第9章機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

第9章機(jī)械制造技術(shù)的開展機(jī)械制造技術(shù)的開展趨勢9.1精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2非傳統(tǒng)加工方法9.3【學(xué)習(xí)目的】1．了解機(jī)械制造技術(shù)的開展趨勢2．了解精細(xì)加工與超精細(xì)加工概念、加工環(huán)境、分類及加工方法3．非傳統(tǒng)加工方法〔電火花、電解、超聲波、激光〕加工及其任務(wù)原理9.1機(jī)械制造技術(shù)的開展趨勢9.1.1機(jī)械制造技術(shù)的位置與開展作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)是全面建立小康社會的第一位支柱產(chǎn)業(yè)，是國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的根底和國家平安的重要保證。個性化的需求及制造的全球化、信息化，對傳統(tǒng)的觀念和消費(fèi)組織方式也面臨著艱苦的挑戰(zhàn)，即新技術(shù)革命的挑戰(zhàn)、信息時代的挑戰(zhàn)、有限資源與日益增長的環(huán)保壓力的挑戰(zhàn)、制造全球化和貿(mào)易自在化、消費(fèi)觀念的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)、電器自動化技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)的綜合運(yùn)用，信息技術(shù)促進(jìn)著設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)代化，加工制造的精細(xì)化、快速化，自動化技術(shù)的柔性化、智能化，整個制造過程的網(wǎng)絡(luò)化、全球化。各種機(jī)械消費(fèi)方式如柔性制造系統(tǒng)〔FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS〕、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS〕、并行工程〔ConcurrentEngineering，CE〕、精良消費(fèi)〔LeanProduction，LP〕、矯捷制造〔AgileManufacturing，AM〕和及時消費(fèi)〔JustInTime，JIT〕等是當(dāng)前制造系統(tǒng)的新概念，最近又提倡面向制造的設(shè)計(jì)〔DesignForManufacturing，DFM〕、面向裝配的設(shè)計(jì)〔DesignForAssembly，DFA〕甚至面向價值的設(shè)計(jì)〔DesignForValue，DFV〕等。9.1機(jī)械制造技術(shù)的開展趨勢9.1.1機(jī)械制造技術(shù)的位置與開展在工業(yè)興隆國家都把機(jī)械制造技術(shù)作為國家級關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)先開展的領(lǐng)域。雖然決議國家綜合競爭力的要素有多種，但制造業(yè)的根底位置不能忽視。20世紀(jì)90年代以來，各興隆國家和地域，如美國、日本、歐共體等都針對機(jī)械制造技術(shù)的研發(fā)提出了國家級開展方案，旨在提高本國制造業(yè)的國際競爭才干。目前我國已成為一個制造大國，但還不是制造強(qiáng)國。這表如今許多現(xiàn)代制造根底技術(shù)尚未掌握，許多艱苦配備不能自主制造，缺乏自主創(chuàng)新才干。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)電設(shè)備、機(jī)床和汽車等產(chǎn)品的產(chǎn)量居世界前列，卻沒有一家配備制造企業(yè)能躋身世界500強(qiáng)；我國汽車年產(chǎn)量已達(dá)300萬輛，可具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)極少；我國光電子制造設(shè)備的90%、IC制造配備的85%、高檔數(shù)控機(jī)床的70%都需進(jìn)口。9.1機(jī)械制造技術(shù)的開展趨勢9.1.2機(jī)械制造技術(shù)開展展望機(jī)械制造技術(shù)的開展將具有以下3個特點(diǎn)。1．制造科學(xué)實(shí)際體系不斷完善現(xiàn)代制造正從技藝、技術(shù)走向科學(xué)?！皵?shù)字化〞將是建立制造科學(xué)實(shí)際體系的關(guān)鍵，它將貫穿設(shè)計(jì)、制造和控制等整個制造過程，如制造中從幾何量、控制量的數(shù)字化到物理量、知識、閱歷的數(shù)字化等；“虛擬化〞將在產(chǎn)品制造、制造系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)全過程中廣泛運(yùn)用，是使預(yù)測和評價科學(xué)化的重要手段；“集成化〞將使制造技術(shù)和管理更加深化和廣泛地交融，其本質(zhì)是知識與信息的集成；“網(wǎng)絡(luò)化〞可為制造企業(yè)設(shè)計(jì)、消費(fèi)、管理與營銷等提供跨地域的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，使制造業(yè)走向全球化、整體化和有序化；“智能化〞將顯著提高制造企業(yè)、系統(tǒng)和單元〔配備〕順應(yīng)環(huán)境的才干，提高對海量和不完好信息的處置才干以及相互間自動協(xié)調(diào)和協(xié)同才干。運(yùn)作的自律性、組織構(gòu)造的柔性、呼應(yīng)的矯捷性是智能化典型特征，也是制造科學(xué)實(shí)際重要特征。加工精度的“精細(xì)化〞、加工尺度“細(xì)微化〞、加工要求和條件的“極限化〞都是當(dāng)今制造科學(xué)與技術(shù)開展研討的焦點(diǎn)。9.1機(jī)械制造技術(shù)的開展趨勢6.1.2機(jī)械制造技術(shù)開展展望2．機(jī)械制造技術(shù)的內(nèi)涵與外延將在與其他相關(guān)科學(xué)的交叉交融中不斷豐富和開展下一代航天、航空產(chǎn)品的制造將與資料科學(xué)、空間物理學(xué)等嚴(yán)密結(jié)合；制造科學(xué)與生命科學(xué)、生物學(xué)交叉的生物制造、仿生制造將得到較大的開展；精微制造的機(jī)理和控制技術(shù)將得益于與量子力學(xué)、資料科學(xué)、微電子科學(xué)等的深度交融；數(shù)字制造、智能制造的開展將更加依賴于與現(xiàn)代數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、管文科學(xué)的綜合。所以未來10～15年將是制造科學(xué)與技術(shù)同其他相關(guān)學(xué)科交叉交融大開展時期，尤其是制造根底科學(xué)可望有一些新的突破。3．綠色制造將是機(jī)械制造技術(shù)開展的重點(diǎn)人類社會開展必將走向與自然界調(diào)和，制造必需充分維護(hù)自然環(huán)境，維護(hù)社會環(huán)境、消費(fèi)環(huán)境和消費(fèi)者身心安康。制造必然要走“綠色〞之路，這是實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)可繼續(xù)開展的重要條件。9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工6.2.1精細(xì)加工與超精細(xì)加工在國民經(jīng)濟(jì)中的作用就機(jī)械制造技術(shù)的技術(shù)本質(zhì)性而論，主要有精細(xì)、超精細(xì)加工技術(shù)和制造自動化兩大領(lǐng)域，前者追求加工上的精度和外表質(zhì)量極限，后者包括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理的自動化。兩者不僅是快速呼應(yīng)市場需求、提高消費(fèi)率、改善勞動條件的重要手段，而且是保證產(chǎn)質(zhì)量量的有效舉措。兩者有親密關(guān)系，許多精細(xì)和超精細(xì)加工要依托自動化技術(shù)以到達(dá)預(yù)期目的，而不少制造自動化有賴于精細(xì)加工才干準(zhǔn)確可靠實(shí)現(xiàn)。兩者具有全局的、決議性的作用，是機(jī)械制造技術(shù)支柱。1．精細(xì)加工與超精細(xì)加工是國家制造工業(yè)程度的重要標(biāo)志精細(xì)加工與超精細(xì)加工所能到達(dá)的精度、外表粗糙度、加工尺寸范圍和幾何外形是一個國家制造技術(shù)程度的重要標(biāo)志之一。例如：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑大小是金剛石刀具超精細(xì)切削的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，國外聲稱已到達(dá)2

nm，而我國尚處于亞微米〔100

nm以上〕程度；又如金剛石微粉砂輪超精細(xì)磨削在國外已用于消費(fèi)，使制造程度有大幅度提高，突出地處理了超精細(xì)磨削磨料加工效率低的問題。9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.1精細(xì)加工與超精細(xì)加工在國民經(jīng)濟(jì)中的作用2．精細(xì)加工和超精細(xì)加工是機(jī)械制造技術(shù)的根底和關(guān)鍵當(dāng)前，在制造自動化領(lǐng)域，進(jìn)展了大量有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助制造軟件的開發(fā)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)〔CAD〕、計(jì)算機(jī)輔助工程分析〔CAE〕、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)〔CAPP〕、計(jì)算機(jī)輔助制造〔CAM〕等，統(tǒng)稱計(jì)算機(jī)輔助工程〔CAX〕；又如面向裝配的設(shè)計(jì)〔DFA〕、面向制造的設(shè)計(jì)〔DFM〕等，統(tǒng)稱為面向工程的設(shè)計(jì)〔DFX〕；又進(jìn)展了計(jì)算機(jī)集成制造〔CIM〕技術(shù)，消費(fèi)方式如精良消費(fèi)、矯捷制造、虛擬制造，以及清潔消費(fèi)和綠色制造等研討，這些都是非常重要和必要的，代表了當(dāng)前高新制造技術(shù)的重要方面。但是，作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場，作為真實(shí)產(chǎn)品的實(shí)踐制造，必然要靠精細(xì)加工和超精細(xì)加工技術(shù)。表6-1列舉了幾種典型精細(xì)零件的加工精度。零

件加工精度表面粗糙度激光光學(xué)零件形狀誤差0.1

mRa0.01～0.05

m多面鏡平面度誤差0.04

mRa＜0.02

m磁頭平面度誤差0.04

mRa＜0.02

m零

件加工精度表面粗糙度磁盤波度0.01～0.02

mRa＜0.02

m雷達(dá)導(dǎo)波管平面度垂直度誤差＜0.1

mRa＜0.02

m衛(wèi)星儀表軸承圓柱度誤差＜0.01

mRa＜0.002

m天體望遠(yuǎn)鏡形狀誤差＜0.03

mRa＜0.01

m9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工技術(shù)內(nèi)涵及范疇現(xiàn)代制造業(yè)繼續(xù)不斷地努力于提高加工精度和加工外表質(zhì)量，主要目的是提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和可靠性，改善零件互換性，提高裝配效率。精細(xì)加工和超精細(xì)加工技術(shù)是精加工重要手段，對尖端技術(shù)的開展起著非常重要的作用。圖6-1所示為各種加工機(jī)床和丈量儀器的加工精度隨時代開展的情況。由圖可見，普通機(jī)械加工的加工精度從過去的毫米級向微米級開展，精細(xì)加工那么從10微米級向納米級開展，超精細(xì)加工正在向納米級工藝開展。超精細(xì)加工是指加工精度和外表質(zhì)量到達(dá)極高程度的精細(xì)加工工藝，從概念上講兩者是相對的，隨著加工技術(shù)的不斷開展，今天的超精細(xì)加工能夠是明天的精細(xì)加工。9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工技術(shù)內(nèi)涵及范疇1．普通加工普通加工是指加工精度在10

m左右、外表粗糙度Ra值在0.3～0.8

m的加工技術(shù)。如車、銑、刨、磨、鏜、鉸等。適用于汽車、遷延機(jī)和機(jī)床等產(chǎn)品制造。2．精細(xì)加工精細(xì)加工是指加工精度在10～0.1

m，外表粗糙度Ra值在0.3～0.03

m的加工技術(shù)。如金剛車、金剛鏜、研磨、珩磨、超精加工、砂帶磨削、鏡面磨削和冷壓加工等。適用于精細(xì)機(jī)床、精細(xì)丈量儀器等產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件加工，如精細(xì)絲杠、精細(xì)齒輪、精細(xì)蝸輪、精細(xì)導(dǎo)軌、精細(xì)軸承等。3．超精細(xì)加工超精細(xì)加工是指加工精度在0.1～0.01

m，外表粗糙度Ra值在0.03～0.05

m的加工技術(shù)，如金剛石刀具超精細(xì)切削、超精細(xì)磨料加工、超精細(xì)特種加工和復(fù)合加工等。其適用于精細(xì)元件、計(jì)量規(guī)范元件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制造。目前，超精細(xì)加工精度正處在亞納米級工藝，正在向納米級工藝開展。4．納米加工納米加工是指加工精度高于10?3

m〔納米，1nm

=

10?3

m〕，外表粗糙度Ra小于0.005

m的加工技術(shù)，其加工方法大多已不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，而是諸如原子分子單位加工等方法。9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工技術(shù)內(nèi)涵及范疇精細(xì)與超精細(xì)加工按加工機(jī)理和加工方法來分，可分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工，如表6-2所示。分

類加工機(jī)理加工方法示例去除加工電物理加工電化學(xué)加工力學(xué)加工熱蒸發(fā)（擴(kuò)散、溶解）電火花加工（電火花成形，電火花線切割）電解加工、蝕刻、化學(xué)機(jī)械拋光切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工電子束加工、激光加工結(jié)合加工附著加工化學(xué)電化學(xué)熱熔化化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積電鍍、電鑄真空蒸鍍、熔化鍍注入加工化學(xué)電化學(xué)熱熔化力物理氧化、氮化、活性化學(xué)反映陽極氧化摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長離子注入、離子束外延連續(xù)加工熱物理化學(xué)激光焊接、快速成形化學(xué)粘接變形加工熱流動黏滯流動分子定向精密鍛造、電子束流動加工、激光流動加工精密鑄造、壓鑄、注塑液晶定向9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.3精細(xì)與超精細(xì)加工環(huán)境1．恒溫溫度添加1℃時，100

mm長的鋼件就能夠會產(chǎn)生1

m的伸長。所以精細(xì)與超精細(xì)加工要求加工環(huán)境的溫度堅(jiān)持在〔20±0.06〕℃之間。實(shí)現(xiàn)方法：大、小恒溫間加部分恒溫〔恒溫罩、恒溫油噴淋〕控制。2．恒濕要求加工室內(nèi)相對濕度在35%～45%之間，動搖為±10%～±1%。實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)理系統(tǒng)控制。3．凈化塵埃假設(shè)落在工件外表上，能夠?qū)⑼獗砝瓊?；如落在丈量儀器上，會呵斥檢驗(yàn)者判別錯誤。所以消費(fèi)加工的空氣干凈度要求為10

000～100級范圍內(nèi)〔100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5

m塵埃個數(shù)不超越100〕。實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入干凈空氣。4．防震機(jī)床震動對精細(xì)加工和超精細(xì)加工有很大的危害。為提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求消除內(nèi)部干擾，隔絕外部震動干擾。實(shí)現(xiàn)方法：建隔震地基，墊隔震墊層、空氣彈簧隔震器等。9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.4常用的精細(xì)加工、超精細(xì)加工和細(xì)微加工方法精細(xì)與超精細(xì)加工方法主要可分為如下兩類：第一類是采用金剛石刀具對工件進(jìn)展超精細(xì)的微細(xì)切削和運(yùn)用磨料磨具對工件進(jìn)展珩磨、研磨、拋光、精細(xì)和超精細(xì)磨削等；另一類是采用電化學(xué)加工，電子束、離子束、激光加工，微波加工，超聲波加工等特種加工方法及復(fù)合加工方法對工件進(jìn)展加工。另外，微細(xì)加工是指制造微小尺寸零件的消費(fèi)加工技術(shù)，它的出現(xiàn)和開展與大規(guī)模集成電路有親密關(guān)系，其加工原理與普通尺寸加工也有區(qū)別，它是超精細(xì)加工的一個分支。這里僅引見金剛石超精細(xì)切削、精細(xì)磨削及金剛石超精細(xì)磨削和光刻細(xì)微加工技術(shù)。9.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工9.2.4常用的精細(xì)加工、超精細(xì)加工和細(xì)微加工方法1．金剛石超精細(xì)切削金剛石超精細(xì)切削主要是運(yùn)用天然單晶金剛石車刀對銅、鋁等軟金屬及其合金進(jìn)展切削加工，以獲得加工精度為0.1

m數(shù)量級和外表粗糙度Ra值為0.01

m數(shù)量級的一種超精細(xì)加工方法。2．精細(xì)磨削及金剛石超精細(xì)磨削精細(xì)磨削是指加工精度為1～0.1

m，外表粗糙度Ra值在0.16～0.06

m的磨削方法；而金剛石超精細(xì)磨削是指加工精度高于0.1

m，外表粗糙度Ra值小于0.04～0.02

m的磨削方法。3．細(xì)微加工技術(shù)微機(jī)械是科技開展的重要方向，如未來的微型機(jī)器人可以進(jìn)入到人體血管里去去除“渣滓〞、排除“缺點(diǎn)〞等。微機(jī)械是指尺寸為毫米級以及更小的微型機(jī)械，而細(xì)微加工那么是微機(jī)械、微電子技術(shù)開展的根底，為此世界各國都投入巨資開展細(xì)微加工技術(shù)，比如當(dāng)今流行的納米加工技術(shù)。細(xì)微加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件、部件和安裝的加工和裝配技術(shù)，它屬于精細(xì)、超精細(xì)加工的范疇。因此其工藝技術(shù)包括：精細(xì)和超精細(xì)的切削與磨削方法，大多數(shù)特種加工方法，與特種加工有機(jī)結(jié)合的復(fù)合加工方法等3類。認(rèn)識超精細(xì)加工9.3非傳統(tǒng)加工方法非傳統(tǒng)加工方法也稱特種加工〔NontraditionalMachining〕，它是相對于一切傳統(tǒng)的加工方法而言的，是直接利用電能、熱能、光能、聲能和化學(xué)能進(jìn)展加工以到達(dá)一定的外形、尺寸和外表粗糙度要求的一種方法。非傳統(tǒng)加工的種類很多，主要包括電火花加工、電解加工、電解磨削加工、超聲波加工、激光加工、離子束加工、電子束加工等。目前，非傳統(tǒng)加工不僅有系列化的先進(jìn)設(shè)備，而且廣泛用于機(jī)械制造的各個部門，成為機(jī)械制造中一種必不可少的重要加工方法。電解加工原理 超聲波加工原理電火花加工原理激光加工原理 9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.1電火花加工方法1．電火花加工的根本原理電火花加工是在液體介質(zhì)中利用脈沖放電對導(dǎo)電資料的腐蝕作用來去除資料，從而使零件的尺寸、外形和外表質(zhì)量到達(dá)預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。電火花加工是在圖6-2所示的加工系統(tǒng)中進(jìn)展的。加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極。兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(zhì)〔常用煤油或礦物油或去離子水〕中。工具電極由自動進(jìn)給調(diào)理安裝控制，以保證工具與工件在正常加工時維持一很小的放電間隙〔0.01～0.05

mm〕。圖6-2電火花加工原理圖

1—工件2—脈沖電源3—進(jìn)給安裝4—工具電極5—任務(wù)介質(zhì)6—過濾器7—電泵9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.1電火花加工方法當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間，便將當(dāng)時條件下極間最近點(diǎn)的液體介質(zhì)擊穿，構(gòu)成放電通道。由于通道的截面積很小，放電時間極短，致使能量高度集中〔106～107

W/mm2〕，放電區(qū)域產(chǎn)生的瞬時高溫足以使資料熔化甚至蒸發(fā)，以致構(gòu)成一個小凹坑。第一次脈沖放電終了之后，經(jīng)過很短的間隔時間，第二個脈沖又在另一極間最近點(diǎn)擊穿放電。如此周而復(fù)始高頻率地循環(huán)下去，工具電極不斷地向工件進(jìn)給，它的外形最終就復(fù)制在工件上，構(gòu)成所需求的加工外表。與此同時，總能量的一小部分也釋放到工具電極上，從而呵斥工具損耗。從上面表達(dá)中可以看出，進(jìn)展電火花加工必需具備3個條件：必需采用脈沖電源；必需采用自動進(jìn)給調(diào)理安裝，以堅(jiān)持工具電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必需在具有一定絕緣強(qiáng)度〔103～107

·m〕的液體介質(zhì)中進(jìn)展。9.3非傳統(tǒng)加工方法6.3.1電火花加工方法2．電火花的加工特點(diǎn)〔1〕可以加工任何高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導(dǎo)電資料?！?〕加工時無明顯機(jī)械力，適用于低剛度工件和微細(xì)構(gòu)造的加工?！?〕脈沖參數(shù)可根據(jù)需求調(diào)理，可在同一臺機(jī)床上進(jìn)展粗加工、半精加工和精加工。〔4〕電火花加工后的外表出現(xiàn)的凹坑，有利于儲油和降低噪聲。〔5〕放電過程有部分能量耗費(fèi)在工具電極上，導(dǎo)致電極損耗，影響成形精度。3．電火花加工的根本設(shè)備電火花加工在特種加工中是比較成熟的工藝，在民用、國防部門和科學(xué)研討中曾經(jīng)獲得廣泛運(yùn)用，并有很多專業(yè)工廠從事消費(fèi)制造。電火花加工工藝及機(jī)床設(shè)備的類型較多，其中運(yùn)用最廣、數(shù)量最多的是電火花成形機(jī)床和電火花線切割機(jī)床。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.2電解加工方法1．電解加工的根本原理與規(guī)律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)展工件成形加工的方法。這種電化學(xué)景象在機(jī)械工業(yè)中早已被用來實(shí)現(xiàn)電拋光和電鍍，電解加工是在電拋光根底上開展起來的。圖6-3為電解加工過程表示圖。加工時工件3接直流電源1的正極，成形工具2接直流電源負(fù)極，兩極之間電壓普通為5～25

V的低電壓，工具向工件作緩慢進(jìn)給，使兩極之間堅(jiān)持一定的間隙〔0.1～1

mm〕，具有一定壓力〔0.5～2.5

MPa〕的電解液從間隙中高速〔5

m/s〕流過，使兩極間構(gòu)成導(dǎo)電通道，并在電源電壓下產(chǎn)生電流，這時陽極工件的金屬被逐漸電解腐蝕，電解產(chǎn)物被電解液帶走。電解加工又稱電化學(xué)加工，是繼電火花加工之后于20世紀(jì)60年代開展起來的一項(xiàng)新工藝，目前已廣泛運(yùn)用于槍炮、航空、汽車遷延機(jī)等制造工業(yè)和模具制造行業(yè)。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.2電解加工方法圖6-4所示為電解加工原理圖。電解加工剛開場時工件毛坯外形與工具外形是不同的，電極間隙不等，如圖6-4〔a〕所示。這樣間隙小的地方電場強(qiáng)度高，電流密度大(即圖中豎線密)，電解液的流速也較高，因此金屬溶解速度也較快；反之，工具與工件間隔較遠(yuǎn)處加工速度較慢，隨著工具不斷向工件進(jìn)給，間隙大致一樣，電流密度趨于一致時，工件陽極外表的外形就逐漸與陰極外形相近，由此完成工件的電解加工。電解液是電解加工的關(guān)鍵要素。電解液的種類、濃度、溫度、壓力及流速等直接影響電解過程，從而影響消費(fèi)率和加工質(zhì)量。其主要作用是：〔1〕作為導(dǎo)電介質(zhì)傳送電流；〔2〕在電場作用下進(jìn)展電化學(xué)反響，使陽極溶解能順利而有控制地進(jìn)展；〔3〕及時帶走電解產(chǎn)物及熱量，起更新與冷卻作用。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.2電解加工方法一種高效電解液應(yīng)具有高的電導(dǎo)率、低黏度和高的比熱容、較好的化學(xué)穩(wěn)定性，并能阻止在工件外表上構(gòu)成鈍化膜，無腐蝕性和毒性，并且有較好的經(jīng)濟(jì)性。NaCl水溶液是比較令人稱心的一種，下面以它為例簡單分析電解過程中的電極反響。NaCl是一種強(qiáng)電解質(zhì)，溶于水后幾乎全部被電解，弱電解質(zhì)水有少量電解，因此在電解質(zhì)溶液中存在著H+、OH?、Na+、Cl?

4種離子。外加直流電源使工件〔鋼鐵資料〕為陽極，工具為陰極。通電后，溶液在電場力作用下負(fù)離子OH?、Cl?向陽極挪動，而陽極外表的鐵原子在電源正極電壓的作用下放出電子成為正二價鐵離子〔其電極電位最負(fù)〕進(jìn)入電解液中，會與OH?離子化合生成墨綠色的絮狀沉淀物Fe(OH)2

；Fe(OH)2隨電解液的流動而被帶走，并逐漸為電解液及空氣中的氧氣氧化為黃褐色的Fe(OH)3沉淀。溶液中的Na+、H+向陰極挪動，由于H+得電子才干比Na+強(qiáng)〔即電極電位最正〕，故在陰極得到電子復(fù)原為氫原子，進(jìn)而結(jié)合成氫氣放出?？梢姡诶硐肭闆r下，陽極鐵以Fe2+方式被溶解，水被分解耗費(fèi)，因此電解液濃度稍有變化。電解液中的Cl?、Na+起導(dǎo)電作用，本身并不耗費(fèi)，所以NaCl電解液運(yùn)用壽命長，但鋼鐵中往往含有多種元素，如在碳鋼中存在較多Fe3C時，能夠有少量的氯氣或氧氣析出，它們不但耗費(fèi)電量，減少金屬蝕除量，而且會使外表變粗糙。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.2電解加工方法2．電解加工的特點(diǎn)及運(yùn)用〔1〕特點(diǎn)。①加工范圍廣。電解加工能加工各種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性導(dǎo)電資料，如硬質(zhì)含金、淬硬鋼、不銹鋼、耐熱合金等難加工資料。②消費(fèi)效率高。電解加工是特種加工中資料去除速度最快的方法之一，約為電火花加工的5～10倍。③加工過程中無機(jī)械切削力和切削熱，沒有由于力與熱給工件帶來變形，可以加工剛性差的薄壁零件，加工外表無剩余應(yīng)力和毛刺，能獲得較小的外表粗糙度值〔Ra1.25～0.2

m〕和一定的加工精度(平均尺寸誤差約±0.1

mm)。④加工過程中工具陰極實(shí)際上無損耗，可長期運(yùn)用并堅(jiān)持其精度。⑤電解加工不需求復(fù)雜的成形運(yùn)動就可加工復(fù)雜的空間曲面，而且不會像傳統(tǒng)機(jī)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(dǎo)電資料，較難加工窄縫、小孔及尖角。⑦對復(fù)雜加工外表的工具電極的設(shè)計(jì)和制造比較費(fèi)事，不利于單件、小批消費(fèi)。6.3非傳統(tǒng)加工方法6.3.2電解加工方法⑧雖然用電解加工制造出來的工件無應(yīng)力，但其疲勞強(qiáng)度約降低10%～20%，因此對疲勞強(qiáng)度要求較高的工件可用電解加工后的噴丸硬化來恢復(fù)強(qiáng)度。⑨電解加工附屬設(shè)備較多，占地面積大，投資大，且設(shè)備易腐蝕和生銹，需采取一定的防護(hù)措施。⑩電解加工的加工缺陷主要有空蝕、產(chǎn)生亮點(diǎn)、加工精度低等?！?〕運(yùn)用。電解加工主要用于切削加工困難的領(lǐng)域，如難加工資料、外形復(fù)雜的外表、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。圖6-5列舉了幾種電解加工的運(yùn)用。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.3超聲波加工方法1．超聲波加工的根本原理與特點(diǎn)超聲波加工也稱超聲加工，是利用工具端面做超聲頻振動，并經(jīng)過懸浮液中的磨料加工脆硬資料的一種加工方法，加工原理如圖6-6。加工時，在工具2和工件1之間參與液體〔水或煤油〕和磨料混合的懸浮液3，并將工具以很小的力悄然壓在工件上。超聲換能器6產(chǎn)生16

000

Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于變幅桿把振幅放大到0.05～0.1

mm，驅(qū)開工具端面作超聲振動，迫使任務(wù)液中的懸浮磨粒以很大的速度和加速度不斷撞擊、拋磨被加工外表，把加工區(qū)的工件部分資料粉碎成很細(xì)的微粒，并從工件上撞擊下來。雖然每次打擊下來的資料很少，但由于每秒鐘撞擊的次數(shù)多達(dá)16

000次以上，所以仍有一定的加工速度。同時任務(wù)液受工具端面的超聲振動作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓沖擊波和空化作用，將促使任務(wù)液進(jìn)入被加工資料的微裂痕及晶界內(nèi)，加劇機(jī)械破壞作用，有助于提高去除資料的效果。此外，液壓沖擊波也能促使懸浮任務(wù)液在加工間隙中循環(huán)，使變鈍了的磨粒不斷更新。由此可見，超聲波加工是磨粒在超聲振動作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.3超聲波加工方法既然超聲波加工是基于高速撞擊原理，因此越是硬脆資料，受沖擊破壞作用越大，而韌性資料那么由于它緩沖作用而難以加工。超聲波加工有如下特點(diǎn)：適于加工各種硬脆資料，特別是不導(dǎo)電的非金屬資料〔如陶瓷、玻璃、寶石、金剛石等〕，擴(kuò)展了模具資料的選用范圍；工具可用較軟的資料做成較復(fù)雜的外形，不需求工具相對于工件作復(fù)雜的運(yùn)動，機(jī)床構(gòu)造簡單，操作也方便；由于去除加工資料是靠極細(xì)小磨粒的瞬時部分的撞擊作用，故工件外表的宏觀作用力很小，不會引起變形和燒傷，外表粗糙度也較好〔Ra=1～0.1

m〕，加工精度可達(dá)0.01～0.02

mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度工件。圖6-6超聲波加工原理表示1—工件2—工具3—磨料懸浮液4、5—變幅桿6—換能器7—超聲9.3非傳統(tǒng)加工方法6.3.3超聲波加工方法2．超聲波加工設(shè)備超聲波加工設(shè)備如圖6-7所示。雖然它們的功率大小及構(gòu)造方式各有不同，但都是由超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)〔聲學(xué)部件〕、機(jī)床本體及磨料任務(wù)液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成?！?〕超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)生器是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l交流電，為工具端面震動及去除被加工資料提供能量。超聲波加工用的超聲波發(fā)生器有電子管和晶體管兩種類型。電子管式的不僅功率大，而且頻率穩(wěn)定，在大中型超聲波加工設(shè)備中用得較多。另一類是晶體管式的，它體積小，能量損耗小，因此開展較快，并有取代電子管的趨勢。圖6-7CSJ-2型超聲波加工機(jī)床

1—支架2—平衡重錘3—任務(wù)臺4—工具5—振幅擴(kuò)展棒6—換能器7—導(dǎo)軌8—標(biāo)尺9.3非傳統(tǒng)加工方法6.3.3超聲波加工方法〔2〕聲學(xué)部件。聲學(xué)部件的作用是把高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械震動，并以波的方式傳送到工具端面。聲學(xué)部件是超聲波加工設(shè)備中的重要部件，主要由換能器、振幅擴(kuò)展棒及工具組成?！?〕機(jī)床及磨料任務(wù)液。超聲波加工機(jī)床普通比較簡單，包括支撐聲學(xué)部件的機(jī)架、任務(wù)臺面，以及使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等，如圖6-7所示。平衡錘是用于調(diào)理加工壓力的。任務(wù)液普通為水，為了提高外表質(zhì)量，也有用煤油的。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化鋁。簡單的機(jī)床的磨料是靠人工保送和改換的。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.3超聲波加工方法3．超聲波加工的運(yùn)用超聲波加工的消費(fèi)率雖然比電火花加工和電化學(xué)加工等低，但其加工精度和外表粗糙度都比較好，且能加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的硬脆資料，如玻璃、石英、陶瓷、寶石及金剛石等。即使是電火花加工后一些淬火鋼、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光整。〔1〕型孔、型腔加工。超聲波加工在模具制造行業(yè)可用于在脆硬資料上加工圓孔、型孔、型腔、套料及微細(xì)孔等，如圖6-8所示?！?〕切割加工。超聲波切割可以加工單晶硅片、陶瓷模塊等?！?〕超聲波拋磨。電火花成形加工及電火花線切割加工后的模具外表是硬脆的，經(jīng)超聲波拋磨以后，可以改善其外表粗糙度，普通可達(dá)Ra

0.4～0.8

m。9.3非傳統(tǒng)加工方法6.3.4激光加工方法從原理上說，激光能順應(yīng)任何資料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場所和特種資料的加工制造方面起著無可替代作用。激光制造技術(shù)包含兩方面的內(nèi)容，一是制造激光光源的技術(shù)，二是利用激光作為工具的制造技術(shù)。前者為制造業(yè)提供性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的激光器以及加工系統(tǒng)，后者利用前者進(jìn)展各種加工和制造，為激光系統(tǒng)的不斷開展提供寬廣的運(yùn)用空間。兩者是激光制造技術(shù)中不可或缺的環(huán)節(jié)，不可偏廢。激光制造技術(shù)具有許多傳統(tǒng)制造技術(shù)所沒有的優(yōu)勢，是一種符合可繼續(xù)開展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)。例如，資料浪費(fèi)少，在大規(guī)模消費(fèi)中制造本錢低；根據(jù)消費(fèi)流程進(jìn)展編程控制〔自動化〕，在大規(guī)模制造中消費(fèi)效率高；可接近或到達(dá)“冷〞加工形狀，實(shí)現(xiàn)常規(guī)技術(shù)不能執(zhí)行的高精細(xì)制造；對加工對象的順應(yīng)性強(qiáng)，且不受電磁干擾，對制造工具和消費(fèi)環(huán)境的要求低；噪聲低，不產(chǎn)生任何有害的射線與殘剩，消費(fèi)過程對環(huán)境的污染小等?？梢哉f，激光制造技術(shù)必將以其無可替代的優(yōu)勢成為21世紀(jì)迅速普及的高新技術(shù)。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.4激光加工方法1．激光加工的根本原理〔1〕激光。激光就是由于受激發(fā)射而放大的光。激光和普通光在本質(zhì)上都是一種電磁波，但因其產(chǎn)生方法與普通光不同，因此與普通光相比，具有方向性強(qiáng)〔幾乎是一束平行準(zhǔn)直的光束〕、單色性好〔光的頻率單一〕、亮度非常高〔比太陽外表的亮度還高1010倍〕、能量高度集中、相關(guān)性好及閃光時間可以極短等特點(diǎn)?！?〕激光器。光和物質(zhì)體系相互作用時，總是同時存在著自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射３個過程。在正常情況下，物質(zhì)體系中處于低能級的原子數(shù)總比處于高能級的原子數(shù)多，這樣，吸收過程總是勝過受激過程。要使受激發(fā)射過程勝過吸收過程，實(shí)現(xiàn)光放大，就必需以外界鼓勵來破壞原來粒子數(shù)分布，使處于低能級的粒子吸收外界能量躍遷到高能級，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，即使高能級上的原子數(shù)多于低能級上的原子數(shù)，這個過程稱為鼓勵。鼓勵過程是一切激光器任務(wù)的根底和中心。9.3非傳統(tǒng)加工方法9.3.4激光加工方法激光器普通有３個根本組成部分，圖6-9所示為紅寶石激光器構(gòu)造表示圖圖6-9紅寶石激光器構(gòu)造表示圖

1—全反射鏡2、12—冷卻水入口3—任務(wù)物質(zhì)4、10—冷卻水出口5—部分反射鏡6—透鏡7—工件8—激光束9—聚光器11—氙燈13—玻璃套管14—電源(含電容組和觸發(fā)器)①