特种加工技术第6章物料切蚀加工[章节优讲]

1、第六章第六章 物料切蚀加工物料切蚀加工 6.1 超声加工超声加工 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。

2、3）加工机床结构和工具均较简单，只要加工出形状与工 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。 1优质教学 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，

3、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

4、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 2优质教学 超声波加工设备及其组成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

5、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

6、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。 3优质教学 超声波振动系统 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，

7、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

8、冷却系统，以保证换能 器温度低于材料200左右的居里点。 4优质教学 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

9、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 (a) 锥形(b) 指数形(c) 阶梯形 5优质教学 超声波加工规律超声波加工规律 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 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

10、件材料性质 等有关。一般孔的尺寸精度可达到0.02-0.05 mm。 超声电源输出功率 W50-100200-300500- 700 1000-15002000-250004000 最大加工盲孔直径 mm5-1015-2025-3030-4045-5060 工具加工最大通孔直径 mm520-3040-5060-8080-9090 表表6-1 超声波加工功率与加工孔径的关系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

11、。 表表6-2 常用几种磨料粒度和磨粒尺寸范围常用几种磨料粒度和磨粒尺寸范围 磨粒粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7 磨粒尺寸范 围 mm 125- 100 100- 80 80- 63 63- 50 50- 40 40- 28 28- 20 20- 14 14-1010-77-5 6优质教学 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 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

12、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%

13、，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%。 7优质教学 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

14、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。 8优质教学 切割加工型孔和型腔加工 超声加工工艺及应用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

15、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

16、飞熔成合金，重金属相 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 9优质教学 切割加工 型孔和型腔加工 超声加工工艺及应用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

17、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。 10优质教学 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

18、 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。 设备设备 6.2 液体喷射加工液体喷射加工 特点特点应用应用原理原理规律规律 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

19、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。 11优质教学 加工速度与精度加工速度与精度 加工精度加工速度 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

20、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。 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 表表6-3不同

21、材料的切割速度不同材料的切割速度 12优质教学 液体喷射加工的应用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、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。 表表6-4为水射流切割常用的加工参数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。 液体种类

22、：水，水加添加剂 添加剂：甘油、聚乙烯、 其他长链聚合物 压力：70-415 Mpa 射流速度：300-900 m/s 流量：7.5 L/min 对工件作用力：45-134 N 喷嘴材料：人造金刚石、淬火钢、不锈钢 直径： 0.05-0.38 mm 角度：与工件表面法线成0-30 性能功率：38 kW 切割速度：（见表6-3） 切缝宽 度：0.075-0.41 mm 压射距离：2.5-90 mm 13优质教学 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

23、制。可对精 密零件进行表面清理和 去毛刺，也可以对脆硬 材料进行切割和刻蚀。 6.3 磨料喷射加工磨料喷射加工 特点特点应用应用原理原理规律规律 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，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。 14优质教学 磨料喷射加工基本规律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。