机械制造第14章

项目十四特种加工项目学习要点•特种加工的特点•电火花加工•电解加工•超声波加工•激光加工•电子束加工•项目小结任务一特种加工的特点特种加工是相对于传统切削加工而言的，是指直接利用电能、声能、光能、化学能和热能等能量形式进行加工工件的方法的总称。特种加工与传统加工相比，具有以下特点：特种加工为非接触加工，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。特种加工主要采用电能、声能、光能、化学能和热能等能量去除多余的材料，可以获得较低的表面粗糙度。特种加工易于获得好的加工质量，且可在一次安装中完成工件的粗、精加工。任务二电火花加工电火花加工是指在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间在脉冲火花放电时产生的局部高温作用来蚀除金属材料，使工件的尺寸、形状和表面质量达到技术要求的一种加工方法。常用的电火花加工方法有电火花成形加工和电火花线切割加工两种。一、电火花成形加工1．加工原理如下图所示，在电火花成形加工时，脉冲电源会产生一连串脉冲电压，施加在浸入工作液（一种绝缘液体，一般用煤油）中的工具电极和工件电极之间。脉冲电压一般为直流100V左右，由于工具电极和工件电极的表面凹凸不平，所以当两极之间的间隙很小时，极间某些点处的电场强度急剧增大，引起绝缘液体的局部电离，形成放电通道。在脉冲放电过程中，由工件和工具构成的阴、阳电极都会被蚀除，但其蚀除速度不同，这种现象称为极性效应。将工件接阳极加工时，称为正极性加工；将工件接阴极加工时，称为负极性加工。在电场力作用下，通道内的电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，产生火花放电。火花的温度高达5000℃左右，使电极表面局部金属迅速熔化甚至气化。由于一个脉冲时间极短，所以熔化和气化的速度都非常快，甚至具有爆炸效果。在这样的高压力作用下，已经熔化和气化的材料就从工件表面迅速被抛离。如此反复，使工件表面的余量被蚀除，从而达到成形加工的目的。2．极性效应产生极性效应的基本原因是由于电子的质量小，惯性小，能够很快地获得高速度到达阳极，轰击阳极表面；而正离子由于质量大，惯性也大，在相同时间内获得的速度远小于电子。当用较短脉冲加工时，大部分正离子还未到达阴极表面，脉冲便已结束，故阴极的蚀除量小于阳极。当用较长脉冲加工时，正离子有足够的时间加速，能获得较大的运动速度，并有足够的时间到达阴极表面，同时由于它的质量较大，这就使得正离子对阴极的轰击作用远大于电子对阳极的轰击作用，造成阴极的蚀除量大于阳极。3．加工特点短脉冲时，选正极性加工，适用于精加工；长脉冲时，选负极性加工，适用于粗加工和半精加工。（1）电火花成形加工适用于小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂形状零件的加工，也适用于精密微细加工。（2）脉冲参数可任意调节，可以在不更换机床的情况下连续进行粗、半精、精加工，并且精加工后精度高。（3）加工范围非常广，可以加工任何硬、脆、软及高熔点的导电材料，在一定条件下，甚至可以加工半导体和绝缘材料。（4）当脉冲宽度不大时，对于整个工件而言，几乎不受热力影响，因此适用于加工热敏感材料。（5）可以在淬火后进行加工，以避免淬火变形对工件尺寸和形状的影响。（6）加工速度慢，生产率低，且工具电极易于损耗，影响工件的加工精度。4．电火花成形加工的应用穿孔加工：可以加工各种圆孔、方孔和多边形孔等型孔，弯孔和螺旋孔等曲线孔，以及直径在0.01～1mm之间的微细小孔。型腔加工：可以加工各类型腔模和各种复杂的型腔零件，如压铸模、落料模、复合模及挤压模等型腔，还可以加工叶轮、叶片等各种曲面。其他加工：还可用来磨削平面、进行表面强化、打印标记和雕刻花纹等。二、电火花线切割加工电火花线切割加工是利用连续移动的电极丝作工具阴极，按照预定的轨迹进行脉冲放电，与工件阳极间产生电蚀而实现切割加工的。1．加工原理如下图所示，电火花线切割加工时，脉冲电源一极接工件，另一极接电极丝。电极丝穿过工件上预先加工出的小孔，经导轨由储丝筒带动做正、反向往复交替移动。电极丝与工件始终保持在0.01mm左右的放电间隙，期间注入工作液。工作台带动工件在水平面的X、Y两个坐标方向各自作进给运动，以加工零件。2．适用范围其广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢的冲模、样板，各种形状复杂的精细小零件和窄缝等。任务三电解加工一、加工原理如下图所示，电解加工时，工件接阳极，工具接阴极，两极之间保持较小的间隙（一般为0.02～0.7mm），且充满高速流动的可导电电解液。在两极之间接上低电压、大电流的稳压直流电源，使阳极工件表面的金属溶解，而溶解的产物会迅速被高速流动的电解液冲走，使阳极的溶解能不断地进行。电解开始时，阴、阳极间各点距离不等，电流密度不等，阴、阳极距离较近处的电流密度较大，电解液的流速较高，阳极溶解速度较快，如左图所示。由于工具相对于工件表面不断进给，故工件表面不断被电解，电解产物不断被电解液带走，直至工件表面形成与阳极表面基本相似的形状为止，如右图所示。二、加工特点（1）电解加工可以加工高硬度、高强度和高韧性的材料，并且可以一次性加工出形状复杂的型面和型腔，且不产生毛刺。（2）电解加工中，工具电极是阴极，阴极上只发生氢气和沉淀而无溶解作用，因此工具电极无损耗。（3）加工过程中，无机械力和切削热的作用，因此不存在应力和变形。（4）电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5～10倍，且生产率不受加工精度和表面粗糙度的限制。（5）电解加工机床需采用防腐措施，且电解物难以处理和回收，对环境污染严重。三、适用范围电解加工广泛应用于加工模具型腔、枪炮膛线、发（电）动机叶片、花键孔、内齿轮、深孔，以及电解抛光、倒棱和去毛刺等。如下图所示，超声波加工时，在工件和工具之间注入液体和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力轻轻压在工件上。超声波发生器产生的超声频振荡，通过换能器转化为超声频振动。任务四超声波加工一、加工原理此时的振幅一般较小，再通过变幅杆，使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。磨料在工具的超声频振动（16～25kHz）作用下，以高速不断撞击、抛磨工件表面，实现加工。二、适用范围超声波可以用来切割、雕刻、研磨、清洗、焊接和探伤等，目前超声波主要用于加工各种脆硬材料（特别是不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、石墨和金刚石等）上的圆孔、型孔和微细孔等。任务五激光加工一、加工原理如下图所示，激光加工时，通过一系列装置把光的能量高度集中在一个极小的面积上，产生几万摄氏度的高温，使金属或非金属材料立即气化蒸发，并产生强烈的冲击波，使熔化物质呈爆炸式喷射去除，从而在工件上加工出孔、窄缝以及其他形状的表面。二、加工特点1．适用范围广2．加工效率高3．加工质量好4．可进行微细加工三、激光加工的应用1．激光打孔利用激光可以加工所有金属和非金属的各种微孔（φ0.01～φ1mm）、深孔和窄孔等，例如，火箭发动机和柴油机的喷嘴加工，仪表中宝石轴承的打孔，金刚石拉丝模孔的加工等。2．激光切割激光切割时，激光束与工件做相对移动，即可将工件分开。激光束可以在任何方向上进行切割，切割速度高于机械切割。3．激光焊接激光加工通常可用减少激光输出功率，将工件结合处烧熔黏合在一起实现焊接。焊接过程迅速，热影响区小，没有焊渣，并且可以实现不同材料之间的焊接，如金属材料与非金属材料的焊接。任务六电子束加工一、加工原理如右图所示，电子束加工时，在真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径5～10μm的斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点在极短时间内形成几千摄氏度的瞬时高温，工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。二、加工特点及应用1．加工特点（1）电子束加工是一种精密微细的加工方法。（2）电子束加工的能量密度高、生产率高。（3）可以通过电场或磁场对电子束的强度、位置和聚焦等直接进行控制，易实现自动化。（4）整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。2．适用范围电子束加工的被加工材料范围广，各种硬脆性、韧性、导体、非导体、热敏性、易氧化材料以及金属、非金属材料都可以加工；常用于加工精微深孔和窄缝，还可以用于焊接、热处理、切割和蚀刻等。项目小结1．特种加工是相对于传统切削加工而言的，是指直接利用电能、声能、光能、化学能和热能等能量形式进行加工工件的方法的总称。2．电火花加工是指在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间在脉冲火花放电时产生的局部高温作用来蚀除金属材料，使工件的尺寸、形状和表面质量达到技术要求的一种加工方法。常用的电火花加工方法有电火花成形加工和电火花线切割加工两种。电火花成形加工主要用于穿孔加工、型腔加工和曲面加工。电火花线切割加工广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢的冲模、样板，各种形状复杂的精细小零件和窄缝等。3．电解加工广泛应用于加工模具型腔、枪炮膛线、发（电）动机叶片、花键孔、内齿轮、深孔，以及电解抛光、倒棱和去毛刺等。4．超声波可以用来切割、雕刻、研磨、清洗、焊接和探伤等，目前超声波主要用于加工各种脆硬材料上的圆孔、型孔和微细孔等。5．激光加工的应用主要包括激光打孔、激光切割和激光焊接。6．电子束常用于加工精微深孔和窄缝，还可以用于焊接、热处理、切割和蚀刻等。