特種加工技術的發(fā)展和展望

1、 特種加工課程論文 題 目： 特種加工技術的發(fā)展和展望 姓 名： 郭 健 朗 學 號： 1 3 4 1 1 0 1 0 8 6 院 系： 機 械 與 能 源 工 程 系 專 業(yè)： 機 械 設 計 制 造 及 其自 動 化 指導老師： 雷 先 明 特種加工技術的發(fā)展和展望摘 要: 全面介紹了特種加工技術的類型及發(fā)展現(xiàn)狀, 指出了其優(yōu)勢和存在的問題; 闡述了電火花加工、電解加工、電子束加工、超聲波加工、激光加工、化學機械復合加工、水噴射加工等加工方法; 探討了各種加工方法的工作要素、加工特點及應用; 最后, 指出了特種加工的發(fā)展趨勢。Abstract: the author introduces

2、the types and current situation of the development of special processing technology, points out its advantages and problems; describes the electrical discharge machining, electrochemical machining, electron beam machining, ultrasonic machining, laser processing, chemical mechanical processing, water

3、 jet machining processing method; discusses the processing characteristics and application of work elements, all kinds of processing methods; finally, points out the development trend of special machining關鍵詞: 特種加工;電火花加工;電解加工;電子束加工;超聲波加工Key words: special machining; EDM; electrochemical machining; el

4、ectron beam machining; ultrasonic machining1.引言特種加工(又稱非傳統(tǒng)加工)是二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一類有別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。特種加工方法將電、磁、聲、光等物理量及化學能量或其組合直接施加在工件被加工的部位上,從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等;特種加工方法可以完成傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的加工, 如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、耐高溫材料和工程陶瓷、磁性材料等難加工材料的加工以及精密、微細、復雜形狀零件的加工等。特種加工技術有以下幾個特點:加工方法主要不是依靠機械能, 而是用其他能量(如電能、光能、聲能、熱能、化學能等)去除材料

5、。傳統(tǒng)加工方法要求刀具的硬度必須大于工件的硬度, 即“以硬切軟;而對于特種加工,由于工具不受顯著切削力的作用,特種加工對工具和工件的強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。加工沒有明顯的切削力作用,一般不會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象, 又由于工件加工部位變形小,發(fā)熱少,或發(fā)熱僅局限于工件表層加工部位,工件熱變形小,由加工產(chǎn)生的應力也小,易于獲得好的加工質(zhì)量,且可在一次安裝中完成工件的粗、精加工。特種加工中能量易于轉換和控制,有利于保證加工精度和提高效率。特種加工方法的材料去除速度一般低于常規(guī)加工方法,這也是目前常規(guī)加工方法在機械加工中仍占主導地位的主要原因。2.特種加工技術特種加工有多種分類方法:如按加工過程材

6、料增減可分為去除加工、結合加工和變形加工等;按作用能源可分為機械能、熱能、化學能、復合能等。2.1 電火花加工電火花加工的工作原理; 是利用工具電極與工件電極之間的火花放電:產(chǎn)生瞬時高溫將金屬熔化,電火花加工過程可分為四個階段: 介質(zhì)電離、被擊穿, 形成放電通路;形成火花放電,工件電極產(chǎn)生熔化、氣化; 熱膨脹;拋出蝕除物;間隙介質(zhì)消電離(恢復絕緣狀態(tài))。電火花加工的工作要素包括電極材料、工作液、放電間隙、脈沖寬度與間隔等。對工具電極的基本要求是導電、損耗小、易加工。常用的工具電極材料有紫銅、石墨、鑄鐵、鋼、黃銅等,其中又以紫銅和石墨最為常用。工作液是電火花加工中必不可少的介質(zhì),其主要功用是壓縮

7、放電通道區(qū)域,提高放電能量密度和加速蝕除物的排出。常用的工作液有煤油、機油、去離子水、乳化液等。合理的放電間隙是保證火花放電的必要條件。為保持適當?shù)姆烹婇g隙, 在加工過程中, 需采用自動調(diào)節(jié)器控制機床進給系統(tǒng),并帶動工具電極緩慢向工件進給。電火花加工特點是: 電火花加工不受加工材料硬度限制,可加工任何硬、脆、韌、軟的導電材料。加工時無顯著作用力,發(fā)熱小(發(fā)熱僅局限于放電區(qū)極小范圍內(nèi)),適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等,且加工質(zhì)量好。精加工時,加工尺寸精度可達0. 0050.01mm, 表面粗糙度可達Ra 為0.10.05um。脈沖參數(shù)調(diào)整方便,可一次安裝完成粗、精加工。易于實現(xiàn)自

8、動化。目前,實際應用的電火花加工主要有兩種類型,即電火花成形加工和電火花線切割。2.1.1電火花成形加工主要指孔加工和型腔加工。電火花打孔常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等。型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔加工,以及葉輪、葉片等曲面加工。2.1.2 電火花線切割用連續(xù)移動的鉬絲( 或銅絲)做工具陰極,工件為陽極。機床工作臺帶動工件在水平面內(nèi)做互相垂直方向的移動,可切割出二維圖形。絲架也可做小角度擺動,可切割出斜面。電火花線切割廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。電火花線切割加工按走絲速度可分為快走絲和慢走絲兩類?？熳呓z速度一般

9、為l0m/s, 電極絲可往復移動,并可以循環(huán)反復使用( 使用一段時問后需進行更換).慢走絲速度為28m/min,單向運動,電極絲一次性使用。慢走絲線切割走絲平穩(wěn),無振動,電極絲損耗小,加工精度高。2.2 電解加工電解加工的工作原理 是工件接陽極,工具(銅或不銹鋼) 接陰極,兩極間加624V 的直流電壓,極間保持0.11mm的間隙。在間隙處通以660m/s高速流動的電解液,形成極間導電通路,工件表面材料不斷溶解,其溶解物及時被電解液沖走。工具電極不斷進給,以保持極間間隙。電解加工的特點是:不受材料硬度的限制,能加工出任何高硬度、高韌性的導電材料, 并能以簡單的進給運動一次加工出形狀復雜的形面和型

10、腔。電解加工比電火花加工的形面和型腔效率高510倍。加工過程中陰極損耗小。加工表面質(zhì)量好,無毛刺、無殘余應力和變形層。加工設備投資較大, 有污染, 需防護。電解加工廣泛應用于模具的型腔加工,槍炮的膛線加工,發(fā)電機的葉片加工,花鍵孔、內(nèi)齒輪、深孔加工,以及電解拋光、倒棱、去毛刺等。電解磨削是利用電解作用與機械磨削相結合的一種復合加工方法。工件接直流電源正極, 高速回轉的導電磨輪接負極,兩者保持一定的接觸壓力,導電磨輪表面突出的磨料使磨輪導電基體與工件之間有一定的間隙。當電解液從問隙中流過并接通電源后,工件產(chǎn)生陽極溶解, 工件表面上生成一層稱為陽極膜的氧化膜, 其硬度遠比金屬本身低,極易被高速回轉

11、的磨輪刮除,使新的金屬表面露出,繼續(xù)進行電解。電解作用與磨削作用交替進行,電解產(chǎn)物被流動的電解液帶走,使加工繼續(xù)進行,直至達到加工要求。電解磨削效率比機械磨削高,且導電磨輪損耗遠比機械磨削小,特別是磨削硬質(zhì)合金時, 效果更明顯。2.3 電子束加工電子束加工的工作原理是在真空條件下,利用電流加熱陰極發(fā)射電子束,經(jīng)控制柵極初步聚焦后, 由加速陽極加速, 通過透鏡聚焦系統(tǒng)進一步聚焦, 使能量密度集中在直510um 的斑點內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上,被沖擊點處形成瞬時高溫(在幾分之一微秒時間內(nèi)升高至幾千攝氏度),工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。電子束加工的特點及應用是: 電子束束徑最

12、小可達0.010.005 mm,長度可達束徑的幾十倍,故可加工微細深孔和窄縫。材料適應性廣,原則上各種材料均可加工,特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。加工速度較高,切割1mm 厚的鋼板, 切割速度可達240mm/min。在真空中加工,無氧化,特別適于加工高純度半導體材料和易氧化的金屬及合金。加工設備較復雜,投資較大,多用于微細加工。2.4 超聲波加工超聲波加工的工作原理;是利用超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩, 通過換能器將超聲頻電振蕩轉變?yōu)槌暀C械振動。此時振幅一般較小,再通過振幅擴大棒( 變幅桿),使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.010.15mm。

13、利用工具端面的超聲( 1625kHz)振動,使工作液(普通水)中的懸浮磨粒(碳化硅、氧化鋁、碳化硼或金剛石粉)對工件表面產(chǎn)生撞擊拋磨,實現(xiàn)加工。超聲波加工的特點及應用:適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料, 如玻璃、陶瓷、半導體、寶石、金剛石等?？杉庸じ鞣N復雜形狀的型孔、型腔、形面。被加工表面無殘余應力, 無破壞層, 加工精度較高, 尺寸精度可達0. 010. 05 mm。加工過程受力小, 熱影響小,可加工薄壁、薄片等易變形零件。單純的超聲波加工,加工效率較低。采用超聲復合加工(如超聲車削、超聲磨削、超聲電解加工、超聲線切割等),可顯著提高加工效率。2.5 激光加工激光是一種受激輻射而得到的

14、加強光。其基本特征是: 強度高,亮度大; 波長頻率確定, 單色性好,相于性好, 相干長度長, 方向性好,幾乎是一束平行光。由激光器發(fā)出的激光, 經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后,照射到工件表面上,光能被吸收,轉化為熱能,使照射斑點處局部區(qū)域溫度迅速升高,此處材料被熔化、氣化而形成小坑。由于熱擴散,使斑點周圍材料熔化,小坑內(nèi)材料蒸氣迅速膨脹, 產(chǎn)生微型爆炸,將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個方向性很強的反沖擊波,于是在加工表面上打出一個上大下小的孔。激光加工的特點及應用:加工材料范圍廣,可加工各種金屬和非金屬材料,特別適用于加工高熔點材料、耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。激光可透過透明材料進行加工。激光加工為非

15、接觸加工,工件無受力變形,受熱區(qū)域小,工件熱變形小,加工精度高?？蛇M行微細加工。激光聚焦后焦點直徑理論上可小至0.001mm 以下,實際上可實現(xiàn)0.01mm 的小孔加工和窄縫切割。激光切割廣泛用于切割復雜形狀的零件、柵網(wǎng)等。在大規(guī)模集成電路的制作中, 可用激光進行切片。 加工速度快。例如在寶石上打孔,加工時間僅為機械方法的1% 。激光加工不僅可以打孔和切割,也可進行焊接、熱處理等工作。激光加工可控性好,易于實現(xiàn)加工自動化,但加工設備昂貴。2. 6 化學機械復合加工化學加工是利用酸、堿和鹽等化學溶液對金屬或某些非金屬工件表面產(chǎn)生化學反應, 腐蝕溶解而改變工件尺寸和形狀的加工方法。如果僅進行局部有

16、選擇性的加工,則需對工件上的非加工表面用耐腐蝕性涂層覆蓋保護起來,而僅露出需加工的部位。化學機械復合加工是指化學加工和機械加工的復合。化學機械復合加工是一種超精密的精整加工方法, 可有效地加工陶瓷、單晶藍寶石和半導體晶片,化學機械復合加工可防止通常機械加工用硬磨料引起的表面脆性裂紋和凹痕,避免磨粒的耕犁引起的隆起以及擦劃引起的劃痕,可獲得光滑無缺陷的表面?；瘜W機械復合加工中常用的方法有機械化學拋光和化學機械拋光。機械化學拋光使用比工件材料軟的磨料(如對Si3N4 陶瓷用Cr2O3 ,對Si 片用SiO2 ),靠運動磨粒本身的活性以及因磨粒與工件間的摩擦, 在微觀接觸區(qū)產(chǎn)生的高壓、高溫, 使很短

17、的接觸時間內(nèi)出現(xiàn)固相反應。隨后這種反應生成物被運動的磨粒的機械摩擦作用去除,其去除量可小至0.1nm 級?；瘜W機械拋光的工作原理是由溶液的腐蝕作用形成化學反應薄層,然后由磨粒的機械摩擦作用去除。2.7水噴射加工 水噴射加工(Water Jet Machining)又稱水射流加工或水刀加工,它是利用超高壓水射流及混合于其中的磨料對材料進行切割、穿孔和表面材料去除等加工。其加工機理綜合了由超高速液流沖擊產(chǎn)生的穿透割裂作用和由懸浮于液流中磨料的游離磨削作用。水噴射加工具有如下特點: 可加工各種金屬和非金屬材料; 切口平整,無毛邊和飛刺,可用于去除閥體、孔緣、溝槽、螺紋、交叉孔上的毛刺;切削時無火花,

18、無熱效應產(chǎn)生, 也不會引起工件材料組織變化, 適于易燃易爆物件加工; 加工潔凈,不產(chǎn)生煙塵或有毒氣體。水刀加工基本可對各種材料進行處理及切割,非金屬物質(zhì),如木材、紙類、塑料、纖維、海綿等;對切割金屬或較硬的材質(zhì)時,如各種石材、玻璃、陶瓷、磚等材質(zhì)時,可以將80 目左右, 較細顆粒的石英砂料與水箭混流在一起, 以增強其切割能力,此種高速加砂的水刀幾乎可以切割任何材質(zhì),為此在家具制造過程中,可以用來對原木的分割和實木成型材料的分切, 使得在用料方面取得更為精確。為節(jié)約用材提供很好的途徑。水刀加工在下料開片的切割加工中,比起與它擁有同樣功能的" 前輩"- - 電鋸、電弧切割和激光

19、切割來它有著許多優(yōu)越性, 它無塵、無煙、沒有火光,在作業(yè)時,切割面上的溫度能保持不變(電弧、激光切割和鋼鋸則辦不到這一點),它不會產(chǎn)生強光而灼傷人眼;更不用擔心因高溫而引發(fā)火災,十分安全。然而它具有強大的“威力”,可以隨心所欲地切割加工各種工件和不同口徑的管材。對于機械制造加工,由于水刀的加入,也使得在消防防火方面得到更好的保證。水刀自動化系統(tǒng)已應用于汽車內(nèi)飾件加工甚至對空中客車A380 大型航空件、飛機外殼等, 高強度的碳素纖維的復雜零件表面上進行的切割、修邊、開孔等加工任務。為制造領域開辟了新的天地,而且它可以在幾乎完全自然的條件下加工, 因此對已完成的上道工序, 基本不會產(chǎn)生任何影響。更

20、沒有任何粉塵的危害,也不會有刀刃磨損的缺點。 水刀還可以做水下作業(yè),對沉船的切割、修理可以得到絕無僅有的效果。可能在未來對潛水艇的自救也能開辟一種新的可能。水刀切割加工速度極高, 尺寸精度、加工的質(zhì)量較高,不需要第二次加工。同樣也可以不用擔心水的加工影響材料的含水量,極高的速度幾乎不能讓水分留下。操作程序簡單易行, 編輯程序可以隨時調(diào)用, 有記憶功能。水刀的一般零配件使用壽命較長,機械可使用時間長, 相對成本較低。水刀切割時不會產(chǎn)生灰塵及有毒氣體, 可提供一個較為清潔及安全的工作環(huán)境, 更重要的是,水刀是以水作為切割的刀具,不用像其它的切削刀具需要刃磨,它是一把永不磨損型的刀具, 因此水刀以其

21、獨特的優(yōu)勢,在未來的各種加工制造中, 一定會有更廣泛的應用前景。3.特種加工技術的展望特種加工技術是先進制造技術的重要組成部分, 隨著難加工材料、特殊結構零件需求的日益增加, 特種加工技術近十幾年來得到了快速發(fā)展,在世界范圍內(nèi)越來越受到人們的重視, 發(fā)揮的作用也越來越大。特種加工采用不同的能量形式加工零件,相對于傳統(tǒng)的切削加工技術, 特種加工普遍具有以柔克剛、加工力影響較小等優(yōu)勢。為進一步提高特種加工技術水平及擴大其應用范圍,當前特種加工技術的發(fā)展趨勢主要包括以下幾點:1) 采用自動化技術。2) 趨向精密化研究。3)開發(fā)新工藝方法及復合工藝。4)污染問題是影響和限制有些特種加工應用、發(fā)展的嚴重障礙。5) 進一步開拓特種加工技術。細微化是特種加工技術發(fā)展的重要趨勢,由于當前的工