現(xiàn)代制造技術第2章-特種加工

1、第二章第二章 特種加工目錄2.1特種加工方法2.1.1電火花加工2.1.2電化學加工2.1.3超聲波加工2.1.4激光加工2.1.5水射流加工2.2特種加工工藝特點2.3特種加工分類2.4電火花加工2.4.1電火花加工概念2.4.2工藝特點2.4.3主要用途2.4.4方式分類2.4.5電火花成型加工2.4.6電火花加工實例2.5電解加工和電解磨削2.5.1電解加工2.5.2電解加工特點2.5.3電解加工應用2.5.4電解磨削2.5.5電解磨削的特點2.5.6電解磨削的應用2.6超聲波加工2.6.1超聲波加工的概念2.6.2超聲波加工的特點2.7激光加工2.7.1激光加工的概念2.7.2激光加工

2、的特點2.7.3激光加工的應用2.8其他特種加工2.8,1電子束加工2.8.2電子束加工的特點2.2.3電子束加工的應用2.2.4等離子加工2.2.5等離子加工的應用2.2.6磨料噴射加工2.2.7磨料噴射加工的特點2.2.8磨料噴射加工的應用2.2.9電鑄成型2.2.10電鑄的特點2.2.11液力加工2.2.12液力加工的應用2.1 2.1 特種加工方法特種加工方法2.1.1電火花加工電火花成型電火花線切割2.1.2電化學加工電解、電鑄、電鍍 2.1.3超聲波加工 2.1.4激光加工 2.1.5水射流加工電火花線切割機床2.2 2.2 特種加工工藝特點特種加工工藝特點1改變了零件的典型工藝路

3、線 它不受工件硬度的影響，而且為了免除加工后淬火引起熱處理變形，一般都先淬火后加工。2試制新產(chǎn)品時的優(yōu)點 利用電能、電化學能、聲能、光能，可以省去設計和制造相應的刀、夾、量具及二次工具，大大縮短了試制周期。3特種加工對產(chǎn)品零件的結(jié)構設計帶來很大的影響4. 傳統(tǒng)的結(jié)構工藝性的好與壞，需要重新衡量2.32.3 特種加工分類特種加工分類一般按能量形式和作用原理分類u電能與熱能作用方式電火花EDM、線切割WEDM、電子束EBM、等離子PAMu電能與化學能作用方式電解ECM、電鑄、電刷鍍u電化學能與機械能作用方式電解磨削ECG、電解珩磨ECHu聲能與機械作用能作用方式：超聲波加工USMu光能與熱能作用方

4、式：激光加工LBM超聲波加工水射流加工u電能與機械作用能作用方式：離子束加工IMu液流能與機械作用能：擠壓珩磨AFH、水射 流WJC離子束加工2.4 2.4 電火花加工電火花加工2.4.1 電火花加工 利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工 英文簡稱EDMElectrical DischargeMachining 2.4.2 2.4.2 工藝特點工藝特點 能加工普通切削加工方法難以切削的材能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復雜形狀工件；料和復雜形狀工件；加工時無切削力；加工時無切削力；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝

5、紋等缺陷；工具電極材料無須比工件材料硬；工具電極材料無須比工件材料硬；直接使用電能加工，便于實現(xiàn)自動化；直接使用電能加工，便于實現(xiàn)自動化；加工后表面產(chǎn)生變質(zhì)層，在某些應用中加工后表面產(chǎn)生變質(zhì)層，在某些應用中須進一步去除；須進一步去除； 工作液的凈化和加工中產(chǎn)生的煙霧污染工作液的凈化和加工中產(chǎn)生的煙霧污染處理比較麻煩。處理比較麻煩。 2.4.3 主要用途加工具有復雜形狀的型孔和型腔的模具和零件； 加工各種硬、脆材料如硬質(zhì)合金和淬火鋼等； 加工深細孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等； 加工各種成形刀具、樣板和螺紋環(huán)規(guī)等工具和量具。2.4.4 方式分類利用成型工具電極，相對工件作簡單進給運動的電火花

6、成形加工；利用軸向移動的金屬絲作工具電極，工件按所需形狀和尺寸作軌跡運動，以切割導電材料的電火花線切割加工；利用金屬絲或成形導電磨輪作工具電極，進行小孔磨削或成形磨削的電火花磨削；用于加工螺紋環(huán)規(guī)、螺紋塞規(guī)、齒輪等的電火花共軛回轉(zhuǎn)加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面強化等其他種類的加工。電火花穿孔電火花穿孔電火花型腔加工電火花型腔加工進給方向進給方向工具電極工件工作液工具電極工件工件電火花成型加工機床電火花成型加工機床2.4.5 2.4.5 電火花成型加工電火花成型加工 沖模加工1.工藝方法 衡量一副沖模質(zhì)量的主要技術指標是：沖頭和凹模的配合間隙、尺寸精度、表面粗糙度、刃口高度、刃口斜度和落

7、料角。 達到配合間隙要求的方法有三種： （1）直接配合法 （2）修配沖頭法 （3）修配電極法2.加工方法 （1）間接法 間接法是指在模具電火花加工中，凸模與加工凹模用的電極分開制造，首先根據(jù)凹模尺寸設計電極，然后制造電極，進行凹模加工，再根據(jù)間隙要求來配制凸模。間接法間接法工 件(凹 模 )工 具 電 極(紫 銅 )主 軸 頭(a) 加工前工 件(凹 模 )主 軸 頭(b) 加工后工 件(凹 模 )主 軸 頭(c) 切除損耗部分凸 模 刃 口切 除 部 分(紫 銅 電 極 )凸 模 刃 口凸 模(沖 頭 )凸 模(沖 頭 )（2）直接法 直接法適合于加工沖模，是指將凸模長度適當增加，先作為電極

8、加工凹模，然后將端部損耗的部分去除直接成為凸模。直接法加工的凹模與凸模的配合間隙靠調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)、控制火花放電間隙來保證。直接法工件(凹模)工具電極(沖頭)主軸頭(a ) 加工前工件(凹模)主軸頭(b ) 加工后工件(凹模)主軸頭(c ) 切除損耗部分凸模刃口工具電極(沖頭)切除部分工具電極(沖頭)凸模刃口（3）混合法 混合法也適用于加工沖模，是指將電火花加工性能良好的電極材料與沖頭材料粘結(jié)在一起，共同用線切割或磨削成型，然后用電火花性能好的一端作為加工端，將工件反置固定，用“反打正用”的方法實行加工。這種方法不僅可以充分發(fā)揮加工端材料好的電火花加工工藝性能，還可以達到與直接法相同的加工效果?；?/p>

9、合法工件(凹模)工具電極主軸頭(a ) 加工前工件(凹模)工具電極主軸頭(b ) 加工后工件(凹模)凸模(另制)主軸頭(c ) 配制凸模 型腔加工1. 工藝方法 型腔膜的電火花加工就不能只是用一個與型腔形狀相對應的整體成型電極沿著型腔的深度方向進給。當前常用的型腔模電火花加工方法有以下四種： （1）單電極平動加工法 （2）多次更換電極法 （3）分解電極法 （4）用指狀電極接數(shù)控程序加工2.4.6 電火花加工實例例2.1 兩個電極的精、 粗加工(本實例所用機床為SodickA3R，其控制電源為Excellence XI)。加工條件：1. 電極/工件材料：Cu/St(45鋼)2. 加工表面粗糙度：

10、Rmax7 m 3. 粗加工電極減寸量(即減小量)：0.3 mm/單側(cè) 精加工電極減寸量：0.1 mm/單側(cè)4. 加工深度：5.00.015. 加工位置：工件中心 精、粗加工兩個電極時的加工條件及加工圖形如圖2-20所示，加工條件表如表2-5所示。圖2-20 精、粗加工兩個電極時的加工條件及加工圖形電極工件9.40.0110.00.015.00.01(加 工 深 度 )(粗加工電極)9.80.01(精加工電極)表2-5 加 工 條 件 表C C代碼代碼ONONIPIPHPHPPPPPZ Z軸進給余量軸進給余量/m/m搖動步距搖動步距/m/mC170C1701919101011111010Z33

11、0Z3301010C140C1401616050551511010Z180Z180140140C220C2201313030351511010Z120Z120200200C120C1201414030351511010Z100Z1000 0C210C2101212020251511010Z070Z0703030C320C3200808020251511010Z046Z0465454C310C3100808010152521010Z026Z0267474粗加工程序： H0000=+00005000; /加工深度G00 G90 G54XYZl.0; G24; G01 C170 LN002 STEP

12、0l0 Z330-H000 M04; G01 C140 LN002 STEP140 Z180-H000 M04; G01 C220 LN002 STEP200 Z120-H000 M04; /以C220條件加工至距離底面0.040 mmM02;精加工程序讀者可以參照上面的程序自己編寫，精加工的加工條件為C120、C210、C320、C310。2.5 電解加工和電解磨削2.5.1 電解加工 電解加工（ECM）又稱電化學加工，是繼電火花加工之后于20世紀60年代發(fā)展起來的一項新工藝，目前已廣泛應用于槍炮、航空、汽車拖拉機等制造工業(yè)和模具制造行業(yè)。2.5.2 電解加工特點 1）加工范圍廣。電解加工能

13、加工各種高強度、高硬度、高韌性的導電材料，如硬質(zhì)含金、淬硬鋼、不銹鋼、耐熱合金等難加工材料。 2）生產(chǎn)效率高，電解加工是特種加工中材料去除速度最快的方法之一，約為電火花加工的510倍。3）加工過程中無機械切削力和切削熱，沒有因為力與熱給工件帶來的變形，可以加工剛性差的薄壁零件，加工表面無殘余應力和毛刺，能獲得較小的表面粗糙度值（一般為Ra1.250.2）和一定的加工精度（平均尺寸誤差約）。 4）加工過程中工具陰極理論上無損耗，可長期使用并保持其精度。 5）電解加工不需要復雜的成形運動就可加工復雜的空間曲面，而且不會像傳統(tǒng)機械加工（如銑削）那樣留下條紋痕跡。 6）電解加工不能加工非導電材料，較難

14、加工窄縫、小孔及尖角。7）對復雜加工表面的工具電極的設計和制造比較費事，不利于單件、小批生產(chǎn)。 8）雖然用電解加工制造出來的工件無應力，但其疲勞強度約降低10%20%，因此對疲勞強度要求較高的工件可用電解加工后的噴丸硬化來恢復強度。 9）電解加工附屬設備較多，占地面積大，投資大，且設備易腐蝕和生銹，需采取一定的防護措施。 10）電解加工的加工缺陷主要有空蝕、產(chǎn)生亮點、加工精度低等。2.5.3 電解加工應用 電解加工主要用于切削加工困難的領域，如難加工材料、形狀復雜的表面、剛性較差的薄板等。常用的有電解穿孔、電解成形、電解去毛刺、電解切割、電解拋光、電解刻印等。電解拋光電解磨削2.5.4 電解磨

15、削 電解磨削（ECG）是電化學腐蝕與機械磨削作用相結(jié)合的一種復合加工方法，比電解加工具有較高的加工精度和較小的表面粗糙度值，比機械磨削有較高的生產(chǎn)率。2.5.5 電解磨削的特點（1）加工范圍廣、加工效率高。（2）磨削的加工精度和表面質(zhì)量較高，電解磨削加工中機械磨削力小，磨削熱少，不會產(chǎn)生殘余應力、變形、燒傷、裂紋和毛刺等缺陷。（3）砂輪損耗少，壽命長，與普通金剛石磨削相比較，電解磨削用的金剛石砂輪消耗速度僅為它們的1/51/10，可顯著降低成本。（4）加工刀具等尖銳刃口不易磨削得非常鋒利。（5）機床輔助設備較多，一次性投資較高，同時設備易腐蝕和生銹,污染環(huán)境，需采取防護措施。2.5.6 電解磨

16、削的應用 電解磨削由于集中了電解加工和機械磨削的優(yōu)點，因此應用范圍廣，可用于內(nèi)、外圓磨削，平面磨削，工具磨削，成形磨削。用于高強度、高硬度、熱敏性和磁敏性等材料，與普通機械磨削相比，電解磨削碳化鎢時，可節(jié)省約75%以上的砂輪費用和50%以上的加工費用。適用于難加工的小孔、深孔、薄壁件，如蜂窩器、薄壁管或外殼、注射針頭等。2.6 超聲波加工2.6.1 超聲波加工 超聲波加工(USM)也稱超聲加工，是利用工具端面作超聲頻振動，并通過懸浮液中的磨料加工脆硬材料的一種加工方法。2.6.2 超聲波加工的特點 1）適于加工各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料（如陶瓷、玻璃、寶石、金剛石等），擴大了模具材

17、料的選用范圍。 2）工具可用較軟的材料做成較復雜的形狀，不需要工具相對于工件作復雜的運動，機床結(jié)構也就簡單，操作也方便。 3）由于去除加工材料是靠極細小磨粒的瞬時局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀作用力很小，不會引起變形和燒傷，表面粗糙度也較好（Ra10.1），加工精度可達0.010.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛性工件。2.6.3 超聲波加工應用 超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花加工和電化學加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比較好，而且能加工半導體、非導體的硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、寶石及金剛石等。即使是電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模和塑料模，最后也常用超聲波拋磨和

18、光整。2.7 激光加工2.7.1 激光加工 激光加工不需要加工工具，加工的小孔孔徑可以小到幾個微米，而且還可以切割和焊接各種硬脆和難熔工件，具有加工速度快、效率高、表面變形小等特點，因而應用越來越廣。另外，激光在機械制造業(yè)中還可用于精密測量等方面。2.7.2 激光加工的特點 （1）加工范圍廣。由于其功率密度高，幾乎能加工任何金屬和非金屬材料，如高熔點材料、耐熱合金、硬質(zhì)合金、有機玻璃、陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。 （2）操作簡單方便。激光加工不需要加工工具，所以不存在工具損耗的問題，也不需要特殊工作環(huán)境，可以在任意透明的環(huán)境中操作，包括空氣、惰性氣體、真空、甚至某些液體。（3）適用于精微加工

19、。激光聚焦后的光斑直徑極小，能形成極細的光束，可以用來加工深而小的細孔和窄縫。因不需工具，加工時無機械接觸，工件不受明顯的切削力，可以加工剛性較差的零件。（4）激光頭不需要過分靠近難于接近的地方去進行切削和加工，甚至可以利用光纖傳輸進行遠距離遙控加工。 （5）因能量高度集中，加工速度快、效率高，可減少熱傳散帶來的熱變形。對具有高熱傳導和高反射率的金屬，如鋁、銅和它們的合金，用激光加工時效率較低。 （6）可控性好，易于實現(xiàn)自動化。利用激光器與機器人相結(jié)合，可以在高溫，有毒或其他危險環(huán)境中工作。同時由于一臺激光器可進行切割、打孔、焊接、表面處理等多種加工，因而新的工作母機加上這種激光器，一臺機器就

20、同時具備多種功能，開辟了新的自動化加工方式。2.7.3 激光加工的應用 在激光加工中利用激光能量高度集中的特點，可以進行打孔、切割、雕刻、表面處理。利用激光的單色性還可以進行精密測量。激光打孔激光切割激光焊接2.8 其他特種加工2.8.1 電子束加工 電子束加工（EBM）是近年來得到較大發(fā)展的新興特種加工。電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高（106109W/cm2）的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在極短的時間（幾分之一微秒）內(nèi)，其大部分能量轉(zhuǎn)換為熱能，使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化或氣化。它在精細加工方面，尤其是在微電子學

21、領域中得到了較多的應用。2.8.2 電子束加工特點1）電子束加工是一種精密細微的加工方法。電子束能夠極其微細聚焦（聚焦直徑一般可達0.1100）加工面積可以很小，能加工細微深孔、窄縫、半導體集成電路等。2）加工材料的范圍較廣。對脆性、韌性、導體、非導體及半導體材料都可以加工。特別適合于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導體材料，因為是在真空中加工，不易被氧化，而且污染少。3）加工速度快，效率高。4）加工工件不易產(chǎn)生宏觀應力和變形。因為電子束加工是非接觸式加工，不受機械力作用。5）可以通過磁場和電場對電子束強度、位置、聚焦等進行直接控制，位置精度可達0.1左右，強度和束斑可達1%的

22、控制精度，而且便于計算機自動控制。6）設備價格較貴，成本高，同時應考慮射線的防護問題。2.8.3 電子束加工的應用 電子束加工按其功率密度和能量注入時間的不同，可分別用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理、光刻加工等。2.8.4 等離子加工 等離子體被稱為物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，它是高度電離的氣體，是由氣體原子或分子電離之后，離解成帶正電荷的離子和帶負電荷的自由電子所組成，因正負電荷數(shù)量相等，故稱之為等離子體。等離子體加工（PAM）又叫等離子體弧加工。2.8.5 等離子加工的應用 等離子體加工不僅可以用于切割各種金屬，特別是不銹鋼、銅、鋁的成型切割以及稀有金屬的切割，而且還可以用于金屬的穿孔加工。近些年，又與機械切削（車、刨）相結(jié)合，用等離子孤作為熱輔助加工，對工件待加工表面加熱，使工件材料變軟，強度降低，降低切削加工中的切削力，延長刀具使用壽命，從而形成各種復合加工方法。2.8.6 磨料噴射加工 磨料噴射加工（AJM）是利用高速射流（空氣或某些其他氣體作介質(zhì)）來噴射磨粒，使微小的磨粒在射流的驅(qū)動下，達到很高的速度，利用高速磨粒的動能對工件表面進行加