機械制造技術(shù)：特種加工技術(shù)

機械制造技術(shù)：特種加工技術(shù)1．概述特種加工是20世紀40年代發(fā)展起來的，由于材料科學、高新技術(shù)的發(fā)展和激烈的市場競爭、發(fā)展尖端國防及科學研究的急需，不僅新產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，而且產(chǎn)品要求具有很高的強度重量比和性能價格比，并正朝著高速度、高精度、高可靠性、耐腐蝕、高溫高壓、大功率、尺寸大小兩極分化的方向發(fā)展。為此，各種新材料、新結(jié)構(gòu)、形狀復雜的精密機械零件大量涌現(xiàn)，對機械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。人們就從廣義上來定義特種加工，即將電、磁、聲、光、化學等能量或其組合施加在工件的被加工部位上，從而實現(xiàn)材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆蓋等的非傳統(tǒng)加工方法統(tǒng)稱為特種加工。2．電火花加工電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱EDM。⑴電火花加工的原理電火花加工的原理是在進行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入絕緣工作液中，或?qū)⒔^緣工作液充入放電間隙。通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極向工件進給，當兩電極間的間隙達到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達一萬攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復絕緣狀態(tài)。緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復上述過程。這樣，雖然每個脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。綜上所述，要進行電火花加工必須具備以下條件①放電間隙②脈沖電源③絕緣工作液⑵電火花加工的表面質(zhì)量電火花加工的表面質(zhì)量主要包括表面粗糙度、表面變質(zhì)層和表面力學性能三部分。①表面粗糙度電火花加工表面由無數(shù)個小坑和硬凸邊所組成，有利于保存潤滑油；而機械加工表面質(zhì)量則存在著切削或磨削刀痕，具有方向性。兩者相比，在相同表面粗糙度和有潤滑油的情況下，電火花加工表面的潤滑性能和耐磨性能均比機械加工的好。②表面變質(zhì)層電火花加工過程中，電火花將煤油中碳微粒分解出來滲入工件表層，同時又受到工作液的快速冷切的作用，工件的表面層發(fā)生了很大的變化，形成了熔化凝固層和熱影響層。a、融化凝固層位于攻堅表面最上層，是放電時高溫熔化的金屬未被去除的小部分，是工作液快速冷卻而凝固的一薄層，一般不超過0.1mm，其硬度在1000HV乃至1000HV以上，凝固層于基體金屬不同，并且與內(nèi)層的結(jié)合也不甚牢靠。b、熱影響層熱影響層介于熔化層與基體之間，它雖然受到高溫的影響，但金屬材料并沒有熔化和基體材料之間也沒有明顯的界限。由于熱影響層中靠近凝固層部分受到高溫作用而迅速冷卻，形成淬火區(qū)，其厚度與條件無關(guān)。一般電源脈沖寬度越寬，向內(nèi)傳的熱量就越多，熱影響層越厚。c、顯微裂紋由于電火花加工表面受到瞬間高溫作用并迅速冷卻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在表面出現(xiàn)顯微裂紋。一般裂紋僅出現(xiàn)在熱熔化層，只有在脈沖能量很大的情況下才有可能擴展到熱影響層，脈沖能量越大，顯微裂紋越寬、越深，脈沖能量很小時一般不出現(xiàn)顯微裂紋。不同工件材料產(chǎn)生裂紋的敏感性不同，硬脆材料容易產(chǎn)生表面顯微裂紋。在含鎢、鉻、鉬、釩等合金元素的冷軋模具鋼、高速鋼、耐熱鋼中較易產(chǎn)生，在低碳鋼和低合金鋼中不產(chǎn)生。因為淬火材料脆硬，原始應(yīng)力也較大，容易產(chǎn)生裂紋。③表面力學性能a、顯微硬度及耐磨性電火花加工表面一般在最外面有一層硬度比較高，耐磨性好的薄層。但由于它和基體的結(jié)合不牢固，容易剝落，因此需要根據(jù)使用情況來決定其利用還是研磨掉。b、殘余應(yīng)力電火花加工表面由于電火花對金屬的先熱膨脹后冷縮作用，表面層一般有殘余拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小和分布，主要與材料的熱處理狀態(tài)和加工的脈沖能量有關(guān)。c、耐疲勞性能電火花加工表面存在著較大的拉應(yīng)力和顯微裂紋，其耐疲勞性能降低很多。采用回火、噴丸等處理方法，降低殘余應(yīng)力，或者電火花精加工，可提高金屬表面耐疲勞性能。⑶電火花加工的特點①電火花加工的電極較軟，但可以加工硬度極高的材料。電極可以用石墨、紫銅及鋼材制成。被加工材料可以是鋼材，也可以是超硬的聚晶金剛石。②可以較容易地加工出很復雜的零件形狀。③加工過程中沒有機械切削力、電極運動的動力需要較小，火花放電時產(chǎn)生的局部瞬時爆炸力很小，工件也不會因此而產(chǎn)生受力變形。也不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷。④電極與工件之間保持一個充滿液體的放電間隙，相互之間無直接接觸，而且強制循環(huán)的液體有利于工件的冷卻。⑷電火花加工的適用范圍電火花加工的適用范圍較廣，可以說：與材料的軟硬無關(guān)，形狀復雜不怕，異型微孔擅長。①可以加工各種難加工的金屬材料和其他導電材料。②可以加工形狀復雜的表面③加工中電極與工件之間作用力微小，有利于加工薄壁、彈性、低剛度和有微細小孔、異形小孔、微小深孔等的零件。⑸電火花線切割加工技術(shù)電火花線切割加工也是靠電火花放電對工件進行加工，因為電極為線狀，故稱為電火花線切割。它應(yīng)用廣泛，以成為電加工機床的主體。電火花線切割主要特點①電極為絲狀，結(jié)構(gòu)簡單?？汕懈畲慊痄摗⒂操|(zhì)合金等各種高硬度、高強度、高韌性和高脆性的導電材料。②可以加工微細導型孔、窄縫和復雜形狀的工件。③能加工各種沖模、凸輪、樣本等外廓復雜的柱形精密零件，尺寸精度可達0.02～0.01mm，表面粗糙度Ra值可達1.6μm。也可切割帶斜度的模具或工件。④切割縫窄，節(jié)省材料。⑤自動化程度高，操作方便，勞動強度低。⑥加工周期短，成本低。電火花線切割分類①按控制方式可分為數(shù)字程序控制及微機控制的等。②按脈沖電源形式可分為晶體管電源、分組脈沖電源及適應(yīng)控制電源等。③按加工特點可分為大、中、小型，以及普通直壁切割型與錐度切割型等。④按走絲速度可分為低速走絲方式和高度走絲方式。電火花線切割應(yīng)用范圍①應(yīng)用最廣泛的是加工各類模具。②各種導電材料和半導體材料以及稀有、貴重技術(shù)內(nèi)的切斷。③價格微細槽，任意曲線窄縫切割。④加工各種直紋曲面的零件。3．電解加工和電解磨削電解加工和電解磨削均屬電化學加工方法，前者是利用電化學陽極熔解來進行加工，后者是利用電化學加工與機械加工相結(jié)合的復合加工工藝。⑴電解加工電解加工是繼電火花加工以后，發(fā)展較快、較廣泛的一種特種加工方法。目前在國內(nèi)外已成功地應(yīng)用于國防工業(yè)的各個部門，在模具制造中也得到了廣泛的應(yīng)用。在機械制造業(yè)中，它已成為一種不可缺少的工藝方法。①電解加工過程及成型原理電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的原理去除工件上多余材料的一種加工方法。電解加工開始時，工件陽極與工具陰極的形狀不同，工件表面上各點至工具表面的距離不等，因而各點的電流密度不同。距離較近處通過的電流密度大，電解液的流速也常常較高，陽極溶液的速度較快；反之，距離較遠處通過的電流密度小，陽極溶液的速度較慢。當工具不斷進給時，工件表面上各點就以不同的溶液速度進行溶解，工件的形狀就逐漸接近于工具的形狀，直到把工具的形狀“復映”在工件上，得到所需要的形狀為止。②加工間隙加工間隙是影響電解加工精度的主要因素之一，也是設(shè)計工具陰極和選擇工藝參數(shù)的主要依據(jù)。③電解液電解液的主要作用是：作為導電介質(zhì)傳遞電流；在電場作用下進行電化學反應(yīng)，使陽極溶解能順利而有控制地進行；及時地把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物及熱量帶走，起更新與冷卻作用。因此，電解液的基本要求應(yīng)具有以下幾點：具有良好的加工特性，能使工件材料高速均勻地溶解，盡量避免形成難溶的鈍化膜；溶液中的金屬陽離子不得在工具陰極的表面沉積，以保持工具陰極型面的正確形狀；具有較高的電導率和比熱容；較低的粘度，以減小由于電解液的電阻所造成的電能損耗及發(fā)熱量，并使加工間隙中的電解液具有足夠的流速；安全、無毒、腐蝕性小；成分穩(wěn)定，易于維護，價格低。電解加工的工藝特點及應(yīng)用與傳統(tǒng)的切削加工相比，電解加工工具有以下優(yōu)點：可以加工具有各種力學性能的金屬材料，加工范圍十分廣泛；可以加工各種形狀復雜的型孔、型面和型腔，并可以在一次進給中成形，具有較高的生產(chǎn)率；由于加工過程中無切削力和切削熱的作用，所以不會產(chǎn)生由此而引起的變形和殘余應(yīng)力、冷作硬化、金相組織的變化，以及毛刺、刀痕和飛邊等；加工表面粗糙度一般為Ra0.8～0.2μm。工具陰極在加工過程中基本無損耗，可以長期使用。但電解加工也存在一些缺點和局限性，這主要是：加工精度不太高，最高精度不超過±0.03mm。難以加工很細的窄縫、小孔及清棱清角的工件。電解液對設(shè)備和環(huán)境有腐蝕作用。加工復雜型面的工具電極，設(shè)計和制造都比較麻煩。電解加工應(yīng)用有：a、具有型面的零件電解加工在這方面的應(yīng)用較多，如加工渦輪葉片、花鍵孔及其它異形孔、深孔、模具型面等。b、各種不同性能的材料電解加工可用于碳鋼、淬火及未淬火的合金鋼、高溫合金、鈦合金的加工，也可用于鋁合金、銅合金、硬質(zhì)合金及半導體材料等的加工。c、多種不同的工藝內(nèi)容和加工方式電解加工可用于零件的擴孔、套料、開槽、內(nèi)孔拋光、零件倒棱、去毛刺、微孔加工、切割及刻印。⑵電解磨削電解加工的生產(chǎn)率較高，但由于它是靠化學陽極溶解去除材料的，因而加工精度和表面粗糙度不易達到精加工的要求。為提高加工精度，在電解加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了電化學機械加工。電解磨削就是其中一種。電解磨削與機械磨削相比，具有如下特點：磨削效率一般高于機械磨削，而磨輪的損耗遠比機械磨削??；可以提高加工精度及表面質(zhì)量。表面粗糙度可小于Ra0.16μm。同時由于磨削壓力和磨削熱都很小，磨削表面不產(chǎn)生殘余應(yīng)力、變形、燒傷、裂紋和毛刺等缺陷；所需的輔助設(shè)備較多，從而增加了投資費用；電解液具有腐蝕性，機床、夾具等應(yīng)具有有效的防護措施；加工中有刺激性氣體和電解液霧沫產(chǎn)生，污染環(huán)境、需配置防護、吸氣、排氣等裝置。4．激光加工激光加工的原理,它是利用某些材料經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強光，再通過聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，將光能的能量密度提高到10～10W/㎝左右，照射在工件表面上，形成溫度高達10000℃以上的光斑區(qū)，使材料熔化甚至氣化，對材料進行的一種加工。激光加工器按其產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器及半導體激光器等四大類。在機械加工中，由于固體激光器體積小，所以調(diào)整方便，應(yīng)用較廣泛。激光是一種單色光，其基本性質(zhì)與普通光完全相同，也具有反射、折射、繞射及光波干涉等特性，但激光與普通光比較也有自身的特點：高亮度，一臺紅寶石巨脈沖激光器的亮度比太陽表面的亮度高200多億倍；高單色性；高方向性。⑴激光加工的特點和作用①激光加工能量密度高，可達10～10W/㎝，可以加工各種金屬材料和非金屬材料。②激光加工的機械力小，不存在工具損耗，加工速度快，熱影響區(qū)小，易實現(xiàn)加工過程自動化。③激光可透過玻璃等材料對工件進行加工，如對真空管內(nèi)的器件進行焊接。④激光斑可以聚焦成微米級，又可以調(diào)節(jié)輸出功率大小，因此可以實現(xiàn)精密微細加工。⑤平均加工精度可達0.01mm，最高加工精度可達0.001mm，表面粗糙度Ra值也可達到0.4～0.1μm。⑥激光可以進行表面熱處理、焊接、切割、打孔、雕刻及微細加工等多種加工。⑵激光加工的應(yīng)用①激光打孔②激光切割③激光焊接④激光表面處理5.電子束加工技術(shù)和離子束加工技術(shù)⑴電子束加工原理在真空條件下，利用能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時間（幾分之一微秒）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走，從而達到加工的目的。⑵電子束加工的特點①電子束能夠聚焦到焦點直徑只有0.1微米，加工面積小，是一種精密微細的加工方法。②電子束能量密度很高。材料被照射時的溫度超過其熔化和氣化溫度，因而瞬時蒸發(fā)。③電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)率很高。④對電子束的精度、位置、聚焦等可以進行直接控制，整個加工過程便于實現(xiàn)自動化。⑤由于加工在真空中進行，污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工要求極高的半導體材料、易氧化的技術(shù)內(nèi)及合金材料。⑥電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。⑶電子束加工的應(yīng)用①電子束打孔電子束打孔已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，最小直徑可達φ0.003mm左右，用于噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔，機翼吸附屏上的孔。電子束打孔時，不僅孔數(shù)可達數(shù)百萬個，而且有時還可以改變孔徑、可在工件運動中進行。電子束打孔速度極高，例如在0.1mm厚的不銹鋼上每秒可打3000個直徑為φ0.2mm的孔。②刻蝕微電子器件的發(fā)展，需要在陶瓷或半導體上刻出許多微細溝槽和孔，如在硅片上刻出寬2.5μm、深0.25μm的細槽；在混合電路電阻的金屬鍍層上刻40μm寬的線條，均可發(fā)揮電子束加工的特長。③焊接電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。其能量密度高，焊接速度快，所以焊接深而窄，熱影響區(qū)小，變形小，加工中不用焊條，焊接過程在真空中進行，焊接純凈，焊接接頭的強度高。④熱處理電子束熱處理在真空中進行，可以防止材料氧化。電子束設(shè)備的功率一般比激光功率大，可以有更廣泛的應(yīng)用前景。⑤光刻采用電子束加工，可在幾毫米見方的硅片上安排