清华大学-机械制造工程学_第2章S1

机械制造工艺机械制造工艺第二章－特种加工第二章－特种加工特种加工特种加工2.12.1特种加工概述特种加工概述（（1313））2.22.2电火花加工电火花加工2.32.3电解加工电解加工2.42.4激光加工激光加工2.52.5离子束加工离子束加工2.62.6超声波加工超声波加工2.72.7快速成型制造技术快速成型制造技术特种加工－概述特种加工－概述11．．传统切削加工方法的问传统切削加工方法的问题：题：ll））难切削高硬度、高强度金属和非金属材料的加工。难切削高硬度、高强度金属和非金属材料的加工。22）型面复杂如发动机机匣零件上的各种异形孔、细微）型面复杂如发动机机匣零件上的各种异形孔、细微孔和窄缝加工。孔和窄缝加工。33）结构特殊如薄壁零件、弹性元件、细长零件等低刚）结构特殊如薄壁零件、弹性元件、细长零件等低刚度零件。度零件。22．．特种加工特种加工：借助电能、热能、声能、光能、化学能：借助电能、热能、声能、光能、化学能等常规机械能以外的各种能量实现材料去除的工艺等常规机械能以外的各种能量实现材料去除的工艺方法的总称。方法的总称。常用特种加工方法及分类常用特种加工方法及分类特种加工－特种加工－主要特点主要特点11）不受材料力学性能的限制，可加工任何硬、软、耐）不受材料力学性能的限制，可加工任何硬、软、耐热金属及非金属材料；热金属及非金属材料；22）不存在显著的切削力，能获得良好的表面质量，残）不存在显著的切削力，能获得良好的表面质量，残余应力、热应力等均比较小；余应力、热应力等均比较小；33）易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。）易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。44）以多种能量作用的复合加工工工艺，如电解磨削、）以多种能量作用的复合加工工工艺，如电解磨削、电解电火花及超声电火花加工等。电解电火花及超声电火花加工等。55）材料去除速度一般低于常规的切削方法；）材料去除速度一般低于常规的切削方法；电火花加工（电火花加工（EDMEDM））„„利用脉冲放电对导电材料电蚀来去除多余材料的工利用脉冲放电对导电材料电蚀来去除多余材料的工艺方法。艺方法。2.2.12.2.1加工原理与特点加工原理与特点2.2.22.2.2电火花加工的应用电火花加工的应用电火花加工－基本原理电火花加工－基本原理（（11）工具与工件置于绝）工具与工件置于绝缘的液体中，并与脉冲缘的液体中，并与脉冲电源的连接。调节装置电源的连接。调节装置控制工具电极，保证工控制工具电极，保证工具与工件间放电间隙。具与工件间放电间隙。（（22）当两极之间的电场）当两极之间的电场强度增加到足够大时，两极间昀近点的液体介质被强度增加到足够大时，两极间昀近点的液体介质被击穿，产生短时间、高能量的火花放电，金属被熔击穿，产生短时间、高能量的火花放电，金属被熔化或气化。化或气化。电火花加工－基本原理电火花加工－基本原理22（（33）金属蒸汽引起爆炸将）金属蒸汽引起爆炸将熔融的金属抛出，熔融的金属抛出，并并被被液体从间隙中冲走，工液体从间隙中冲走，工件与工具表面形成一个件与工具表面形成一个小凹坑小凹坑。。（（44））经过短的间隔，第二经过短的间隔，第二个脉冲又在极间击穿放个脉冲又在极间击穿放电。电。（（55）电极向工件进给，得到凹坑组成的加工表面，工）电极向工件进给，得到凹坑组成的加工表面，工具的形状被复制在工件上。具的形状被复制在工件上。电火花加工－电火花加工－三个条件三个条件（（11）必须采用脉冲电源，以形成瞬时的脉冲式放电。）必须采用脉冲电源，以形成瞬时的脉冲式放电。每次放电时间极短（每次放电时间极短（1010--77~10~10--33ss），），使放电产生的热使放电产生的热量来不及传输出去。量来不及传输出去。（（22）必须采用自动进给调节装置，保证工具电极与工）必须采用自动进给调节装置，保证工具电极与工件电极间微小的放电间隙件电极间微小的放电间隙，，以维持适宜的火花放电以维持适宜的火花放电状态。状态。（（33）火花放电必须具有足够大的能量密度，且必须）火花放电必须具有足够大的能量密度，且必须在具有一定的绝缘强度（在具有一定的绝缘强度（101033～～101077ΩΩ··cmcm））的液体介的液体介质（工作液）中进行。大的能量密度用以熔化。质（工作液）中进行。大的能量密度用以熔化。极性效应－极性效应－正极性加工正极性加工„„极性效应：极性不同产生的蚀除量不同的现象。极性效应：极性不同产生的蚀除量不同的现象。„„正极性加工正极性加工：当用：当用短脉冲短脉冲（即较小脉冲宽度）加工（即较小脉冲宽度）加工时，时，工件应与阳极相接，工具与阴极相接工件应与阳极相接，工具与阴极相接。。„„因为电子的质量和惯性较小，易获得加速度，很快因为电子的质量和惯性较小，易获得加速度，很快奔向阳极，电能及动能转换成热能蚀除阳极金属；奔向阳极，电能及动能转换成热能蚀除阳极金属；而正离子由于质量和惯性较大，起动和加速较慢，而正离子由于质量和惯性较大，起动和加速较慢，有一大部分尚未来得及到达阴极表面，放电便告结有一大部分尚未来得及到达阴极表面，放电便告结束，所以阳极的蚀除量大于阴极。束，所以阳极的蚀除量大于阴极。极性效应－极性效应－负极性加工负极性加工„„负极性加工负极性加工：当：当用长脉冲用长脉冲加工时，工件应与阴极相加工时，工件应与阴极相接，工具与阳极相接。因为随着脉冲宽度即放电时接，工具与阳极相接。因为随着脉冲宽度即放电时间的加长，质量和惯性较大的正离子逐渐获得了加间的加长，质量和惯性较大的正离子逐渐获得了加速，陆续地撞击在阴极表面上，由于正离子质量较速，陆续地撞击在阴极表面上，由于正离子质量较大，对阴极撞击破坏作用比电子撞击阳极的破坏作大，对阴极撞击破坏作用比电子撞击阳极的破坏作用大，所以阴极的蚀除量大于阳极。用大，所以阴极的蚀除量大于阳极。„„一般情况下，短脉冲、精加工时采用正极性加工；一般情况下，短脉冲、精加工时采用正极性加工；长脉冲、粗加工时采用负极性加工。长脉冲、粗加工时采用负极性加工。电火花加工－工艺特点电火花加工－工艺特点11）能加工任何导电的难切削的材料：可用软的工具加）能加工任何导电的难切削的材料：可用软的工具加工硬韧的工件，甚至可加工聚晶金刚石类超硬材工硬韧的工件，甚至可加工聚晶金刚石类超硬材料。工具电极材料采用紫铜或石墨。料。工具电极材料采用紫铜或石墨。22）加工中不存在切削力，特别适宜复杂形状的工件、）加工中不存在切削力，特别适宜复杂形状的工件、低刚度工件及微细结构的加工。低刚度工件及微细结构的加工。33）由于脉冲参数可任意调节，在同一台机床上能完成）由于脉冲参数可任意调节，在同一台机床上能完成粗、细、精三个阶段的加工。粗、细、精三个阶段的加工。44）加工速度较慢和工具电极存在损耗，影响加工效）加工速度较慢和工具电极存在损耗，影响加工效率和成形精度。率和成形精度。电火花应用－电火花穿孔电火花应用－电火花穿孔11）贯通的二维型孔的加工。）贯通的二维型孔的加工。有圆孔、方孔、多边形孔有圆孔、方孔、多边形孔等；等；22）孔的尺寸精度靠电极的尺）孔的尺寸精度靠电极的尺寸和火花放电的间隙来保寸和火花放电的间隙来保证。证。（（11）电极材料为）电极材料为T10AT10A等。等。（（22）电极的截面轮廓尺寸比加工型孔的尺寸均匀地缩）电极的截面轮廓尺寸比加工型孔的尺寸均匀地缩小一个加工间隙；小一个加工间隙；（（33）精度不≤）精度不≤IT7IT7，，RaRa＜＜1.251.25μμmm，，且直线度、平面且直线度、平面度和平行度在度和平行度在100mm100mm的长度上不大于的长度上不大于0.01mm0.01mm。。电火花型腔加工电火花型腔加工11）指三维型腔和型面的加工及电火花雕刻。例如加工）指三维型腔和型面的加工及电火花雕刻。例如加工压铸模、挤压模、塑料模等。压铸模、挤压模、塑料模等。22））问题：问题：（（11）盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环和电蚀产）盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环和电蚀产物排除条件差，工具电极损耗后无法靠进给补偿；物排除条件差，工具电极损耗后无法靠进给补偿；（（22）加工面积变化大，加工过程中电规准调节范围）加工面积变化大，加工过程中电规准调节范围较大，电极损耗不均匀；较大，电极损耗不均匀；„„型腔加工生产率低，质量保证有一定困难型腔加工生产率低，质量保证有一定困难。。电火花线切割加工电火花线切割加工11）利用一根运动的细金属丝（）利用一根运动的细金属丝（φφ0.020.02～～φφ0.3mm0.3mm的的钼丝或铜丝）作工具电极，在工件与金属丝间通钼丝或铜丝）作工具电极，在工件与金属丝间通以脉冲电流，靠火花放电对工件进行切割加工以脉冲电流，靠火花放电对工件进行切割加工的。的。电火花线切割加工－原理电火花线切割加工－原理（（11）工件上预先打好穿丝孔，电极丝穿过该孔后，经）工件上预先打好穿丝孔，电极丝穿过该孔后，经导向轮由储丝筒带动作正、反向交替移动；放置工导向轮由储丝筒带动作正、反向交替移动；放置工件的工作台按预定的控制程序，在件的工作台按预定的控制程序，在X,YX,Y两个坐标方。两个坐标方。向上作伺服向上作伺服进给移进给移动，把工动，把工件切割成件切割成形。形。电火花线切割加工－电火花线切割加工－特点特点（（11）与电火花穿孔相比，不需要特定形状的电极，减）与电火花穿孔相比，不需要特定形状的电极，减少了电极的制造费用，生产率高、加工成本低；加少了电极的制造费用，生产率高、加工成本低；加工中工具电极损耗很小，可获得高的加工精度；工中工具电极损耗很小，可获得高的加工精度；（（22）小孔、小槽、窄缝，凸、凹模加工可一次完成，）小孔、小槽、窄缝，凸、凹模加工可一次完成，多个工件可叠起来加工；多个工件可叠起来加工；（（33）不能加工盲孔和立体成形表面。）不能加工盲孔和立体成形表面。电解加工（电解加工（电化学加工，电化学加工，ECMECM））„„利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的原理加利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的原理加工。工。2.3.12.3.1加工原理与特点加工原理与特点2.3.22.3.2电解加工的应用电解加工的应用电解加工－基本原理电解加工－基本原理（（11）在进给机构的控制下，工具向工件缓慢进给，使）在进给机构的控制下，工具向工件缓慢进给，使两极间保持加工间隙（两极间保持加工间隙（0.10.1～～1mm1mm），），具有压力具有压力（（0.50.5～～2MPa2MPa））的电解液（的电解液（1010％～％～2020％％NaClNaCl））从间从间隙中高速（隙中高速（55～～60m/s60m/s））流过。流过。电解加工－基本原理电解加工－基本原理22（（22）工件接直流电源的正极作为阳极，工具接电源的）工件接直流电源的正极作为阳极，工具接电源的负极作为阴极。电解液在低电压（负极作为阴极。电解液在低电压（55～～24V24V）、）、大电大电流（流（10001000～～2000A2000A））作用下使作为阳极的工件发生作用下使作为阳极的工件发生溶解，电解产物被电解液冲走。溶解，电解产物被电解液冲走。电解加工－基本原理电解加工－基本原理33（（33）刚开始时，两极间距离昀近点的电流密度较大，）刚开始时，两极间距离昀近点的电流密度较大，溶解速度就比较快。随着工件的溶解，电极向工件溶解速度就比较快。随着工件的溶解，电极向工件进给，工件表面逐渐与工具吻合，然后工件表面开进给，工件表面逐渐与工具吻合，然后工件表面开始均匀溶解，直至达到尺寸要求为止。始均匀溶解，直至达到尺寸要求为止。电解加工电解加工--化学反应化学反应11）用）用10%10%～～2020％的％的NaClNaCl，，水溶液作电解液加工钢件时水溶液作电解液加工钢件时的主要电化学反应如下：的主要电化学反应如下：22）作为阳极的工件（和水）不断消耗，阴极的工具）作为阳极的工件（和水）不断消耗，阴极的工具（和电解液中的氯化钠）并不消耗。（和电解液中的氯化钠）并不消耗。33）工具（阴极）材料：黄铜、不锈钢