冲压搬运机械手设计外文翻译资料

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1. 先进（非传统）加工工艺

V.K. Jain

印度理工学院机械工程系坎普尔，

Kanpur-208016，印度。

电子信箱：vkjain@iitk.ac.in

在从原材料中制造零件的同时，可能需要大量去除材料，形成空腔/孔，最后根据零件要求进行精加工。 已经采用许多先进的精加工方法来制造难加工材料中的圆形和/或非圆形腔和孔。 用于制孔的一些工艺是放电加工，激光束加工，电子束加工，成形管电化学加工和电化学火花加工。 随着对从微米到纳米范围的零件的严格的技术和功能要求的需求，超精密整理过程已经发展到满足制造科学家和工程师的需求。 这种类别的传统整理过程有各种限制，例如，复杂形状，微型尺寸和三维（3D）部件不能通过传统的加工/精加工工艺经济和快速地加工/完成。这导致了先进的精加工技术的发展，即磨料流加工，磁性磨料整理，磁浮法抛光，磁流变磨料抛光和离子束加工。 在所有这些方法中，除了离子束加工之外，工件的磨损以受控的方式进行，使得工件中的穿透深度是微米的一小部分，使得最终的光洁度接近纳米范围。 本章讨论了其中一些过程的工作原理和应用。

11.1介绍

目前制造业的期望很高， 高经济性制造的高性能精密和复杂零件由非常硬的高强度材料制成。 每个客户都要求产品符合自己的口味/选择，因此需要以小批量生产和品种繁多的高品质低成本零件。 此外，市场上存在高可靠性部件小型化的趋势。传统的加工方法，即使具有增加的CNC功能，也不能满足航空航天，电子，汽车等各行业的严格要求。因此，一系列新的加工过程已经发生了一段时间，以满足 这种要求，被称为非传统，非常规，现代或先进的加工工艺[1-3]。 当考虑精密和超精密加工时，这些先进的加工工艺（AMP）变得更加重要。 在一些AMP中，即使以原子或分子的形式单独或分组地去除材料。 这些先进的加工工艺基于通过机械侵蚀，热蚀或电化学/化学溶解直接应用能量去除材料。

材料科学的发展导致了具有许多非凡特质的难加工，耐高温耐热材料的发展。 纳米材料和智能材料是当今的需求。 为了制造各种形状和尺寸的不同产品，传统的制造技术通常被认为不适合目的。 特别是需要使用非传统或先进的制造技术，尤其是先进的加工工艺[1]。 后者包括散装材料去除先进的加工工艺以及先进的精加工工艺。 散装材料的拆除活动主要分为两类，孔或型腔制作，成型。 此外，世界各地的制造商都感受到制造业的高精度需求，提高部件的互换性，提高质量控制，增加磨损/疲劳寿命[4,5]。

本章前三节介绍了一些重要的制孔和成型工艺的工作原理和参数分析，以及其中的每一个应用。 最后一部分涉及一些高级精加工工艺及其特殊应用。 图11.1显示了各种AMP的分类。 在机械式AMP中，采用机械力从工件中去除/侵蚀材料。 在热电/热处理中，造成工件表面材料热侵蚀的热量是热量。 在电化学和化学加工过程中，它是从工件中去除材料的电化学或化学反应。 本章仅讨论了其中的一些过程。 此外，这些方法都不是唯一的，使得其可以在所有加工情况下令人满意地使用。

整形和尺寸不是零件的唯一要求。 表面完整性，特别是表面光洁度同样重要。 传统上，在工艺过程中几何以不可预测的方式连续变化的松散或粘结形式的磨料用于最终的精加工目的。 如今，材料合成的新进展使得能够在纳米范围内生产超细磨料。 通过这样的研磨剂，可以实现纳米表面光洁度和尺寸公差。 存在能够提供物质的原子或分子大小的超精密加工的工艺（离子束加工和弹性发射加工）。 在某些情况下，所获得的表面光洁度（中心线平均值（CLA）值）已被报道甚至小于原子的大小。各种工艺已经被用于精加工目的的高级（非传统）加工工艺，如磨料流加工（AFM），磁性磨料流加工（MAFM），磁性磨料抛光（MAF），磁浮法抛光（MFP），磁流变 磨料流动整理（MRAFF），弹性排放加工（EEM）和离子束加工（IBM）。

先进加工流程分类

机械先进的加工工艺

散装物料清除过程

.磨料喷射加工（AJM）

.超声波加工（USM）

.水刀加工（AWJM）

.磨料水射流加工（AWJM）

微/纳米加工工艺

.磨料流加工（AFM）

.磁磨机（MAF）

.磁流变整理（MRF）

.磁流变磨料流整理（MRAFF）

.磁浮抛光（MFP）

.弹性排放加工（EMM）

.离子束加工（IBM）

热先进加工工艺

.等离子弧加工（PAM）

.激光束加工（LBM）

.电子束加工（EBM）

.放电加工（EDM

电化学和化学先进的加工工艺

.电化学加工（ECM）

.化学加工（ChM）

.生化加工（BM）

图11.1. 先进加工工艺分类

11.2机械先进加工工艺（MAMP）

机械式先进加工工艺（MAMP）有各种类型，如图11.1所示。 本节介绍两种常用的MAMP，即 超声波加工（USM）和磨料水射流切割（AWJC）。

11.2.1超声波加工（USM）

超声波加工（USM）工艺通常用于通常硬度gt; 40 RC的硬质和/或脆性材料（不管其导电性）。 如图11.2所示，在工具和工件之间的间隙中提供了一种浆料（细磨粒和水的混合物）[1]。 该工具以超声波换能器创建的非常高的频率（ge;16kHz）振动，将高频电信号转换为高频线性机械运动（或振动）。 这些振动通过机械放大器传递到工具。 工具和工具架设计为以共振频率振动，从而可以实现最大材料去除速率（MRR）。

磨料

泥浆

工件

工具

磨料浆

冷却水

集中器

磁致伸缩传感器

流

引导传感器绕组通电

图11.2. 超声波加工示意图

与振动工具接触的各个磨粒获得高速度并向工作表面推进。研磨颗粒对工作表面的高速轰击造成许多微小的高应力区域的形成，导致工作表面开裂和断裂，从而导致材料的去除。引入工作表面的应力的大小与击中工作表面的颗粒的动能（1 2mv2; m =颗粒质量，v =粒子速度）成正比。因此，脆性材料比延性材料更容易加工。当材料从工作表面上移除时，工具底面和被加工的工作表面之间的间隙增加，因此加工效率下降。为了保持USM的高效率，该工具不断地向工件供给，使得表面凹陷速率（或线性材料去除率-MRR1）等于工具进给速率（f）。

在USM期间产生的空腔的尺寸略大于刀具尺寸（或锥度，图11.3）。 直径为D的圆柱形固体工具产生直径为D Delta;D的圆形孔，其中Delta;D取决于各种工艺参数及其被测量的位置。 钻孔也具有小锥度（角度theta;）。 通过在刀具上产生反向锥度可以减小锥角的值。

超声波加工机的功率输出范围为40 W至2.4 kW。 这些机器通常有五个子系统，即电源，传感器，刀架，刀具和刀具进给系统以及浆料和浆料供应系统。

工作

工具

图11.3。 USM生产的锥形孔（theta;为锥角）

高功率正弦波发生器将低频（60Hz）电力转换为高频（asymp;20kHz）电力。 该高频电信号传输到换能器，将其转换为高频低振幅振动。 在USM中，使用两种类型的换能器中的任一种，即压电（用于低功率高达900W）或磁致密型（对于高达2.4kW的高功率）。 磁力传感器由镍或镍合金薄片制成，其效率（20-35％）远远低于压电换能器的效率（高达95％），因此，在磁致伸缩传感器 清除废热。 通常可以实现的最大长度变化（或振动幅度）为25mu;m。

工具架将工具保持并连接到换能器（图11.2），传递能量，并在某些情况下放大振动幅度。 放大刀架可增加刀具运动的六倍，并且产生比非放大刀架高十倍的MRR。 因此，该工具的材料具有良好的声学特性，并且具有高耐疲劳开裂性。 常用的刀架材料有Monel（低振幅应用），钛和不锈钢。 工具通常由相对延性材料（黄铜，不锈钢，软钢等）制成，以最小化刀具磨损率（TWR）。 TWR和MRR的比例取决于磨料，工件材料和刀具材料的类型。 刀具的表面光洁度会影响工件上得到的表面光洁度。

使用硬度，粒度，使用寿命和成本作为选择USM磨粒的标准。 通常使用的磨料（按硬度增加的顺序为Al2O3，SiC和碳化硼（B4C），磨料硬度应大于工件材料的硬度，在USM期间获得的MRR和表面光洁度也取决于磨料颗粒的尺寸 细颗粒导致较低的MRR和良好的表面光洁度，而与粗晶相反则是常用的砂粒的筛网尺寸范围为240至800.研磨浆料通常为水和研磨剂，比例为1：1（由 重量），但是这可以根据操作类型而变化，使用较薄（或较低浓度）的混合物，同时钻深孔或加工复杂的空腔，使浆料流动更有效，将浆料储存在储存器 被泵送到工具和工件之间形成的间隙。

11.2.1.1过程参数，功能和应用

USM工艺性能取决于磨料（材料，尺寸，形状和浓度），刀具和刀架（刀具材料，振动频率和振幅）和工件材料（硬度）。振动幅度的增加增加了不同压力的线性材料去除率（MRR1）（图11.4）。砂粒尺寸的增加也增加了MRR1，但表现出最佳值（图11.5）。然而，MRR1的增加也导致较高的表面粗糙度（Ra）（或更差的表面光洁度）。当切割深度增加时，通过切割区域的浆料流动变得低效，因此MRR1进一步降低。可以通过该方法容易地加工的材料包括不能通过传统方法有效加工的陶瓷，玻璃，碳化物等。对于非导电陶瓷和易碎组件也是非常有用的。它可以一次钻多个孔。以下是此过程的一些功能：

bull;长宽比（孔长与直径的比）：40:1

bull;孔深：51-152 mm（带特殊冲洗装置）

bull;MRR1：0.025-25 mm / min

bull;表面光洁度：0.25-0.75mu;m

bull;表面纹理：无方向性

bull;精度或径向过度切割：平均磨料粒度的1.5-4.0倍

震动放大器 mu;m 砂粒尺寸 mu;m

压力

MMR mm / min

超声波加工速度mm / min

图11.4。 振动幅度对不同压力下 图11.5。 振动幅度对不同压力下

穿透率（MRR1）的影响 穿透率（MRR1）的影响

11.2.2磨料水射流切割（AWJC）

磨料水射流切割（AWJC）工艺是适用于金属和非金属的高潜力工艺。 在这个过程中，与精细磨料颗粒混合的高速水射流撞击工件表面（图11.6）。 研磨混合水射流的速度非常高，因此研磨颗粒和水射流撞击工件表面的动能非常高（在特殊情况下高达900m / s），因此导致 工作面侵蚀。 在这里，一部分喷水的动量被转移到磨料上，因此磨料的速度迅速上升。

工件

磨砂水刀

混合管

水刀

孔

研磨口

高压水管

图11.6. 研磨喷水喷嘴的细节

根据正在切割的工件材料的类型和进行切割的深度，在快速变化的局部应力场下由于侵蚀，剪切或破坏而发生材料去除。 水射流运行的压力为约400MPa，足以产生900m / s的喷射速度。 这种高速射流能够切割陶瓷，复合材料，岩石，金属等材料[6]。 通过侵蚀的材料去除发生在工件的上部，同时通过被切割的工件的下部的变形磨损而发生。 AWJC工艺可以轻松地切割导电和导电，难以加工的材料。 此过程不会产生灰尘，热缺陷和火灾隐患。 水和磨料的回收在某种程度上是可能的。 复合材料的成型和切割是一个很好的过程，几乎不会产生分层。

11.2.2.1 AWJC机

磨料水射流切割机有四个基本要素：泵送系统，磨料进料系统，磨料水喷嘴和捕集器。泵送系统通过使用高功率电机将水加压至高达400MPa来产生高速水射流。水流量可高达3加仑每分钟。为了将研磨剂混合到这种高速水射流中，磨料进料系统通过端口提供受控量的磨料。磨料水喷嘴将研磨剂​​和水（在混合管中）混合并形成高速水磨料射流。可以使用蓝宝石，碳化钨或碳化硼作为喷嘴材料。有各种水磨砂喷嘴。该系统的另一个元件是捕获器，其中通常已知两种配置：将长的窄管放置在切割点下方以借助于相反方向交替放置的障碍物捕获使用的射流，以及深水填充的沉淀池直接放置在磨料水射流消失的工件下方。

11.2.2.2过程参数，功能和应用

独立的工艺参数包括水（压力，流量），磨料（类型，尺寸，流量），喷嘴，横移速率，隔离距离和工件材料。对于指定的工件材料和工艺参数，存在最低压力（即临界压力或阈值压力），低于此值时不会进行切割[6]。加工深度随着压力的增加而增加，并且随着磨料流速的增加，这种关系变得更陡。磨料流量的增加会增加加工深度

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