(1)影响加工速度的因素
加工速度是指单位时间内去除材料的多少,单位通常以g/min或mm3/min表示,或者用单位时间在进给方向上的进给量来表示,其单位为mm3/min。超声加工的加工速度比较低,一般为1—5/mm3/min。加工玻璃的最大速度可达2000—4000mm3/min。影响加工速度的因素有:工具振动频率、振幅、工具和工件间的静压力、工具与工件材料、磨料种类及粒度、磨料悬浮液的料液比、磨料悬浮液的循环与供给、加工面积加工深度等。
l)工具的振动振幅和频率
随着工具振动振幅和频率的增大,加工速度明显提高(参见图5-10)。但是,过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力,严重时会超过工具和变幅杆材料的疲劳强度,降低其使用寿命;随着工具振动振幅和频率的增加,加大了工具与变幅杆、变幅杆与换能器之间联接处的能量损耗。因此,要求超声加工工具振动振幅为0.01—0.1mm,频率为16000—25000Hz。实际加工时,应调至共振频率,以获得最大的振幅。
2)进给压力
进给压力指工具对工件的静压力。进给压力主要取决于加工面积和工件材料。试验表明,在一定加工条件下总有一个最佳送给压力(参见图5-11)。压力过大,工具与工件间的磨料空间狭小,难以形成空化抛击,严重时可能无空隙而难以实现振动加工;压力过小,工具与工件的间隙增大,磨粒冲击过程中的能量损耗过多,可能冲击微弱、甚至不起作用。此外,进给压力与加工面积、工件材料、磨粒粗细有关,一般可通过实验加以优化。
3)工件和工具材料
超声加工尤其适用于高脆度(脆度是材料的剪切应力与断裂应力之比)材料的工件。工件材料愈脆,所承受冲击载荷的能力愈低,也就愈易被去除加工;而韧性较好的工件材料则不易加工。
工具材料应根据工件材料、加工面积和深度等因素来选择,以耐磨损、加工方便为宜。也可由实验确定。
4)磨料的种类和粒度
磨料的种类必须根据工件材料合理选择。例如:加工金刚石和宝石等超硬材料时,必须用金刚石磨料;加工硬质合金、淬火钢等高硬脆性材料时,宜采用硬度较高的碳化硼磨料;加工硬度不太高的脆硬材料时,可采用碳化硅;而加工玻璃、石英、半导体等材料时,用刚玉之类的氧化铝磨料。
磨料的粒度与加工速度的关系如图5-12所示,在工件材料和加工振幅一定的条件下,随着粒度号的增大(磨粒越细),加工速度随之增大,但超过某值之后,粒度号增大,加工速度则降低。
5)磨料悬浮液的类型及浓度
磨料悬浮液有水、汽油、煤油、酒精、亚麻仁油。变压器油、甘油等,其中水的冷却性和湿润性良好一,相对生产率最高,其次是汽油或煤油。磨料悬浮液的浓度,直接影响加工速度。磨料悬浮液浓度低,加工间隙内磨粒少,特别在加工面积和深度较大时可能造成加工区局部无磨料的现象,使加工速度大大降低。随着悬浮液中磨料浓度的增加,加工速度也增加。但浓度太高时,磨粒在加工区域的循环和对工件的冲击都受到影响,也会导致加工速度降低。通常采用的浓度为磨料对水的重量比约 0.5—1左右。
(2)影响加工精度的因素
超声加工的精度,除受机床、夹具精度的影响之外,主要与磨料粒度、工具的精度及磨损、横向振动、加工深度、工件材料性质等有关。
超声加工孔时,其孔的尺寸将比工具尺寸有所扩大,扩大量约为磨料磨粒直径的两倍,孔的最小直径约等于工具直径加所用磨料磨粒平均直径的两倍,即
Dmin=Dt+2da (5-9)
式中 Dmin--工件最小孔径(mm);
Dt--工具直径(mm);
da——磨料磨粒平均直径(um)
可见,孔的加工精度直接受到工具精度和磨粒粗细的影响。通常,用#240~#280磨粒时,可获得正负0.05mm的加工精度,用W28~W7时,可获得正负0.02mm的加工精度。此外,孔的形状误差与工具的不均匀磨损及横向振动大小有关。一般可采用工具或工件转动的加工方式来减小孔的圆度误差。
超声加工孔时,一般容易出现锥度和孔的出口处有环带。其原因主要是由于变幅杆及工具的横向振动引起磨料对孔壁的二次冲击,形成从进口到出口逐渐减小的锥度;出口处环带则是磨料悬浮液在出口侧壁间隙处迅速排出,使磨料循环时间过短所造成的。如用’240碳化硼磨料加5~0mm深的孔,所形成的锥度为1°,若穿孔后再用未磨损的工具作低频振动修磨,锥度可以减小。在多数情况下,使用精密工具几乎完全可避免孔的锥度。超声加工所用的磨料粒度本来就是不均匀的,加工中又要被磨钝、甚至破碎,更加剧了磨料的不均匀性。因此,不仅影响加工速度更影响加工精度。加工时必须经常搅动磨料悬浮液,保证一定的循环速度,使用10--15h后应及时更换,还可设法向工具端面喷注磨料悬浮液,以提高加工精度。
(3)影响加工表面质量的因素
超声加工具有较好的表面质量,非但不会产生烧伤和表面变质层、热应力,有时反而产生表面压应力,对提高工件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力有益。超声加工的工件表面粗糙度较低,可达Ra0.63~0.08um,主要取决于每粒磨料每次冲击工件表面后留下的凹痕大小,并与超声振动的振幅、磨料领料的直径、工件材料的性质以及磨料悬浮液的成分等有关。
当磨粒比较细,工作材料硬度较高、超声振幅较小时,工件的表面粗糙度将得到改善,但生产率随之降低。磨料悬浮液的性能对表面粗糙度的影响比较复杂,且报道较少。资料表明,用煤油或润滑油代替水可使表面粗糙度有所改善。