搜索
第一章概论第一节特种加工的产生及发展第二节特种加工的分类第三节特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响第一节特种加工的产生及发展(1)解决各种难切削材料的加工问题如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。(2)解决各种特殊复杂表面的加工问题如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模和注塑模的立体成型表面，各种冲模、冷拔模上特殊截面的型孔，炮管内膛线，喷油嘴、栅网、喷丝头上的小孔、异形小孔、窄缝等的加工。(3)解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题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、弹性元件等低刚度零件的加工。(3)解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题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)工具硬度可以低于被加工材料的硬度，如激光、电子束等加工时甚至没有成形的工具。3)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，如电火花、线切割、电解加工时工具与工件不接触。第二节特种加工的分类①线切割加工的金属去除率按惯例均用mm2/min为单位。但单向走丝和往复走丝机床间指标差异较大。②这类工艺，主要用于精微和超精微加工，不能单纯比较材料去除率。表1-1常用特种加工方法分类表特种加工方法能量来源及形式作用原理英文缩写电火花加工电火花成形加工电能、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电解磨削电化学、机械能阳极溶解、磨削EGM(ECG)电解研磨电化学、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表1-1常用特种加工方法分类表激光加工激光切割、打孔光能、热能熔化、气化LBM激光打标记光能、热能熔化、气化LBM激光处理、表面改性光能、热能熔化、相变LBT电子束加工切割、打孔、焊接电能、热能熔化、气化EBM离子束加工蚀刻、镀覆、注入电能、动能原子撞击IBM等离子弧加工切割(喷镀)电能、热能熔化、气化(涂覆)PAM超声加工切割、打孔、雕刻声能、机械能磨料高频撞击USM表1-1常用特种加工方法分类表特种加工方法能量来源及形式作用原理英文缩写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、化学能光化学腐蚀PCM快速成形液相固化法光、化学能增材法加工SL粉末烧结法光、热能纸片叠层法光、机械能电、热、机械能熔丝堆积法表1-2几种常用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/平均平均/最高可达到尺寸精度/mm平均/最高可达到表面粗糙度/μm平均/最高主要适用范围表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电火花加工任何导电的金属材料如硬质合金、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。如圆孔、方孔、异形孔、深孔、微孔、弯孔、螺纹孔以及冲模、锻模、压铸模、塑料模、拉丝模，还可刻字、表面强化、涂覆加工表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电火花线切割加工较小(可补偿)20/50m/min0．02/0．0025/0．04切割各种冲模、塑料模、粉末冶金模等二维及三维直纹面组成的模具及零件。可直接切割各种样板、磁钢、硅钢片冲片。也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属的切割表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电解加工不损耗100/100000．1/0．011．25/0．16从细小零件到1t的超大型工件及模具。如仪表微型小轴、齿轮上的毛刺，蜗轮叶片、炮管膛线，螺旋花键孔、各种异形孔，锻造模、铸造模，以及抛光、去毛刺等表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电解磨削1/501/1000．02/0．0011．25/0．04硬质合金等难加工材料的磨削。如硬质合金刀具、量具、轧辊、小孔、深孔、细长杆磨削，以及超精光整研磨、珩磨表1-2几种常用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/平均平均/最高可达到尺寸精度/mm平均/最高可达到表面粗糙度/μm平均/最高主要适用范围超声加工任何脆性材料0．1/101/500．03/0．0050．63/0．16加工、切割脆硬材料。如玻璃、石英、宝石、金刚石、半导体单晶锗、硅等。可加工型孔、型腔、小孔、深孔以及切割等表1-2几种常用特种加工方法的综合比较激光加工任何材料不损耗(三种加工，没有成形的工具)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、窄缝及成形切割、刻蚀。如金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、化纤喷丝孔镍、不锈钢板上打小孔，切割钢板、石棉、纺织品、纸张，还可焊接、热处理电子束加工离子束加工表1-2几种常用特种加工方法的综合比较很/0．01μm/0．01水射流切割钢铁、石材无损耗3000．2/0．120/5下料、成形切割、剪裁快速成形增材加工，无可比性0．3/0．110/5快速制作样件、模具第三节特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响(1)提高了材料的可加工性以往认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的，现在已广泛采用金刚石、聚晶(人造)金刚石、硬质合金制造的刀具、工具、拉丝模具，可用电火花、电解、激光等多种方法来加工它们。(2)改变了零件的典型工艺路线以往除磨削外，其他切削加工、成形加工等都必须安排在淬火热处理工序之前，这是一切工艺人员决不可违反的工艺准则。(3)特种加工改变了试制新产品的模式以往试制新产品的关键零部件时，必须先设计、制造相应的刀、夹、量具和模具，以及二次工装，现在采用数控电火花线切割，可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮(包括非圆齿轮、非渐开线齿轮)，微型电动机定子、转子硅钢片，各种变压器铁心，各种特殊、复杂的二次曲面体零件。(4)特种加工对产品零件的结构设计带来很大的影响主要有零件上尖角与圆角、零件与部件拼镶结构或整体结构的选定，例如，花键孔、轴，枪炮膛线的齿根部分，从设计观点为了减少应力集中，最好做成小圆角，但拉削加工时刀齿做成圆角对排屑不利，容易磨损，刀齿只能设计与制造成清棱清角的齿根，而用电解加工时由于存在尖角变圆现象，非采用小圆角的齿根不可。(5)对传统的结构工艺性的好与坏，需要重新衡量过去将方孔、小孔、深孔、弯孔、窄缝等认为是工艺性很“坏”的典型，对工艺、设计人员是非常忌讳的，有的甚至是禁区。(6)特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段近年来出现并快速发展的微细加工和纳米加工技术，主要是电子束、离子束、激光、电火花、电化学等电物理、电化学特种加工技术，学习和掌握了特种加工技术，使设计和工艺技术人员能够采用更小的结构，甚至微细结构。电火花加工第一节电火花加工的基本原理及其分类第二节电火花加工的机理第三节电火花加工中的一些基本规律第四节电火花加工用的脉冲电源第五节电火花加工的自动进给调节系统第六节电火花加工机床第七节电火花穿孔成形加工第八节其他电火花加工第一节电火花加工的基本原理及其分类一、电火花加工的原理和设备组成二、电火花加工的特点及其应用三、电火花加工工艺方法分类一、电火花加工的原理和设备组成1)必须使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，这一间隙随加工条件而定，通常约为0.02～0.1mm。2)火花放电必须是瞬时的脉冲性放电(图2-1)。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。图2-1晶体管脉冲电源电压、电流波形图2-3电火花加工表面局部放大图二、电火花加工的特点及其应用1.主要优点2.电火花加工的局限性1.主要优点(1)适合于任何难切削导电材料的加工由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。(2)可以加工特殊及复杂形状的表面和零件由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工宏观的切削力，因此适宜加工低刚度工件及作微细加工。2.电火花加工的局限性1)主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。2)一般加工速度较慢。3)存在电极损耗。表2-1电火花加工工艺方法分类类别工艺方法特点用途备注Ⅰ电火花穿孔成形加工1．工具和工件间主要只有一个相对的伺服进给运动2．工具为成形电极，与被加工表面有相同的截面和相反的形状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等电火花穿孔成形机床表2-1电火花加工工艺方法分类类别工艺方法特点用途备注Ⅱ电火花线切割加工1．工具电极为顺电极丝轴线方向移动着的线状电极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、DK7740数控电火花线切割机床表2-1电火花加工工艺方法分类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、表面粗糙度小的小孔，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表2-1电火花加工工艺方法分类Ⅳ电火花同步共轭回转加工1．成形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、横向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、表面粗糙度小的内、外回转体表面等约占电火花机床总数不足1%，典型机床有JN—2、JN—8内外螺纹加工机床表2-1电火花加工工艺方法分类Ⅴ电火花高速小孔加工1．采用细管(ϕ0．3mm)电极，管内冲入高压水基工作液2．细管电极旋转3．穿孔速度较高(60mm/min)1．线切割穿丝预孔2．深径比很大的小孔，如喷嘴等约占电火花机床2%，典型机床有D703A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．模具刃口，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%，典型设备有D9105电火花强化器等第二节电火花加工的机理一、极间介质的电离、击穿，形成放电通道二、介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀三、电极材料的抛出四、极间介质的消电离图2-4极间放电电压和电流波形a)电压波形b)电流波形图2-5放电间隙状况示意图1—正极2—从正极上熔化并抛出金属的区域3—放电通道4—气泡5—在负极上熔化并抛出金属的区域6—负极7—翻边凸起8—在工作液中凝固的微粒9—工作液10—放电形成的凹坑第三节电火花加工中的一些基本规律二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度三、影响加工精度的主要因素四、电火花加工的表面质量图2-6单个脉冲放电痕剖面放大示意图1—无变化区2—热影响层3—翻边凸起4—放电通道5—气化区6—熔化区7—熔化凝固层2.电参数对电蚀量的影响表2-2常用材料的热学物理常数热学物理常数材料铜石墨(碳)钢钨铝熔点/°C1083372715353410657比热容c/J·(kg·K393．561674．7695．0154．911004．8熔化热/J·k179258．4—209340159098．4385185．6沸点/°C25954830300059302450气化热/J·k5304256．9460548006290667—10894053．6热导率λ/W(m·K3．9980．8000．8161．7002．378热扩散率a/c·1．1790．2170．1500．5680．920密度ρ/g·c8．92