機械制造基礎(chǔ) 課件 第8章 先進加工技術(shù)簡介

第8章先進加工技術(shù)簡介精密與超精密加工特種加工快速成型技術(shù)數(shù)控機床加工主要內(nèi)容：精密加工的概念金剛石精密、超精密切削精密、超精密磨削研磨8.1精密與超精密加工主要內(nèi)容及要求：第8章先進加工技術(shù)簡介1.精密加工：在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到較高程度的加工工藝。2.超精密加工：在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到最高程度的加工工藝。瓦特改進蒸汽機——

鏜孔精度1mm20世紀40年代——

最高精度1μm20世紀末

——

精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亞微米加工）超精密加工：≤0.01μm

，Ra≤

0.001μm（納米加工）最高精度是相對的一、精密加工的概念指用高精密機床和金剛石刀具進行切削加工的方法。1.切削在晶粒內(nèi)進行（圓角半徑納米級）2.切削力＞原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達13000N/mm2）3.刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受4.與傳統(tǒng)精加工相反，高速切削時工件變形小，表層高溫不會波及工件內(nèi)層，尺寸精度高，表面質(zhì)量好。（一）機理、特點二、金剛石精密、超精密切削（二）金剛石刀具1.刀具材料：天然金剛石，人造金剛石2.刃磨

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通常在鑄鐵研磨盤上進行研磨

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晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行

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圓角半徑越小越好（理論可達到1nm）

天然單晶金剛石性能優(yōu)異，例如：硬度極高，耐磨性和導熱性好；與有色金屬的親合力小，抗粘結(jié)性好，摩擦系數(shù)低；能刃磨出鋒銳的刃口，刃口半徑可達納米級水平，可實現(xiàn)超薄的切削厚度，得到超光滑的鏡面，被公認為是理想的不能替代的超精密切削刀具材料。1.用于銅、鋁及其合金的精密切削。切削鐵基合金，由于Fe?C親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量。2.加工各種紅外光學材料，如鍺、硅、ZnS和ZnSe等3.加工有機玻璃和各種塑料。4.典型產(chǎn)品：激光反射鏡、照像機塑膠鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片、超精密鏡頭用的模具等。（三）應(yīng)用三、精密和超精密磨削

用精確修整過的砂輪在精密磨床上進行微量磨削的加工方法。砂輪經(jīng)過精細修整，使磨粒具有微刃性和等高性，加工后的表面留下大量極細微的磨削痕跡，殘留高度極小。

磨削機理可歸納為三個方面：

①微刃的微切削作用；②微刃的等高切削作用；

③

微刃的滑擠、摩擦和拋光作用。（一）磨削機理（二）特點1.應(yīng)用廣泛。從軟金屬到淬火鋼、不銹鋼、高速鋼難加工材料，以及半導體材料、陶瓷等硬脆非金屬材料。2.去除量很小，亞微米級甚至更小。尺寸精度和形位精度0.1～0.3μm，表面粗糙度值≤Ra0.05μm。3.易產(chǎn)生加工硬化、淬火硬化、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力層、磨削裂紋等缺陷。三、精密和超精密磨削（NontraditionalmachiningTechnology）（一）特種加工的概念

非傳統(tǒng)加工技術(shù)，又稱特種加工。通常被理解為：

有別于傳統(tǒng)切削和磨削加工方法的總稱。8.2特種加工一、特種加工概述

特種加工：是指將電、磁、聲、光等物理或化學能量或其組合，直接施加在工件被加工的部位上，從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等的加工方法。1.不是主要依靠機械能，而是利用其它能量去除材料，如電能、光能、聲能、熱能、化學能等。2.加工工具不受顯著切削力的作用。對工具和工件的強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。3.易于獲得好的加工質(zhì)量。一般不會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，工件熱變形小，加工應(yīng)力也小。4.加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。5.加工效率低。去除材料的速度一般低于常規(guī)加工方法。這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導地位的主要原因。（二）特種加工的特點方法很多，比較常用的有：

電火花加工、電解加工、電鑄加工（金屬離子沉積）超聲波加工、激光加工等。（三）分類（按加工機理和采用的能源劃分）1.拓寬現(xiàn)有特種加工方法的應(yīng)用領(lǐng)域。2.探索新的加工方法。3.采用數(shù)控、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等高新技術(shù)，提高加工過程的自動化、柔性化程度。4.環(huán)?！熬G色加工”。（四）發(fā)展趨勢1.加工原理（一）電火花成型加工

電火花加工原理示意圖進給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源絕緣液體介質(zhì)這一過程大致可分為四個階段：工具電極工件電極脈沖火花放電瞬時高溫工件材料被熔化、氣化絕緣液體被局部加熱迅速被除去高壓被熔化的工件材料達到加工目的主要指用成型電極加工異型孔、型腔等。二、電火花加工2.電火花加工的四個階段

（1）極間液體介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道，圖a；（2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹，圖b、圖c；（3）在高壓作用下，拋出蝕除物，圖d；（4）板間的間隙介質(zhì)消電離（恢復絕緣狀態(tài)），圖e。

3.應(yīng)具備的條件（1）工具電極材料：要求導電、損耗小、易加工；常用材料：紫銅、石墨、鋼、黃銅、鉬絲等。（2）工作液：具有一定絕緣性。主要作用提高放電能量密度，加速蝕物排出；常用煤油、機油、乳化液等。（3）合理的放電間隙：工具與工件被加工表面，間隙過大，不產(chǎn)生火花放電；間隙過小，易短路。（4）應(yīng)是脈沖放電，并有一定的脈沖寬度和脈沖間隙。脈沖頻率高、持續(xù)時間短，每個脈沖去除金屬量少，Ra值小，但加工速度低。通常，放電持續(xù)時間在2μs~2ms范圍內(nèi)，各個脈沖的能量2mJ～20J（電流為400A時）之間。（1）可加工任何導電材料。不受工件材料力學性能限制。（2）加工時無顯著切削力，發(fā)熱小，加工質(zhì)量較好。適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等。（3）脈沖參數(shù)調(diào)整方便，可一次裝夾完成粗、精加工。（4）直接使用電能加工，易于實現(xiàn)數(shù)控加工。

4.主要特點5.應(yīng)用：適于各種導電性好的金屬材料。

打孔：加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等，尤其是異型孔的加工。

型腔加工：鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等的型腔；

曲面加工：葉輪、葉片等。電火花成型加工機床電火花加工機床和產(chǎn)品實例成型加工產(chǎn)品電火花線切割原理示意圖XY儲絲筒導輪電極絲(－)工件（＋）（二）電火花線切割加工1.工作原理：用連續(xù)移動的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。工作臺帶動工件作X、Y方向移動，切割出二維圖形（圖示）。當絲架作小角度擺動時，可切割出斜面。工件接電源正極，鉬絲接負極。3.應(yīng)用：適用于加工各種硬質(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。2.主要特點

與電火花成型加工相比，具有以下特點：①不需要制造成型電極，電極為很細的金屬絲，且機床具有間隙補償功能，可方便地加工出復雜形狀的工件、微孔和窄縫等。②電極損耗較小，對加工精度影響小。工具電極為移動著的長細絲，單位長度損耗較小。尺寸精度可達0.01mm，表面粗糙度Ra值為1.6~0.8μm。。③材料利用率高。只對工件材料進行圖形輪廓加工，圖形中或圖形外的余料還可以利用。

加工時，工件接陽極，具有一定型面的工具接陰極，兩極間加6～24V直流電壓，并保持0.1～1mm間隙。在間隙處通以6～60m/S高速流動電解液，形成極間導電通路。工件陽極表面材料不斷溶解，溶解物及時被電解液沖走。工具陰極不斷進給，并保持極間間隙，最終工具電極的形狀復制在工件上，獲得所需的加工形狀。

電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進給工具陰極（銅或不銹鋼）（一）原理：利用金屬在電解液中的電化學陽極溶解原理加工工件。三、電解加工不受材料強度、硬度限制，凡是能導電的材料均可加工。

加工形面、型腔生產(chǎn)率高（比電火花加工高5～10倍）。陰極在加工中損耗很小。加工表面質(zhì)量好，無毛刺、殘余應(yīng)力和變形層。設(shè)備投資大，有污染和腐蝕作用，需防護。

航空航天、模具制造領(lǐng)域，適于加工型面、型腔、穿孔套料、電解拋光、倒棱、去毛刺、刻印等。（二）電解加工的特點（三）電解加工的應(yīng)用電解磨削＝電解＋機械磨削（一）工作原理：工件與磨輪保持一定接觸壓力，突出的磨料使磨輪導電基體與工件之間形成一定間隙，電解液從中流過時，工件作為陽極而溶解，表面生成一層氧化膜，被機械磨削刮除，露出新的金屬表面，繼續(xù)進行電解。電解作用與磨削作用交替進行，實現(xiàn)加工。導電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導電基體磨料陽極膜四、電解磨削（二）特點

與機械磨削相比，具有以下特點：①生產(chǎn)率高。電解磨削效率比機械磨削高，且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。粗、精加工一次完成，加工成本降低。②加工范圍廣?？梢约庸と魏胃哂捕?、高韌性的金屬材料。③表面質(zhì)量好。電因解磨削加工時，壓力小，發(fā)熱少，磨輪的損耗比較小，并且不會產(chǎn)生應(yīng)力、變形、燒傷、崩刃、裂紋和毛刺等缺陷。④輔助設(shè)備較多，設(shè)備的投資費用較高，并且加工過程中有刺激性氣體致電解液霧產(chǎn)生，需要加防護、排風等措施。（三）應(yīng)用：主要適用于磨削高強度、高硬度的金屬材料，如硬質(zhì)合金刀具、量具、軋輥、擠壓模和拉絲模等。（一）基本原理：與電鍍相同，不同之處在于：電鑄加工要求電鑄層與原模必須容易分離，電鑄層的厚度也遠大于電鍍層。

加工時，可導電的原模作陰極，用于電鑄的金屬作陽極，含電鑄材料金屬鹽溶液作電鑄溶液。在直流電源的作用下，電鑄溶液中的金屬離子在陰極還原成金屬，沉積于原模表面，陽極金屬則失去電子變成金屬離子不斷地溶解到電鑄液中，使溶液中金屬離子的濃度保持不變。當陰極原模電鑄層逐漸加厚達到所要求的厚度時，與原模分離，從而獲得與原模型面相反的電鑄制件。五、電鑄加工（二）特點（三）應(yīng)用①加工質(zhì)量好。尺寸精度高、表面粗糙度值低Ra≤0.1μm，且同一原模生產(chǎn)的電鑄件一致性極好。②適應(yīng)性廣。能制造用其它加工方法不能或很難加工的特殊形狀零件。③可以制造多層結(jié)構(gòu)的零件和高純度的金屬制品。⑤能準確地復制表面輪廓和微細紋路。⑥電鑄加工生產(chǎn)周期較長，尖角和凹槽處鑄層不均勻，鑄層存一定的內(nèi)應(yīng)力，原模上的劃痕等缺陷會帶到制品上去。

復制精度和重復精度極高，可用于形狀復雜、精度要求很高的空心零件、薄壁件、微細精密零件。1.利用工具端面作超聲（16～25kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨氣蝕來實現(xiàn)加工。2.超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，此時振幅一般很小，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0.01～0.15mm。

（一）工作原理

變幅桿超聲波發(fā)生器超聲波加工原理圖振動方向工具換能器工作液噴嘴工件六、超聲波加工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。工具與工件不需作復雜的相對運動，機床結(jié)構(gòu)簡單。被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達0.01～0.05mm。加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。生產(chǎn)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）可提高加工效率。（二）超聲波加工特點及應(yīng)用超聲波加工機床超聲波加工樣件1.激光是一種受激輻射而得到的加強光。其基本特征：強度高，亮度大單色性好，波長頻率確定相干性好，相干長度長方向性好，幾乎是一束平行光。（一）工作原理當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，照射斑點處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金屬熔化，小坑內(nèi)金屬蒸氣迅速膨脹，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，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。激光器工件工作臺激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源七、激光加工1.固體激光器

（1）YAG（結(jié)晶母材由釔、鋁和石榴石構(gòu)成）激光器；（2）紅寶石激光器。（1）混合氣體：氦約80%，氮約15%，CO2約5%。（2）通過高壓直流放電進行激勵（3）波長10.6μm，為不可見光。（4）能量效率5%～15%。反射凹鏡反射平鏡電極放電管CO2氣體冷卻水進口冷卻水出口激光高壓直流電源CO2激光器示意圖2.氣體激光器——CO2激光器（圖示）（二）激光器

加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點材料、硬脆材料。

加工性能好?？稍谄?/p>