第三章 先进制造工艺(2)

先进制造技术先进制造工艺河北工业大学机械学院特种加工Non-traditionalMachining1主要内容概述电火花加工电化学加工高能束加工超声波加工21.1特种加工的产生与发展第二次世界大战后，特别是进入20世纪50年代以来，随着生产发展和科学实验的需要，对机械制造部门提出了下列新的要求：(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。3451.2特种加工的概念随着社会生产的需要和科学技术的进步，20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工。61.2特种加工的概念由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。这些新加工方法从广义上定义为特种加工(NTM，Non-TraditionalMachining)，也被称为非传统加工技术，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。71.3特种加工的特点及发展与传统的机械加工相比，特种加工的不同点是：(1)不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料。(2)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。(3)各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。8特种加工与传统加工的区别传统加工：以硬克软特种加工：工具的硬度不一定大于工件的硬度传统加工：利用机械能特种加工：利用电能、化学能、声能、光能等传统加工方法：利用机械能和切削力来切除工件金属而达到制造要求，其加工实质是“以硬对软”。9正因为特种加工工艺具有上述特点，所以就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。目前，国际上对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：(1)微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究正方兴未艾，特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术。(2)特种加工的应用领域正在拓宽。例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。1.3特种加工的特点及发展10(3)广泛采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花加工的发展方向。目前已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标。1.3特种加工的特点及发展11我国的特种加工技术起步较早。20世纪50年代中期我国工厂已设计研制出电火花穿孔机床，60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极—机械切割的基础上发明了我国独创的快走丝线切割机床，上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。但是由于我国原有的工业基础薄弱，特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平有不少差距，每年还需从国外进口300台以上高档电加工机床。1.3特种加工的特点及发展121.4特种加工的发展方向❋向微细加工、纳米加工方向发展（微细电火花、超声波、激光、电化学等）电火花打孔φ10μm激光打孔131.4特种加工的发展方向❃自动化、柔性化、集成化、智能化概念和技术渗透到特种加工领域（加工质量和效率高、多品种小批量、设计制造一体化、智能决策）❃新方法、新技术（新的加工方法、复合加工）❃绿色制造（用水基液代替有污染的工作液）141.5特种加工的分类特种加工的分类还没有明确的规定，一般按能量来源和作用形式以及加工原理可分为表1-1所示的形式。表1-1常用特种加工方法的分类加工方法主要能量形式作用形式符号电火花加工电火花成型加工电能、热能熔化、气化EDM电火花线切割加工电能、热能熔化、气化WEDM电化学加工电解加工电化学能金属离子阳极溶解ECM(ELM)电解磨削电化学能、机械能阳极溶解、磨削EGM(ECG)电解研磨电化学能、机械能阳极溶解、研磨ECH电铸电化学能金属离子阴极沉积EFM涂镀电化学能金属离子阴极沉积EPM高能束加工激光束加工光能、热能熔化、气化LBM电子束加工光能、热能熔化、气化EBM离子束加工电能、机械能切蚀IBM等离子弧加工电能、热能熔化、气化PAM15表1-1常用特种加工方法的分类物料切蚀加工超声加工声能、机械能切蚀USM磨料流加工机械能切蚀AFM液体喷射加工机械能切蚀HDM化学加工化学铣削化学能腐蚀CHM化学抛光化学能腐蚀CHP光刻光能、化学能光化学腐蚀PCM复合加工电化学电弧加工电化学能熔化、气化腐蚀ECAM电解电化学机械磨削电能、热能离子溶解、熔化、切割MEEC16尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各种特种加工的能量来源、作用形式、工艺特点却不尽相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各自还都具有一定的局限性。为了更好地应用和发挥各种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析，区别对待，合理选择特种加工方法。表1-2对几种常见的特种加工方法进行了综合比较。1.5特种加工的分类17表1-2几种常见特种加工方法的综合比较加工方法可加工材料工具损耗率/%(最低/平均)材料去除率/(mm3/min)(平均/最高)可达到尺寸精度/mm(平均/最高)可达到表面粗糙度Ra/μm(平均/最高)主要适用范围电火花成型加工任何导电金属材料，如硬质合金钢、耐热钢、不锈钢、淬火钢、钛合金等0.1/1030/30000.03/0.00310/0.04从数微米的孔、槽到数米的超大型模具、工件等，如各种类型的孔、各种类型的模具电火花线切割加工较小(可补偿)20/200*(mm2/min)0.02/0.0025/0.32切割各种二维及三维直纹面组成的模具及零件，也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属切削电解加工不损耗100/100000.1/0.011.25/0.16从微小零件到超大型工件、模具的加工，如型孔、型腔、抛光、去毛刺等18电解磨削1/501/1000.02/0.0011.25/0.04硬质合金钢等难加工材料的磨削，如硬质合金刀具、量具等超声波加工任何脆性材料0.1/101/500.03/0.0050.63/0.16加工脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、金刚石、硅等，可加工型孔、型腔、小孔等激光加工任何材料不损耗(三种加工，没有成型用的工具)瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高0.01/0.00110/1.25精密加工小孔、窄缝及成型切割、蚀刻，如金刚石拉丝模、钟表宝石轴承等电子束加工在各种难加工材料上打微小孔、切缝、蚀刻、焊接等，常用于制造大、中规模集成电路微电子器件离子束加工很低/0.01μm/0.01对零件表面进行超精密、超微量加工、抛光、刻蚀、掺杂、镀覆等表1-2几种常见特种加工方法的综合比较192电火花加工EDM—ElectricalDischargeMachining☯电火花加工的原理☯电火花加工的机理☯影响电蚀量的主要因素☯电火花加工的设备☯电火花加工的应用☯电火花线切割202.1电火花加工的原理电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。电腐蚀现象的原因火花放电→产生热量→高温→金属局部熔化、气化→被去除电火花加工原理演示212.1电火花加工原理－实现条件极间保持一定放电间隙→自动进给调节系统间隙过大：不能击穿间隙过小：短路接触瞬时的脉冲放电（10-7~10-3s）→脉冲电源连续放电：电弧放电，无法控制尺寸输送到两极间的能量要足够大，即放电通道要有很大的电流密度（一般为105-1016A/cm2）222.1电火花加工原理－实现条件两电极之间必须充入介质→工作液循环过滤系统工作液：煤油、皂化液、去离子水工作液的作用有利于火花放电排除电蚀产物冷却电极和工件对导电材料进行尺寸加工时，两极间为液体介质；进行材料表面强化时，两极间为气体介质。232.2电火花加工的机理图2-1电火花加工机理脉冲电源工具电极工件电极(a)(b)(c)(d)(e)BA242.2电火花加工的机理(1)极间介质的电离、击穿，形成放电通道。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的A、B处电场强度最大。工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。252.2电火花加工的机理(1)极间介质的电离、击穿，形成放电通道。放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。262.2电火花加工的机理极间介质的电离、击穿、形成放电通道＋－－272.2电火花加工的机理(2)电极材料的熔化、气化热膨胀。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。282.2电火花加工的机理介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀+－292.2电火花加工的机理(3)电极材料的抛出。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。302.2电火花加工的机理电极材料抛出+－存在下面三种作用热爆炸力瞬时膨胀电动力正负离子对电极的冲击压力流体动力蒸发、分解气体312.2电火花加工的机理(4)极间介质的消电离。加工液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。322.2电火花加工的机理一次电火花腐蚀的微观过程（3）►电极材料抛出气化区熔化区热影响区无变化区332.2电火花加工的机理上述步骤(1)～(4)在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行；即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲又作用到工具电极和工件上，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，蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成(如图2-2所示)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。342.2电火花加工的机理图