特种加工答案-第五版-哈尔滨工业大学

第一章概论1．从特种加工的发生和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是“物极必反”？有哪些事例是“坏事有时变为好事”？答：这种事例还是很多的。以“物极必反”来说，人们发明了螺旋桨式飞机，并不断加大螺旋桨的转速和功率以提高飞机的飞行速度和飞行高度。但后来人们发现证实螺旋桨原理本身限制了飞机很难达到音速和超音速，随着飞行高度愈高，空气愈稀薄，螺旋桨的效率愈来愈低，更不可能在宇宙空间中飞行。于是人们采用爆竹升空的简单原理研制出喷气式发动机取代了螺旋桨式飞行器，实现了洲际和太空飞行。由轮船发展成气垫船，也有类似规律。以“坏事变好事”来说，火花放电会把接触器、继电器等电器开关的触点烧毛、损蚀，而利用脉冲电源瞬时、局部的火花放电高温可用作难加工材料的尺寸加工。同样，铝饭盒盛放咸菜日久会腐蚀穿孔，钢铁器皿、小刀等在潮湿的环境下会腐蚀。钢铁在风吹雨淋时遭受锈蚀，海洋船舰的钢铁船体为了防止海水的腐蚀，得消耗巨资进行防锈、防蚀。人们研究清楚钢铁电化学锈蚀的原理后，创造了选择性阳极溶解的电解加工方法。这些都是“坏事变好事”的实例。2．试列举几种采用特种加工工艺之后，对材料的可加工性和结构工艺性产生重大影响的实例。答：这类实例是很多的，例如：(1)硬质合金历来被认为是可加工性较差的材料，因为普通刀具和砂轮无法对它进行切削磨削加工，只有碳化硅和金刚石砂轮才能对硬质合金进行磨削。可是用电火花成形加工或电火花线切割加工却可轻而易举地加工出各式内外圆、平面、小孔、深孔、窄槽等复杂表面，其生产效率往往高于普通磨削加工的生产率。更有甚者，金刚石和聚晶金刚石是世界上最硬的材料，过去把它作为刀具和拉丝模具等材料只有靠用金刚石砂轮或磨料“自己磨自己”，磨削时金刚石工具损耗很大，正是硬碰硬两败俱伤，确实是可加工性极差。但特种加工中电火花可成形加工聚晶金刚石刀具、工具，而激光加工则不但“削铁如泥”而且可“削金刚石如泥”。在激光加工面前，金刚石的可加工性和钢铁差不多了。对过去传统概念上的可加工性,的确需要重新评价。(2)对结构工艺性，过去认为方孔、小孔、小深孔、深槽、窄缝以及细长杆、薄壁等低刚度零件的结构工艺性很差，在结构设计时应尽量避免。对E字形的硅钢片硬质合金冲模，由于90°内角很难磨削，因此常采用多块硬质合金拼镶结构的冲模。但采用电火花成形加工或线切割数控加工，则很容易加工成整体硬质合金的E形硅钢片冲模，特种加工可使某些结构工艺性由“差”变“好”。3．工艺和特种加工工艺之间有何关系（应该说如何正确处理常规工艺和特种加工之间的差别）？答：一般而言，常规工艺是在切削、磨削、研磨等技术进步中形成和发展起来的行之有效的实用工艺，而且今后也始终是主流工艺。但是随着难加工的新材料、复杂表面和有特殊要求的零件愈来愈多，常规、传统工艺必然会有所不适应。所以可以认为特种加工工艺是常规加工工艺的补充和发展。特种加工工艺可以在特定的条件下取代一部分常规加工工艺，但不可能取代和排斥主流的常规加工工艺。第二章电火花加工1．两金属在（1）在真空中火花放电；（2）在空气中；（3）在纯水（蒸馏水或去离子水）中；（4）在线切割乳化液中；（5）在煤油中火花放电时，在宏观和微观过程以及电蚀产物方面有何相同和相异之处？答：（1）两金属在真空中火花放电时，当电压（电位差）超过一定时即产生“击穿”，电子由“－”极逸出飞向“+”极，由于真空中没有物质阻挡电子的运动，所以没有正离子形成，没有发热的放电“通道”的概念，示波器、显像管中电子流的运动与此类似。基本上没有“电蚀产物”成生。（2）两金属在空气中放电的例子是电火花表面强化、涂覆。电焊、等离子切割、等离子焊等，也是在空气中放电，利用电子流在空气中撞击气体原子形成放电通道，在通道中和工件表面产生大量的热能用于强化、涂覆、切割和焊接。（3）在纯水、蒸馏水或去离子水中，两金属间电火花放电与在煤油中类似，只是水分子、原子受电子、正离子撞击发热气化，最后分解为氧原子和氢原子（分子），而不像煤油中会分解出碳原子（碳黑微粒）和氢气等。（4）、（5）在乳化液中和煤油中放电过程，详见教材中有关章节，不再另行论述。2．有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花加工的脉冲直流电源？在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用的脉冲直流电源？（提示：轧辊电火花对磨、齿轮电火花跑合时，不考虑电极相对磨损的情况下，可用工频交流电源；在电火花磨削、切割下料等工具、工件间有高速相对运动时，可用直流电源代替脉冲电源，但为什么？）答：如提示所述，在不需要“极性效应”、不需考虑电极损耗率等的情况下，可以直接用220V的50Hz交流电作为脉冲电源进行轧辊电火花对磨和齿轮电火花跑合等。不过回路中应串接限流电阻，限制放电电流不要过大。如需精规准对磨或跑合，则可在交流工频电源上并联RC电路（R≈500~1000Ω,C≈0.1~0.01µF），再接到两个工件上。在用高速转动的金属轮或圆片作电火花磨削、电火花切断、下料时，如果可以不计电极损耗率，则就可以用全波整流或整流后并联电解电容滤波的直流电源进行电火花磨削。由于工具电极高速转动，所以一般不会产生稳定电弧烧伤工件。最好是经调压变压器降压到5~100V再整流供磨削之用，一则可以调节电压或电流，二则和220V交流电源隔离，以保障人身避免触电的危险。3．电火花加工时的自动进给系统和车、钻、磨削时的自动进给系统，在原理上、本质上有何不同？为什么会引起这种不同？答：电火花加工时工具电极和工件间并不接触，火花放电时需通过自动调节系统保持一定的放电间隙，而车、钻、磨削时是接触加工，靠切削力把多余的金属除去，因此进给系统是刚性的、等速的，一般不需要自动调节。4．电火花共轭同步回转加工和电火花磨削在原理上有何不同？工具电极和工件上的瞬间放电点之间有无相对移动？加工内螺纹时为什么不会“乱扣”？用铜螺杆做工具电极，在内孔中用平动法加工内螺纹，在原理上和共轭同步回转法有何异同？答：不同之处在于电火花共轭同步回转加工时：（1）工具电极和工件的转动方向相同；（2）转速严格相等（或成倍角、比例关系）；（3）工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动。而电火花磨削时工具和工件可以同向或反向转动；工具和工件的转速并不相同，磨削点之间有很大的相对移动。加工内螺纹时，其所以不会“乱扣”，是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等，工具和工件圆周表面上有着“各点对应”的关系，所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会“乱扣”。在内孔中用平动法加工内螺纹，本质上和共轭同步回转法相同，不同之处在于平动法加工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作“公转”行星式运动，其内外圆上“各点对应”的规则仍然存在。5．电火花加工时，什么叫做间隙蚀除特性曲线？粗、中、精加工时，间隙蚀除特性曲线有何不同？脉冲电源的空载电压不一样时（例如80V、100V、300V三种不同的空载电压），间隙曲线有何不同？试定性、半定量地作图分析之。答：间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小（间隙平均电压的大小）之间的关系，此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线。粗、中、精加工时，由于脉宽、峰值电流等电规准不同，同样大小间隙的蚀除速度也就不一样，总的来说，粗加工时蚀除速度较大，上凸的间隙蚀除特性曲线就高于中、精加工的曲线。当脉冲电源的空载电压不一样时，例如电压较高为300V时，其击穿间隙、平均放电间隙都大于100V或80V的放电间隙，因此横坐标上的A点（电火花击穿间隙）将大于100V或80V时的间隙。间隙特征曲线原点不动，整个曲线稍向右移。同理80V空载电压的间隙特征曲线的A点将偏向左边。6．在电火花加工机床上用φ10mm的纯铜杆加工φ10mm的铁杆，加工时两杆的中心线偏距5mm，选用t1=200µs，i=5.4A，各用正极性和负极性加工10min，试画出加工后两杆的形状、尺寸，电极侧面间隙大小和表面粗糙度值（提示：利0υdA100AυwS/µmue/V用电火花加工工艺参数曲线图表来测算）。答：加工示意图见图2-1a。设先用正极性加工，加工后的图形见图b，负极损耗较大；负极性加工后的图形见图c，正极工具损耗较小。具体数据请自行在图中标明，并与书中工艺曲线图表进行对照比较。ФCu-Fe+Cu+Fe-a)b)c)图2-17．电火花加工一个纪念章浅型腔花纹模具，设花纹模电极的面积为10mm×20mm=200mm2，花纹的深度为0.8mm，要求加工出模具的深度为1mm，表面粗糙度为Ra=0.63µm，分粗、中、精三次加工，试选择每次的加工极性、电规准脉宽t1、峰值电流ie、加工余量及加工时间，并列成一表（提示：用电火花加工工艺参数曲线图表来计算）。答：可按书中电火花加工工艺曲线图表选择粗、中、精加工的规准。例如极性脉宽脉间峰值电流加工余量加工后表面粗糙度时间粗加工（可不加抬刀）负600µs100µs10A0.9mmRa3µm约30min中加工（加抬刀）负100µs50µs4A0.08mmRa1.25µm30min精加工（加正20µs50µs2A0.02mmRa30min抬刀）0.63µm第三章电火花线切割加工1．电火花线切割时，粗、中、精加工时的生产率的大小和脉冲电源的功率、输出电流的大小有关。用什么办法来衡量、判断脉冲电源加工性能的好坏（绝对性能和相对性能）？答：可用单位电流（每安培电流）的生产率来衡量，即可客观地判断脉冲电源加工性能的好坏。例如某脉冲电源峰值电流25A时的切割速度为100mm2/min，另一电源峰值电流27A时切割速度为106mm2/min，则前者的相对生产率为100/25=4mm2/min,优于后者106/27=3.9mm2/min。又如某线切割脉冲电源3A时切割速度为100mm2/min，另一电源3.5A时为124mm2/min，则前者相对切割速度为33.3mm2/A·min，低于后者35.5mm2/A·min。2．电火花加工和线切割加工时，如何计算脉冲电源的电能的利用率？试估计一般线切割方波脉冲电源的电能利用率？答：设脉冲电源的空载电压为100V，加工时火花放电间隙的维持电压为25V，则消耗在晶体管限流电阻上的电压为100－25=75V，由此可以算出电能利用率为：有用能量:输入能量=25:100=1:4=25%能量的消耗率为：损耗能量:输入能量=75:100=3:4=75%可见75%的能量损耗在限流电阻的发热上。3．设计一个测量、绘制数控线切割加工的间隙蚀除特性曲线的方法（提示：使线切割等速进给，由欠跟踪到过跟踪）。答：这一习题有一定的难度，需对间隙蚀除特性曲线和线切割加工伺服进给系统有一定深度的理解才行。间隙蚀除特性曲线是蚀除速度和放电间隙（间隙平均电压）的关系曲线（参见第二章电火花加工的伺服进给）。线切割加工时，调节伺服进给量的大小，可以在一定程度上改变平均放电间隙。例如把进给速度人为调慢，处于“欠进给”状态，则平均放电间隙偏大，反之，进给速度过高，“过进给”时，则放电间隙偏小。测绘间隙蚀除特性曲线时，利用“改变预置进给速度”来改变放电间隙的大小。实际上放电间隙的大小（绝对值）很难测量，但可以用加工时的平均间隙电压大小来相对测量间隙值的大小。为此，要在工件和钼丝（导电块）或直接在电源输出端并一个满刻度100V（用于测空载、偏空载时的开路间隙电压）、20V（用于测偏短路时的间隙电压）的直流电压表。实际测绘时，先不用线切割机床的“自动档”（伺服）进给，而采用“人工档”（等速进给）进给功能。最初用较慢的等速进给速度进行切割，此时处于“欠跟踪”的进给状态，待切割稳定后就记下进给速度和此时的间隙平均电压，在坐标上作出曲线上的某一点。以后稍微调快进给速度（仍为等速进给），同样测得第二、三…点的数据。当调节到进给速度约等于蚀除速度时，此时即为最佳状态B点，放电间隙为最佳放电间隙SB，此时的切割速度为最大。当以更大的进给速度（等速）切割时，由于没有伺服功能，进给速度大于可能的蚀除速度，放电间隙逐步减小，最后即将形成短路，放电间隙为零。此时应尽快停止进给，并事先做好记录。在曲线最高点