搜索
厦门大学物理与机电工程学院机电工程系特种加工主要内容2.电化学加工1.电火花加工4.电子束加工5.离子束加工3.激光加工6.超声加工7.快速原型8.复合加工技术8.复合加工同时采用多种加工方法的复合作用，利用多种形式能量的综合作用来实现对工件材料的加工包括传统加工和特种加工的复合、特种加工和特种加工的复合。复合加工分类§8.1.机械复合加工§8.2.电化学复合加工§8.3.电火花复合加工§8.4.超声复合加工§8.1.机械复合加工机械复合加工以常规机械加工（切削、磨削）为主，辅助其他加工方法，应用机械、化学、光学、电力、磁力、流体力学、声波等多种能量进行综合加工。常用机械复合加工方法电解在线修整磨削超声切削加热切削磁力研磨电解电火花机械磨削8.1.1.电解在线修整磨削电解在线修整（ElectrolyticIn-processDressing:ELID）磨削日本物理化学研究所大森整博士发明的超精密加工技术。适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。具有效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及加工适应性广等特点，在日本已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领域。哈工大袁哲俊教授的ELID课题组于1993年开始了对该项技术的研究工作，现已成功地在平面、内圆和外圆磨床上实现了多种难加工材料的精密镜面磨削。8.1.1.电解在线修整磨削ELID磨削基本原理在磨削过程中，利用非线性电解修整作用和金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使砂轮磨粒获得恒定的突出量，始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程。8.1.1.电解在线修整磨削ELID磨削过程砂轮与电源正极相接，工具接阴极，在砂轮和电极的间隙中通过电解磨削液，利用电解过程中的阳极溶解效应，对砂轮表层的金属基体进行电解去除，从而逐渐露出崭新锋利的磨粒，形成对砂轮的修整作用。砂轮的结合剂发生氧化，形成一层钝化膜附着于砂轮表面，阻止结合剂的进一步电解。当磨粒磨损后，机械摩擦作用使得钝化膜破坏，电解修整继续进行。8.1.1.电解在线修整磨削ELID磨削技术的特点磨削过程稳定砂轮表面在磨削过程中始终保持最佳的显微起伏形貌，使得砂轮表明形成容纳磨削液和切屑的空间，从而使砂轮具有良好、稳定的磨削性能，磨削力基本恒定，为普通磨削的1/10~1/2。提高贵重磨料的利用率绝缘层的生成和电解的修整作用处于动平衡状态，即保持了金刚石砂轮表面最佳切削状态，有限制了金属结合剂的过度电解。磨削过程具有良好的可控性，易于实现磨削过程的最优化；ELID技术解决了超细金刚石砂轮的修锐问题，可以实现镜面磨削，显著减少硬脆材料加工表面的残留裂纹；装置简单，成本低，推广性强。8.1.1.电解在线修整磨削ELID磨削的必备装置——磨床、砂轮、电源、电解装置、电解液（磨削液）磨床无需特殊设计的专用机床，由一般磨削加工设备改装即可,有较高的主轴回转精度的磨床砂轮结合剂应具有良好的导电性和电解性能，而且结合剂元素的氧化物或氢氧化物不导电选择超硬磨料金刚石、立方氮化硼ELID磨削液兼做电解液，一般采用弱碱性电解质水溶液。磨削液对电解过程中形成的钝化膜的厚度、性质乃至最终的磨削效果都有重要影响。电解磨削液采用中心送液法.8.1.1.电解在线修整磨削ELID磨削方式平面磨削、外圆磨削、曲面磨削、成形磨削8.1.1.电解在线修整磨削ELID精密镜面磨削分析准备阶段：主要是对砂轮进行动平衡和精密整形，减小砂轮的圆度和圆柱度误差。电解预修锐阶段：使砂轮获得适当的出刃高度和合理的容屑空间，并形成一层钝化膜。动态磨削阶段：形成加工表面。光磨阶段：中止砂轮的电解，依靠砂轮表面的氧化膜对工件进行光磨。ELID精密镜面形成机理细粒度的磨料固着在结合剂中，单颗磨粒的有效磨削尺寸只有磨粒尺寸的1/3，磨粒主要以微切削的方式去除材料。砂轮表面形成的钝化膜具有一定的厚度和弹性，成为一种具有良好柔性的研磨膜，起到了光磨的效果。8.1.2.超声振动切削超声振动切削通过把超声振动引入车、钻、铰、攻丝、切断等加工过程，给刀具（或工件）以适当方向、一定频率和振幅的振动，以加速加工过程和改善切削功效的脉冲切削方法。20世纪50年代问世，对于难加工材料能达到优良的工艺效果，在日本、俄罗斯、美国、英国、德国等先后开展了振动切削的研究开发工作，已经进入实际应用阶段。8.1.2.超声振动切削根据切削效能振动切削分类：低频（几百Hz）、大振幅（最高可达几mm）振动：以断屑为目的高频（16KHz以上）、小振幅（最大30μm）振动：改善加工质量、提高切削效率、扩大加工范围8.1.2.超声振动切削超声振动切削原理超声频机械振动+切削刀具刀具安装最佳位置为：刀尖的高度低于工件回转中心一个振幅值。高于回转中心，车刀下振时后刀面与工件产生强烈摩擦，增加切削力，工件表面出现振纹。低于回转中心太多，刀尖振动方向与工件线速度方向不在同一方向上，增大刀尖负荷，工件表面出现振纹。8.1.2.超声振动切削超声振动切削的工艺效果形成连续的有规律的脉冲切削力波形，从而减小切削力切削温度降低瞬时切削使得热量来不及传递到工件内部断续切削有利于断屑（带走切削热量），切削液能够进入切屑区冷却刀具耐用度明显提高切削力减小、切削温度降低、冷却充分使得刀具耐用度显著提高延长刀具寿命（40~60倍），提高生产效率（2~3倍）8.1.2.超声振动切削超声振动切削应用范围难切削材料淬火钢、钛合金、陶瓷、玻璃等难加工零件细长杆、薄壁类零件、小直径精密螺纹等高精度、高表面质量工件排屑、断屑困难的切削加工8.1.3.加热切削加热切削在机械加工中引入热能的复合加工方法。在切削或磨削过程中，对工件局部瞬时加热，改变切削区工件材料的物理力学性能、表层的金相组织，降低切削区工件材料的强度，改善材料的切削性能，降低切削力和刀具磨损，延长刀具寿命，提高加工效率。8.1.3.加热切削加热热源应具备的条件能够局部加热，防止工件热变形能够提供足够热量，温度上升梯度陡，加热时间短加热装置安装、调试、使用方便、安全装置结构简单，便于维护，成本低激光加热辅助切削技术高功率激光束聚焦刀具切削刃前的工件表面，局部升温到600℃~1400℃，改变工件表面材料的性能，降低切削力加热零件表面需要一定的粗糙度，减少光的折射激光功率、光斑直径、光斑位置影响加工质量8.1.4.磁力研磨磁力研磨原理利用磁场使磁性磨料沿磁力线方向被吸附在磁极上形成磁性“磨料刷”，并对加工工件的表面形成一定的压力，磁极和工件之间产生相对运动时，磁性“磨料刷”扫过工件表面，磨料去除工件表面极薄的一层金属及毛边，将表面逐步整平以达良好的研磨效果。属于超精加工范畴8.1.4.磁力研磨磁力研磨特点可以通过改变磁场强度很方便的控制研磨压力，磨料的自动供给、回收，磨料更换方便能研磨复杂零件内外表面，可实现多面同时研磨研磨温升小，工件变形小，切削深度小，加工表面平整光洁无粉尘、废液和噪声污染，工作环境良好8.1.4.磁力研磨8.1.5.电解电火花机械磨削电解电火花机械磨削20世纪80年代，日本应用磁学研究所开发的一种以机械磨削为主，利用均匀分布8～16个导电区域的特制树脂结合剂砂轮，结合电化学反应和电火花加工的三复合加工方法，实现高速、高精度加工。8.2.电化学复合加工电化学复合加工定义以电化学加工为主，辅助其他加工方法，应用机械、电力、磁力、流体力学、声波等多种能量进行综合加工。电化学复合加工方法电解磨削电解超声抛光8.2.1.电解磨削电解磨削（ElectrochemicalGrinding）20世纪50年代初美国人研究发明的复合加工方法。利用阳极金属电化学腐蚀作用和机械磨削作用相结合的加工方法，主要依靠电化学作用蚀除金属（95%~98%）。比电解加工更好的加工精度和表面质量；比机械磨削更高的效率。8.2.1.电解磨削电解磨削原理工件接直流电源的正极，导电砂轮接负极。磨削时，两者之间保持一定的磨削压力，凸出于磨轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间隙（约0.02～0.05毫米），同时向间隙中供给电解液。在直流电的作用下，工件表面金属发生电解作用，生成阳极膜。这些电解产物不断地被砂轮刮除，在阳极工件露出新的金属表面并被继续溶解。——电解作用和磨削作用的交替进行8.2.1.电解磨削电解磨削的特点与机械磨削对比加工范围广、效率高：高硬度、高韧性的材料；砂轮磨损量小；不易达到锋利的刃口，机床、夹具需防蚀防锈，需要附加设备。与电解加工对比依靠砂轮磨削作用去除钝化膜，因此，所需电解液压力、流量较小；较高的加工精度和表面质量；采用钝化型电解液。8.2.1.电解磨削中极法8.2.1.电解磨削电解磨削应用硬质合金刀具、量具、挤压拉丝模等高硬度零件，以及加工容易产生硬化现象的材料和热敏感材料的零件：不仅能够提高磨削效率，而且可以大大减少砂轮消耗，降低成本。电解珩磨：对小孔、深孔、薄壁筒等零件进行电解珩磨，能够达到较高的生产效率和较好的表面粗糙度。8.2.2.电解超声抛光电解超声抛光超声机械抛磨和电解加工复合生产的的复合加工技术。电解超声抛光机理工具和工件之间加入钝化性的电解液，工具以超声频率对工件进行抛光，不断将突出部分的钝化膜去掉，被去掉钝化膜的表面不断溶解，直到工件表面平整。8.2.2.电解超声抛光电解加工的阳极溶解原理超声振动空化作用加速钝化膜破坏和磨料电解液的循环8.2.2.电解超声抛光手携式电解超声复合抛光8.3.电火花复合加工电火花复合加工以火花放电所产生的热能为主，与机械能、电解化学能、超声振动能等中的一种或几种能量形式复合进行的加工。常用电火花复合加工电火花磨削超声电火花放电复合加工8.3.1.电火花磨削电火花磨削依靠火花放电的能量来实现磨削，不存在机械切削作用。8.3.2.超声电火花放电复合加工超声电火花放电复合加工的提出电火花加工中，短路、断路、电弧脉冲等情况的出现使得有效的火花放电减少，从而影响了加工效率。由于表面张力、固液材料的粘结力等因素，放电过程中，被熔化的材料往往不能完全抛出，以至于影响了加工质量。8.3.2.超声电火花放电复合加工超声电火花放电复合加工的原理在普通火花放电加工的基础上，在工具电极或工件电机上叠加一个超声振动，以改善放电加工条件。设备电火花放电系统超声振动系统：主要利用超声的泵吸作用，强迫工作液流动，并且减少断路脉冲和电弧脉冲，从而增加有效火花放电比率（50%）。同步触发器：保证超声振动和电火花脉冲放电的同步，工具电极靠近工件时，正好是脉冲的持续时间，工具电极远离工件时，正好是脉冲的间隔时间。8.4.超声复合加工超声复合加工以超声加工为主，辅助其他加工方法，如机械、电力、磁力、流体力学等多种能量进行的综合加工。超声复合加工的提出超声加工存在的问题：工具磨损严重，加工效率较低，加工过程中由于工具质量变化引起的共振频率的游移影响加工效率和加工质量。超声复合加工应用超声旋转加工超声数控分层仿铣加工8.4.1.超声旋转加工超声旋转加工将超声振动工具的锤击运动和工具旋转运动的磨削作用结合在一起的复合加工。金刚石空心钻8.4.1.超声旋转加工超声旋转加工的特点加工速度快。例如，在光学玻璃上加工直径为6mm的孔，加工速度可达100mm/min，是传统超声加工的10倍，传统金刚石钻孔的6～10倍。超声振动使得排屑通畅，钻孔时无需退刀排屑，可一次进刀完成，易于实现自动化。切削力减小，在工件的边、角处钻孔不易产生破裂。对材料的适应性广，可以加工脆性材料和深孔。工具磨损减小，使用寿命延长。8.4.2.超声数控分层仿铣加工超声数控分层仿铣加工借鉴快速原型技术中的“分层”制