機(jī)械制造基礎(chǔ) 課件 第8章 先進(jìn)加工技術(shù)簡介

第8章先進(jìn)加工技術(shù)簡介精密與超精密加工特種加工快速成型技術(shù)數(shù)控機(jī)床加工主要內(nèi)容：精密加工的概念金剛石精密、超精密切削精密、超精密磨削研磨8.1精密與超精密加工主要內(nèi)容及要求：第8章先進(jìn)加工技術(shù)簡介1.精密加工：在一定的發(fā)展時(shí)期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到較高程度的加工工藝。2.超精密加工：在一定的發(fā)展時(shí)期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到最高程度的加工工藝。瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)——

鏜孔精度1mm20世紀(jì)40年代——

最高精度1μm20世紀(jì)末

——

精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亞微米加工）超精密加工：≤0.01μm

，Ra≤

0.001μm（納米加工）最高精度是相對的一、精密加工的概念指用高精密機(jī)床和金剛石刀具進(jìn)行切削加工的方法。1.切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行（圓角半徑納米級）2.切削力＞原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá)13000N/mm2）3.刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受4.與傳統(tǒng)精加工相反，高速切削時(shí)工件變形小，表層高溫不會(huì)波及工件內(nèi)層，尺寸精度高，表面質(zhì)量好。（一）機(jī)理、特點(diǎn)二、金剛石精密、超精密切削（二）金剛石刀具1.刀具材料：天然金剛石，人造金剛石2.刃磨

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通常在鑄鐵研磨盤上進(jìn)行研磨

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晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行

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圓角半徑越小越好（理論可達(dá)到1nm）

天然單晶金剛石性能優(yōu)異，例如：硬度極高，耐磨性和導(dǎo)熱性好；與有色金屬的親合力小，抗粘結(jié)性好，摩擦系數(shù)低；能刃磨出鋒銳的刃口，刃口半徑可達(dá)納米級水平，可實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度，得到超光滑的鏡面，被公認(rèn)為是理想的不能替代的超精密切削刀具材料。1.用于銅、鋁及其合金的精密切削。切削鐵基合金，由于Fe?C親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量。2.加工各種紅外光學(xué)材料，如鍺、硅、ZnS和ZnSe等3.加工有機(jī)玻璃和各種塑料。4.典型產(chǎn)品：激光反射鏡、照像機(jī)塑膠鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片、超精密鏡頭用的模具等。（三）應(yīng)用三、精密和超精密磨削

用精確修整過的砂輪在精密磨床上進(jìn)行微量磨削的加工方法。砂輪經(jīng)過精細(xì)修整，使磨粒具有微刃性和等高性，加工后的表面留下大量極細(xì)微的磨削痕跡，殘留高度極小。

磨削機(jī)理可歸納為三個(gè)方面：

①微刃的微切削作用；②微刃的等高切削作用；

③

微刃的滑擠、摩擦和拋光作用。（一）磨削機(jī)理（二）特點(diǎn)1.應(yīng)用廣泛。從軟金屬到淬火鋼、不銹鋼、高速鋼難加工材料，以及半導(dǎo)體材料、陶瓷等硬脆非金屬材料。2.去除量很小，亞微米級甚至更小。尺寸精度和形位精度0.1～0.3μm，表面粗糙度值≤Ra0.05μm。3.易產(chǎn)生加工硬化、淬火硬化、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力層、磨削裂紋等缺陷。三、精密和超精密磨削（NontraditionalmachiningTechnology）（一）特種加工的概念

非傳統(tǒng)加工技術(shù)，又稱特種加工。通常被理解為：

有別于傳統(tǒng)切削和磨削加工方法的總稱。8.2特種加工一、特種加工概述

特種加工：是指將電、磁、聲、光等物理或化學(xué)能量或其組合，直接施加在工件被加工的部位上，從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等的加工方法。1.不是主要依靠機(jī)械能，而是利用其它能量去除材料，如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等。2.加工工具不受顯著切削力的作用。對工具和工件的強(qiáng)度、硬度和剛度均沒有嚴(yán)格要求。3.易于獲得好的加工質(zhì)量。一般不會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，工件熱變形小，加工應(yīng)力也小。4.加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。5.加工效率低。去除材料的速度一般低于常規(guī)加工方法。這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導(dǎo)地位的主要原因。（二）特種加工的特點(diǎn)方法很多，比較常用的有：

電火花加工、電解加工、電鑄加工（金屬離子沉積）超聲波加工、激光加工等。（三）分類（按加工機(jī)理和采用的能源劃分）1.拓寬現(xiàn)有特種加工方法的應(yīng)用領(lǐng)域。2.探索新的加工方法。3.采用數(shù)控、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等高新技術(shù)，提高加工過程的自動(dòng)化、柔性化程度。4.環(huán)?！熬G色加工”。（四）發(fā)展趨勢1.加工原理（一）電火花成型加工

電火花加工原理示意圖進(jìn)給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源絕緣液體介質(zhì)這一過程大致可分為四個(gè)階段：工具電極工件電極脈沖火花放電瞬時(shí)高溫工件材料被熔化、氣化絕緣液體被局部加熱迅速被除去高壓被熔化的工件材料達(dá)到加工目的主要指用成型電極加工異型孔、型腔等。二、電火花加工2.電火花加工的四個(gè)階段

（1）極間液體介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道，圖a；（2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹，圖b、圖c；（3）在高壓作用下，拋出蝕除物，圖d；（4）板間的間隙介質(zhì)消電離（恢復(fù)絕緣狀態(tài)），圖e。

3.應(yīng)具備的條件（1）工具電極材料：要求導(dǎo)電、損耗小、易加工；常用材料：紫銅、石墨、鋼、黃銅、鉬絲等。（2）工作液：具有一定絕緣性。主要作用提高放電能量密度，加速蝕物排出；常用煤油、機(jī)油、乳化液等。（3）合理的放電間隙：工具與工件被加工表面，間隙過大，不產(chǎn)生火花放電；間隙過小，易短路。（4）應(yīng)是脈沖放電，并有一定的脈沖寬度和脈沖間隙。脈沖頻率高、持續(xù)時(shí)間短，每個(gè)脈沖去除金屬量少，Ra值小，但加工速度低。通常，放電持續(xù)時(shí)間在2μs~2ms范圍內(nèi)，各個(gè)脈沖的能量2mJ～20J（電流為400A時(shí)）之間。（1）可加工任何導(dǎo)電材料。不受工件材料力學(xué)性能限制。（2）加工時(shí)無顯著切削力，發(fā)熱小，加工質(zhì)量較好。適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等。（3）脈沖參數(shù)調(diào)整方便，可一次裝夾完成粗、精加工。（4）直接使用電能加工，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。

4.主要特點(diǎn)5.應(yīng)用：適于各種導(dǎo)電性好的金屬材料。

打孔：加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等，尤其是異型孔的加工。

型腔加工：鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等的型腔；

曲面加工：葉輪、葉片等。電火花成型加工機(jī)床電火花加工機(jī)床和產(chǎn)品實(shí)例成型加工產(chǎn)品電火花線切割原理示意圖XY儲(chǔ)絲筒導(dǎo)輪電極絲(－)工件（＋）（二）電火花線切割加工1.工作原理：用連續(xù)移動(dòng)的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。工作臺(tái)帶動(dòng)工件作X、Y方向移動(dòng)，切割出二維圖形（圖示）。當(dāng)絲架作小角度擺動(dòng)時(shí)，可切割出斜面。工件接電源正極，鉬絲接負(fù)極。3.應(yīng)用：適用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板，各種形狀復(fù)雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。2.主要特點(diǎn)

與電火花成型加工相比，具有以下特點(diǎn)：①不需要制造成型電極，電極為很細(xì)的金屬絲，且機(jī)床具有間隙補(bǔ)償功能，可方便地加工出復(fù)雜形狀的工件、微孔和窄縫等。②電極損耗較小，對加工精度影響小。工具電極為移動(dòng)著的長細(xì)絲，單位長度損耗較小。尺寸精度可達(dá)0.01mm，表面粗糙度Ra值為1.6~0.8μm。。③材料利用率高。只對工件材料進(jìn)行圖形輪廓加工，圖形中或圖形外的余料還可以利用。

加工時(shí)，工件接陽極，具有一定型面的工具接陰極，兩極間加6～24V直流電壓，并保持0.1～1mm間隙。在間隙處通以6～60m/S高速流動(dòng)電解液，形成極間導(dǎo)電通路。工件陽極表面材料不斷溶解，溶解物及時(shí)被電解液沖走。工具陰極不斷進(jìn)給，并保持極間間隙，最終工具電極的形狀復(fù)制在工件上，獲得所需的加工形狀。

電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進(jìn)給工具陰極（銅或不銹鋼）（一）原理：利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽極溶解原理加工工件。三、電解加工不受材料強(qiáng)度、硬度限制，凡是能導(dǎo)電的材料均可加工。

加工形面、型腔生產(chǎn)率高（比電火花加工高5～10倍）。陰極在加工中損耗很小。加工表面質(zhì)量好，無毛刺、殘余應(yīng)力和變形層。設(shè)備投資大，有污染和腐蝕作用，需防護(hù)。

航空航天、模具制造領(lǐng)域，適于加工型面、型腔、穿孔套料、電解拋光、倒棱、去毛刺、刻印等。（二）電解加工的特點(diǎn)（三）電解加工的應(yīng)用電解磨削＝電解＋機(jī)械磨削（一）工作原理：工件與磨輪保持一定接觸壓力，突出的磨料使磨輪導(dǎo)電基體與工件之間形成一定間隙，電解液從中流過時(shí)，工件作為陽極而溶解，表面生成一層氧化膜，被機(jī)械磨削刮除，露出新的金屬表面，繼續(xù)進(jìn)行電解。電解作用與磨削作用交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)加工。導(dǎo)電磨輪電解液電刷工作臺(tái)工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽極膜四、電解磨削（二）特點(diǎn)

與機(jī)械磨削相比，具有以下特點(diǎn)：①生產(chǎn)率高。電解磨削效率比機(jī)械磨削高，且磨輪損耗遠(yuǎn)比機(jī)械磨削小，特別是磨削硬質(zhì)合金時(shí)，效果更明顯。粗、精加工一次完成，加工成本降低。②加工范圍廣?？梢约庸と魏胃哂捕取⒏唔g性的金屬材料。③表面質(zhì)量好。電因解磨削加工時(shí)，壓力小，發(fā)熱少，磨輪的損耗比較小，并且不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、變形、燒傷、崩刃、裂紋和毛刺等缺陷。④輔助設(shè)備較多，設(shè)備的投資費(fèi)用較高，并且加工過程中有刺激性氣體致電解液霧產(chǎn)生，需要加防護(hù)、排風(fēng)等措施。（三）應(yīng)用：主要適用于磨削高強(qiáng)度、高硬度的金屬材料，如硬質(zhì)合金刀具、量具、軋輥、擠壓模和拉絲模等。（一）基本原理：與電鍍相同，不同之處在于：電鑄加工要求電鑄層與原模必須容易分離，電鑄層的厚度也遠(yuǎn)大于電鍍層。

加工時(shí)，可導(dǎo)電的原模作陰極，用于電鑄的金屬作陽極，含電鑄材料金屬鹽溶液作電鑄溶液。在直流電源的作用下，電鑄溶液中的金屬離子在陰極還原成金屬，沉積于原模表面，陽極金屬則失去電子變成金屬離子不斷地溶解到電鑄液中，使溶液中金屬離子的濃度保持不變。當(dāng)陰極原模電鑄層逐漸加厚達(dá)到所要求的厚度時(shí)，與原模分離，從而獲得與原模型面相反的電鑄制件。五、電鑄加工（二）特點(diǎn)（三）應(yīng)用①加工質(zhì)量好。尺寸精度高、表面粗糙度值低Ra≤0.1μm，且同一原模生產(chǎn)的電鑄件一致性極好。②適應(yīng)性廣。能制造用其它加工方法不能或很難加工的特殊形狀零件。③可以制造多層結(jié)構(gòu)的零件和高純度的金屬制品。⑤能準(zhǔn)確地復(fù)制表面輪廓和微細(xì)紋路。⑥電鑄加工生產(chǎn)周期較長，尖角和凹槽處鑄層不均勻，鑄層存一定的內(nèi)應(yīng)力，原模上的劃痕等缺陷會(huì)帶到制品上去。

復(fù)制精度和重復(fù)精度極高，可用于形狀復(fù)雜、精度要求很高的空心零件、薄壁件、微細(xì)精密零件。1.利用工具端面作超聲（16～25kHz）振動(dòng)，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨氣蝕來實(shí)現(xiàn)加工。2.超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動(dòng)，此時(shí)振幅一般很小，再通過振幅擴(kuò)大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。

（一）工作原理

變幅桿超聲波發(fā)生器超聲波加工原理圖振動(dòng)方向工具換能器工作液噴嘴工件六、超聲波加工適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等?？杉庸じ鞣N復(fù)雜形狀的型孔、型腔、形面。工具與工件不需作復(fù)雜的相對運(yùn)動(dòng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單。被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達(dá)0.01～0.05mm。加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。生產(chǎn)效率較低。采用超聲復(fù)合加工（如超聲車削，超聲磨削，超聲電解加工，超聲線切割等）可提高加工效率。（二）超聲波加工特點(diǎn)及應(yīng)用超聲波加工機(jī)床超聲波加工樣件1.激光是一種受激輻射而得到的加強(qiáng)光。其基本特征：強(qiáng)度高，亮度大單色性好，波長頻率確定相干性好，相干長度長方向性好，幾乎是一束平行光。（一）工作原理當(dāng)激光束照射到工件表面時(shí)，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，照射斑點(diǎn)處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴(kuò)散，使斑點(diǎn)周圍金屬熔化，小坑內(nèi)金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個(gè)方向性很強(qiáng)的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個(gè)上大下小的孔。激光器工件工作臺(tái)激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源七、激光加工1.固體激光器

（1）YAG（結(jié)晶母材由釔、鋁和石榴石構(gòu)成）激光器；（2）紅寶石激光器。（1）混合氣體：氦約80%，氮約15%，CO2約5%。（2）通過高壓直流放電進(jìn)行激勵(lì)（3）波長10.6μm，為不可見光。（4）能量效率5%～15%。反射凹鏡反射平鏡電極放電管CO2氣體冷卻水進(jìn)口冷卻水出口激光高壓直流電源CO2激光器示意圖2.氣體激光器——CO2激光器（圖示）（二）激光器

加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點(diǎn)材料、硬脆材料。

加工性能好。可在其