可重复利用。但活塞等磨损快，寿命短。,夹具是挤压珩磨的重要组成部分，是使之达到理想效果的重要措施，一般需要根据工件形状、尺寸和加工要求进行专门设计。除用来安装夹紧工件、容纳介质和引导入工件作用外，夹具还要控制介质的流程。因为与其他流体一样，粘弹性磨料介质最愿意通过路程段、阻力小的路径。为了引导介质到所需的零部件部位进行切削加工，可以对夹具进行特
23、殊设计，在某些地方进行阻挡、拐弯、干扰，迫使粘弹性磨料通过需要加工的部位。夹具内部的密封必须可靠，因为小的泄漏都将引起夹具和工件的磨损，并影响加工效果。,粘弹性磨料介质,挤压珩磨夹具,粘弹性磨料介质由一种半固体半液体的高分子聚合物和磨料颗粒均匀混合而成，这里高分子聚合物是载体，能与磨粒粘结，但与工件材料则不会粘附。它主要作用在于传递压力、携带磨粒流动和润滑工件。磨料一般使用氧化铝、碳化硼、碳化硅磨料；当加工硬质合金等坚硬材料时可以使用金刚石粉。磨粒粒度范围一般为8-600#，含量范围10-60%。加工时应根据具体的加工对象确定磨料的种类、粒度和含量。碳化硅磨料主要用于去毛刺，粗颗粒的去除速度快，细磨粒的表面粗糙度好，一般抛光时都用细磨粒，加工微孔时用更细的颗粒。细磨粒经常用来调节介质的粘稠度。也经常使用几种粒度磨料混合使用，以获得较好的性能。,谢谢大家!,
