第三章 特种加工

第三章特种加工特种加工就是当传统切削加工方法对产品（或材料）无法实施或保证不了规定的精度要求时而应用物理的（力、热、声、光、电）或化学的方法进行加工的手段。1）用机械能以外的其他能量去除工件上多余的材料，以达到图样上全部技术要求。2）打破传统的硬刀具加工软材料的规律，刀具硬度可低于被加工材料的硬度，可谓“以柔克刚”。3）在切削加工中，工具与工件不受切削力的作用。特种加工与传统切削加工方法在原理上的主要区别：1）电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工、电火花线切割加工、电子束加工和等离子束加工。2）电能与化学能作用方式有：电解加工、电铸加工和刷镀加工。3）化学能与机械能作用方式有：电解磨削、电解珩磨。4）声能与机械能作用方式有：超声波加工5）光能与热能作用方式有：激光加工。6）电能与机械能作用方式有：离子束加工。7）液流能与机械能作用方式有：挤压珩磨和水射流切割。特种加工的分类第一节电火花加工电火花加工（electricaldischargemachining,EDM）（放电加工或电蚀加工）：利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀材料。一、电火花加工的原理1-工件2-脉冲电源3-自动进给调节装置4-工具5-工作液6-过滤器7-工作液泵8-被蚀除的材料工具和工件与电源的两极相接，均浸在有一定绝缘度的流体介质（通常用煤油或矿物油）中。脉冲电压加到两极之间，在工具电极向工件电极运动中，将极间最近点的液体介质击穿，形成火花放电。由于放电通道截面积很小，通道中的瞬时高温使材料熔化和气化。单个脉冲能使工件表面形成微小凹坑，而无数个脉冲的积累将工件上的高点逐渐熔蚀。随着工具电极不断地向工件作进给运动，工具电极的形状便被复制在工件上。加工过程中所产生的金属微粒，则被流动的工作液流带走。同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上形成一定的工具损耗。电火花加工应具备如下条件：（１）工具电极和工件电极之间必须保持一定的间隙。这可由自动进给调节装置调节。间隙可在几微米至几百微米之间，间隙过大极间电压不能击穿两极间介质而不能产生火花放电，间隙过小则会引起拉弧烧伤或短路。由于工件不断被蚀除，工具电极也有一定的损耗，间隙将不断扩大。这就要求工具不但要随着工件材料的不断蚀除而进给，形成工件要求的尺寸和形状，而且还要不断地调节进给速度，有时甚至要停止进给或回退以保持恰当的放电间隙。由于放电间隙很小，且位于工作液中无法观察和直接测量，因此必须要有自动进给调节系统来保持恰当的放电间隙。（２）必须采用脉冲电源。因火花放电必须是瞬时的脉冲放电，放电延续一段时间（通常10-7～10-8s）后，需停歇一段时间。（３）必须在有一定绝缘性能的流动的工作液中进行火花放电.这有利于产生脉冲性火花放电，并排除放电间隙中的电蚀物，以免间隙中电蚀产物过多而引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度，还可以对电极及工件表面起较好的冷却作用。（１）可加工难切削加工的导电材料，如淬火钢、硬质合金、不锈钢、工业纯铁等。（２）工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。（３）加工时无显著机械切削力，有利于小孔、窄槽、型孔、曲线孔及薄壁零件加工，也适合于精密细微加工。（４）脉冲参数可任意调节，加工中只要更换工具电极或采用阶梯形工具电极就可以在同一机床上连续进行粗、半精和精加工。（５）通常效率低于切削加工，可先用切削加工粗加工，再用电火花精加工。（６）放电过程中有一部分能量消耗于工具电极而导致工具电极消耗，对成形精度有一定影响。二、电火花加工的特点三、电火花加工的基本工艺规律1．加工速度和工具损耗速度加工速度：单位时间内工件的电蚀量，即生产率；损耗速度：单位时间内工具的电蚀量（１）加工速度qp--正极的总蚀除量；kp--工艺系数（与电极材料、脉冲参数和工作液有关）；wM--单个脉冲能量；f--脉冲频率；t--加工时间；vp--正极蚀除速度。φ——有效脉冲利用率，%；fwktqvMPPP/提高加工速度途径１）提高脉冲频率：缩小脉冲停歇时间或压窄脉冲宽度。２）增加单个脉冲能量：加大脉冲电流或增加脉冲宽度，但会影响表面质量和加工精度，通常只用于粗、半精加工之中。３）提高工艺参数：如合理选用电极材料、工作液及放电参数，改善工作液循环过滤方式等，来有效地提高脉冲利用率，以达到提高工艺参数的目的。４）正确选择工件的极性：窄脉冲加工选用正极性加工（工件接脉冲电源的正极），而采用宽脉冲加工时，采用负极性加工（工件接电源的负极）。（２）工具的相对损耗加工中衡量工具电极是否耐损耗，不仅要看工具损耗速度，还要看同时能达到的加工速度，所以采用相对损耗（损耗比）作为衡量工具电极耐损耗之指标。vvN/100%降低工具电极的相对损耗途径：１）极性效应２）覆盖效应：黑膜只能在正极表面形成，因此须采用负极性加工３）传热效应4）沉积效应5）选择合适的工具电极材料工具电极材料铜：制成各种精密复杂电极，可用于中小型腔加工钨、钼：熔点和沸点较高、损耗少，但其机械加工性能不好，价格较贵，一般仅用于线切割。石墨：用于型腔加工铜碳、铜钨和银钨合金等合金材料：导热性好，熔点高，电极损耗少，价格较贵、制造成型困难，通常只用于精密电火花加工。2．影响加工精度的主要因素（１）放电间隙的大小和一致性（２）工具电极的损耗及“二次放电”二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电。二次放电主要是在加工深度方向的侧面产生斜度和使加工棱角边变钝。图3-4加工斜度的产生a)工具损耗产生加工斜度b)轮廓对比图1-工具电极无损耗时的轮廓线2-工具电极有损耗但不考虑二次放电时的工件轮廓线1`-工具电极有损耗时的轮廓线2`-工具电极有损耗且产生二次放电时的工件轮廓线3-工件4-工具电极另外，工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件的表面上。图3-5尖角变圆现象a)加工外表面b)加工内表面1-工件电极2-工具电极3．影响表面质量的因素（１）表面粗糙度：单个脉冲能量、工具电极的表面粗糙度、加工速度。（２）表面变质层：熔化凝固层、热影响层及显微裂纹。（３）表面力学性能：表面最外层硬度与耐磨性、残余应力、耐疲劳性能电火花加工应用在穿孔加工、型腔加工、线切割加工、电火花磨削与镗磨加工、电火花展成加工、表面强化、非金属电火花加工或用于打印标记、刻字、跑合齿轮啮合件、取出折断在零件中的丝锥或钻头等方面。四、电火花加工的应用1．穿孔加工常指贯通的等截面或变截面的二维型孔（圆孔、方孔、多边孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔、微孔等加工的电火花加工。a)圆孔b)方槽c)异形孔d)弯孔穿孔加工的尺寸精度主要取决于工具电极的尺寸和放电间隙。工具电极的截面轮廓尺寸要比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一个加工间隙，其尺寸精度要比工件高一级，表面粗糙度应比工件的小。一般电火花加工后尺寸公差可达IT7级，表面粗糙度Ra值1.25。电火花加工较大孔时，一般先预制孔，留合适余量（单边余量为0.5～1mm左右），余量太大，生产率低，电火花加工时不好定位。细微孔：直径小于0.2mm的孔。国外目前可加工出深径比为5，直径为0.015mm的细微孔。在我国一般可加工出深径比为10，直径为0.05mm的细微孔。但加工细微孔的效率较低，因为工具电极制造困难，排屑也困难，单个脉冲的放电能量须有特殊的脉冲电源控制，对伺服进给系统要求更严。电火花主要应用在直径为0.3～3mm的高速小孔的加工，可避免小直径钻头（d≤1mm）易折断问题。还适用于斜面和曲面上加工小孔，并可达较高尺寸精度和形状精度。在加工时可采用管状电极，内通高压工作液，工具电极在回转的同时又作轴向进给运动，速度可达60mm/min。２．电火花型腔加工一般指三维型腔和型面加工，如挤压模、压铸模、塑料模及胶木模等型腔的加工及整体式叶轮、叶片等曲面零件的加工。型腔多为盲孔加工，且形状复杂，致使工作液难以循环，排出蚀除渣困难，因此比穿孔加工困难。为了改善加工条件，有时在工具电极中间开有冲油孔，以便冷却和排出加工产物３．电火花线切割加工电火花线切割加工简称“线切割”，它是通过线状工具电极按规定的轨迹与工件间相对运动，切割出所需工件的。1-储丝筒2-工作台驱动电机3-导轮4-电极丝5-工件6-脉冲电源我国：高速往复走丝方式，一般走丝速度为8～10m/s，国外：慢速单向走丝方式，通常走丝速度低于0.2m/s。线切割机床普遍采用计算机数字控制（CNC）装置。电火花线切割加工特点：（1）由于加工表面的轮廓是由CNC控制的复合运动所获得，所以可切割复杂表面。（2）可加工细微的几何形状，切缝和很小的内角半径。线电极在加工中不断运动，使单位长度金属丝损耗较少，对加工精度影响小。（3）无需特定形状的工具电极，降低、节约了生产成本及准备工时。（4）在电参数相同情况下，比穿孔加工生产率高，自动化程度高，操作使用方便。（5）加工同样的工件，其总蚀除量少，材料利用率高，对加工贵重金属有着重要意义。（6）线切割的缺点是不能加工盲孔类零件和阶梯成形表面。4.电火花磨削和镗削加工。磨削各种工件，如小孔、深孔、内圆、外圆、平面等磨削和成型磨削。Dk6825数控旋转电火花机床加工范围电火花镗磨5．加工各种成型刀、样板、工具、量具、螺纹等成型零件。6．刻字、打印铭牌和标记。7．表面强化：如金属表面高速淬火、渗氮、渗碳、涂覆特殊材料及合金化等。8．辅助用途：如去除折断在工件中的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。