現(xiàn)代加工技術(shù)

關(guān)于現(xiàn)代加工技術(shù)第1頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1概述現(xiàn)代加工是指直接利用機械能、電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能及電化學(xué)能等進(jìn)行加工的總稱（有可稱特種加工）與傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別在于：不是主要依靠機械能，而是主要用其它能量去除工件上的多余材料；工具硬度可以低于被加工材料的硬度；加工過程中工具與工件之間一般不存在顯著的切削力。下一頁返回第2頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月特種加工按能量來源和作用原理可分類如下：機械能——高速切削加工電、熱——電火花加工、電子束加工、等離子束加工電、機械——離子束加工電化學(xué)——電解加工電化學(xué)、機械——電解磨削、陽極機械磨削聲、機械——超聲加工光、熱——激光加工流體、機械——磨料流動加工、磨料噴射加工化學(xué)——化學(xué)加工液流——液力加工上一頁下一頁返回9.1概述第3頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月與傳統(tǒng)的機械加工不同，由于特種加工工具往往不直接接觸工件，其硬度可以低于被加工材料的硬度，而且為了避免淬火引起的變形，可將某些工序放在淬火后加工效果更好。特種加工還對工藝過程的安排，如粗、精加工分開以及工序集中與分散等產(chǎn)生了影響。由于特種加工時沒有顯著的切削力，所以機床、夾具、工具、工件的剛度、強度不是主要矛盾，即使是復(fù)雜的、精度要求高的加工表面也常常用一個復(fù)雜工具，簡單的運動軌跡，一次安裝，一道工序就加工出來了。上一頁下一頁返回9.1概述第4頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月采用現(xiàn)代加工技術(shù)：解決了用傳統(tǒng)的切削加工方法難以解決的加工，如各種難以加工材料(硬質(zhì)合金、鈦合金、陶瓷、玻璃、金剛石、硅片等)的加工問題；解決了各種結(jié)構(gòu)特殊、形狀復(fù)雜及尺寸微小(渦輪機葉片、模具的立體型面、小孔、窄縫等)的加工問題；解決了高精度零件(尺寸精度達(dá)0.1μm表面粗糙度值Ra達(dá)0.01μm)的加工問題；解決剛度極低的零件(細(xì)長、薄壁零件及彈性元件)的加工問題等。上一頁返回9.1概述第5頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電火花加工是在一定絕緣性能的液體介質(zhì)(如煤油、機械油)中，通過工具電極和工件電極之間的脈沖放電的電蝕作用，對工件進(jìn)行加工的方法。電火花加工可以加工用普通機械加工方法難以加工或無法加工的高硬度導(dǎo)電材料，加工精度高，很適合模具加工；加工時，工具電極與工件不直接接觸，沒有機械切削力，因此適宜加工低剛度工件和細(xì)微加工；此外，電火花加工還可以用于加工零件的小孔、窄縫等機械加工難以實現(xiàn)的工序。下一頁返回9.2電火花加工第6頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月因此，電火花加工已廣泛應(yīng)用于精密機械、汽車、拖拉機、儀器儀表、電機電器等機械制造行業(yè)，成為一種不可缺少的加工方法。9.2電火花加工第7頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電火花加工方法的分類：按加工過程中工具與工件相對運動的方式和用途的不同，可分為：電火花穿孔成形加工、電火花線切割、共軛回轉(zhuǎn)式電火花加工、電火花磨削、電火花表面強化和刻字五大類。前四類屬電火花成形尺寸的加工方法；后者屬表面的加工方法，用于改善或改變零件表面的性質(zhì)。其中，以電火花穿孔成形加工機床和電火花線切割機床應(yīng)用最為廣泛，約占電火花機床總數(shù)的90％左右。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第8頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.1電火花加工的基本原理1.基本原理

如圖9-1所示為電火花穿孔成形加工原理及設(shè)備組成。工件和工具電極分別與脈沖電源的輸出端相連接。自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置(此處為液壓缸)使工具電極和工件之間始終保持一定的放電間隙（約0.01～0.2㎜）。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第9頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-1電火花成形加工原理圖1-工件

2-脈沖電源

3-自動進(jìn)給裝置

4-工具電極

5-工作液

6-過濾器

7-泵返回第10頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2電火花加工當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間，便在當(dāng)時條件下相對某一間隙最小處或絕緣強度最低處擊穿工作介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫（約10000～12000oC），工件表面和工具電極表面的金屬局部熔化、甚至汽化蒸發(fā)。局部熔化和汽化的金屬在爆炸力的作用下拋入工作液中，并被冷卻為金屬小顆粒，然后被工作液迅速沖離工作區(qū)，從而使工件表面形成一個微小的凹坑。一次放電后，介質(zhì)的絕緣強度恢復(fù)等待下一次放電。如此反復(fù)使工件表面不斷被蝕除，并在工件上復(fù)制出工具電極的形狀，從而達(dá)到成型加工的目的。第11頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電火花加工的特點1)可用軟工具電極來加工任何硬度的導(dǎo)電性工件材料。如淬火鋼、不銹鋼、耐熱合金和硬質(zhì)合金等。2)加工過程中無顯著的切削力，不會因工具或工件剛度太低而無法加工，也不會因為加工面積過大而引起切削變形。因而可加工小孔、深孔、彎孔、窄縫和薄壁彈性件，各種復(fù)雜的型孔、型腔和立體曲面，都可采用成形電極一次加工成形。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第12頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2電火花加工3)脈沖參數(shù)可以任意調(diào)節(jié)。加工中只要更換工具電極，就可以在同一臺機床上通過改變電規(guī)準(zhǔn)(電壓、電流、脈沖寬度、脈沖間隔等電參數(shù))連續(xù)進(jìn)行粗、半精和精加工。精加工尺寸精度可達(dá)0.01mm，表面粗糙度Ra為0.8μm；微精加工尺寸精度可達(dá)0.002mm，表面粗糙度值為RaO.1～0.05μm。第13頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.2電火花穿孔、成形加工機床電火花加工機床主要由主機、脈沖電源、自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾循環(huán)系統(tǒng)幾部分組成。脈沖電源是電火花加工機床的心臟，它的作用是將交流電流轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的單向脈沖電流，以提供電極間放電所需要的能量。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第14頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電極間隙自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是使工具電極與工件之間保持一定的放電間隙。工作液過濾循環(huán)系統(tǒng)一般采用強迫循環(huán)，使電蝕產(chǎn)物從間隙中及時排除，并將工作液經(jīng)過過濾后循環(huán)使用，以保持工作液的清潔，防止引起短路或非正常電弧放電。由于工藝水平的提高及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，已生產(chǎn)出有3～5坐標(biāo)數(shù)控電火花機床，其帶有工具電極庫，可自動更換電極。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第15頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月高速電火花穿孔加工機床第16頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.3電火花穿孔加工

電火花穿孔加工是應(yīng)用最廣的一種電火花加工方法，常用來加工沖模、拉絲模和噴嘴上的各種小孔。電火花穿孔加工的精度取決于工具電極的尺寸和放電間隙。工具電極的橫截面形狀應(yīng)與加工型孔的橫截面形狀相一致，其輪廓尺寸比型孔尺寸均勻地內(nèi)縮一個值，即單邊放電間隙值。影響放電間隙大小的因素主要是加工中采用的電規(guī)準(zhǔn)。當(dāng)采用單個脈沖能量大(脈沖峰值電流與電壓大)的粗規(guī)準(zhǔn)時，被蝕除的金屬微粒大，放電間隙大；反之，當(dāng)采用精規(guī)準(zhǔn)時，放電間隙小。

上一頁下一頁返回9.2電火花加工第18頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月穿孔電極常用的材料有鋼、鑄鐵、紫銅、黃銅、石墨及銅鎢、銀鎢合金等。鋼和鑄鐵切削加工性能好，價格便宜，但電加工穩(wěn)定性差；紫銅和黃銅的電加工穩(wěn)定性好，但電極損耗較大；石墨電極的損耗小，電加工穩(wěn)定性較好，但電極的磨削加工困難；銅鎢、銀鎢合金電加工穩(wěn)定性好，電極損耗小，但價格貴，多用于硬質(zhì)合金穿孔及深孔加工等。用電火花加工較大的孔時，應(yīng)先粗加工孔，留適當(dāng)?shù)募庸び嗔?，一般單邊余量?.5～1mm。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第19頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

9.2.4電火花型腔加工電火花型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔的加工以及整體式葉輪、葉片等曲面零件的加工。電火花加工型腔比穿孔難得多，其原因是：型腔屬盲孔，所需蝕除的金屬多，工作液難以有效地循環(huán)，以至電蝕產(chǎn)物排除不凈而影響加工的穩(wěn)定性；型腔各處深淺不一，圓角半徑不等，加工面積多變，使工具電極各處損耗不一，電極損耗大且影響尺寸仿形的精度；不能用階梯電極來實現(xiàn)粗、精規(guī)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換加工，影響生產(chǎn)率的提高。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第20頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電火花型腔加工方法主要有單電極平動法和多電極更換法。單電極平動法采用一個電極完成型腔的粗、精加工，利用平動頭，使電極作圓周平面運動，加工時按粗、精順序逐級改變電規(guī)準(zhǔn)，同時依次加大電極的平動量，以補償更換電規(guī)準(zhǔn)時的放電間隙之差，完成整個型腔的加工。多電極更換法是采用多個電極加工同一型腔，依次更換電極進(jìn)行粗、精加工，其加工精度高，尖角清晰，但要求多個電極一致性好，重復(fù)定位要求高，一般只用于精密型腔加工。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第21頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月用電火花加工型腔時，為了有效地排除電蝕產(chǎn)物，通常在工具電極上開有沖油孔，用壓力油將電蝕產(chǎn)物強迫排出。為減少工具電極損耗，提高加工精度，首先要選擇耐蝕性高的電極材料，如銅鎢、銀鎢合金及石墨等。銅鎢、銀鎢合金成本高，機械加工困難，故應(yīng)用較少；常用的為紫銅和石墨，石墨電極損耗小，易加工成形，但易塌角，廣泛用于各種型腔加工；紫銅電加工穩(wěn)定性好，精加工時，電極損耗小，不易塌角，用于精度要求高的型腔加工。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第22頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.5電火花線切割加工電火花線切割加工簡稱為線切割，是在電火花穿孔成形加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是采用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲(φ0.05～φ0.3mm的鉬絲或黃銅絲)作為工具電極，與工件間產(chǎn)生電蝕而進(jìn)行切割加工的。根據(jù)電極絲的運行速度，電火花線切割機床通常分為兩大類。高速走絲電火花線切割機床（快走絲8～10m/s）。低速走絲電火花線切割機床（慢走絲＜0.2m/s）。上一頁下一頁返回9.2電火花加工第23頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電火花線切割加工與電火花穿孔成形加工相比較，具有以下特點：1.省掉了成形的工具電極，降低了成形工具電極的制造費用，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。2.由于電極絲比較細(xì)，可以加工窄縫、窄槽和微形孔，用它切斷貴重金屬可以節(jié)約材料，而且余料還可以利用，提高了材料的利用率。3.切割時幾乎沒有切削力，所以，可以用于切割極薄的工件。4.由于采用移動的長電極絲加工，使單位長度電極絲的損耗較少，從而對加工精度的影響比較小。電火花線切割加工的不足之處是不能加工盲孔類零件表面和階梯成形表面(立體成形表面)。上一頁返回9.2電火花加工第24頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1電解加工的原理電解加工是利用金屬在電解液中可以產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)原理來進(jìn)行去除加工的。這種電化學(xué)現(xiàn)象在機械工業(yè)中早已被用來實現(xiàn)電拋光和電鍍。其加工原理如圖9-4所示。加工時工件連接直流電源的正極(陽極)，工具(模具)連接負(fù)極(陰極)。兩極之間的電壓一般為5～25V的低電壓。兩極之間保持0.1～0.8mm的間隙，電解液以5～60m/s的速度流過，使兩極間形成導(dǎo)電通路，并在電源電壓下產(chǎn)生電流，于是工件被加工表面的金屬材料將由于電化學(xué)反應(yīng)而不斷溶解到電解液中，電解的產(chǎn)物則被電解液帶走。加工過程中工具陰極不斷地向工件恒速進(jìn)給，工件金屬不斷溶解，使工件與工具各處的間隙趨于一致，工具陰極的形狀尺寸將復(fù)制在工件上，從而得到所需要的零件形狀。下一頁返回9.3電解加工第25頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-4電解加工原理示意圖

返回第26頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

電解加工成形的原理如圖9-5所示。電解加工剛開始時，工件毛坯的形狀與工具形狀不同，兩電極之間間隙不相等，如圖9-5a所示，間隙小的地方電場強度高，電流密度大(圖中豎線密)，金屬溶解速度也較快；反之，間隙較大處加工速度就慢。隨著工具不斷向工件進(jìn)給，陽極表面的形狀就逐漸與陰極形狀接近，各處間隙和電流密度逐漸趨于一致，如圖9-5b所示。上一頁下一頁返回9.3電解加工第27頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖9-5電解加工成形原理示意圖返回第28頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

9.3.2電解加工的特點

1.加工范圍廣，能加工任何高強度、高硬度、高韌性的導(dǎo)電材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱合金等難加工材料。

2.生產(chǎn)率高，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5～10倍。

3.加工過程中無切削力和切削熱，也沒有因此給工件帶來的變形，因而可以加工剛性差的薄壁零件。加工表面殘留應(yīng)力和毛刺小，能獲得較光潔的表面和一定的加工精度。表面粗糙度Ra值一般為0.8～0.2μm，平均尺寸精度為±O.1mm。

上一頁下一頁返回9.3電解加工第29頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月4.加工過程中工具陰極基本無損耗，可長期保持工具的精度。

5.電解加工不需要復(fù)雜的成形運動，即可加工復(fù)雜的空間曲面。

6.只能加工導(dǎo)電的金屬材料，對加工窄縫、小孔及棱角很尖的表面則比較困難，加工精度受到限制。

7.復(fù)雜加工表面的工具電極的設(shè)計和制造比較費時，因而在單件、小批生產(chǎn)中的應(yīng)用受到限制。

8.附屬設(shè)備較多，占地面積大、投資大，電解液腐蝕機床，容易污染環(huán)境，需采取一定的防護措施。上一頁下一頁返回9.3電解加工第30頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

9.3.3電解加工的應(yīng)用電解加工主要用于切削加工困難的領(lǐng)域，如難以加工材料、形狀復(fù)雜的表面和剛性較差的薄板的加工等。常用的工藝有：電解穿孔、電解成形、電解去毛刺、電解切割、電解拋光、電解刻蝕等。

1.電解穿孔對于一些形狀復(fù)雜、尺寸較小的型孔(四方孔、六方孔、橢圓、半圓等形狀的通孔和不通孔)是很難采用機械加工方法加工的，但如果采用電解加工則往往很容易解決，既可保證加工質(zhì)量，又可提高生產(chǎn)率。目前，電解穿孔工藝已廣泛應(yīng)用于炮管、槍管內(nèi)孔等的加工，以及各種型孔、深孔的加工。上一頁下一頁返回9.3電解加工第31頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

型孔加工大多采用端面進(jìn)給方式。為了避免形成錐度，陰極(工具)側(cè)面必須絕緣，一般用環(huán)氧樹脂作為絕緣層與陰極側(cè)面粘牢。電解穿孔時工作液均勻地進(jìn)入工作區(qū)，使工件和工具都浸在電解液中，接通電源后發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)加工出型孔。

2.電解成形電解加工可以使用成形陰極(工具)對復(fù)雜的工件型腔一次成形，生成率高，表面粗糙度值小，可以節(jié)省大部分修磨工時，但加工精度不高，可控制在0.1～0.2mm，目前多應(yīng)用于鍛模模腔加工，如汽車和拖拉機的連桿、曲軸、十字軸、凸輪軸等零件以及汽輪機和發(fā)動機的葉片、鏈輪以及擺線齒輪等復(fù)雜零件的加工。上一頁下一頁返回9.3電解加工第32頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前，電解成形加工的精度受電場、磁場、電解液狀態(tài)以及進(jìn)給速度等因素的影響，仍難掌握。在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)均勻間隙的理論初步設(shè)計工具的形狀，然后通過多次試驗、修正，直到滿足加工精度要求。為了減小加工余量對精度的影響，可先進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行電解精加工，如用電火花加工機床進(jìn)行粗加工，再用電解加工機床進(jìn)行精加工。上一頁返回9.3電解加工第33頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4超聲加工

超聲加工是利用超聲頻作小振幅振動的工具，并通過它與工件之間游離于液體中的磨料對被加工表面的捶擊作用，使工件材料表面逐步破碎的特種加工，英文簡稱為USM。超聲加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和拋光。9.4.1超聲加工的工作原理由超聲發(fā)生器產(chǎn)生高頻電振蕩(一般為16～30kHZ)，施加于超聲換能器上，將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成超聲頻振動。超聲振動通過變幅桿放大振幅，并驅(qū)動以一定的靜壓力壓在工件表面上的工具產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動。工具端部通過磨料不斷地捶擊工件，使加工區(qū)的工件材料粉碎成很細(xì)的微粒，被循環(huán)的磨料懸浮液帶走，工具便逐漸進(jìn)入到工件中，從而加工出與工具相應(yīng)的形狀。見圖9-6。下一頁返回第34頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖9-6超聲加工原理返回第35頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4.2超聲加工的主要特點不受材料是否導(dǎo)電的限制；工具對工件的作用力小、熱影響小，因而可加工薄壁、窄縫和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或強度、韌性越大則越難加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度應(yīng)比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以與其他多種加工方法結(jié)合應(yīng)用，如超聲振動切削、超聲電火花加工和超聲電解加工等。上一頁下一頁返回9.4超聲加工第36頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3超聲加工的應(yīng)用超聲加工主要用于各種硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、鍺、鐵氧體、寶石和玉器等的打孔(包括圓孔、異形孔和彎曲孔等)、切割、開槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面拋光和砂輪修整等方面。超聲打孔的孔徑范圍是0.1～90mm，加工深度可達(dá)100mm以上，孔的精度可達(dá)0.02～0.05mm。表面粗糙度采用W40碳化硼磨料加工玻璃時可達(dá)1.25～O.63μm，加工硬質(zhì)合金時可達(dá)0.63～0.32μm。利用超聲振蕩所產(chǎn)生的空化作用，還可以用于清洗機械零件，甚至能清洗衣物等。此外，超聲波還可以用來進(jìn)行測距和探傷等工作。上一頁下一頁返回9.4超聲加工第37頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

超聲加工機一般由電源(即超聲發(fā)生器)、振動系統(tǒng)(包括超聲換能器和變幅桿)和機床本體三部分組成。

超聲發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻電功率輸出，功率由數(shù)瓦至數(shù)千瓦，最大可達(dá)10千瓦。通常使用的超聲換能器有磁致伸縮的和電致伸縮的兩類。磁致伸縮換能器又有金屬的和鐵氧體的兩種，金屬的通常用于千瓦以上的大功率超聲加工機；鐵氧體的通常用于千瓦以下的小功率超聲加工機。電致伸縮換能器用壓電陶瓷制成，主要用于小功率超聲加工機。

變幅桿起著放大振幅和聚能的作用，按截面積變化規(guī)律有錐形、指數(shù)曲線形、懸鏈線形、階梯形等。機床本體一般有立式和臥式兩種類型，超聲振動系統(tǒng)則相應(yīng)地垂直放置和水平放置。上一頁返回9.4超聲加工第38頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光加工是利用功率密度極高的激光束照射工件的加工部位，使其材料瞬間熔化或蒸發(fā)，并在沖擊波作用下，將溶融物質(zhì)噴射出去，從而對工件進(jìn)行穿孔、蝕刻、切割等的加工方法。9．5．1激光加工的原理激光是一種亮度高、方向性好、單色性好的相干光。因此激光束具有發(fā)散角小、單色性好、亮度集中的特性。利用激光的這種特性再經(jīng)過光學(xué)透鏡聚焦，使其焦點處光斑直徑理論上可達(dá)1um以下，故該處功率密度可達(dá)107～1011W/cm2。

下一頁返回9.5激光加工第39頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9．5．2激光加工的特點與應(yīng)用

1．激光加工的特點

1)加工范圍廣。由于激光加工的功率密度是各種加工方法中最高的一種，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、有機玻璃及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。

2)操作簡便。激光加工不需要真空條件，可在各種環(huán)境中進(jìn)行。

3)適合于精密加工。激光聚焦后的焦點直徑小至幾微米，形成極細(xì)的光束，可以加工深而小的微孔和窄縫。上一頁下一頁返回9.5激光加工第40頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

4)無工具損耗。激光加工不需要加工工具，是非接觸加工，工件不受明顯的切削力，可對剛性差的薄壁零件進(jìn)行加工。

5)加工速度快、效率高，可減少熱擴散帶來的熱變形。

6)可控性好，易于實現(xiàn)加工自動化。

7)激光加工裝置小巧簡單，維修方便。2．激光加工的應(yīng)用在機械加工中利用激光能量高度集中的特點，可進(jìn)行打孔、切割、焊接、雕刻、表面處理，利用激光的單色性還可以進(jìn)行精密測量。上一頁下一頁返回9.5激光加工第41頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月1)激光打孔激光打孔是激光加工中應(yīng)用最廣的方法。它是利用凸鏡將激光在工件上聚焦，焦點處的高溫使材料瞬時熔化，汽化，蒸發(fā)，好像一個微型爆炸。

2)激光切割激光切割與激光打孔的原理基本相同，都是將激光能量聚焦到很微小的范圍內(nèi)把工件“燒穿”，但切割時要移動工件或激光束，沿切口連續(xù)打一排小孔即把工件割開。激光可以切割各種金屬、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體材料、布、紙、橡膠、木材等各種材料，切割效率很高，切縫很窄，并可十分方便地切割出各種曲線形狀。上一頁下一頁返回9.5激光加工第42頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

3)激光焊接激光焊接與激光打孔的原理有所不同，不需將材料“燒穿”，只需把材料燒熔，使其熔合在一起即可，因此所需的能量比打孔小些。激光焊接時間短，生產(chǎn)率高，沒有焊渣，被焊材料不易氧化，熱影響小，不僅能焊接同種材料，而且還可焊接不同種材料，這是普通焊接無法實現(xiàn)的。

4)激光雕刻激光雕刻與切割基本相同。只是工件的移動由兩個坐標(biāo)的數(shù)控系統(tǒng)傳動，可在平板上蝕除出所需圖樣，一般多用于印染行業(yè)及美術(shù)作品。上一頁下一頁返回9.5激光加工第43頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

5)激光表面處理主要是用激光對金屬工件表面進(jìn)行掃描加熱。根據(jù)掃描所引起的工件表面金屬組織發(fā)生的變化分為表面淬火、粉末粘合等，此外還包括激光除銹，激光消除工件表面沉積物等。用激光進(jìn)行表面淬火，工件表面的加熱速度極快，內(nèi)部受熱極少，工件不產(chǎn)生熱變形，特別適合于對齒輪、汽缸筒等復(fù)雜的零件進(jìn)行表面淬火。國外已應(yīng)用于自動生產(chǎn)線上對齒輪進(jìn)行表面淬火。同時由于不必用爐子加熱，是敞開式的，故也適合于大型零件的表面淬火?？傊?，激光加工是一門嶄新的技術(shù)，是一種極有發(fā)展前途的新工藝。上一頁返回9.5激光加工第44頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.6數(shù)控高速切削9.6.1數(shù)控高速切削的概念、特點和應(yīng)用1．高速切削的概念和基本原理高速切削技術(shù)是以比常規(guī)高數(shù)倍的切削速度對零件進(jìn)行切削加工的一項先進(jìn)制造技術(shù)。高速切削是個相對的概念，是相對常規(guī)切削而言。高速切削包括：高速軟切削、高速硬切削、高速干切削和大進(jìn)給切削等。高速加工的切削速度范圍因不同的刀具材料、工件材料和切削方式而異，通常認(rèn)為，高速加工時切削速度要比常規(guī)切削高5～10倍以上。

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高速加工各種材料的切削速度范圍為：鋼和鑄鐵及其合金達(dá)500～1500m／min，鑄鐵最高達(dá)2000m/min(鉆削100～200m/min、攻螺紋lOOm/min、滾齒300～600m/min)；淬硬鋼(35～65HRc)達(dá)100～400m/min；鋁及其合金達(dá)到2000～4000m/min，最高達(dá)7500m/min；耐熱合金達(dá)90～500m/min；鈦合金達(dá)150～1000m/min；纖維增強塑料為2000～9000m/min。各種切削工藝的切削速度范圍：車削為700～7000m/min；銑削為300～6000m/min；鉆削為200～1lOOm/min；磨削為150m/s以上。

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2．高速切削的特點

1)隨切削速度的提高，單位時間內(nèi)材料切除率增加，切削加工時間減少，切削效率提高3～5倍，加工成本可降低20％～40％。

2)在高速切削加工范圍，隨切削速度的提高，切削力可減少30％以上，減少工件變形。對大型框架件、剛性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速銑削是目前最有效的加工方法。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第47頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

3)高速切削加工時，切屑以很高的速度排出，切削熱大部分被切屑帶走，切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多，傳給工件的熱量大幅度減少，工件整體溫升較低，工件的熱變形相對較小。因此，有利于減少加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度，適合于熱敏感材料的加工。

4)轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機床的低階固有頻率，加工中鱗刺、積屑瘤、加工硬化、殘余應(yīng)力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面質(zhì)量可提高l～2等級。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第48頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

5)高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬鋼鐵件，如高速切削加工淬硬后的模具可減少甚至取代放電加工和磨削加工，滿足加工質(zhì)量的要求，加快產(chǎn)品開發(fā)周期，大大降低制造成本。3．高速切削的應(yīng)用由于高速切削加工具有高生產(chǎn)效率、減少切削力、提高加工精度和表面質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本并且可加工高硬度材料等許多優(yōu)點，已在汽車和摩托車制造業(yè)、模具業(yè)、軸承業(yè)、航空航天業(yè)、機床業(yè)、工程機械、石墨電極等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。高速切削加工的工件材料包括鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金、高溫耐熱合金以及碳纖維增強塑料等材料的加工，其中以鋁合金和鑄鐵的高速加工最為普遍。

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目前高速切削工藝主要應(yīng)用在車削和銑削，各類高速切削機床的發(fā)展將使高速切削工藝范圍進(jìn)一步擴大，從粗加工到精加工，從車削、銑削到鏜削、鉆削、拉削、鉸削、攻螺紋、磨削等。目前，高速切削的應(yīng)用范圍如下：

1)有色金屬及其合金的高速切削高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域首先用在航空工業(yè)輕合金的加工，飛機制造業(yè)是最早采用高速銑削的行業(yè)，飛機機體材料的60％～70％為鋁合金，而且絕大多數(shù)坯料的去除需要切削加工，零件通常都采用“整體制造法”制造，即在整塊毛坯上切除大量材料后，形成高精度的鋁合金復(fù)雜構(gòu)件，其切削工時占整個零件制造總工時的比例很大。

上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第50頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

對這樣大型、壁薄、加強肋復(fù)雜的鋁合金零件進(jìn)行高精度、高效率加工是切削加工技術(shù)中的一個難題。采用高速切削加工，可大幅度提高生產(chǎn)效率，切削效率為傳統(tǒng)切削的2.5～2.8倍，并可節(jié)省經(jīng)費，降低制造成本。目前在美國的航天工業(yè)中，高速銑削鋁合金工件采用5000～7500m／min的切削速度已比較普遍，波音公司采用高速加工整體鋁合金零件，收到縮短制造周期及提高飛機性能的雙重效果。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第51頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2)模具、特別是淬硬模具的高速加工模具制造業(yè)也是高速加工應(yīng)用的重要領(lǐng)域。模具型腔加工過去一直為電加工所壟斷，其加工效率低，采用高速切削可以直接將模具切出，節(jié)約工時。目前高速切削已經(jīng)可以達(dá)到很高的表面質(zhì)量，因此，可省去了電加工后面的磨削和拋光的工序，而且切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài)，還會提高模具工件表面的耐磨程度，鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能。這樣可使生產(chǎn)效率大大提高，周期縮短。鋼的切削速度可達(dá)600～800m／min。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第52頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3)汽車零件的高速切削汽車制造業(yè)中需要應(yīng)用高速切削加工技術(shù)完成高效率、高精度生產(chǎn)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，獲得市場競爭優(yōu)勢。汽車發(fā)動機的箱體、氣缸蓋以前多用組合機床加工，現(xiàn)在多用高速加工中心來加工。鑄鐵的切削速度可達(dá)750～500m/min。4)鎳基高溫合金和鈦合金的切削鎳基高溫合金和鈦合金常用來制造發(fā)動機零件，因它們很難加工，一般采用很低的切削速度。如采用高速加工，則可大幅度提高生產(chǎn)效率、減小刀具磨損、提高零件的表面質(zhì)量。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第53頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月5)纖維增強復(fù)合材料切削纖維增強復(fù)合材料切削時對刀具有十分嚴(yán)重的刻劃作用，刀具磨損非?？?。用聚晶金剛石PCD刀具進(jìn)行高速加工，收到滿意效果，可防止出現(xiàn)“層間剝離”，效率高、質(zhì)量好。6)石墨高速加工在模具的型腔制造中，由于采用電火花腐蝕加工，因而石墨電極被廣泛使用。但石墨很脆，采用高速切削能較好地進(jìn)行成形加工。7)干切削和硬切削也是高速切削擴展的領(lǐng)域。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第54頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.6.2高速切削加工刀具材料的種類及其合理選擇1.高速切削加工對刀具材料的要求高速切削加工時切削溫度很高，因此，高速切削刀具的失效主要取決于刀具材料的熱性能，包括刀具的熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊性能等。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬時的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還突出要求刀具材料具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能以及高的可靠性。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第55頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2.高速切削加工刀具材料的種類目前國內(nèi)外廣泛用于高速切削的刀具材料主要有：聚晶金剛石(PCD)刀具、聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、涂層刀具、粉末冶金高速鋼刀具等。它們各有特點，適應(yīng)的工件材料和切削速度范圍不同。一般而言，PCBN、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金及TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的高速加工；而PCD刀具適合于對有色金屬及其合金和非金屬材料的高速加工。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第56頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3.高速切削加工刀具材料的選用應(yīng)用高速切削加工技術(shù)時，應(yīng)根據(jù)工件材料及其毛坯狀態(tài)和加工要求，在數(shù)控機床和加工中心上加工時，首先要正確選擇刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)以及切削用量等。不同加工方式和不同工件材料對應(yīng)不同的刀具材料，且有不同的高速切削速度范圍。

1）有色金屬及其合金的高速切削（1）鋁及其合金的高速切削鋁及其合金是現(xiàn)代工業(yè)中用途最廣泛的輕金屬材料，廣泛應(yīng)用于飛機、儀表、發(fā)動機、機械制造等行業(yè)。選擇切削用量時，與鋁合金的含硅量有關(guān)，隨含硅量的增加，所選擇的切削速度降低。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第57頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）鎂合金具的高速切削鎂合金具有低密度和高強度的優(yōu)良特性，在汽車、電子電器、航空等眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。鎂合金切削力小，切削能耗低，切削過程中發(fā)熱少，切屑易斷，刀具磨損小，壽命顯著延長。因此，加工鎂合金可進(jìn)行高速、大切削量切削。（3）銅、黃銅及銅合金的高速切削銅、黃銅及銅合金應(yīng)用于內(nèi)燃機、船舶、電極、電子儀器及通用機械等。大多數(shù)銅合金的加工選用YG類硬質(zhì)合金刀具，一般能達(dá)到加工要求；選用PCD刀具進(jìn)行高速切削加工，切削速度可達(dá)200～1000m/min，可以獲得很高的刀具壽命，而且能獲得很高的表面質(zhì)量。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第58頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2）鑄鐵的高速切削鑄鐵進(jìn)行高速切削加工的最高速度目前約為500～1500m/min，精銑灰鑄鐵可達(dá)2000m/min。3）鋼的高速切削對鋼進(jìn)行高速切削加工的最高轉(zhuǎn)速目前能達(dá)到加工鋁合金的1/5～1/3，高速精加工鋼時切削速度約為300～800m/min。

4）高溫鎳基合金的高速切削

Ineonel718鎳基合金是典型的難加工材料，具有較高的高溫強度、動態(tài)抗剪強度，熱擴散系數(shù)較小，切削時易產(chǎn)生加工硬化，這將導(dǎo)致刀具切削區(qū)溫度高、磨損速度加快。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第59頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月5）鈦及其合金的高速切削鈦及其合金強度、沖擊韌度大，其加工硬化非常嚴(yán)重，故在切削加工時出現(xiàn)溫度高、刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。目前鈦及鈦合金的切削加工選用的刀具材料以不含或少含TiC的硬質(zhì)合金刀具為主。6）非金屬復(fù)合材料的高速切削非金屬材料種類繁多，包括塑料、橡膠、粘接材料和隔熱耐火材料等，選用正確的刀具材料進(jìn)行切削加工是非常重要的。纖維增強塑料是機械工業(yè)中常用的一種新型材料，分碳素纖維和玻璃纖維兩大類。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第60頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

石墨也是一種非金屬材料，但其有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)良的耐腐蝕性能，同時具有極好的自潤滑性、低摩擦系數(shù)和很高的導(dǎo)熱系數(shù)，在機械、模具、電工等許多行業(yè)的應(yīng)用不斷擴大，精加工時，一般選用PCD刀具較合理，陶瓷刀具不適合切削石墨材料。

橡膠是重要的工業(yè)材料，廣泛用于制造輪胎、軟管、板材和棒料，以及多種零件。由于其具有顯著的高彈性和粘彈性，傳統(tǒng)切削加工方法很難保證加工尺寸，也難以得到良好的加工表面。采用高速銑削時可產(chǎn)生粉末狀的切屑，不需要冷卻即可得到很好的加工質(zhì)量。橡膠的高速刀具可選用硬質(zhì)合金刀具。

上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第61頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月4．高速干切削1）干切削的基本原理和特點切削液在機械加工中起著重要的作用，但隨著切削液用量的增加，也形成了一定的負(fù)面影響。（1）增加制造成本增加了制造成本，這不僅包括切削液用量增加帶來的成本增加，還包括運輸、儲存、廢液處理等間接成本增加。（2）污染環(huán)境

上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第62頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）損害工人健康。為了降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，最好的辦法是不使用或少使用切削液，即采用干切削(DryCutting)。干切削并不是簡單地把原有工藝中的切削液去掉，也不是消極地靠降低切削參數(shù)來保刀具的使用壽命，而是用全新耐熱性更好的刀具材料，設(shè)計合理的刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)，選擇最佳的切削速度，形成新的工藝條件，它是實現(xiàn)清潔高效加工的新工藝，是當(dāng)前制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。采用干切削技術(shù)，可降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第63頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）干切削刀具材料及其合理選擇干切削時，由于缺少切削液的潤滑、冷卻、排屑等作用，刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦增加，切削力增加，切削熱也大大增加，切削區(qū)溫度急劇上升，引起刀具壽命下降，同時工件加工質(zhì)量變差。因此，干切削刀具材料應(yīng)具備很好高溫力學(xué)性能，如高溫硬度、高溫強度、高溫韌性和高溫化學(xué)穩(wěn)定性，如超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、TiC(N)基硬質(zhì)合金、陶瓷刀具、聚晶立方氮化硼(PCBN)。就熱硬性和熱穩(wěn)定性來說，PCBN料是最適合高速干切削工藝的刀具材料。上一頁下一頁返回9.6數(shù)控高速切削第64頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

另外，工件材料的熱特性也是決定其是否宜于干切削的重要因素。熔點較高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較小的材料適合干切削。由于高速干切削時切削力大、溫度高，為減少高溫下刀具與工件材料之間的擴散和粘接，還應(yīng)特別注意刀具材料與工件材料之間的合理匹配。5.高速切削加工刀具刀柄的構(gòu)造特點

(1)可實現(xiàn)快速裝卸刀具。

(2)刀柄的錐體在拉桿軸向拉力的作用下，緊緊地與主軸的內(nèi)錐面接觸，實心的錐體直接在主軸內(nèi)錐孔內(nèi)支承刀具，可以減小刀具的懸伸量。

(3)只有一個尺寸即錐角需加工到很高的精度，所以成本較低而且可靠，多年來應(yīng)用非常廣泛。上一頁返回9.6數(shù)控高速切削第65頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月9.7.1電子束加工

1．電子束加工原理電子束加工是在真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，帶負(fù)電荷的電子束高速飛向陽極，途中經(jīng)加速極加速，并通過電磁透鏡聚集，使能量密度非常集中，可以把1kW或更高的功率集中到直徑為5～10μm的斑點上(見圖9-10)，獲得高達(dá)109W／cm2左右的功率密度。如此高的功率密度，可使任何材料被沖擊部分的溫度，在百萬分之一秒時間內(nèi)升高到攝氏幾千度以上，熱量還來不及向周圍擴散，就已把局部材料瞬時熔化甚至汽化去除。

下一頁返回9.7電子束加工及水射流加工第66頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-10電子束加工原理示返回第67頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子束加工的物理過程可以這樣認(rèn)識：當(dāng)入射的電子束與工件表面的原子相互作用時，將沖擊能量轉(zhuǎn)換成熱能，加熱被照射部位，溫度迅速升高到熔點或沸點以上，使材料局部熔化、蒸發(fā)或成霧狀粒子飛散噴射出來。隨著電子束沖擊孔