精密与特种加工技术 第九章 超声波加工和超高压水射流加工

1第9章超声波加工和超高压水射流加工29.1超声波加工近十几年来，超声波加工与传统的切削加工技术相结合而形成的超声波振动切削技术得到迅速的发展，并且在实际生产中得到广泛的应用。特别是对于难加工材料的加工取得良好的效果，使加工精度、表面质量得到显著提高。尤其是有色金属、不锈钢材料、刚性差的工件的加工中，体现其独特的优越性。39.1.1超声波特性及其加工的基本原理1.超声波及其特性(1)超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力(声压)，以这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。由于超声波的频率很高，其能量密度可达100W/cm2以上。在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。(2)当超声波经液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域。由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个标准大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎等效应。4(3)超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。能量反射的大小决定于两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积称为波阻抗)。介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入到空气或者从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近100%，此外空气有可压缩性，更碍阻了超声波的传播。为了改善超声波在相邻介质中的传递条件，往往在声学部件的各连接面间加入机油、凡士林作为传递介质以消除空气及因它引起的衰减。(4)超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。52.超声波加工的基本原理超声波加工是利用工具端面作超声频振荡，再将这种超声频振荡，通过磨料悬浮液传递到一定形状的工具头上，加工脆硬材料的一种成形方法。加工原理如下图所示。超声波加工原理示意图1—工具；2—冷却器；3—加工槽；4—夹具；5—工件；6—磨料悬浮液；7—振动头69.1.2超声波加工的特点超声波加工的特点如下：(1)适合于加工各种不导电的硬脆材料，例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工生产率较低。对于橡胶则不可进行加工。(2)加工精度较高。由于去除加工材料是靠磨料对工件表面撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，公差可达0.008mm之内，表面粗糙度Ra值一般在0.1~0.4之间。(3)由于工具和工件不做复杂相对运动，工具与工件不用旋转，因此易于加工出各种与工具形状相一致的复杂形状内表面和成形表面。超声波加工机床的结构也比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。(4)超声波加工面积不大，工具头磨损较大，故生产率较低。79.1.3超声波加工设备1.超声波发生器超声波发生器也称超声或超声频发生器，其作用是将50Hz的交流电转变为有一定功率输出的16000Hz以上的超声高频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。其基本要求是输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能，此外要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。82.超声振动系统超声振动系统的作用是把高频电能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅的振动，并将振幅扩大到一定范围(0.01~0.15mm)以进行加工。它是超声波加工机床中很重要的部件。由换能器、变幅杆(振幅扩大棒)及工具组成。93.磨料工作液及循环系统对于简单的超声波加工装置，其磨料是靠人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注堆积在加工区，加工过程中定时抬起工具并补充磨料。也可利用小型离心泵使磨料悬浮液搅拌后注入加工间隙中去。对于较深的加工表面，应将工具定时抬起以利于磨料的更换和补充。大型超声波加工机床采用流量泵自动向加工区供给磨料悬浮液，且品质好，循环也好。104.机床本体超声波加工机床一般比较简单，机床本体就是把超声波发生器、超声波振动系统、磨料工作液及其循环系统、工具及工件按照所需要位置和运动组成一体。还包括支撑声学部件的机架及工作台、使工具以一定压力作用在工件上的进给机构及床体等部分。119.1.4超声波加工的应用1．成形加工超声波加工目前在各工业部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔、弯曲孔、刻槽、落料、复杂沟槽等。2.切割加工一般加工方法用于普通机械加工切割脆硬的半导体材料是很困难的，采用超声波切割则较为有效，而且超声波精密切割半导体、氧化铁、石英等，精度高、生产率高、经济性好，并且可以利用多刃刀具，切割单晶硅片，一次可以切割加工10~20片。123.超声波焊接加工超声波焊接是利用超声频振动作用，使被焊接工件的两个表面在高速振动撞击下，去除工件表面的氧化膜，使该表面摩擦发热黏结在一起。因此它不仅可以加工金属，而且可以加工尼龙、塑料等制品。例如在机械制造业中，利用超声波焊接加工的双联齿轮。由于该种加工方法不需要外加热和焊剂，热影响小、外加压力也小，不产生污染，工艺性和经济性也好。因此，该种方法可焊接直径或厚度很小的材料(可达0.015~0.03mm)，焊接材料不仅仅限于金属，还可以焊接塑料、纤维等制品。目前在大规模的集成电路制造中已广泛采用该中加工方法。134.超声波清洗超声波清洗的原理主要是基于清洗液在超声波的振动作用下，使液体分子产生往复高频振动，引起空化效应的结果。空化效应使液体中急剧生长微小空化气泡并瞬时强烈闭合，产生的微冲击波使被清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来。在污物溶解于清洗液的情况下，空化效应加速溶解过程，即使是被清洗物上的窄缝、细小深孔、弯孔中的污物，也很易被清洗干净。所以，超声波清洗主要用于形状复杂、清洗质量高的中、小精密零件，特别是深孔、弯曲孔、盲孔、沟槽等特殊部位，采用其他方法效果差，采用该方法清洗效果好，生产率高，净化程度也高。因此，超声波加工在半导体、集成电路元件、光学元件、精密机械零件、放射性污染等的清洗中得到了较为广泛的应用。149.2超高压水射流加工9.2.1超高压水射流加工原理超高压水射流加工是利用高速水流对工件的冲击作用来去除材料的，如下图所示。储存在水箱1中的水或加入添加剂的水液体，经过过滤器2处理后，由水泵3抽出送至蓄能器5中，使高压液体流动平稳。液压机构4驱动增压器10，使水压增高到70~400MPa。高压水经控制器6、阀门7和喷嘴8喷射到工件9上的加工部位，进行切割。切割过程中产生的切屑和水混合在一起，排入水槽。超高压水射流本身具有较高的刚性，流束的能量密度可达1010W/mm2，流量为7.5L/min，在与工件发生碰撞时，会产生极高的冲击动压和涡流，具有固体的加工作用。15超高压水射流加工原理图1—水箱；2—过滤器；3—水泵；4—液压机构；5—畜能器；6—控制器；7—阀门；8—喷嘴；9—工件；10—增压器169.2.2超高压水射流加工设备1.增压系统增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀及密封装置等。增压器是液压系统中重要的设备，要求增压器使液体的工作压力达到100~400MPa，以保证加工的需要。高出普通液压传动装置液体工作压力的10倍以上，因此系统中的管路和密封是否可靠，对保障切割过程的稳定性、安全性具有重要意义。对于增压水管采用高强度不锈钢厚壁无缝管或双层不锈钢管，接头处采用金属弹性密封结构。2.切割系统喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具有良好的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的结构取决于加工要求、常用的喷嘴有单孔和分叉两种。173.控制系统可根据具体情况选择机械、气压和液压控制。工作台应能纵、横向灵活移动，适应大面积和各种型面加工的需要。当采用程序控制和数字控制系统是理想的。目前，已出现程序控制液体加工机，其工作台尺寸为1.2m×1.5m，移动速度为380mm/s。4.过滤设备在进行超高压水射流加工时，对工业用水进行必要的处理和过滤有着重要意义：延长增压系统密封装置、宝石喷嘴等的寿命，提高切割质量，提高运行的可靠性。因此要求过滤器很好的滤除液体中的尘埃、微粒、矿物质沉淀物，过滤后的微粒应小于0.45。液体经过过滤以后，可以减少对喷嘴的腐蚀。切削时摩擦阻尼很小，夹具简单。当配有多个喷嘴时，还可以采用多路切削，提高切削速度。185.机床床身机床床身结构通常采用龙门式或悬臂式机架结构，一般都是固定不动的。为了保证喷嘴与工件距离的恒定，以保证加工质量，因此要在切削头上安装一只传感器。为了实现加工三维复杂形状零件，切削头和关节式机器人手臂或三轴的数控系统控制结合，可以加工出复杂的立体形状。199.2.3超高压水射流加工的工作参数及其对加工的影响(1)流速与流量。水喷射加工采用高速水流，速度可高达每秒数百米，是声速的2～3倍。超高压水射流加工的流量可达7.5L/min。流速和流量越大对，加工效率越大。(2)水压。加工时，在由喷嘴喷射到工件加工面之前，水的压力经增压器作用变为超高压，可高达700MPa。提高水压，将有利于提高切割深度和切割速度。但会增加超高压水发生装置及超高压密封的技术难度，增加设备成本。目前，常用超高压水射流切割设备的最高压力一般控制在400MPa以内。(3)能量密度。即高压水从喷嘴喷射到工件单位面积上的功率，也称功率密度，可达1010W/m2。20(4)喷射距离。指从喷嘴到加工工件的距离，根据不同的加工条件，喷射距离有一个最佳值。一般范围为2.5~50mm，常用范围为3mm。(5)喷射角度。喷射角度可用正前角来表示。水喷射加工时喷嘴喷射方向与工件加工面的垂线之间的夹角称为正前角。超高压水喷射加工时一般正前角为0°~30°。喷射距离与切割深度有密切关系，在具体加工条件下，喷射距离有一个最佳值，可经过试验来寻求。(6)喷嘴直径。用于加工的喷嘴直径一般小于1mm，常用的直径为0.05~0.38mm。增大喷嘴直径可以提高加工速度。219.2.4超高压水射流加工的特点(1)切割时工件材料不会受热变形，切边质量较好：切口平整，无毛刺，切缝窄，宽度为0.075~0.40mm。材料利用率高，使用水量也不多(液体可以循环利用)，降低了成本。(2)加工过程中，作为“刀具”的高速水流不会变“钝”，各个方向都有切削作用，因而切割过程稳定。(3)切割加工过程中，温度较低，无热变形、烟尘、渣土等，加工产物随液体排除，故可以用来切割加工木材、纸张等易燃材料及制品。(4)由于切割加工温度低，不会造成火灾。“切屑”混在水中一起流出，加工过程中不会产生粉尘污染，因而有利于满足安全和环保的要求。22(5)加工材料范围广，既可用来加工非金属材料，也可以加工金属材料，而且更适宜于加工切割薄的和软的材料。(6)加工开始时不需退刀槽、孔，工件上的任何位置都可以作为加工开始和结束的位置，与数控加工系统相结合，可以进行复杂形状的自动加工。(7)液力加工过程中，“切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险。对某些材料，夹裹在射流束中的空气将增加噪声，噪声随压射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整到合适的正前角，可以降低噪声，噪声分贝值一般低于标准规定。239.2.5超高压水射流加工的应用超高压水射流加工的流束直径为0.05~0.38mm,可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，也可以加工较厚的材料，最大厚度达125mm。如今，该技术在国内外许多工业部门得到了广泛应用。