機械制造裝備學3.2

1、制造裝 備 學 機械制造裝備設計、制造與控制機械制造裝備設計、制造與控制金金 屬屬 切切 削削 機機 床床特特 種種 加加 工工 機機 床床工工 業(yè)業(yè) 機機 器器 人人 設設 備備成成 型型 加加 工工 機機 床床第三章 加 工 裝 備3.23.2特特 種種 加加 工工 機機 床床 EDM EDM（電火花加工）機床（電火花加工）機床 激激 光光 加加 工工 機機 床床基基 本本 原原 理理電器開關的觸點在閉合或斷開時，往往伴隨著噼電器開關的觸點在閉合或斷開時，往往伴隨著噼啪聲響的藍白火花。啪聲響的藍白火花。這種現象稱為火花放電，其結果是金屬表面被腐這種現象稱為火花放電，其結果是金屬表面被腐蝕成

2、許多細小的凹坑，人們稱之為電腐蝕。蝕成許多細小的凹坑，人們稱之為電腐蝕。顯然，電腐蝕現象對于電器是有害的，然而從另顯然，電腐蝕現象對于電器是有害的，然而從另一個角度卻給人們以啟示，導致了一種新的金屬一個角度卻給人們以啟示，導致了一種新的金屬去除方法的產生，這就是應用到工業(yè)生產中的電去除方法的產生，這就是應用到工業(yè)生產中的電火花加工火花加工電火花加工機床電火花加工機床電火花加工機床電火花加工機床1-自動進給2-工具3-工件4-煤油5-脈沖電源 電火花加工是在一定的介質中，通過工具電極與工電火花加工是在一定的介質中，通過工具電極與工件電極之間脈沖放電的電腐蝕作用，對工件進行去除材件電極之間脈沖放電

3、的電腐蝕作用，對工件進行去除材料加工的方法。要將電腐蝕現象用于金屬材料的尺寸加料加工的方法。要將電腐蝕現象用于金屬材料的尺寸加工，必須具備以下條件。工，必須具備以下條件。電火花加工機床電火花加工機床 （1 1）火花放電必須具有足夠的）火花放電必須具有足夠的放電強度放電強度，使放電，使放電點處金屬熔化和汽化。放電點處電流密度須滿足。點處金屬熔化和汽化。放電點處電流密度須滿足。 （2 2）火花放電必須是）火花放電必須是短促的脈沖放電短促的脈沖放電，使火花放，使火花放電產生的熱量來不及擴散到工件內部。電產生的熱量來不及擴散到工件內部。 （3 3）相鄰兩次火花放電之間，要有）相鄰兩次火花放電之間，要有

4、足夠的間隔時足夠的間隔時間間，使極間工作介質恢復介電性能，防止產生電弧放電。，使極間工作介質恢復介電性能，防止產生電弧放電。（4 4）工件與工具之間始終維持一定間隙。）工件與工具之間始終維持一定間隙。 （5 5）在流動的絕緣液體介質中進行（煤油或去離）在流動的絕緣液體介質中進行（煤油或去離子水），使電蝕產物及時排出加工區(qū)域。子水），使電蝕產物及時排出加工區(qū)域。電火花加工機床電火花加工機床電火花加工典型機床型號及分類電火花加工典型機床型號及分類我國國標規(guī)定電火花成型機床均用我國國標規(guī)定電火花成型機床均用D71加上加上機床工作臺面寬度的機床工作臺面寬度的1/10表示。表示。例如例如D7132中，中

5、，D表示表示電加工電加工成型機床成型機床(若該若該機床為數控電加工機床，則在機床為數控電加工機床，則在D后加后加K，即，即DK)；71表示表示電火花電火花成型機床；成型機床；32表示機床工作臺表示機床工作臺的寬度為的寬度為320mm。電火花加工機床電火花加工機床電火花加工典型機床型號及分類電火花加工典型機床型號及分類電火花加工機床按其大小可分為小型電火花加工機床按其大小可分為小型(D7125以下以下)、中型中型(D7125D7163)和大型和大型(D7163以上以上)；按數控程度分為非數控、單軸數控和三軸數控。按數控程度分為非數控、單軸數控和三軸數控。隨著科學技術的進步，國外已經大批生產隨著科

6、學技術的進步，國外已經大批生產三坐標數三坐標數控電火花機床控電火花機床，以及帶有，以及帶有工具電極庫工具電極庫、能按程序、能按程序自自動更換電極動更換電極的的電火花加工中心電火花加工中心，我國的大部分電加，我國的大部分電加工機床廠現在也正開始研制生產三坐標數控電火花工機床廠現在也正開始研制生產三坐標數控電火花加工機床。加工機床。電火花加工機床電火花加工機床機床結構機床結構由機床本體、脈沖電源、自動進給調由機床本體、脈沖電源、自動進給調節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)、數節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)、數控系統(tǒng)等部分組成控系統(tǒng)等部分組成電火花加工機床電火花加工機床平平 動動 頭頭電火花加工時粗加工的電

7、火花放電間隙比半精加工的電火花加工時粗加工的電火花放電間隙比半精加工的放電間隙要大，而半精加工的電火花放電間隙（即距放電間隙要大，而半精加工的電火花放電間隙（即距離）比精加工的放電間隙又要大一些。離）比精加工的放電間隙又要大一些。當用一個電極進行粗加工時，將工件的大部分余量蝕當用一個電極進行粗加工時，將工件的大部分余量蝕除掉后，其底面和側壁四周的表面粗糙度很差，為了除掉后，其底面和側壁四周的表面粗糙度很差，為了將其修光，就得轉換規(guī)準逐擋進行修整。將其修光，就得轉換規(guī)準逐擋進行修整。但由于半精、精加工規(guī)準的放電間隙比粗加工規(guī)準的但由于半精、精加工規(guī)準的放電間隙比粗加工規(guī)準的放電間隙小，若不采取措

8、施則四周側壁就無法修光了。放電間隙小，若不采取措施則四周側壁就無法修光了。平動頭就是為解決修光側壁和提高其尺寸精度而設計平動頭就是為解決修光側壁和提高其尺寸精度而設計的。的。電火花加工機床電火花加工機床平平 動動 頭頭平動頭平動頭是一個使裝在其上的電極能產生向外機是一個使裝在其上的電極能產生向外機械補償動作的械補償動作的工藝附件工藝附件。當用單電極加工型腔時，使用當用單電極加工型腔時，使用平動頭平動頭可以可以補償補償上一個加工規(guī)準和下一個加工規(guī)準之間的上一個加工規(guī)準和下一個加工規(guī)準之間的放電放電間隙差。間隙差。電火花加工機床電火花加工機床平平 動動 頭頭 的的 原原 理理利用偏心機構將伺服電機

9、的旋轉運動通過平動軌跡保持機構利用偏心機構將伺服電機的旋轉運動通過平動軌跡保持機構轉化成電極上每一個質點都能圍繞其原始位置在水平面內作轉化成電極上每一個質點都能圍繞其原始位置在水平面內作平面小圓周運動，許多小圓的外包絡線面積就形成加工橫截平面小圓周運動，許多小圓的外包絡線面積就形成加工橫截面積，面積，如圖，其中每個質點運動軌跡的半徑就稱為平動量，其大小如圖，其中每個質點運動軌跡的半徑就稱為平動量，其大小可以由零逐漸調大，以補償粗、中、精加工的電火花放電間可以由零逐漸調大，以補償粗、中、精加工的電火花放電間隙隙d之差，從而達到修光型腔的目的之差，從而達到修光型腔的目的電火花加工機床電火花加工機床

10、平平 動動 頭頭 的的 原原 理理機床上安裝的平動頭有機床上安裝的平動頭有機械式平動頭機械式平動頭和和數控平動頭數控平動頭機械式平動頭機械式平動頭由于有平動軌跡半徑的存在，它無法加工有清由于有平動軌跡半徑的存在，它無法加工有清角要求的型腔；角要求的型腔；而而數控平動頭數控平動頭可以兩軸聯動，能加工出清棱、清角的型孔和可以兩軸聯動，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。型腔。電火花加工機床電火花加工機床平平 動動 頭頭 特特 點點與一般電火花加工工藝相比較，采用平動頭電火花加工有如下特與一般電火花加工工藝相比較，采用平動頭電火花加工有如下特點：點：1）可以通過改變軌跡半徑來調整電極的作用尺寸，因此尺寸

11、加工）可以通過改變軌跡半徑來調整電極的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放電間隙的限制。不再受放電間隙的限制。2）同一尺寸的工具電極，通過間隙的改變，可以實現由粗至精直）同一尺寸的工具電極，通過間隙的改變，可以實現由粗至精直接加工出一副型腔。接加工出一副型腔。3）在加工過程中，工具電極的軸線與工件的軸線相偏移，除開工）在加工過程中，工具電極的軸線與工件的軸線相偏移，除開工作區(qū)域外，工具電極與工件之間的其他部分間隙都大于放電間隙，作區(qū)域外，工具電極與工件之間的其他部分間隙都大于放電間隙，實際上減小了同時放電的面積，這有利于電蝕產物的排除，提高實際上減小了同時放電的面積，這有利于電蝕產物的排除，提高加工

12、穩(wěn)定性。加工穩(wěn)定性。4）工具電極移動方式的改變，可使加工的表面粗糙度大有改善，）工具電極移動方式的改變，可使加工的表面粗糙度大有改善，特別是底平面處。特別是底平面處。雙頭火花機雙頭火花機火花機加工火花機加工火花機加工火花機加工 EDMEDM（電火花加工）機床（電火花加工）機床 激激 光光 加加 工工 機機 床床激光是激光是20世紀世紀60年代發(fā)展起來的一項重大科技成果，它年代發(fā)展起來的一項重大科技成果，它的出現深化了人們對光的認識，擴展了光為人類服務的的出現深化了人們對光的認識，擴展了光為人類服務的領域。領域。目前，激光加工已較為廣泛地應用于目前，激光加工已較為廣泛地應用于切割、打孔、焊接、切

13、割、打孔、焊接、表面處理、切削加工、快速成形、基板劃片半導體加工表面處理、切削加工、快速成形、基板劃片半導體加工等領域中。等領域中。激光加工幾乎可以加工任何材料，加工熱影響區(qū)小，光激光加工幾乎可以加工任何材料，加工熱影響區(qū)小，光束方向性好，其光束斑點可以聚焦到波長級，可以進行束方向性好，其光束斑點可以聚焦到波長級，可以進行選擇性加工、精密加工，這是激光加工的特點和優(yōu)越性。選擇性加工、精密加工，這是激光加工的特點和優(yōu)越性。激激 光光 加加 工工 機機 床床 (a)三維三維切割切割 (b)平面平面切割切割 (c)表面熱處理表面熱處理 (e) 鉆微孔鉆微孔 (f) 焊接焊接 (g) 打標打標 激光加

14、工技術應用激光加工技術應用 激光切割的基本原理激激 光光 加加 工工 機機 床床經聚焦聚焦的高功率密度激光高功率密度激光束照射工件，并以活性氣束照射工件，并以活性氣體輔助切割過程，由此引體輔助切割過程，由此引起照射點材料的溶化或氣起照射點材料的溶化或氣化，形成孔洞；化，形成孔洞；光束在工件上移動，便可光束在工件上移動，便可形成切縫，切縫處的熔渣形成切縫，切縫處的熔渣被一定壓力的輔助氣體吹被一定壓力的輔助氣體吹除除，完成了切割加工完成了切割加工 激光是一種激光是一種亮度高、方向性好亮度高、方向性好（激光光束的發(fā)散角極?。?。（激光光束的發(fā)散角極?。?。單色性好（波長或頻率單一）、相干性好的單色性好（

15、波長或頻率單一）、相干性好的光。光。 由于激光的上述四大特點，通過光學系統(tǒng)可以使它聚焦成一個極由于激光的上述四大特點，通過光學系統(tǒng)可以使它聚焦成一個極小的光斑（直徑僅為幾微米至幾十微米），小的光斑（直徑僅為幾微米至幾十微米）， 從而獲得極高的能量密度從而獲得極高的能量密度（1071010W/Cm2）和極高的溫度（）和極高的溫度（10000以上）。以上）。 在此高溫下，任何堅硬的材料都將瞬時急劇被熔化和氣化，在工在此高溫下，任何堅硬的材料都將瞬時急劇被熔化和氣化，在工件表面形成凹坑，件表面形成凹坑， 同時熔化物被氣化所產生的金屬蒸氣壓力推動。以很高的速度噴同時熔化物被氣化所產生的金屬蒸氣壓力推動

16、。以很高的速度噴射出來。射出來。 激光加工就是利用這種原理蝕除材料的。激光加工就是利用這種原理蝕除材料的。 為了幫助蝕除物的排除，還需對加工區(qū)吹氧（加工金屬用），為了幫助蝕除物的排除，還需對加工區(qū)吹氧（加工金屬用），或吹保護性氣體，如二氧化碳、氮等（加工可燃物質時使用）。或吹保護性氣體，如二氧化碳、氮等（加工可燃物質時使用）。 激光激光加工過程加工過程受以下主要因素影響受以下主要因素影響（1）輸出功率與照射時間輸出功率與照射時間 激光輸出功率大，照射時間長，工件所獲激激光輸出功率大，照射時間長，工件所獲激光能量大，加工出來的孔徑就大而深，且錐度小。光能量大，加工出來的孔徑就大而深，且錐度小。

17、激光照射時間應適當，過長會使熱量擴散。太短則使能量密度過高，使蝕除材激光照射時間應適當，過長會使熱量擴散。太短則使能量密度過高，使蝕除材料氣化。兩者都會使激光能量效率降低。料氣化。兩者都會使激光能量效率降低。（2）焦距、發(fā)散角與焦點位置焦距、發(fā)散角與焦點位置 采用短焦距物鏡（焦距為采用短焦距物鏡（焦距為20mm左右），左右），減小激光束的發(fā)散角，可獲得更小的光斑及更高的能量密度，因而可使打出的孔減小激光束的發(fā)散角，可獲得更小的光斑及更高的能量密度，因而可使打出的孔小而深，且錐度小。小而深，且錐度小。 激光的實焦點應位于工件的激光的實焦點應位于工件的表面上或略低于表面上或略低于工件表面。工件表面

18、。 若焦點位置過低，則透過工件表面的光斑面積大，容易使孔形成喇叭形，而若焦點位置過低，則透過工件表面的光斑面積大，容易使孔形成喇叭形，而且由于能量密度減小而影響加工深度；且由于能量密度減小而影響加工深度； 若焦點位置過高則會造成工件表面的光斑很大，使打出的孔孔徑大、深度淺。若焦點位置過高則會造成工件表面的光斑很大，使打出的孔孔徑大、深度淺。 激光激光加工過程加工過程受以下主要因素影響受以下主要因素影響 （3）照射次數照射次數 照射次數多可使孔深大大增加，錐度減小。用激光束每照射照射次數多可使孔深大大增加，錐度減小。用激光束每照射一次，加工的孔深約為直徑的一次，加工的孔深約為直徑的5倍。倍。 如

19、果用激光多次照射，由于激光束具有很小的發(fā)散角，所以光如果用激光多次照射，由于激光束具有很小的發(fā)散角，所以光能在光壁上反射向下深入孔內，使加工出的孔深度大大增加而孔能在光壁上反射向下深入孔內，使加工出的孔深度大大增加而孔徑基本不變。但加工到一定深度后（約照射徑基本不變。但加工到一定深度后（約照射2030次），由于孔次），由于孔內壁反射。透射以及激光的散射和吸收等，使拋出力減小、排屑內壁反射。透射以及激光的散射和吸收等，使拋出力減小、排屑困難，造成激光束能量密度不斷下降，以致不能繼續(xù)加工。困難，造成激光束能量密度不斷下降，以致不能繼續(xù)加工。（4）工件材料工件材料 激光束的光能通過工件材料的吸收而轉

20、換為熱能，故生產率激光束的光能通過工件材料的吸收而轉換為熱能，故生產率與吸收率有關。工件材料不同，對不同波長激光的吸收率亦不同、與吸收率有關。工件材料不同，對不同波長激光的吸收率亦不同、因此必須根據工件的材料性質來選用合理的激光器。因此必須根據工件的材料性質來選用合理的激光器。 激光加工具有如下特點：激光加工具有如下特點：（1）不需要不需要加工加工工具工具，故不存在工具磨損問題，同時也不存在，故不存在工具磨損問題，同時也不存在斷屑、排屑的麻煩。這對高度自動化生產系統(tǒng)非常有利，斷屑、排屑的麻煩。這對高度自動化生產系統(tǒng)非常有利， 目前激光加工機床已用于柔性制造系統(tǒng)之中。目前激光加工機床已用于柔性制

21、造系統(tǒng)之中。（2）激光束的）激光束的功率密度很高功率密度很高，幾乎對任何難加工的金屬和非金，幾乎對任何難加工的金屬和非金屬材料（如高熔點材料、耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆屬材料（如高熔點材料、耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料）都可以加工。材料）都可以加工。（3）激光加工）激光加工是非接觸加工是非接觸加工，工件無受力變形。，工件無受力變形。（4）激光打孔、切割的）激光打孔、切割的速度很高速度很高（打一個孔只需（打一個孔只需0.001s；切割；切割20mm厚的不銹鋼板，切割速度可厚的不銹鋼板，切割速度可1.27m/min），加工部位周圍的），加工部位周圍的材料幾乎不受熱影響，工件熱變形

22、很小。激光切割的切縫窄，切材料幾乎不受熱影響，工件熱變形很小。激光切割的切縫窄，切割邊緣質量好。割邊緣質量好。 目前，激光加工目前，激光加工已已廣泛用于廣泛用于 金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、發(fā)金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、發(fā)散式氣冷沖片的多孔蒙皮、發(fā)動機噴油散式氣冷沖片的多孔蒙皮、發(fā)動機噴油咀、航空發(fā)動機葉片等的咀、航空發(fā)動機葉片等的小孔加工小孔加工，以以及多種金屬材料和非金屬材料的及多種金屬材料和非金屬材料的切割加切割加工工?？椎闹睆揭话銥椤？椎闹睆揭话銥?0.011mm,最小孔最小孔徑可達徑可達 0.001mm，孔的深徑比可達，孔的深徑比可達 50100切割厚度，對于金屬材料可達切割厚度，對

23、于金屬材料可達10mm以上，對于非金屬材料可達幾十毫以上，對于非金屬材料可達幾十毫米，切縫寬度一般為米，切縫寬度一般為0.l0.5mm。 激光還可以用于激光還可以用于焊接熱處理焊接熱處理等加工。等加工。 隨著激光技術與電子計算機數控技術的密隨著激光技術與電子計算機數控技術的密切結合，激光加工技術的應用將會得到更迅速、切結合，激光加工技術的應用將會得到更迅速、更廣泛的發(fā)展，并在生產中占有越來越重要的更廣泛的發(fā)展，并在生產中占有越來越重要的地位。地位。 當前激光加工存在的主要問題是：設備價當前激光加工存在的主要問題是：設備價格高，更大功率的激光器尚在試驗研究階段；格高，更大功率的激光器尚在試驗研究

24、階段；不論是激光器本身的性能質量，還是使用者的不論是激光器本身的性能質量，還是使用者的操作技術水平都有待于進一步提高。操作技術水平都有待于進一步提高。 (1)(1)工件二座標移動式工件二座標移動式 這類機床多為單純用這類機床多為單純用于切割的二、三座標機床，于切割的二、三座標機床，其激光切割頭懸臂伸出，其激光切割頭懸臂伸出，在水平面內無移動在水平面內無移動(見圖見圖2); 而工件則以而工件則以X,Y兩個方向兩個方向運動，運動，這類機床這類機床結構簡單結構簡單最小規(guī)格最小規(guī)格400 X 600 (mm X mm)，最大，最大2000 X 1500 (mm又又mm)。 激光加工裝備激光加工裝備1

25、1。激光加工機的分類。激光加工機的分類工件二座標移動式又可分工件二座標移動式又可分為為十字工作臺式十字工作臺式 一為工件及夾具一為工件及夾具X座標座標移動移動圖圖3(c)， 其規(guī)格尺寸都比龍門式其規(guī)格尺寸都比龍門式小，在五座標機床很少見。小，在五座標機床很少見。 激光加工裝備激光加工裝備1 1。激光加工機的分類。激光加工機的分類(3)(3)工件不移動式工件不移動式 工件不移動式結構又稱為工件不移動式結構又稱為飛行光路飛行光路，這類機床因，這類機床因為工作時工作臺不移動，而由激光頭、橫梁移動，因為工作時工作臺不移動，而由激光頭、橫梁移動，因此運動部件質量相對較小，而工作臺的剛性較好，機此運動部件

26、質量相對較小，而工作臺的剛性較好，機床占地面積小，床占地面積小， 故特別適用于故特別適用于大規(guī)格厚板大規(guī)格厚板的切割和的切割和大型零件大型零件的焊的焊接、涂覆和熱處理，接、涂覆和熱處理， 其缺點是其缺點是:外光路太長，環(huán)節(jié)太多，調整困難，功外光路太長，環(huán)節(jié)太多，調整困難，功率損失較大。率損失較大。 在在以上三大類機床中，以工件以上三大類機床中，以工件X座標移動為最多，以工件二座標座標移動為最多，以工件二座標移動為最少，各種機床中，又以龍門式最多。移動為最少，各種機床中，又以龍門式最多。 飛行光路結構有三種類型飛行光路結構有三種類型: :一般式一般式 圖圖4(a) 框架行車式框架行車式 圖圖4(b) 懸臂式懸臂式 圖圖4(c) 一般式一般式 飛行光路結構有橫梁移動的，也有立柱移動的，在平面激光飛行光路結構有橫梁移動的，也有立柱移動的，在平面激光切割機、激光打標機、繪圖機、等離子體切割機中比較常見切割機、激光打標機、繪圖機、等離子體切割機中比較常見; 框架行車式框架行車式 有很高的框架支撐著導軌，激光頭及橫梁在其上運動與有很高的框架支撐