特种加工绪论

特种加工吉林大学机械科学与工程学院机械制造及自动化系授课老师：冀世军联系方式：手机：[phone]电子信箱：[e-mail]@jlu.edu.cn第一章概述1.1特种加工的产生和发展1.2特种加工的分类和比较1.3特种加工对加工工艺的影响1.1特种加工的产生和发展定义：特种加工是当传统切削加工方法车、铣、钻、镗、刨、磨、拉、齿形加工对产品（或材料）无法实施或保证不了规定的精度要求时，而应用物理的电、化学、光、声、热等方法进行加工的手段。与传统加工方法的比较：传统加工方法依靠机械能、切削（磨削）力去除工件上多余的材料（接触式的、工具硬度高于被加工材料的硬度）。特种加工用其他能量去除金属材料（工具硬度可以低于被加工材料的硬度、非接触式的、工具和工件之间不存在切削力）。1.1特种加工的产生和发展产生和发展的外因：传统机械加工手段不能满足社会生产力发展的要求，随着社会的生产力的发展人们发现了新的特殊的材料加工和成形手段。阿雷西沃望远镜305m光学透镜曲面加工要求：高精度、高效率、难加工材料。产品方向：大尺寸。1.1特种加工的产生和发展产生和发展的外因：传统机械加工手段不能满足社会生产力发展的要求，随着社会的生产力的发展人们发现了新的特殊的材料加工和成形手段。加工要求：高精度、高效率、难加工材料。产品方向：微纳尺寸。酷睿2处理器45nm工艺酷睿2处理器外观1.1特种加工的产生和发展产生和发展的外因：传统机械加工手段不能满足社会生产力发展的要求，随着社会的生产力的发展人们发现了新的特殊的材料加工和成形手段。加工要求：高精度、高效率、难加工材料。产品方向：微纳尺寸。INTELP4Northwood核心用了5500万晶体管，0.18微米、0.13微米制造工艺；Prescott核心用了1.25亿晶体管，90纳米制造工艺；Corei7核心用了7.31亿个晶体管，核心部分使用的是32nm制造工艺，而GPU和MCH功能部分则继续使用45nm制造工艺。1.1特种加工的产生和发展产生和发展的内因：特种加工从在很多传统机械加工技术不具备的优点。主要用其他能量(如电、化学、光、声、热)去除金属材料。工具硬度可以低于被加工材料的硬度（以柔克刚）。加工过程中不存在显著的机械切削力（非接触）。加工范围广，不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。易于加工复杂型面、微细表面以及柔性、低刚度零件。能获得良好的加工表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区以及毛刺等均比较小。各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。有的还可用于超精加工、镜面光整加工和纳米级(原子级)加工。1.1特种加工的产生和发展我国特种加工技术的发展历程1、20世纪50年代中期，电火花穿孔机床、电火花表面强化机研制成功；2、20世纪50年代末，营口电火花机床厂开始成批生产电火花强化机、电火花机床；3、1979年我国成立了全国性的电加工学会；4、1981年我国高校间成立了特种加工教学研究会；5、1997年批量生产。前苏联的拉扎林科夫妇开创和发明了电火花加工方法1.2特种加工的分类和比较特种加工一般按能量来源、作用形式以及加工原理可分为以下几种：电火花加工（电火花成型加工、电火花线切割加工）。电化学加工（电解加工、电解磨削、电铸、电镀）。高能束加工（激光加工、电子束加工、离子束加工）。化学加工（化学铣削、化学抛光、光刻）。超声加工（超声波成形加工、切割、焊接、清洗）。液体喷射加工（表面清理、切割、雕刻、落料及打孔）。复合加工（两种及两种以上特种加工方法组合）。1.2特种加工的分类和比较电火花加工靠工具与工件间不断产生的脉冲性火花放电，利用放电时产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除下来。1.电火花成形加工适用于各种孔、槽模具，还可加工各类腔模及各种复杂型腔零件；2.电火花线切割加工适用于切割各种冲模和具有直纹面的零件，下料、截割和窄缝加工。1.2特种加工的分类和比较电火花加工电火花成形加工1.2特种加工的分类和比较电火花加工电火花线切割加工1.2特种加工的分类和比较电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的加工方法。1.电解加工适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。2.电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心零件，如波导管；注塑用的模具、薄壁零件；复制精密的表面轮廓；表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。3.涂覆加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂覆以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂覆补救。对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐腐层，以改善表面性能。1.2特种加工的分类和比较电化学加工图1电解(电镀)液中的电化学反应ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图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－＋1.2特种加工的分类和比较电化学加工图3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—恒温装置；7—温度计；8—母模；9—电铸层；10—玻璃管1.2特种加工的分类和比较电化学加工图4电解磨削加工原理图7685432191251311101—直流电源；2—绝缘主轴；3—磨轮；4—电解液喷嘴；5—工件；6—电解液泵；7—电解液箱；8—机床本体；9—工作台；10—磨料；11—结合剂；12—电解间隙；13—电解液1.2特种加工的分类和比较高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。1.激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强化、微调和存储等。2.电子束加工利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工；或利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工等。3.离子束加工主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。等离子弧加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理，还可制造高纯度氧化铝、氧化硅和工件表面强化，还可进行等离子弧堆焊及喷涂。1.2特种加工的分类和比较激光加工图1激光加工示意图1234561—激光器；2—激光束；3—全反射棱镜；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台1.2特种加工的分类和比较激光加工平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图2CO2气体激光器切割钛合金示意图1.2特种加工的分类和比较激光加工图3振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜Y轴马达透镜1.2特种加工的分类和比较电子束加工图4电子束加工原理电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统1.2特种加工的分类和比较超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛光、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及超声振动使工件相互结合的加工方法。适用于成形加工、切割加工、焊接加工和超声清洗。1.2特种加工的分类和比较超声加工图1超声波加工原理图加工力工具工件振动方向磨料＋工作液工具振幅1.2特种加工的分类和比较超声加工图2超声波加工装置123456781—冷却器；2—磨料悬浮液抽出；3—工具；4—工件；5—磨料悬浮液送出；6—变幅杆；7—换能器；8—高频发生器1.2特种加工的分类和比较液体喷射加工是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵及增压器产生高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的目的。可加工薄、软的金属及非金属材料，去除腔体零件内部毛刺、使金属表面产生塑性变形。磨料喷射加工适用于去毛刺加工、表面清理、切割加工、雕刻、落料及打孔等。1.2特种加工的分类和比较液体喷射加工1.2特种加工的分类和比较液体喷射加工（b）不锈钢配件切割（a）金属切割（c）玻璃切割1.2特种加工的分类和比较化学加工使利用化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件形状、尺寸或表面状态加工方法。用于去除材料表层，以减重；有选择地加工较浅或较深的空腔及凹槽；对板材、片材、成形零件及挤压成形零件进行锥孔加工。1.2特种加工的分类和比较化学加工化学溶液被溶解去除部分耐腐蚀保护层1.2特种加工的分类和比较（特种加工技术存在问题）1.一些特种加工的机理（如超声、激光等加工）还不十分清楚，其工艺参数选择、加工过程的稳定性均需进一步提高。2.有些特种加工（如电化学加工）加工过程中的废渣、废气若排放不当，会产生环境污染，影响工人健康。3.有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）的加工精度及生产率有待提高。4.有些特种加工（如激光加工）所需设备投资大、使用维修费高，亦有待进一步解决。第三节特种加工对材料可加性和结构工艺性等的影响1.提高了材料的可加工性。2.改变了零件的典型工艺路线。4.对产品零件的结构设计带来很大的影响。5.对传统的结构工艺性的好与坏需要重新衡量。6.成为微细加工和纳米加工的主要手段。3.改变了试制新产品的模式。以往认为金刚石、硬质合金、淬硬钢、石英、玻璃、陶瓷等难加工材料，可以用电火花、电解、激光等多种方法来加工此类材质的刀具、工具、拉丝模具。材料的可加工性不再与硬度、强度、韧性、脆性等有直接关系．对电火花、线切割加工而言．淬硬钢比未淬硬钢更易加工。由于特种加工基本上不受工件硬度的影响，一般都先淬火而后加工。改变了传统切削中除磨削外的切削加工方法必须安排在淬火热处理工序之前进行的程式。最为典型的是电火花线切割加工、电火花成形加工和电解加工等都必须先淬火，后加工。特种加工的出现还对工序的“分散”和“集中”产生了影响。以加工齿轮、连杆等型腔缎模为例，由于特种加工时没有显著的切削力，机床、夹具、工具的强度、刚度不是主要矛盾。因此，即使是较大的、复杂的加工表面，往往宁可用一个复杂工具、简单的运动轨迹、一次安装、一道工序加工出来，这样做工序比较集中。试制新产品时，采用数控电火花线切割，可以直接加工出各种特殊、复杂的二次曲面体零件。这样可以省去设计和制造相应的刀、夹、量具．模具以及二次工具．大大缩短了试制周期。例如，花键孔、轴，枪炮膛线的齿根部分．从设计观点为了减少应力集中，最好做成小圆角，但拉削加工时刀齿做成困角对排屑不利，容易磨损，所以刀齿只能设计与造成清棱清角的齿根，而用电解加工时由于存在尖角变圆现象，可加工出小圆角的齿根。又如各种复杂冲模如山形硅钢片冲模，过去由于不易制造，注往采用拼镶结构，采用电火花、线切割加工后，即使是硬质合金的模具或刀具，也可做成整体结构。喷气发动机涡轮也由于电加工而可采用整体结构。过去认为盲孔、方孔、小孔、窄缝等是工艺性很不好，工艺、设计员非常“忌讳”，有的甚至认为是“禁区”。特种加工的采用改变这种现象。对于电火花穿孔和电火花线切割工艺来说，加工方孔和加工回孔的难易程度是一样的。喷油嘴小孔，喷丝头小异形孔，涡轮叶片大量的小冷却深孔，窄缝，静压轴承、静压导轨的内油囊型腔，采用电加工后则变难为易。过去淬火前忘了钻定位销7L、铣槽等工艺，淬火后这种工件只能报废，现在则可用电火花打孔、切槽进行补救。相反有时为了避免淬火开裂、变形等影响，故意把钻孔、开槽等工艺安排在淬火之后，特种加工的产生和发展使这种工艺安排已经成为可能。谢谢各位同学！