特种加工技术课件

特种加工技术工程训练中心第一章概论第一章概论1.1特种加工的概念1.2特种加工的特点及发展1.3特种加工的分类1.4特种加工的意义第一章概论1.1特种加工的概念1特种加工的出现20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工。后来，由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。这些新加工方法从广义上定义为特种加工(NTM，Non-TraditionalMachining)，也被称为非传统加工技术.2特种加工解决的问题1)难切削材料(如宝石、金刚石、钛合金等)的加工;2)特殊复杂表面的加工;3)超精、光整及具有特殊要求的表面加工(航空航天、国防工业中表面质量和精度要求高的陀螺仪、伺服阀及低刚度细长轴)。第一章概论3加工原理将电、热、光、声、化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。由于各种特种加工所用的能量不同，其具体加工原理也有很大不同。特种加工是利用能量及能量间的转化对工件进行加工的方法。第一章概论1.2特种加工的特点及发展与传统的机械加工相比，特种加工的特点是：(1)不是主要依靠机械能，而是利用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料，所以加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度等机械性能无关。(2)非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度。(3)微细加工，工件表面质量高，有些特种加工如超声、电化学水喷射等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、低粗糙度的加工表面。(4)各种加工方法可以扬长避短、任意组合，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。第一章概论正因为特种加工工艺具有上述特点，所以就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。目前，国际上对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：(1)微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究正方兴未艾，特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术。(2)特种加工的应用领域正在拓宽。例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。第一章概论(3)广泛采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花加工的发展方向。目前，已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标。第一章概论我国的特种加工技术起步较早。20世纪50年代中期我国工厂已设计研制出电火花穿孔机床，60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极—机械切割的基础上发明了我国独创的快走丝线切割机床，上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。但是由于我国原有的工业基础薄弱，特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平有不少差距，每年还需从国外进口300台以上高档电加工机床。第一章概论1.3特种加工的分类与其他先进制造技术一样，特种加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的发展潜力和应用前景。依据加工能量的来源和作用形式列举如表1-1所示常用的特种加工方法。–电能与热能作用方式■电火花EDM、线切割WEDM、电子束EBM、等离子PAM–电能与化学能作用方式■电解ECM、电铸、电刷镀–电化学能与机械能作用方式■电解磨削ECG、电解珩磨ECH–声能与机械作用能作用方式：超声波加工USM–光能与热能作用方式：激光加工LBM–电能与机械作用能作用方式：离子束加工IM–液流能与机械作用能：挤压珩磨AFH、水射流WJC第一章概论表1-1常用特种加工方法的分类特种加工方法能量来源及形式作用原理电火花成型加工电能、热能熔化、汽化电火花线切割加工电能、热能熔化、汽化电解加工电化学能金属离子阳极溶解电解磨削电化学能、机械能阳极溶解、磨削电铸电化学能金属离子阴极沉淀涂镀电化学能金属离子阴极沉淀激光切割、打孔光能、热能熔化、汽化激光处理、表面改性光能、热能熔化、相变电子束加工切割、打孔、焊接电能、热能熔化、汽化离子束加工蚀刻、镀覆、注入电能、动能原子撞击等离子弧加工切割（喷镀）电能、热能熔化、汽化（涂覆）超声加工切割、打孔、雕刻声能、机械能磨料高频撞击化学铣削化学能腐蚀光刻化学能光化学腐蚀电火花加工电化学加工激光加工化学加工第一章概论尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各种特种加工的能量来源、作用形式、工艺特点却不尽相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各自还都具有一定的局限性。为了更好地应用和发挥各种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析、区别对待，合理选择特种加工方法。表1-2对几种常见的特种加工方法进行了综合比较。第一章概论表1-2几种常见特种加工方法的综合比较加工方法可加工材料工具损耗率/%(最低/平均)材料去除率/(mm3/min)(平均/最高)可达到尺寸精度/mm(平均/最高)可达到表面粗糙度Ra/μm(平均/最高)主要适用范围电火花成型加工0.1/1030/30000.03/0.00310/0.04从数微米的孔、槽到数米的超大型模具、工件等，如各种类型的孔、各种类型的模具电火花线切割加工较小(可补偿)20/200*(mm2/min)0.02/0.0025/0.32切割各种二维及三维直纹面组成的模具及零件，也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属切削电解加工任何导电金属材料，如硬质合金钢、耐热钢、不锈钢、淬火钢、钛合金等不损耗100/100000.1/0.011.25/0.16从微小零件到超大型工件、模具的加工，如型孔、型腔、抛光、去毛刺等第一章概论电解磨削1/501/1000.02/0.0011.25/0.04硬质合金钢等难加工材料的磨削，如硬质合金刀具、量具等超声波加工任何脆性材料0.1/101/500.03/0.0050.63/0.16加工脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、金刚石、硅等，可加工型孔、型腔、小孔等激光加工精密加工小孔、窄缝及成型切割、蚀刻，如金刚石拉丝模、钟表宝石轴承等电子束加工瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高0.01/0.00110/1.25在各种难加工材料上打微小孔、切缝、蚀刻、焊接等，常用于制造大、中规模集成电路微电子器件离子束加工任何材料不损耗(三种加工，没有成型用的工具)很低/0.01μm/0.01对零件表面进行超精密、超微量加工、抛光、刻蚀、掺杂、镀覆等第一章概论1.4特种加工的意义1)提高了材料的可加工性;2)改变了零件的典型工艺路线;3)试制新产品时可以省去刀、夹、模具设计制造的时间及费用；4）对零件结构工艺性的评价标准进行重新衡量。第二章特种加工技术第二章特种加工技术2.1电化学加工技术2.2激光加工技术2.3超声波加工技术2.4其他常用特种加工技术第二章特种加工技术一、电化学加工技术ElectrochemicalMachining1、电化学加工的原理与特点1）电化学加工的原理图2-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu2+。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。第二章特种加工技术图2-1电解(电镀)液中的电化学反应ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋第二章特种加工技术2、电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第Ⅲ类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类别如表2-1所示。本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削，其它的电化学加工请参考相关资料。第二章特种加工技术表2-1电化学加工分类类别加工方法及原理应用Ⅰ电解加工(阳极溶解)电化学抛光(阳极溶解)用于形状尺寸加工用于表面加工Ⅱ电镀(阴极沉积)电铸(阴极沉积)用于表面加工用于形状尺寸加工Ⅲ电极磨削(阳极溶解、机械磨削)电解放电加工(阳极溶解、电火花蚀除)用于形状尺寸加工用于形状尺寸加工第二章特种加工技术3、电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛线”(来复线)，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。第二章特种加工技术4、电解加工1．电解加工的原理及特点1)基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的。如图2-2所示，在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1～0.8mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。第二章特种加工技术随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。图2-2电解加工原理图12345VA1—直流电源；2—工具电极；3—工件阳极；4—电解液泵；5—电解液－＋第二章特种加工技术2)特点(1)能加工各种硬度和强度的材料。只要是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。(2)生产率高，约为电火花加工的5～10倍，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精度和表面粗糙度的限制。(3)表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.2～1.25μm。(4)阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.15～0.30mm。第二章特种加工技术2.电解加工应用目前，电解加工主要应用在深孔加工、叶片(型面)加工、锻模(型腔)加工、管件内孔抛光、各种型孔的倒圆和去毛刺、整体叶轮的加工等方面。图2-3是用电解加工整体叶轮，叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的。加工完一个叶片，退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。第二章特种加工技术图2-3电解加工整体叶轮空心水套管叶片阴极片分度阴极片进给电解液第二章特种加工技术5、电铸成型1．电铸成型原理及特点1)成型原理与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的；而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。第二章特种加工技术图2-4电铸成型的原理45636V789101231—镀槽；2—阳极；3—蒸馏水瓶；4—直流电源；5—加热管；6—恒