第6章汽车制造中的特种加工

第6章汽车制造中的特种加工技术内容简介本章将介绍机械制造中的一些现代加工技术，这些技术大多已经应用于汽车制造业中，并取得理想效果。由于这些现代加工技术与传统加工技术在加工原理或加工工艺上存在很大区别，因此将这些现代加工技术称为“特种加工技术”。学习目的和要求1、了解特种加工方法的概念、特点。2、掌握汽车制造中常见的特种加工方法的原理及其工艺。3、了解高速加工和快速成形制造技术的原理。重点与难点重点1、激光加工2、快速成型制造技术教学方法面授与多媒体相结合，让学生对特种加工方法有直观的认识；本章目录6.1特种加工技术6.2特种加工方法6.3特种加工工艺6.1特种加工技术由于这些现代加工技术与传统加工技术在加工原理或加工工艺上有很大的区别,因此将这些现代加工技术成为”特种加工技术”。特种加工技术包括特种加工方法和特种加工工艺两个方面。6.2特种加工方法一、特种加工方法的概念非传统的加工方法。它不使用普通刀具来切屑工件，而是直接利用能量来进行加工。1.特种加工方法的特点（1）不是主要依靠刀具和磨料来切除金属材料，而是利用电能、光能、声能、热能和化学能来去除金属和非金属材料。（2）所采用的工具硬度和强度可以低于工件的硬度和强度。（3）加工过程中工具和工件之间不存在明显的切削力，在切削机理上与传统加工有很大不同。6.2特种加工方法因此,特种加工方法可以用于传统方法无法进行的一些加工,如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石，石英等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性金属及非金属材料的加工，也可以对表面质量和加工精度要求非常高的低刚度零件进行加工。2.特种加工方法的种类（1）力学加工：应用机械能加工，如超声波加工、水射流加工等。（2）电物理加工：利用电能转换成热能、机械能和光能等进行加工，电火花加工、电子束加工、离子束加工等。6.2特种加工方法（3）电化学加工：利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工等。（4）激光加工：利用激光能转换为热能进行加工。二、常见特种加工方法1.电火花加工（EDM）（1）基本原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电所产生的瞬时高温来蚀除工件上多余的金属。6.2特种加工方法脉冲电源发出一连串的脉冲电压。工件和工具浸在绝缘介质中。进给系统控制工具电机缓慢进给，以便始终与工件保持一个很小的放电间隙。在对两极通电时，由于工具和工件的微观表面是凹凸不平的，离得最近处电场强度最高，其间的工作液绝缘性能较低而最先被击穿，分解成负电子和正离子，形成放电通道。在电场力的作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极。由于放电通道中电子和离子受到放电时磁场力和周围液体介质的压缩，所以放电通道截面很小，电子及离子高速流动相互碰撞,放出大量的热，温度可达℃左右，使得局部金属材料熔化和汽化蒸发，从而在工件和工具表面各形成一个微小的凹坑。4101电火花加工的原理:当工件与工具两电极间电压加到直流100V左右，极间某一间隙最小处或绝缘强度最低处介质被击穿引起电离并产生火花放电，产生瞬时高温，使工具与工件表面蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。然后经过一段时间间隔，排除电蚀产物和介质恢复绝缘，再在两级间加电…，如此连续的重复放电，工具电极不断地向工件进给就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。其加工的必备条件是：(1)必须采用脉冲电源；(2)工具电极和工件被加工表面之间必须保持一定的间隙；(3)放电必须在一定绝缘性能的液体介质中进行。6.2特种加工方法（2）电火花加工工艺影响因素①极性效应：将工件接阳极的加工称为正极性加工，工件接阴极的加工为负极性加工。由于工件正负极性接法的不同而使得工件在单位时间内蚀除材料的数量的不同称为极性效应。控制脉冲宽度就可以控制两极蚀除量的大小。短脉宽时，选正极性加工，适合于精加工；长脉宽时，选负极性加工，适合于粗加工和半精加工。②工作液：煤油、去离子水、乳化液等。电火花加工液主要作用及性能：（1）低粘度：冷却性好，流动性好，加工碎屑容易排出。（2）高闪火点、高沸点：闪火点高，不易起火；沸点高，不易汽化、损耗。(3）绝缘性好：以维系工具电极与工件之间的适当的绝缘强度。（4）臭味小：加工中分解的气体无毒，对人体无害，当然无分解气体最好。（5）对加工件不污染、不腐蚀。（6）氧化安全性要好，寿命长。（7）价格要便宜。6.2特种加工方法③电极材料：导电材料，在加工过程中要求损耗小、机械加工性能好。常用材料有紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等。（3）电火花加工的特点1.是非接触加工工件与工具电极之间放电间隙为0.1-0.01毫米，间隙中充满煤油工作液2.加工过程中没有宏观切削力3.可以“以柔克刚”4.要求工件与工具必须是导电材料5.加工参数的调节方便，可在一次安装下同时进行粗、精加工。6.电火花加工的工具电极会产生损耗，对加工精度有影响。7.电火花加工机床结构简单，几乎全部实现了数控加工。（4）、电火花加工的主要应用类别工艺方法特点用途备注1电火花穿孔成形加工1.工具和工件件主要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或形状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2电火花线切割加工1.工具电极为沿着其轴线方向移动着的线状电极2.工具与工件在两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3.直接加工出零件约占电火花机床总数的60%，典型机床有DK7725、DK7740等数控电火花线切割机床3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、表面粗糙度值小的小孔，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4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，但两者角速度相等或成整数倍，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，加工各种复杂形面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规、高精度、高对称、表面粗糙度值小的内、外回转体表面等约占电火花机床总数的1%以下，典型机床有JN-2,JN-8等内外螺纹加工机床5电火花高速小孔加工1.采用Φ0.3mm～Φ3mm空心管状电极，管内冲入高压水基工作液2.细管电极旋转1.加工速度可高达60mm/min，深径比可达1：100以上2.线切割预穿丝孔3.深径比很大的小孔，如喷嘴等约占电火花机床总数的2%，典型机床有D7003A电火花高速小孔加工机床6电火花铣削加工工具电极相对工件作平面或空间运动，类似常规铣削1.适合用简单电极加工复杂形状2.由于加工效率不高，一般用于加工较小零件各种多轴数控电火花加工机床有此功能7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，刀具、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%，典型机床有D9105电火花强化机等6.2特种加工方法6.2特种加工方法（5）发展趋势①电火花成形加工注定要在常规加工工艺难以发挥效率的复杂型腔上。②采用直线电机，实现电火花成形加工的高速化。③解决在小间隙下的局部集中放电和冲液中不均匀流场下加工屑不均匀分布的问题。④开发和充实电火花加工的专家系统。（6）、影响电火花加工精度和表面质量的主要因素影响精度的因素主要有：1.与传统的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到电火花加工的精度；2.与电火花加工工艺有关的主要因素是放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定等。电火花加工时工具电极与工件之间放电间隙大小实际上是变化的，电参数对放电间隙的影响非常显着，精加工放电间隙一般只有0.01mm（单面），而粗加工时则可达0.5mm以上。目前，电火花加工的精度为0.01~0.05mm。影响粗糙度的因素主要有：1.脉冲能量越大，加工速度越高，Ra值越大；2.工件材料越硬、熔点越高，Ra值越小；3.工具电极的表面粗糙度越大，工件的Ra值越大；6.2特种加工方法2.电解加工（ECM）（1）基本原理：利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理将工件加工成形的。1-直流电源2-工具阴极3-工件阳极4-电解液泵5-电解液加工时，工件接电源正极（阳极），按一定形状要求制成的工具接负极（阴极），工具电极向工件缓慢进给，并使两极之间保持较小的间隙（通常为0.1～1mm），利用电解液泵在间隙中间通以高速（6～60m/s）流动的电解液。在工件与工具之间施加一定电压，阳极工件的金属被逐渐电解蚀除，电解产物被电解液带走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止。图中的细竖线表示通过阳极（工件）和阴极（工具）间的电流。竖线的疏密程度表示电流密度的大小加工开始时，工件阳极与工具阴极的形状不同，工件表面上的各点至工具表面的距离不等，因而各点的电流密度不等。阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也较高，阳极溶解的速度也就较快，而距离较远的地方，电流密度就小，阳极溶解就慢。由于工具相对工件不断进给，工件表面上各点就以不同的溶解速度进行溶解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止。电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液、碱性溶液三大类。中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全，故应用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3和NaClO3三种电解液，6.2特种加工方法（2）影响电解加工的主要工艺参数①电参数：电压大小、电流密度等。电流密度越高，生产率越高，但在增加电流密度的同时，电压也随着增高，因此应以不击穿加工间隙、引起火花放电、造成局部短路为度。②电解液参数：电解液的成分、压力、流速、流向、温度、粘度、浓度等。③主轴进给参数：工具的进给速度和稳定性、间隙保持稳定性等。加工间隙越小，电解液的电阻越小，电流密度越大，蚀除速度也就越高。但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动受阻、蚀除物排除不畅，以至产生局部短路，反而使生产率下降，因此间隙较小时应加大电解液的流速和压力。（3）电解加工的特点：①加工范围广不受材料本身强度、硬度和韧性的限制，可加工高强度、高硬度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、钛合金、硬质合金、不锈钢、耐热合金，可加工叶片、花键孔、炮管膛线、锻模等各种复杂的三维型面，以及薄壁、异形零件等。②能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔，进给速度可快达0.3～15mm/min。③表面质量好加工中无切削力和切削热的作用，所以不产生由此引起的变形和残余应力、加工硬化、毛刺、飞边、刀痕等，可以达到较低的表面粗糙度（Ra1.25～0.2μm）和±0.1mm左右的平均加工精度。电解微细加工钢材的精度可达±10～70μm。适合于加工易变形或薄壁零件。（４）加工过程中工具电极理论上无损耗，可长期使用。因为工具阴极材料本身不参与电极反应，其表面仅产生析氢反应，同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等，所以除产生火花短路等特殊情况外，工具阴极基本上没有损耗。（５）加工生产率高约为电火花加工的5～10倍以上，在某些情况下比切削加工的生产率还高。且加工生产率不直接受加工质量的限制，故一般适宜于大批量零件的加工。电解加工缺点：①电解加工影响因素多，技术难度高，不易实现稳定加工和保证较高的加工精度。②工具电极的设计、制造和修正较麻烦，因而很难适用于单件生产。③电解加工设备投资较高，占地面积较大。④电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物的处理和回收困难。１．型腔加工对模具消耗较大、精度要求不太高的矿山机械、农机、拖拉机等所需的锻模已逐渐采用电解加工。（4）、电解加工的应用2．型面加工涡轮发动机、增压器、汽轮机等的叶片，叶身型面形状比较复杂、要求精度