特种加工.docx
《特种加工.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特种加工.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
特种加工
第七章特种加工
§7-1概述
§7-2电火花加工
§7-3电解加工
§7-4超声加工
§7-5激光加工
§7-6其他特种加工
§7-1概述
一、特种加工的产生及发展
随着科学技术、工业生产的发展及各种新兴产业的涌现，工业产品内涵和外延都在扩大；正向着高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化、环保（绿色）化及人本化方向发展，制造技术本身也应适应这些新的要求而发展，传统机械制造技术和工艺方法面临着更多、更新、更难的问题。
体现在：
1）新型材料及传统的难加工材料，如碳素纤维增强复合材料、工业陶瓷、硬质合金、钛合金、耐热钢、镍合金、钨钼合金、不锈钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、耐高温的金属或非金属材料的加工；
2）各种特殊复杂表面，如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣和锻压模的立体成型表面，各种冲模冷拔模上特殊断面的异型孔，炮管内膛线，喷油嘴、棚网、喷丝头上的小孔、窄缝、特殊用途的弯孔等的加工；
3）各种超精、光整或具有特殊要求的零件，如对表面质量和精度要求很高的航天、航空陀螺仪，伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性组件等低刚度零件的加工。
上述工艺问题仅仅依靠传统的切削加工方法很难、甚至根本无法解决。
特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。
特种加工与传统切削加工的不同点是：
1）主要依靠机械能以外的能量（如电、化学、光、声、热等）去除材料；多数属于“熔溶加工”的范畴。
2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；
3）加工过程中工具和工件之间不存在显着的机械切削力；
4）主运动的速度一般都较低；理论上，某些方法可能成为“纳米加工”的重要手段；
5）加工后的表面边缘无毛刺残留。
微观形貌“圆滑”；
特种加工又被称为非传统或非常规加工，英译：
Non-traditional（conventional）Machining，简写：
NTM或NCM。
特种加工方法种类很多，而且还在继续研究和发展。
目前在生产中应用的特种加工方法很多，它们的基本原理、特性及适用范围见表7-1。
本章着重讲述其中几种。
1尖端科学技术的发展方向
高精度高速度高温高压大功率小型化
2对机械制造部门提出的新要求：
（1）解决各种难切削材料的加工问题
（2）解决各种特殊复杂表面的加工问题
（3）解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题
3切削加工的本质和特点：
（1）靠刀具材料比工件更硬
（2）靠机械能把工件上多余的材料切除
4特种加工的产生、发展的前提条件
要解决机械制造部门面临的一系列工艺问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，甚至根本无法实现，人们相继探索研究新的加工方法，特种加工因此而产生
5特种加工的特点
（1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除金属材料
特种加工与传统切削加工的不同点
1）主要依靠机械能以外的能量（如电、化学、光、声、热等）去除材料；多数属于“熔溶加工”的范畴。
2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；
3）加工过程中工具和工件之间不存在显着的机械切削力；
4）主运动的速度一般都较低；理论上，某些方法可能成为“纳米加工”的重要手段；
5）加工后的表面边缘无毛刺残留。
微观形貌“圆滑”；
我国特种加工技术的发展历程
1、20世纪50年代中期，电火花穿孔机床、电火花表面强化机研制成功
2、20世纪50年代末，营口电火花机床厂开始成批生产电火花强化机、电火花机床
3、1979年我国成立了全国性的电加工学会
4、1981年我国高校间成立了特种加工教学研究会
5、1997年批量生产
二、特种加工的分类
常用特种加工方法
特种加工方法
加工所用能量
可加工的材料
工具损耗率（％）
金属去除率/mm3min-1
尺寸精度/mm
表面粗糙度Ra/µm
特殊要求
主要适用范围
最低／平均
平均／最高
平均／最高
平均／最高
电火花加工
电热能
任何导电的金属材，如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢等
1／50
30／3000
0.05／0.005
10／0.16
各种冲、压、锻模及三维成型曲面的加工
电火花线切割
电热能
极小（可补偿）
5／20
0.02／0.005
5／0.63
各种冲模及二维曲面的成型截割
电化学加工
电、化学能
无
100／10000
0.I／0.03
2.5／0.16
机床、夹具、工件需采取防锈防蚀措施
锻模及各种二维、三维成型表面加工
电化学机械
电、化、机械能
1／50
1／100
0..02／0.001
1.25／0.04
硬质合金等难加工材料的磨削
超声加工
声、机械能
任何脆硬的金属及非金属材料
0.1／10
1／50
0.03／0.005
0.63／0.16
石英、玻璃、锗、
硅、硬质合金等脆硬材料的加工、研磨
快速成形
光、热、化学
树脂、塑料、陶瓷、金属、纸张、ABS
无
增材制造
制造各种模型
激光加工
光、热能
任何材料
不损耗
瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高
0.0I／0.001
10／1.25
加工精密小孔、小缝及薄板材成型切割、刻蚀
电子束加工
电、热能
需在真空中加工
离于束加工
电、热能
很低
／0.01µm
0.01
表面超精、超微量加工、抛光、刻蚀、材料改性、镀覆
三、特种加工对机械制造工艺技术产生的影响
1.提高了材料的可加工性
材料的可加工性不在与硬度、强度、韧性、脆性等成直接关系，对电火花、线切割加工而言，淬火钢比未淬火钢更易加工。
特种加工方法使材料的可加工范围从普通材料发展到硬质合金、超硬材料和特殊材料。
2.改变了零件的典型工艺路线
以前的典型工艺路线是先加工后淬火，特种加工的工艺路线是先淬火后加工。
3.改变了试制新产品的模式
特种加工可以直接加工出各种标准和非标准件，各种特殊、复杂的二次曲面体零件，省去设计制造相应刀具、夹具、量具、模具、工装，大大缩短了试制周期。
快速成型技术，成为试制新产品的必要也是重要手段。
4.特种加工对产品零件的结构设计带来很大的影响
各种复杂冲模过去采用拼镶结构,有了特种加工可以作成整体结构，花键的齿根加工,用拉削方法时,刀齿只能是清棱清角的齿根,电解加工时,非采用小圆角的齿根不可。
5.重新衡量传统的结构工艺性的好与坏。
6.特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段。
§7-2电火花加工
电火花加工又称放电加工、电蚀加工（E1ectro－DischargeMachining，简称EDM），是一种利用脉冲放电产生的热能进行加工的方法。
图7-1
图7-1所示是电火花加工系统图。
工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。
自动进给调节装置3（此处为液压缸及活塞）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙。
当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，形成一个小凹坑，如图7-2所示。
其中图a表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图b表示多次脉冲放电后的电极表面。
脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t0），工作液恢复绝缘，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。
这样连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。
整个加工表面是由无数个小凹坑所组成。
电火花加工的特点
⑴电火花加工的优点
1）适合于难切削材料的加工可以突破传统切削加工对刀具的限制，实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工象聚晶金刚石、立方氮化硼一类超硬材料。
目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。
2）可以加工特殊及复杂形状的零件由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。
由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。
数控技术电火花加工可以简单形状的电极加工复杂形状零件。
3）主要用于加工金属等导电材料，一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。
4）加工表面微观形貌圆滑，工件的棱边、尖角处无毛刺、塌边；
5）工艺灵活性大，本身有“正极性加工”（工件接电源正极）和“负极性加工”（工件接电源负极）加工之分；还可与其他工艺结合，形成复合加工，如与电解加工复合；
要达到上述加工目的，设备装置必需以下三个条件：
1）工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙（通常约为几微米至几百微米）。
间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。
间隙过小，会形成短路，不能产生火花放电，而且会烧伤电极。
2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7~10-3s。
这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内；否则，象持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。
为此，电火花加工必须采用脉冲电源。
3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。
液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度（103~107Ω·cm）以有利于产生脉冲性的火花放电，同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。
⑵电火花加工的局限性
1）一般加工速度较慢安排工艺时可采用机械加工去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率。
最近新的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率甚至高于切削加工。
2）存在电极损耗和二次放电电极损耗多集中在尖角或底面，最近的机床产品已能将电极相对损耗比降至0.1％，甚至更小；电蚀产物在排除过程中与工具电极距离太小时会引起二次放电，形成加工斜度，影响成型精度。
二次放电甚至会使得加工无法继续。
3）主要用于加工金属等金属材料,一定条件下才可以加工半导体和非导体材料
电火花加工工艺方法分类
按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类，它们的特点及用途如表7-2所示。
类别
工艺
特点
用途
示意图
I
电火花穿孔成型加工
1.工具和工件问主要只有一个相对的伺服进给运动
2.工具为成型电极，与被加工表面有相同的截面或形状
1.型腔加工：
加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件
2.穿孔加工：
加工各种冲模，挤压模、粉末
冶金模、各种异形孔及微孔等。
约占电火花机床总数的30％，典型机床有D7125，D7140等电火花穿孔成型机床
II
电火花线切割加工
1.工具电极为顺电极丝轴线移动着的线状电极
2.工具与工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动
1.切割各种冲模和具有直纹面的零件
2.下料、截割和窄缝加工。
约占电火花机床总数的60％，典型机床有DK7725‚DK7732数控电火花线切割机床
见下小节
III
电火花内孔外圆和成形磨削
1.工具与工件有相对的旋转运动
2.工具与工件间有径向和轴向的进给运动
1.加工高精度、良好表面粗糙度的小孔如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、钻套等
2.加工外圆、小模数滚刀等。
约占电火花机床总数的3％，典型机床有D6310电火花小孔内圆磨床等
IV
电火花同步共轭回转加工
1.成型工具与工件均作旋转运动，但二者角速度相等或成整倍数，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度
2.工具相对工件可作纵、横进给运动
以同步回转，展成回转、倍角速度回转等不同方式，加工各种复杂型面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规、高精度、高对称度、良好表面粗糙度的内、外回转体表面，约占电火花机床总数的1％，典型机床有JN—2，JN—8内外螺纹加工机床等
V
电火花高速小孔加工
1.采用细管（＞Ф0.3mm）电极，管内冲入高压水基工作液
2.细管电极旋转
3.穿孔速度极高（60mm／min）
1.钱切割预穿丝孔
2.深径比很大的小孔，如喷咀等。
约占电火花机床1％，典型机床有D7003A电火花高速小孔加工机床
VI
电火花表面强化、刻字
1.工具在工件表面上振动
2.工具相对工件移动
1.模具、刀、量具刃口表面强化和镀覆
2.电火花刻字、打印记。
约占电火花机床总数的2％∽3％，典型机床有D9105电火花强化机等
电火花加工的基本规律
（一）加工精度的规律
影响因素有以下几种:
1、火花放电间隙的大小及其一致性
2、工具电极加工损耗大小及其稳定性
3、机床的精度和刚度，工具电极的制造精度安装精度
（二）表面质量的规律
1、表面粗糙度
2、表面变质层
（1）融化层
（2）热影响层
（3）显微裂纹
3、表面力学性能
（1）显微硬度及耐磨性
（2）残余应力
（3）耐疲劳性
三、工具电极损耗的规律
1、极性效应
概念
由于正负极性不同而电蚀量不一样的现象叫极性效应
原因解释
电子的质量和惯性均小，容易获得很高的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给阳极，使电极材料迅速熔化和汽化；而正离子质量和惯性较大，启动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达阴极表面，因而材料融化较少
2、电参数对电蚀量的影响
单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比关系
3、金属材料热学性能对电蚀量的影响
当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热愈高，电蚀量将减少，愈难加工，生产率也愈低
4、工作液对电蚀量的影响
四、电火花线切割加工
1．工作原理
电火花线切割加工是通过电极和工件之间脉冲放电时的电腐蚀作用，对工件进行加工的一种方法。
如图所示，工件接脉冲电源的正极，电极丝接负极，工件相对电极丝按预定的要求运动，从而使电极丝沿着所要求的切割线路进行电腐蚀，实现切割加工。
五个优点
1、省掉了成型的工具电极
2、可以加工微细异形孔、窄缝、复杂形状的工件
3、加工量小，材料利用率高，生产率高
4、电极丝单位长度损耗较小，对加工精度影响较小
5、成本低，加工自动化程度高
§7-3电解加工
一、电解加工的原理及其特点
（1）基本原理
是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，将工件加工成形的一种工艺方法。
（2）特点
1）可加工高硬度、高强度、高韧性等难切削的金属，适用范围广。
2）加工生产率高。
3）加工中工具和工件间无切削力存在，适用于加工易变形的零件。
4）加工后的表面无残余应力和毛刺，粗糙度可达Ra1.25~0.2，平均加工
精度可达±0.1mm左右。
5）加工过程中工具损耗极小，可长期使用。
§7-4超声加工
一、超声加工的原理与特点
1、原理示意图
2.超声波加工的特点：
（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、宝石、金刚石等。
（2）工具可用较软的材料做较复杂的形状。
（3）工具与工件相对运动简单，使机床结构简单。
（4）切削力小、切削热少，不会引起变形及烧伤，加工精度与表面质量也较好。
3、超声波加工的应用
超声波加工广泛就用于加工半导体和非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、金刚石等；由于其加工精度和表面粗糙度优于电火花、电解加工，因此电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金零件，还常用超声抛磨进行光整加工；此外，还可以用于套料、清洗、焊接和探伤等。
§7-5激光加工
一、激光加工的原理及特点
1.激光加工的原理
1-全反射镜2-激光工作物质3-激励能源4-部分反射镜5-透镜6-工件
激光加工的特点
（1）对材料的适应性强。
激光加工的功率密度是各种加工方法中最高的一种，激光加工几乎可以用于任何金属材料和非金属材料，如高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆性材料。
（2）打孔速度极快，热影响区小。
通常打一个孔只需0.001s,易于实现加工自动化和流水作业。
（3）激光加工不需要加工工具。
由于它属非接触加工，工件无变形，对刚性差的零件可实现高精度加工。
（4）激光能聚焦成极细的光束，能加工深而小的微孔和窄缝（直径几微米，深度与直径比可达10以上），适于精微加工。
（5）可穿越介质进行加工。
可以透过由玻璃等光学透明介质制成的窗口对隔离室或真空室内的工件进行加工。
二、激光加工的应用
激光加工可用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存贮等各个领域。
已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性，受到广泛的重视。
§7-6其他特种加工
一、电子束加工
1-电源及控制系统2-抽真空系统3-电子枪系统4-聚焦系统
5-电子束6-工件
电子束加工原理及设备组成示意图
1、电子束加工的原理
电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106~109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而使材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。
2、电子束加工的应用
电子束加工按其能量密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。
例如在0.1mm厚的不锈钢板上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000个孔。
3、电子束加工的特点
（1）电子束可以微细地聚焦，是一种精密微细的加工方法。
（2）能量密度高，生产效率高，是非接触式加工，不产生应力和变形，加工材料范围广。
（3）可以通过电场或磁场对电子束的强度、位置、聚焦等直接进行控制，整个加工系统易实现自动化。
（4）污染少，表面不氧化，特适合加工易氧化的材料。
（5）整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。
二离子束加工
离子束加工的原理和电子束加工基本相似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦，使之冲击到工件表面。
不同的是离子带正电荷，其质量比电子大几个数量级（如氩离子的质量是电子的7.2万倍），所以离子在加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的冲击动能，它是利用微观的机械冲击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。
离子束加工的特点
1、离子束加工除具有电子束加工的特点外，还由于离子束密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级（1纳米为0.001um）的加工精度。
2、污染少，特别适合易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。
3、加工应力热变形极小，加工质量高。
4、费用贵、成本高，应用范围受限
其他特种加工
三、电解磨削加工
电解磨削是利用阳极溶液和机械磨削两种作用的复合加工。
四、水射流切割技术
水射流切割技术又称液体喷射加工，是利用高压高速水流对工件的冲击作用材料的，有时简称水切割，俗称水刀。
升级会员 