精密加工与光整加工

成形工艺基础－切削41第6章精密加工与特种加工成形工艺基础－切削42成形工艺基础－切削43成形工艺基础－切削44成形工艺基础－切削45成形工艺基础－切削46成形工艺基础－切削47成形工艺基础－切削48成形工艺基础－切削49成形工艺基础－切削410§1精整和光整加工精整加工是生产中常用的精密加工，它是指在精加工之后从工件上切除很薄的材料层,以提高成形工艺基础－切削411工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法,如研磨、珩磨等。光整加工是指不切除或从工件上切除极薄材料层，以降低表面粗糙度为目的的加工方法，如超精加工、抛光等。一、研磨1.加工原理研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精加工方法。成形工艺基础－切削412采用不同的研磨工具(如研磨心棒、研磨套、研磨平板等)可对内圆、外圆和平面等进行研磨。图示为研磨外圆的工具。研磨套2由夹套1夹持，它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂。其上还有一条内外相通的直槽，使其有一定胀缩性。为了磨料能嵌入研磨套的内表面，研磨套的材应软些，常用的是铸铁。研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂,将该工具套在工件上,并调节好配合的松紧程度,成形工艺基础－切削413然后让工件旋转，手持研磨工具在轴向来回移动，直至达到研磨的要求为止。研磨剂是很细的磨料(粒度为W14～W15)、研磨液和辅助材料的混合剂。常用的有液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研磨皂）三种。主要起研磨、吸附、冷却和润滑等作用。2.研磨的特点与应用1)精度高质量好成形工艺基础－切削414经研磨后的工件表面,尺寸精度可达IT4～IT1级;表面粗糙度值可减小到0.1~0.006μm。形状精度亦可相应提高。2)生产效率低，加工余量小。3)研磨剂易飞溅，污染环境。在现代制造业中研磨应用很广，许多精密量块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、石英晶体、陶瓷元件、光学镜头及棱镜等零件均需研磨。成形工艺基础－切削415二、珩磨1.加工原理利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作往复振动、相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的工件精加工方法。2.特点与应用一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级，表面粗糙度Ra值可达0.2～0.025μm。珩磨加工的工件表面质量特性好、加工精度和成形工艺基础－切削416加工效率高，加工应用范围广、经济性好。三、超精加工GB（又名：超级光磨）1.加工原理用细粒度的磨具对工件施加一定压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。磨具与工件之间的运动如下：1)工件作低速旋转运动,ν工＝3～20m/min;2)油石磨具作往复振动,每分钟振动3001200次,成形工艺基础－切削417振幅为3～5mm；3)磨具作纵向进给运动,进给量f纵为0.1～0.15mm/r。2.特点与应用超精加工能加工钢、铸铁、铜合金、铝合金、陶瓷、玻璃、硅和锗等各种金属与非金属,可以加工外圆、平面、内孔和各种曲面。尤其适用加工内燃机曲轴、凸轮轴、活塞、活塞销等的光整加工。成形工艺基础－切削418超精加工可在普通车床、外圆磨床上进行，对于批量较大的生产则宜在专用机床上进行。工作时应充分地加润滑油，以便形成油膜和清洗极细地磨屑。超精加工后地工件表面粗糙度Ra值约在0.1~0.006μm之间。四、抛光抛光是利用机械、化学或电化学地作用，使工件获的光亮、平整表面的加工方法成形工艺基础－切削419抛光的主要工具用品有软轮和磨膏等。软轮用皮革、毛毡、帆布等材料叠制而成，具有一定的弹性，以便抛光时能按工件形状而变形，增加抛光面积或加工曲面。磨膏由磨料和油脂(包括硬脂酸、煤油、石蜡等）配置而成。磨料的种类取决于工件材料，如：钢制零件抛光可选用氧化铁粉及刚玉；铸铁件抛光可选用氧化铁粉及碳化硅粉；有色合金抛光宜选用氧化铬及金刚砂。成形工艺基础－切削420§2现代加工（又名：特种加工）抛光是安排在工件精加工之后进行，抛光之后的工件，粗糙度Ra值可达0.1～0.012μm,并能明显增加光亮度，但不能甚至不能保持原有的精度。抛光可在抛光机或砂带磨床上进行。现代加工方法是不仅用机械能而且更多的应用电能、化学能、声能、光能、磁能等进行加工。这些加工方法,在某种意义上说,即不使用普通成形工艺基础－切削421刀具来切削工件材料,而是直接利用能量进行加工,与传统的切屑加工相比较,具有以下特点：⑴切除材料的能量不主要靠机械能，主要为其他形式的能量；⑵“以柔克刚”工具材料的硬度可低于工件材料的硬度，或者有传统意义的刀具。⑶在加工过程中,工具与工件之间不存在显著的机械切削力.相应的切削物理现象不明显。⑷加工能量易于控制、转换，可复合成新成形工艺基础－切削422的工艺技术，适应加工范围广。一、电火花加工1.基本原理电火花加工是基于脉冲放电蚀除原理产生的,故又称放电加工或电蚀加工。电火花加工原理图,由脉冲电源、自动进给调节装置、工作液循环系统、工具电极等组成。加工时，脉冲电源的一极接工具电极,另一极接工件电极。两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油）中。成形工艺基础－切削423工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01~0.05㎜）。当脉冲电压(100v左右)加到两极之间，由于工具电极和工件之间的表面不是完全平滑的，而是存在着凹凸不平处，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小,放电时间极短,致使能量高度集中(106~107w/㎜2),放电区域产生瞬间成形工艺基础－切削424高温(5000℃)足以使材料熔化甚至汽化，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，间隔极短时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。当然工具也有损耗。2.电火花加工的特点成形工艺基础－切削425⑴可加工任何硬、脆、软、韧和高熔点的导电材料，如硬质合金、导电陶瓷、不锈钢、钛合金、工业纯铁、人造聚晶金刚石等，还可加工半导体和非导体材料。⑵加工时，工具与工件不接触，“切削力”极小。故适合于低刚度工件和微细结构的加工。特别适合加工复杂截面的形孔和形腔。⑶由于脉冲放电持续时间极短，加工表面的影响极小。故可加工热敏感性很强的材料；成形工艺基础－切削426⑷加工的表面，由许多小的弧坑组成，有助于油膜形成，改善润滑。⑸调整脉冲参数，可以在同一台机床上依次进行粗、精加工；⑹易于实现自动控制。3.电火花加工的应用电火花加工在国防、民用和科学研究中的应用极为广泛，并且应用形式也正朝着多样化方向发展。成形工艺基础－切削427归纳起来大体有；成形穿孔加工、磨削加工、线电极加工、展成加工、非金属电火花加工和表面强化等。二、电解加工1.基本原理电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理,将零件加工成形的一种方法。电解加工的过程如图。加工时,工件接直流电源的正极(阳极)，按形状要求制成的工具接成形工艺基础－切削428负极(阴极)两极间保持0.1~1mm的间隙，具有一定压力（0.5~2.5Mpa）的电解液从两极间隙中高速(5~60m/s)流过。接通直流电源后，工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小，此处的电流密度最大，单位时间内消耗的电量最多。根据法拉第定律，金属阳极的溶解量与通过的电量成正比。成形工艺基础－切削429因此工件上与工具阴极凸起部位的对应部位比其他地方溶解迅速,并随即被高速的电解液冲走。同时工具阴极以一定速度(0.5~3mm/min)向工件进给,达到预定的加工深度时,就获需形状。2.电解加工的特点⑴加工范围广，不受材料本身硬度、强度的限制，高硬、高强度及韧性的导电材料。可加工各种复杂形面。成形工艺基础－切削430⑵无机械切削力和切削热作用工件不会产生残余应力、变形及加工变质层，也没有飞边毛剌。⑶加工精度高可达0.1mm至0.01mm；表面粗糙度Ra值一般可达0.8μm，最小Ra值可达0.1μm。⑷工具无损耗寿命常在加工中，工具只发生氢气和沉淀而无溶解作用，理论上无损耗，使用寿命长。成形工艺基础－切削431⑸生产率较高为电火花加工的5~10倍，有时甚至高于机械切削。⑹缺点也不少电解加工的附属设备多，造价高，占地面积大，加工稳定性不高。电解液有腐蚀性，电解产物有污染，也应引起重视。3.电解加工的应用近年来电解加工工艺的应用研究有很大发展,成形工艺基础－切削432除了在加工炮膛膛线外，在花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等方面获得广泛的应用。⑴形腔加工电火花加工的生产率较低,因此对精度要求不太高的矿山机械、农机、拖拉机零件用锻模，正逐渐采用电解加工。⑵电解整体叶轮叶身形面形状复杂，精度要求高，加工量大，用电解加工，比机械加工工期短、效率高，质量好。成形工艺基础－切削433⑶电解磨削是靠阳极金属的电化学溶液（占95％～98％）和机械磨削作用（占2％～5％）相结合进行的复合加工。它集中了两者的优点，用于磨削各种硬质合金、量具、涡轮叶片榫头、蜂窝结构件、轧辊、拉丝磨孔等复杂形面的零件。⑷电解去毛刺代替传统的钳工操作,提高工效,节约费用。成形工艺基础－切削434电解加工还应用于深孔的扩孔加工、形孔加工以及抛光等工艺过程中。三、超声加工又名超声波加工1.基本原理它是利用超声振动为工具进行加工的。加工时，在工件和工具之间加入液体（水或煤油）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。成形工艺基础－切削435超声波发生的超声频振荡，通过换能器转换成16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05~0.1mm左右。变幅杆驱动工具作超声振动，并以工具端面迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击和研磨工件表面，把工件加工区域内的材料破碎成很细的微粒并打击下来。既然是基于局部的撞击作用，可见，越是硬脆的材料，受到的破坏越大，也就越好加工。成形工艺基础－切削436反之，脆性和硬度不大的塑性材，由于有缓冲作用而难加工。2.超声加工的特点⑴工具可用相对较软的材料如45号钢，做成较复杂的形状，故工具和工件间无须复杂的相对运动，因此超声波机床的结构简单，操作、维修也方便。⑵适合加工薄壁、窄缝、低刚度工件成形工艺基础－切削437加工过程中工具对工件材料的宏观作用力小，热影响小，不致引起变形及烧伤，表面粗糙度也较低，Ra值可达1~0.1μm,加工精度可达0.02~0.01mm。⑶磨粒硬度一般应比被加工材料高，虽加工精度高，但工具磨损大，生产效率低。3.超声加工的应用超声加工虽生产率低，但其加工精度、表面粗糙度都较理想，能加工半导体，非导体的硬脆成形工艺基础－切削438材料，如石英、宝石、钨及钨合金、玛瑙等。另外，如宝石轴承、拉丝模、喷丝头，还可以用于超声抛光、光整加工、复合加工等许多方面。四、高能束加工简介高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束，去除工件上多余材料的加工方法。1.激光加工的基本原理、特点及应用激光是20世纪60年代初出现的一种光源。成形工艺基础－切削439“激光”(Laser即LightAmplificationbystimula-tedEmissionofRadiation的缩写）,意思是利用辐射受激得到的加强光。相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集中起来,聚焦成一个极小的光斑(直径＜1/100mm2,从而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料,故可进行非接触加工,适合成形工艺基础－切削440各种材料的微细加工。激光加工的特点:⑴功率密度高可加工以往认为难加工的任何材料。⑵接触式加工,不污染材料加工速度快、热影响区小，变形也小，易于实现自动控制.⑶能通过透明体进行加工如对真空管内部进行焊接等。成形工艺基础－切削441⑷可精细加工因为输出功率可调，所以可用于精密微细加工，加工速度极高，打一个孔只需0.001s;加工精度可达0.001m