现代加工技术06喷射加工

*,哈工大,(,威海,),现代加工技术,单击此处编辑母版标题样式,*,哈尔滨工业大学现代数控技术,单击此处编辑母版标题样式,*,哈工大,(,威海,),现代加工技术,单击此处编辑母版标题样式,*,*,哈工大,(,威海,),现代加工技术,单击此处编辑母版标题样式,*,*,哈尔滨工业大学现代数控技术,*,*,哈尔滨工业大学现代数控技术,*,*,喷射加工,5687,0,26,Jet,Machining,JTM,1,课程内容大纲,1,绪论,2,电火花加工,3,电火花线切割加工,4,电化学加工,5,超声波加工,6,磨料与水喷射加工,7,激光加工,8,快速,原,型,制造,9,电子束、离子束加工,10,化学、等离子体、磁性磨料加工,、挤压珩磨,2,2.72.8,喷射加工,利用从喷嘴中高速喷出的液体或固体微粒的冲击力破碎和去除工件材料的特种加工。喷射加工一般分为液体喷射加工和磨料喷射加工。,1,第二章第八节水射流加工,3,第二章第八节,磨料,水射流加工,3,第二章第七节,气压,磨料喷射加工,3,2.81,高压水射流加工,(Water Jet Machining),20,世纪,50,年代末开始应用。,水射流切割（流畅）,.flv,4,一、原理,液体喷射加工,又称,水射流切割,，利用压力为,200,400MPa,（最高可达,1500MPa,）的高压水，从孔径为,0.05,0.4mm,的蓝宝石或金刚石喷嘴孔中以每秒数百米至一千米以上的高速喷出，形成一股高能量密度的射流冲击工件，使材料破碎而去除。，有时简称,水切割,，或俗称,水刀,。,5,一、原理,水经泵后，通过增压器增压，储液蓄能器使脉动的液流平稳。水束流从孔径为,0.10.5mm,的人造蓝宝石喷嘴喷出，直接压射在工件加工部位上，以,500900m/s,的高速冲击工件进行加工。被水束流冲刷下来的“切屑”随着液流排出，入口处束流的功率密度可达到,1MW/mm,2,。,1-,带过滤器的水箱,2-,水泵,3-,储液蓄能器,4-,控制器,5-,阀,6-,蓝宝石喷嘴,7-,工件,8-,喷射距离,9-,液压机构,10-,增压器,6,高压水射流切割设备原理图,喷嘴,阀,控制器,蓄能器,供水器,过滤器,泵,增压器,液压装置,工件,射流,d,排水器,7,系统组成,超高压泵,水刀切割头装置,X-Y,平面工作台,CNC,控制器,CAD/CAM,软件包,8,高压水喷射流切割机,9,二、设备组成,水喷射加工系统主要由,增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统和水循环处理系统,等构成。,1.,增压系统,要求增压器使液体的工作压力达到,100400MPa,，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要可靠，以保障切割过程的稳定性、安全性。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。,10,二、设备组成,11,二、设备组成,3.,控制系统,可根据具体情况选择,机械、数字、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。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,1.2m1.5m,，移动速度为,380mm/s,。,4.,过滤设备,对工业用水进行处理和过滤，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。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。,12,二、设备组成,5.,机床床身,机床床身结构通常采用,龙门式,、,悬臂式,或,动梁式,机架结构。为了保证喷嘴与工件距离的恒定，以保证加工质量，要在喷嘴头上安装一只传感器。为了实现加工三维复杂形状零件，喷嘴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。,6.,喷嘴,13,液压系统图,14,液压系统图,15,三、加工速度、加工质量及影响因素,切除速度取决于工件材料，并与所用功率大小成正比、和材料厚度成反比，不同材料的切割速度如表所示。,切割精度主要受喷嘴轨迹精度影响，切缝大约比采用的喷嘴孔径大,0.025mm,，加工复合材料时，采用射流速度要高，喷嘴直径要小，并且有小的,前角,，喷嘴紧靠着工件，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。,切边质量受材料性质的影响很大，软材料可以获得光滑表面，塑性好的材料可以切割出高质量的切边。液压过低将降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起鳞。降低进给速度可以改善切割质量。,16,三、加工速度、加工质量及影响因素,水中加入添加剂能改善切割性能和减少切割宽度。喷射距离、切口斜度、射束流中夹杂空气将增加噪声，噪声随喷射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整刀合适的,前角,，可以降低噪声。,17,三、加工速度、加工质量及影响因素,(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/m,2,。,18,三、加工速度、加工质量及影响因素,(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,2.550mm,，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,030,。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,0.050.38mm,。增大喷嘴直径可以提高加工速度。,19,水喷射加工工艺参数,20,某些材料水射流加工的切割速度,21,四、特点,1.,适用范围广,。可以说,它对被切材料无选择性，几乎可以加工所有的材料，因而能做到一机多用。可在水中或几百米深的水下切割。加工缝隙窄，可节约材料和降低加工成本。,2.,加工精度质量高。,切口质量好且窄，切口宽只有,0.075,0.4mm,，公差可达到,0.06mm-0.25mm,；几乎无飞边、毛刺，粗糙度可达,Ra27um,，切割面垂直、平整,不必二次修整,可节省材料和工时。,3.,生产效率高。,切割速度高，如切割厚度为,6.4mm,胶合板的切割速度达,1.7m/s,。一套系统可配置多喷嘴同时作业,工件可一次达到尺寸要求。水刀在加工过程中不会变钝，减少了刀具准备、刃磨等时间。,22,四、特点,4.,加工能力强。,具有很强的切割力,可切断,180mm,厚的钢板、,250mm,厚的钛板、,470,层每层厚达,65mm,的石墨环氧树脂合成板、,5m,厚的石材或混凝土等。,5.,没有热反应区。,不会改变被加工材料的力学性能。因为是冷切割,对材料无热损伤,也无热变形，这对许多高性能或热敏感材料尤为可贵。这是其它加工方法,如火焰、激光、等离子、锯切等所无可比拟的。,6.,工作环境友好。,因为是湿法加工，切屑被液体带走，不产生有害人体健康的有毒气体、粉尘、烟雾、火花、气味等，属于清洁安全加工，噪音不超过,90dB,。,23,四、特点,7.,便于自动控制。,因为是点能源加工,反力很小，只有十几公斤，因而可以灵活地选择加工起点和部位，可通过数控，进行复杂形状的自动加工，实现柔性加工。,8.,设备维护简单，操作方便,。,水射流加工的缺点,:,1.,设备功率大；,2.,喷嘴磨损快 ；,3.,加工表面质量较差 ；,4.,不适合于大型零件及去除超大的毛刺加工；,5.,对软材料及弹性材料加工不理想。,6.,环境比较潮湿。,24,五、应用,水射流加工的液体流束直径为,0.050.38mm,，可以加工很薄的金属和非金属材料，例如陶瓷、硬质合金、模具钢、钛合金、钨钼钴合金、铜、铝、铅、塑料、木材、橡胶、纸、复合材料，如以金属为基体的纤维增强金属（,FRM,）、纤维增强橡胶（,FRR,）等、不锈钢、高硅铸铁及可锻铸铁等七、八十种材料和纸品。,切割,水射流加工可以代替硬质合金切槽刀具，而且切边的质量很好。所加工的材料厚度少则几毫米，多则几百毫米，例如切割,19mm,厚的吸声天花板，采用的水压为,310MPa,，切割速度为,76m,min,。玻璃绝缘材料可加工到,125mm,厚。由于加工的切缝较窄，可节约材料和降低加工成本。,划线,由于加工温度较低，因而可以加工木板和纸品，还能在一些化学加工的零件保护层表面上划线。,25,五、应用,去毛刺。,各种小型精密零件上交叉孔、内螺纹、窄槽、盲孔等毛刺的去除，用其他一般加工方法就十分困难甚至于无法完成，而利用水喷射加工技术（稍降低压力或增大喷距等），就十分方便且质量好，具有独特的效果。,打孔。,水射流可用于在各种材料上打孔以代替钻头钻孔，不仅质量好，而且加工速快。例如在厚,25mm,铝板上打一个孔仅需图水刀切割,30s,。不过水射流所能加工的孔径大小，尤其是孔径的最小值受喷嘴孔径和磨料粒度的制。,开槽。,加磨料水射流可用来在各种金属零件上开凹槽，如用于堆焊的凹槽及用以固定另一个零件的槽道等。,清焊根和清除焊接缺陷。,利用水射流加工不产生热量、不损伤工件材质的特点，对热敏感金属的焊接接头进行背面清根、清除焊缝中的裂纹等缺陷。,26,五、应用,清洗。,27,五、应用,以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材料的加工占水射流加工的,40%,，此外，还用于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。,美国汽车工业中用水射流来切割石棉制动片、橡胶基地毯、复合材料板、玻璃纤维增强塑料等。,航天工业用以切割高级复合材料、蜂窝状夹层板、钛合金元件和印制电路板等，可提高疲劳寿命。,28,应用领域,汽车工业,航天工业,石材及陶瓷业,造纸业,食品业,29,应用领域,(,续,),30,应用领域,(,续,),31,应用领域,(,续,),32,纸尿片切割,超高压水以,3,倍音速的速度从喷嘴射出，因此并无水份被切割材料吸收。,纵切器使用超高压水切割每分钟,7000,英呎运转速度的卷筒纸。,33,水刀切割机器零件,铣削型腔,切割,非金属零件,切割,金属零件,水刀,加砂切割,可切割任何材料而不产生热效应或机械应力,加砂切割系可完成精密切割,34,水刀切割机器零件,35,水刀切割汽车地毯,36,水刀雕刻木材,37,玻璃雕刻,38,水刀切割：航天工业应用,五轴复合材料切割,使用超高压水刀清洗的飞机发动机燃烧罐,39,水刀切割：石材及陶瓷业应用,加砂水刀在世界各地被用来切割石材及磁砖,40,水刀切割：造纸业应用,纸尿片切割,超高压水以,3,倍音速的速度从喷嘴射出，因此并无水份被切割材料吸收,纵切器使用超高压水切割每分钟,7000,英呎运转速度的卷筒纸,41,水刀切割：食品业应用,家禽肉类切割,食品切割是超高压水刀切割最早应用之一,42,性能,加工精度：,0.002mm,0.2mm,切割材质,切割速度,(mm/min),切割材质厚度,5 mm,10 mm,20 mm,50 mm,.,花岗岩,3,660,1,650,740,260,.,大理石,5,770,2,600,1,170,409,.,磁砖,词,12,000,5,500,-,-,.,铝,.,2,380,.,1,070,480,170,.,不锈钢板,.,760,.,345,156,50,.,玻璃,6,120,.,2,760,1,240,430,切缝宽度：,0.1mm,1mm,（,WJ,）,1mm,2mm,（,AWJ,）,切割条件,压力：,3,800 bar,喷嘴直径：,0.1mm,磨料粒度,:,80#,磨料流量,:,740g/min,43,水射流精密加工典型加工速度,(,毫米分,),表,1,44,实例,-,金属切割,（,1,）,不锈钢等金属切割加工,，见图,1,（,2,）机器设备外罩壳的制造（如机床、食品机械、医疗机械、电气控制柜等）,，见图,2,（,3,）金属零件切割（如不锈钢,法,兰盘的半精加工、钢板结构件、有色金属、特种金属材料等）,，见图,3,、,4,45,玻璃切割,（,1,）家电（燃气灶台面、油烟机、消毒柜等、电视机） （,2,）灯具 （,3,）卫浴产品（淋浴房等） （,4,）建筑装潢、工艺玻璃 （,5,）汽车玻璃等,46,软性材料的清水切割,汽车内饰件的机器人空间切割泡沫海绵、纸等,47,陶瓷、石材等建筑材料加工领域应用,该领域主要是用于艺术拼图，目前中国的陶瓷、石材艺术拼图产品远销世界各地。,48,复合材料、防弹材料等特殊材料的一次成形切割加工,49,低熔点及易燃、易爆材料的切割（如炸药、炮弹等）,50,超高压水清洗,石油化工行业：换热器管程清洗,51,民用、军用航空机场跑道清洗,52,船体表面需要定期除垢喷漆,53,汽车涂装车间油漆及污垢清洗,54,样件,水射流切割圆锥齿轮,水射流切割厚钢板,55,不锈钢,56,其它铁合金,57,玻璃，大理石，复合材料等,58,水喷射加工样件,59,高压水射流切割大理石,60,高压水射流加工的零件,61,2.82,磨料水射流加工（,Abrasive Water Jet,）,一、加工原理,将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流来说，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以切割一切硬质材料。,将水增至超高压,100,400MPa,，经节流小孔（,0.15,0.4mm,），使流速高达,100600m/s,，再往水射流中混入磨料粒子，经混合管形成磨料射流进行加工。,62,二、设备,磨料水射流加工设备，,在水射流加工设备的基础上，增加了磨料与水的混合系统,。,即该加工系统主要由,增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统水循环处理系统和磨料与水的混合系统,等构成。如图,1,所示。,63,二、水射流磨料加工设备原理图,64,三、加工速度、加工质量及影响因素,与水射流加工基本相同，还受到磨料尺度的影响。,65,四、特点,1.,与水射流加工相比，,特点基本相同，然而，在磨料水射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大、硬度高，磨料水射流比水射流的动能更大，加工效能更强。 但喷嘴磨损快。,2.,与压缩气体作为载体的磨科喷射加工相比，,由于是湿法加工，切屑被液体带走，加工过程中不产生粉尘，不会污染环境。但环境比较潮湿。,66,五、应用,同水射流加工,67,2.7,磨科喷射加工,(Abrasive Jet Machining),50,年代初开始在美国应用。一定压力 （,2,13MPa,）的,气体（空气、氮或二氧化碳）,和磨料粉末（直径,10,50,微米）混合后从直径为,0.1,1.2,毫米的喷嘴小孔中高速喷出，利用磨料的冲击破坏作用去除工件上的材料。一般使用刚玉或碳化硅磨料，有时还使用玻璃小珠（用于表面抛光）和碳酸氢钠（用于表面清理）。喷嘴孔材料采用硬质合金或蓝宝石。喷嘴一般做成笔杆手柄式，以便于手工操作，也可将喷嘴安装在夹具上，用控制装置进行自动化大批生产。,磨料喷射加工,2,分,08.mp4,68,一、基本原理,压缩气体,和磨料粉末混合后，从喷嘴小孔中高速喷出，利用磨料的冲击破坏作用去除工件上的材料。,二、设备,69,二、加工设备,磨料喷射加工的设备主要包括四部分：,储藏、混合和载运磨料装置；,工作室；,粉尘集收器；,干燥气体供应装置,气源。,气体压力不小于,600,900kPa,。气体应经过干燥处理，湿度应小于十万分之五。,喷嘴通常由硬质合金材料制造。,70,三、加工速度、加工质量及影响因素,71,磨料流量对材料去除速度的影响,磨料射流加工中，影响材料去除率的主要因素有：磨料的类型和尺寸、喷嘴口径、结构尺寸、喷嘴与工件表面距离、喷射速度等。图为影响材料去除速度的各种因素。,磨料流量对材料去除速度的影响,72,喷嘴距离对材料去除速度的影响,喷嘴距离对材料去除速度的影响,73,喷嘴压力对材料去除速度的影响,喷嘴压力对材料去除速度的影响,74,磨料尺度对材料去除速度的影响,磨料尺度对材料去除速度的影响,75,四、特点,能够加工截面细、薄的脆性材料，特别是其他方法难以达到的部位。,由于工具没有接触工件，而且是在金属切除量极微小的情况下逐步切除的，因此很少或不产生热量，故不产生显著的表面损伤。,这种方法具有成本低和功率消耗低的特点。,切除韧性材料时，材料切除速率比较低，所以，磨料射流机械加工的用途只限于加工脆性材料。,用这种方法加工的零件必须进行一道附加的清洗工序，因为磨粒有可能粘附在表面上。,加工的精度差，而喷嘴的磨损率高。,加工过程中产生大量粉尘，会污染环境。,76,五、应用,磨料喷射加工主要用于：,玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、镓、云母、钨和钛合金等脆硬金属材料的切割，或开窄槽、打小孔和刻蚀等。,小型精密零件，例如液压阀、航空发动机的燃料系统零件、医疗器械上的交叉孔、窄槽等。,可以跟随工件的轮廓形状，清理不规则的工件表面，例如螺纹孔等，从零件表面去除脏物、杂质、氧化层、绝缘层或其他涂层和镀层，以及去除毛刺等。,玻璃表面毛化。,对集成电路的电阻、电容进行微调。,77,