第9章超聲波加工和超高壓水射流加工19.1超聲波加工近十幾年來，超聲波加工與傳統的切削加工技術相結合而形成的超聲波振動切削技術得到迅速的發展，并且在實際生產中得到廣泛的應用。特別是對于難加工材料的加工取得良好的效果，使加工精度、表面質量得到顯著提高。尤其是有色金屬、不銹鋼材料、剛性差的工件的加工中，體現其獨特的優越性。29.1.1超聲波特性及其加工的基本原理1.超聲波及其特性(1)超聲波能傳遞很強的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力(聲壓)，以這個壓力的大小來表示超聲波的強度，傳播的波動能量越強，則壓力也越大。由于超聲波的頻率很高，其能量密度可達100W/cm2以上。在液體或固體中傳播超聲波時，由于介質密度和振動頻率都比空氣中傳播聲波時高許多倍，因此同一振幅時，液體、固體中的超聲波強度、功率、能量密度要比空氣中的聲波高千萬倍。(2)當超聲波經液體介質傳播時，將以極高的頻率壓迫液體質點振動，在液體介質中連續地形成壓縮和稀疏區域。由于液體基本上不可壓縮，由此產生壓力正、負交變的液壓沖擊和空化現象。由于這一過程時間極短，液體空腔閉合壓力可達幾十個標準大氣壓，并產生巨大的液壓沖擊。這一交變的脈沖壓力作用在鄰近的零件表面上會使其破壞，引起固體物質分散、破碎等效應。3(3)超聲波通過不同介質時，在界面上發生波速突變，產生波的反射和折射現象。能量反射的大小決定于兩種介質的波阻抗(密度與波速的乘積稱為波阻抗)。介質的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時能量的反射率愈高。當超聲波從液體或固體傳入到空氣或者從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100%，此外空氣有可壓縮性，更礙阻了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相鄰介質中的傳遞條件，往往在聲學部件的各連接面間加入機油、凡士林作為傳遞介質以消除空氣及因它引起的衰減。(4)超聲波在一定條件下，會產生波的干涉和共振現象。42.超聲波加工的基本原理超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振蕩，再將這種超聲頻振蕩，通過磨料懸浮液傳遞到一定形狀的工具頭上，加工脆硬材料的一種成形方法。加工原理如下圖所示。

59.1.2超聲波加工的特點超聲波加工的特點如下：(1)適合于加工各種不導電的硬脆材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導電的硬質金屬材料如淬火鋼、硬質合金等，也能進行加工，但加工生產率較低。對于橡膠則不可進行加工。(2)加工精度較高。由于去除加工材料是靠磨料對工件表面撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，公差可達0.008mm之內，表面粗糙度Ra值一般在0.1~0.4之間。(3)由于工具和工件不做復雜相對運動，工具與工件不用旋轉，因此易于加工出各種與工具形狀相一致的復雜形狀內表面和成形表面。超聲波加工機床的結構也比較簡單，只需一個方向輕壓進給，操作、維修方便。(4)超聲波加工面積不大，工具頭磨損較大，故生產率較低。69.1.3超聲波加工設備1.超聲波發生器超聲波發生器也稱超聲或超聲頻發生器，其作用是將50Hz的交流電轉變為有一定功率輸出的16

000Hz以上的超聲高頻電振蕩，以提供工具端面往復振動和去除被加工材料的能量。其基本要求是輸出功率和頻率在一定范圍內連續可調，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調的功能，此外要求結構簡單、工作可靠、價格便宜、體積小等。72.超聲振動系統超聲振動系統的作用是把高頻電能轉變為機械能，使工具端面作高頻率小振幅的振動，并將振幅擴大到一定范圍(0.01~0.15mm)以進行加工。它是超聲波加工機床中很重要的部件。由換能器、變幅桿(振幅擴大棒)及工具組成。83.磨料工作液及循環系統對于簡單的超聲波加工裝置，其磨料是靠人工輸送和更換的，即在加工前將懸浮磨料的工作液澆注堆積在加工區，加工過程中定時抬起工具并補充磨料。也可利用小型離心泵使磨料懸浮液攪拌后注入加工間隙中去。對于較深的加工表面，應將工具定時抬起以利于磨料的更換和補充。大型超聲波加工機床采用流量泵自動向加工區供給磨料懸浮液，且品質好，循環也好。94.機床本體超聲波加工機床一般比較簡單，機床本體就是把超聲波發生器、超聲波振動系統、磨料工作液及其循環系統、工具及工件按照所需要位置和運動組成一體。還包括支撐聲學部件的機架及工作臺、使工具以一定壓力作用在工件上的進給機構及床體等部分。109.1.4超聲波加工的應用1．成形加工超聲波加工目前在各工業部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔、彎曲孔、刻槽、落料、復雜溝槽等。2.切割加工一般加工方法用于普通機械加工切割脆硬的半導體材料是很困難的，采用超聲波切割則較為有效，而且超聲波精密切割半導體、氧化鐵、石英等，精度高、生產率高、經濟性好，并且可以利用多刃刀具，切割單晶硅片，一次可以切割加工10~20片。113.超聲波焊接加工超聲波焊接是利用超聲頻振動作用，使被焊接工件的兩個表面在高速振動撞擊下，去除工件表面的氧化膜，使該表面摩擦發熱黏結在一起。因此它不僅可以加工金屬，而且可以加工尼龍、塑料等制品。例如在機械制造業中，利用超聲波焊接加工的雙聯齒輪。由于該種加工方法不需要外加熱和焊劑，熱影響小、外加壓力也小，不產生污染，工藝性和經濟性也好。因此，該種方法可焊接直徑或厚度很小的材料(可達0.015~0.03mm)，焊接材料不僅僅限于金屬，還可以焊接塑料、纖維等制品。目前在大規模的集成電路制造中已廣泛采用該中加工方法。124.超聲波清洗超聲波清洗的原理主要是基于清洗液在超聲波的振動作用下，使液體分子產生往復高頻振動，引起空化效應的結果。空化效應使液體中急劇生長微小空化氣泡并瞬時強烈閉合，產生的微沖擊波使被清洗物表面的污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來。在污物溶解于清洗液的情況下，空化效應加速溶解過程，即使是被清洗物上的窄縫、細小深孔、彎孔中的污物，也很易被清洗干凈。所以，超聲波清洗主要用于形狀復雜、清洗質量高的中、小精密零件，特別是深孔、彎曲孔、盲孔、溝槽等特殊部位，采用其他方法效果差，采用該方法清洗效果好，生產率高，凈化程度也高。因此，超聲波加工在半導體、集成電路元件、光學元件、精密機械零件、放射性污染等的清洗中得到了較為廣泛的應用。139.2超高壓水射流加工9.2.1超高壓水射流加工原理超高壓水射流加工是利用高速水流對工件的沖擊作用來去除材料的，如下圖所示。儲存在水箱1中的水或加入添加劑的水液體，經過過濾器2處理后，由水泵3抽出送至蓄能器5中，使高壓液體流動平穩。液壓機構4驅動增壓器10，使水壓增高到70~400MPa。高壓水經控制器6、閥門7和噴嘴8噴射到工件9上的加工部位，進行切割。切割過程中產生的切屑和水混合在一起，排入水槽。超高壓水射流本身具有較高的剛性，流束的能量密度可達1010W/mm2，流量為7.5L/min，在與工件發生碰撞時，會產生極高的沖擊動壓和渦流，具有固體的加工作用。14159.2.2超高壓水射流加工設備1.增壓系統增壓系統主要包括增壓器、控制器、泵、閥及密封裝置等。增壓器是液壓系統中重要的設備，要求增壓器使液體的工作壓力達到100~400MPa，以保證加工的需要。高出普通液壓傳動裝置液體工作壓力的10倍以上，因此系統中的管路和密封是否可靠，對保障切割過程的穩定性、安全性具有重要意義。對于增壓水管采用高強度不銹鋼厚壁無縫管或雙層不銹鋼管，接頭處采用金屬彈性密封結構。2.切割系統噴嘴是切割系統最重要的零件。噴嘴應具有良好的射流特性和較長的使用壽命。噴嘴的結構取決于加工要求、常用的噴嘴有單孔和分叉兩種。163.控制系統可根據具體情況選擇機械、氣壓和液壓控制。工作臺應能縱、橫向靈活移動，適應大面積和各種型面加工的需要。當采用程序控制和數字控制系統是理想的。目前，已出現程序控制液體加工機，其工作臺尺寸為1.2m×1.5m，移動速度為380mm/s。4.過濾設備在進行超高壓水射流加工時，對工業用水進行必要的處理和過濾有著重要意義：延長增壓系統密封裝置、寶石噴嘴等的壽命，提高切割質量，提高運行的可靠性。因此要求過濾器很好的濾除液體中的塵埃、微粒、礦物質沉淀物，過濾后的微粒應小于0.45。液體經過過濾以后，可以減少對噴嘴的腐蝕。切削時摩擦阻尼很小，夾具簡單。當配有多個噴嘴時，還可以采用多路切削，提高切削速度。175.機床床身機床床身結構通常采用龍門式或懸臂式機架結構，一般都是固定不動的。為了保證噴嘴與工件距離的恒定，以保證加工質量，因此要在切削頭上安裝一只傳感器。為了實現加工三維復雜形狀零件，切削頭和關節式機器人手臂或三軸的數控系統控制結合，可以加工出復雜的立體形狀。189.2.3超高壓水射流加工的工作參數及其對加工的影響(1)流速與流量。水噴射加工采用高速水流，速度可高達每秒數百米，是聲速的2～3倍。超高壓水射流加工的流量可達7.5L/min。流速和流量越大對，加工效率越大。(2)水壓。加工時，在由噴嘴噴射到工件加工面之前，水的壓力經增壓器作用變為超高壓，可高達700MPa。提高水壓，將有利于提高切割深度和切割速度。但會增加超高壓水發生裝置及超高壓密封的技術難度，增加設備成本。目前，常用超高壓水射流切割設備的最高壓力一般控制在400MPa以內。(3)能量密度。即高壓水從噴嘴噴射到工件單位面積上的功率，也稱功率密度，可達1010W/m2。19(4)噴射距離。指從噴嘴到加工工件的距離，根據不同的加工條件，噴射距離有一個最佳值。一般范圍為2.5~50mm，常用范圍為3mm。(5)噴射角度。噴射角度可用正前角來表示。水噴射加工時噴嘴噴射方向與工件加工面的垂線之間的夾角稱為正前角。超高壓水噴射加工時一般正前角為0°~30°。噴射距離與切割深度有密切關系，在具體加工條件下，噴射距離有一個最佳值，可經過試驗來尋求。(6)噴嘴直徑。用于加工的噴嘴直徑一般小于1mm，常用的直徑為0.05~0.38mm。增大噴嘴直徑可以提高加工速度。209.2.4超高壓水射流加工的特點(1)切割時工件材料不會受熱變形，切邊質量較好：切口平整，無毛刺，切縫窄，寬度為0.075~0.40mm。材料利用率高，使用水量也不多(液體可以循環利用)，降低了成本。(2)加工過程中，作為“刀具”的高速水流不會變“鈍”，各個方向都有切削作用，因而切割過程穩定。(3)切割加工過程中，溫度較低，無熱變形、煙塵、渣土等，加工產物隨液體排除，故可以用來切割加工木材、紙張等易燃材料及制品。(4)由于切割加工溫度低，不會造成火災。“切屑”混在水中一起流出，加工過程中不會產生粉塵污染，因而有利于滿足安全和環保的要求。21(5)加工材料范圍廣，既可用來加工非金屬材料，也可以加工金屬材料，而且更適宜于加工切割薄的和軟的材料。(6)加工開始時不需退刀槽、孔，工件上的任何位置都可以作為加工開始和結束的位置，與數控加工系統相結合，可以進行復雜形狀的自動加工。(7)液力加工過程中，“切屑”混入液體中，故不存在灰塵，不會有爆炸或火災的危險。對某些材料，夾裹在射流束中的空氣將增加噪聲，噪聲隨壓射距離的增加而增加。在液體中加入添加劑或調整到合適的正前角，可以降低噪聲，噪聲分貝值一般低于標準規定。229.2.5超高壓水射流加工的應用超高壓水射流加工的流束直徑為0.05~0.38mm,可以加工很薄、很軟的金屬和非金屬材料，也可以加工較厚的材料，最大厚度達125mm。如今，該技術在國內外許多工業部門得到了廣泛應用。239、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。4月-254月-25Friday,April4,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。19:36:2619:36:2619:364/4/20257:36:26PM11、夫學須志也，才須學也，非學無以廣才，非志無以成學。4月-2519:36:2619:36Apr-2504-Apr-2512、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯兒。19:36:2619:36:2619:36Friday,April4,202513、志不立，天下無可成之事。4月-254月-2519:36:2619:36:26April4,202514、ThankyouverymuchfortakingmewithyouonthatsplendidoutingtoLondon.ItwasthefirsttimethatIhadseentheToweroranyoftheotherfamoussights.IfI'dgonealone,Icouldn'thaveseennearlyasmuch,becauseI