《機械制造技術 第2版》課件 -張善文 第七章 特種加工

第七章特種加工

第一節(jié)概述特種加工就是當傳統(tǒng)切削加工方法對產(chǎn)品（或材料）無法實施或保證不了規(guī)定的精度要求時而應用物理的（力、熱、聲、光、電）或化學的方法進行加工的手段。1）用機械能以外的其他能量去除工件上多余的材料，以達到圖樣上全部技術要求。2）打破傳統(tǒng)的硬刀具加工軟材料的規(guī)律，刀具硬度可低于被加工材料的硬度，可謂“以柔克剛”。3）在切削加工中，工具與工件不受切削力的作用。特種加工與傳統(tǒng)切削加工方法在原理上的主要區(qū)別：1）電能與熱能作用方式有：電火花成形與穿孔加工、電火花線切割加工、電子束加工和等離子束加工。2）電能與化學能作用方式有：電解加工、電鑄加工和刷鍍加工。3）化學能與機械能作用方式有：電解磨削、電解珩磨。4）聲能與機械能作用方式有：超聲波加工5）光能與熱能作用方式有：激光加工。6）電能與機械能作用方式有：離子束加工。7）液流能與機械能作用方式有：擠壓珩磨和水射流切割。特種加工的分類第二節(jié)電火花及線切割加工電火花加工（electricaldischargemachining,EDM）（放電加工或電蝕加工）：利用工具電極和工件電極間瞬時火花放電所產(chǎn)生的高溫來熔蝕材料。一、工作原理1-工件2-脈沖電源3-自動進給調節(jié)裝置4-工具5-工作液6-過濾器7-工作液泵8-被蝕除的材料工具和工件與電源的兩極相接，均浸在有一定絕緣度的流體介質（通常用煤油或礦物油）中。

脈沖電壓加到兩極之間，在工具電極向工件電極運動中，將極間最近點的液體介質擊穿，形成火花放電。由于放電通道截面積很小，通道中的瞬時高溫使材料熔化和氣化。單個脈沖能使工件表面形成微小凹坑，而無數(shù)個脈沖的積累將工件上的高點逐漸熔蝕。隨著工具電極不斷地向工件作進給運動，工具電極的形狀便被復制在工件上。

加工過程中所產(chǎn)生的金屬微粒，則被流動的工作液流帶走。

同時，總能量的一小部分也釋放到工具電極上形成一定的工具損耗。

電火花加工應具備如下條件：（１）工具電極和工件電極之間必須保持一定的間隙。這可由自動進給調節(jié)裝置調節(jié)。間隙可在幾微米至幾百微米之間，間隙過大極間電壓不能擊穿兩極間介質而不能產(chǎn)生火花放電，間隙過小則會引起拉弧燒傷或短路。由于工件不斷被蝕除，工具電極也有一定的損耗，間隙將不斷擴大。這就要求工具不但要隨著工件材料的不斷蝕除而進給，形成工件要求的尺寸和形狀，而且還要不斷地調節(jié)進給速度，有時甚至要停止進給或回退以保持恰當?shù)姆烹婇g隙。由于放電間隙很小，且位于工作液中無法觀察和直接測量，因此必須要有自動進給調節(jié)系統(tǒng)來保持恰當?shù)姆烹婇g隙。（２）必須采用脈沖電源。因火花放電必須是瞬時的脈沖放電，放電延續(xù)一段時間（通常10-7～10-8s）后，需停歇一段時間。（３）必須在有一定絕緣性能的流動的工作液中進行火花放電.這有利于產(chǎn)生脈沖性火花放電，并排除放電間隙中的電蝕物，以免間隙中電蝕產(chǎn)物過多而引起已加工過的側表面間“二次放電”，影響加工精度，還可以對電極及工件表面起較好的冷卻作用。二影響加工精度和表面質量的主要因素

1影響加工精度的主要因素（１）放電間隙的大小和一致性（２）工具電極的損耗及“二次放電”

(3)工具電極相對于工件電極的安裝和導向誤差二次放電是指已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等的介入而再次進行的非正常放電。二次放電主要是在加工深度方向的側面產(chǎn)生斜度和使加工棱角邊變鈍。圖6-2加工斜度的產(chǎn)生a)工具損耗產(chǎn)生加工斜度b)輪廓對比圖1-工具電極無損耗時的輪廓線2-工具電極有損耗但不考慮二次放電時的工件輪廓線1`-工具電極有損耗時的輪廓線2`-工具電極有損耗且產(chǎn)生二次放電時的工件輪廓線3-工件4-工具電極另外，工具的尖角或凹角很難精確地復制在工件的表面上。圖6-3尖角變圓現(xiàn)象a)加工外表面b)加工內表面1-工件電極2-工具電極2．電火花加工的表面質量（１）表面粗糙度：單個脈沖能量、工具電極的表面粗糙度、加工速度。（２）表面變質層：熔化凝固層、熱影響層及顯微裂紋。（３）表面力學性能：表面最外層硬度與耐磨性、殘余應力、耐疲勞性能特點:（１）可加工難切削加工的導電材料，如淬火鋼、硬質合金、不銹鋼、工業(yè)純鐵等。（２）工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。（３）加工時無顯著機械切削力，有利于小孔、窄槽、型孔、曲線孔及薄壁零件加工，也適合于精密細微加工。（４）脈沖參數(shù)可任意調節(jié)，加工中只要更換工具電極或采用階梯形工具電極就可以在同一機床上連續(xù)進行粗、半精和精加工。（５）通常效率低于切削加工，可先用切削加工粗加工，再用電火花精加工。（６）放電過程中有一部分能量消耗于工具電極而導致工具電極消耗，對成形精度有一定影響。二、電火花加工的工藝特點及應用電火花加工應用在穿孔加工、型腔加工、線切割加工、電火花磨削與鏜磨加工、電火花展成加工、表面強化、非金屬電火花加工或用于打印標記、刻字、跑合齒輪嚙合件、取出折斷在零件中的絲錐或鉆頭等方面。電火花加工的應用３．電火花線切割加工電火花線切割加工簡稱“線切割”，它是通過線狀工具電極按規(guī)定的軌跡與工件間相對運動，切割出所需工件的。

1-儲絲筒2-工作臺驅動電機3-導輪4-電極絲5-工件6-脈沖電源1加工原理我國：高速往復走絲方式，一般走絲速度為8～10m/s，國外：慢速單向走絲方式，通常走絲速度低于0.2m/s。線切割機床普遍采用計算機數(shù)字控制（CNC）裝置。

2線切割加工設備

(1)．主機 機床本體主要由床身、工作臺、運絲機構和絲架等組成，具體介紹如下：

遼陽職業(yè)技術學院 2．脈沖電源 電火花線切割加工的脈沖電源與電火花成型加工作用的脈沖電源在原理上相同，不過受加工表面粗糙度和電極絲允許承載電流的限制，線切割加工脈沖電源的脈寬較窄(2～60μs)，單個脈沖能量、平均電流(1～5A)一般較小，所以線切割總是采用正極性加工。

遼陽職業(yè)技術學院

3．數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)在電火花線切割加工中起著重要作用，具體體現(xiàn)在兩方面：

(1)軌跡控制作用。它精確地控制電極絲相對于工件的運動軌跡，使零件獲得所需的形狀和尺寸。6-5 遼陽職業(yè)技術學院 (2)加工控制。它能根據(jù)放電間隙大小與放電狀態(tài)控制進給速度，使之與工件材料的蝕除速度相平衡，保持正常的穩(wěn)定切割加工。 目前絕大部分機床采用數(shù)字程序控制，并且普遍采用繪圖式編程技術，操作者首先在計算機屏幕上畫出要加工的零件圖形，線切割專用軟件(如YH軟件、北航海爾的CAXA線切割軟件)會自動將圖形轉化為ISO代碼或3B代碼等線切割程序。遼陽職業(yè)技術學院 4.工作液循環(huán)系統(tǒng) 工作液循環(huán)與過濾裝置是電火花線切割機床不可缺少的一部分，其主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制閥、進液管、回液管和過濾網(wǎng)罩等。工作液的作用是及時地從加工區(qū)域中排除電蝕產(chǎn)物，并連續(xù)充分供給清潔的工作液，以保證脈沖放電過程穩(wěn)定而順利地進行。目前絕大部分快走絲機床的工作液是專用乳化液。乳化液種類繁多，大家可根據(jù)相關資料來正確選用。遼陽職業(yè)技術學院3.電火花線切割加工特點：（1）由于加工表面的輪廓是由CNC控制的復合運動所獲得，所以可切割復雜表面。（2）可加工細微的幾何形狀，切縫和很小的內角半徑。線電極在加工中不斷運動，使單位長度金屬絲損耗較少，對加工精度影響小。（3）無需特定形狀的工具電極，降低、節(jié)約了生產(chǎn)成本及準備工時。（4）在電參數(shù)相同情況下，比穿孔加工生產(chǎn)率高，自動化程度高，操作使用方便。（5）加工同樣的工件，其總蝕除量少，材料利用率高，對加工貴重金屬有著重要意義。（6）線切割的缺點是不能加工盲孔類零件和階梯成形表面。第三節(jié)電解加工電解加工（electrochemicalmachining，ECM）是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解反應而去除工件上多余的材料、將零件加工成形的一種方法。

一、電解加工過程及成型原理1-直流電源2-工具陰極3-工件陽極

4-電解液泵5-電解液加工時，工件接電源正極（陽極），按一定形狀要求制成的工具接負極（陰極），工具電極向工件緩慢進給，并使兩極之間保持較小的間隙（通常為0.02～0.7mm），利用電解液泵在間隙中間通以高速（5～50m/s）流動的電解液。在工件與工具之間施加一定電壓，陽極工件的金屬被逐漸電解蝕除，電解產(chǎn)物被電解液帶走，直至工件表面形成與工具表面基本相似的形狀為止。圖中的細豎線表示通過陽極（工件）和陰極（工具）間的電流。豎線的疏密程度表示電流密度的大小加工開始時，工件陽極與工具陰極的形狀不同，工件表面上的各點至工具表面的距離不等，因而各點的電流密度不等。陽極與陰極距離較近的地方通過的電流密度較大，電解液的流速也較高，陽極溶解的速度也就較快，而距離較遠的地方，電流密度就小，陽極溶解就慢。由于工具相對工件不斷進給，工件表面上各點就以不同的溶解速度進行溶解，電解產(chǎn)物不斷被電解液沖走，直至工件表面形成與工具表面基本相似的形狀為止。電解液可分為中性鹽溶液、酸性溶液、堿性溶液三大類。中性鹽溶液的腐蝕性小，使用時較安全，故應用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3和NaClO3三種電解液，

1．生產(chǎn)率及其影響因素（１）電化學當量對生產(chǎn)率的影響電化學當量愈大，生產(chǎn)率愈高。實際電蝕量為二、加工的生產(chǎn)率,加工精度和表面質量（２）電流密度對生產(chǎn)率的影響電流密度越高，生產(chǎn)率越高，但在增加電流密度的同時，電壓也隨著增高，因此應以不擊穿加工間隙、引起火花放電、造成局部短路為度。（３）加工間隙對生產(chǎn)率的影響加工間隙越小，電解液的電阻越小，電流密度越大，蝕除速度也就越高。但間隙太小會引起火花放電或間隙通道內電解液流動受阻、蝕除物排除不暢，以至產(chǎn)生局部短路，反而使生產(chǎn)率下降，因此間隙較小時應加大電解液的流速和壓力。此外電源電壓、電解液種類、工件材料的化學成分和組織結構都對生產(chǎn)率有影響。2．加工精度及其影響因素不僅與加工間隙有關，還與機床、工藝裝備、工具陰極、工件、工藝參數(shù)等諸多因素有關。

提高加工精度的主要措施如下：（１）脈沖電流電解加工（２）小間隙電解加工（３）改進電解液（４）混氣電解加工3．表面質量及其影響因素（１）工件材料的合金成分、金相組織和熱處理狀態(tài)（２）工藝參數(shù)：電流密度、電解液的流速大小和溫度高低（３）工具陰極的表面質量（4）工件表面必須除油去銹（5）電解液必須經(jīng)過濾沉淀，不含固體顆粒雜質。（１）加工范圍廣不受材料本身強度、硬度和韌性的限制，可加工高強度、高硬度和高韌性等難切削的金屬材料，如淬火鋼、鈦合金、硬質合金、不銹鋼、耐熱合金，可加工葉片、花鍵孔、炮管膛線、鍛模等各種復雜的三維型面，以及薄壁、異形零件等。三、電解加工的工藝特點及應用（２）能以簡單的進給運動一次加工出形狀復雜的型面和型腔，進給速度可快達0.3～15mm/min。

（３）表面質量好加工中無切削力和切削熱的作用，所以不產(chǎn)生由此引起的變形和殘余應力、加工硬化、毛刺、飛邊、刀痕等，可以達到較低的表面粗糙度（Ra1.25～0.2μm）和±0.1mm左右的平均加工精度。電解微細加工鋼材的精度可達±10～70μm。適合于加工易變形或薄壁零件。（４）加工過程中工具電極理論上無損耗，可長期使用。因為工具陰極材料本身不參與電極反應，其表面僅產(chǎn)生析氫反應，同時工具材料又是抗腐蝕性良好的不銹鋼或黃銅等，所以除產(chǎn)生火花短路等特殊情況外，工具陰極基本上沒有損耗。（５）加工生產(chǎn)率高約為電火花加工的5～10倍以上，在某些情況下比切削加工的生產(chǎn)率還高。且加工生產(chǎn)率不直接受加工質量的限制，故一般適宜于大批量零件的加工。電解加工缺點：①電解加工影響因素多，技術難度高，不易實現(xiàn)穩(wěn)定加工和保證較高的加工精度。②工具電極的設計、制造和修正較麻煩，因而很難適用于單件生產(chǎn)。③電解加工設備投資較高，占地面積較大。④電解液對設備、工裝有腐蝕作用，電解產(chǎn)物的處理和回收困難。１．型腔加工對模具消耗較大、精度要求不太高的礦山機械、農(nóng)機、拖拉機等所需的鍛模已逐漸采用電解加工。電解加工的應用2．型面加工渦輪發(fā)動機、增壓器、汽輪機等的葉片，葉身型面形狀比較復雜、要求精度高，加工批量大，采用機械加工難度大，生產(chǎn)率低，加工周期長，而采用電解加工則不受葉片材料硬度和韌性的限制，在一次行程中就可加工出復雜的葉身型面，生產(chǎn)率高，表面粗糙度小，電解加工整體葉輪在我國已得到普遍應用。3．電解倒棱去毛刺機械加工中去毛刺的工作量很大，尤其是去除硬而韌的金屬毛刺，需要很多的人力，電解倒棱去毛刺可以大大提高工效。4.深孔擴孔加工深徑比大于5的深孔，用傳統(tǒng)切削加工方法加工，刀具磨損嚴重，表面質量差，加工效率低。目前采用電解加工方法加工φ4×2000mm、φ100×8000mm的深孔，加工精度高，表面粗糙度低，生產(chǎn)率高。電解加工深孔，按工具陰極的運動方式可分為固定式和移動式兩種。5.深小孔加工加工深小孔有兩種方法，即普通電解加工和電液束加工。6.型孔加工對一些形狀復雜、尺寸較小的四方、六方、橢圓、半圓等形狀的通孔和不通孔，機械加工很困難，可采用電解加工。7.套料加工用套料加工方法可以加工等截面的大面積異形孔或用于等截面薄形零件的下料。

復合電解磨削是利用電解作用與機械磨削作用相結合而進行加工的復合加工。

四、電解磨削1.電解磨削的基本原理復合電解磨削所用的陰極工具是含有磨粒的導電砂輪。電解磨削過程中，金屬主要是靠電化學作用腐蝕下來，導電砂輪起磨去電解產(chǎn)物陽極鈍化膜和整平工件表面的作用。導電砂輪1與直流電源的陰極相聯(lián)，被加工工件2（硬質合金車刀）接陽極，它在一定的壓力下與導電砂輪相接觸，加工區(qū)域中送入電解液3，在電解和機械磨削的雙重作用下，車刀的后刀面很快被磨光。

電解磨削原理圖

圖6-10電流從工件3通過電解液5而流向磨輪，形成通路，于是工件（陽極）表面的金屬在電流和電解液的作用下發(fā)生電解作用（電化學腐蝕），被氧化成為一層極薄的氧化物或氫氧化物薄膜4（陽極薄膜）。但陽極薄膜迅速被導電砂輪中磨粒刮除，在陽極工件上又露出新的金屬表面并被繼續(xù)電解。這樣電解作用和刮除薄膜的磨削作用交替運行，工件被連續(xù)加工，直至達到一定的尺寸精度和表面粗糙度。1磨料砂輪，2導電砂輪結合劑銅或石墨，3工件，4電解產(chǎn)物（陽極鈍化薄膜），5電解液2.電解磨削的加工特點及應用范圍

a．加工范圍廣、加工效率高由于電解作用和工程材料的機械性能關系不大，因此，只要選擇合適的電解液就可以用來加工任何高硬度、高韌性的金屬材料。加工硬質合金時，與普通的金剛石砂輪磨削相比，電解磨削的加工效率要高3～5倍。b．工件的加工精度和表面質量高由于砂輪只起刮除陽極薄膜的作用，磨削力和磨削熱都很小，不會產(chǎn)生磨削裂紋和燒傷現(xiàn)象，因而能提高加工表面質量和加工精度，一般表面粗糙度可優(yōu)于Ra0.16μm。c．砂輪的磨損量小普通刃磨時，碳化硅砂輪磨削硬質合金其磨損量為硬質合金質量的4～6倍，電解磨削時僅為硬質合金切除量的50%～100%；與普通金剛石砂輪磨削相比，電解磨削砂輪的損耗速度僅為它們的1/5～1/10，可顯著降低成本。采用電解磨削加工不僅比單純用金剛石砂輪磨削時效率提高2～3倍，而且大大節(jié)省金剛石砂輪，一個金剛石導電砂輪可用5～6年。d．對機床、工具腐蝕相對較小由于電解磨削是靠砂輪磨粒來刮除具有一定硬度和粘度的陽極鈍化膜，由此電解液中不能含有活化能力很強的活性離子（如Cl-離子），一般使用腐蝕能力較弱的NaNO3、NaNO2等為主的電解液，以提高電解成形精度和有利于機床、工具的防銹、防蝕。復合電解磨削的應用電解磨削由于集中了電解加工和機械磨削的優(yōu)點，生產(chǎn)中經(jīng)常用來磨削一些高硬度材料的零件。如：各種硬質合金刀具、量具，擠壓拉絲模，軋輥等，普通磨削難以加工的小孔、深孔、薄壁筒、細長桿件等。第四節(jié)激光加工激光是能量密度非常高的單色光，當激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速轉化為熱能，產(chǎn)生10000℃以上的高溫，從而能在極短的時間內使各種物質熔化和氣化，達到去除材料的目的。一激光的我及激光加工的基本原理

1激光的特性6-112.激光加工的基本原理圖6-12固體激光器打孔簡圖1－全反射鏡2－工作物質3－光泵4－部分反射鏡5－透鏡6－工件3加工設備

激光加工設備的基本組成：激光器光學系統(tǒng)電源機械系統(tǒng)二激光加工的工藝特點及應用

功率密度高:功率密度高達107~108W/cm2，幾乎可以加工任何金屬與非金屬材料，如高熔點材料、耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。加工速度快、熱影響區(qū)小，無加工變形和工具損耗。激光打孔(打一個孔僅0.001s)、切割的速度很高。激光加工是非接觸加工，工件無受力變形，加工的污染少，并能透過空氣、惰性氣體或透明體對工件進行加工?？赏ㄟ^由玻璃等光學材料制成的窗口對被封閉的零件進行加工。能聚焦成極細的激光束，可進行精密細微加工。激光聚焦后的焦點直徑理論上可小至0.001mm以下，實用上可以實現(xiàn)0.01mm左右的小孔加工和窄縫切割?？煽匦院?，易于實現(xiàn)加工自動化。激光加工的應用

激光打孔激光切割激光焊接激光熱處理第五節(jié)超聲波加工電火花加工和電解加工都只能加工金屬導電材料，無法加工不導電的非金屬材料，而超聲波加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合加工玻璃、陶瓷、半導體、鍺和硅片等不導電的非金屬脆硬材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷等。超聲波加工（ultrasonicmachining，USM）是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法超聲波加工是磨料在超聲波振動作用下的機械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。

一、工作原理（１）加工范圍廣a．可加工淬硬鋼、不銹鋼、鈦及其合金等傳統(tǒng)切削難加工的金屬、非金屬材料；特別是一些不導電的非金屬材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石及各種半導體等，對導電的硬質金屬材料如淬火鋼、硬質合金也能加工，但生產(chǎn)率低。b．適合深小孔、薄壁件、細長桿、低剛度和形狀復雜、要求較高零件的加工；c．適合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。二、超聲波加工的