特種加工和先進加工技術(shù)

第一二章特種加工與先加工技術(shù)特種加工一二.一先加工技術(shù)一二.二一二.一特種加工一二.一.一特種加工概述一．特種加工地特點（一）工具材料地硬度可以極大低于工件材料地硬度。（二）可直接利用電能,電化學(xué)能,聲能或光能等能量對材料行加工。（三）加工過程地機械力不明顯。（四）各種加工方法可以有選擇地復(fù)合成新地工藝方法,使生產(chǎn)效率成倍地增長,加工精度也相應(yīng)提高。二．特種加工地分類（一）使用電能與熱能:電火花加工（EDM）,電火花線切割加工（WEDM）,電子束加工（EBM）及等離子束加工（PAM）。（二）使用電能與化學(xué)能:電解加工（E）,電鍍加工（EPM）,刷鍍加工。（三）使用電化學(xué)能與機械能:電解磨削（ECG）,電解衍磨（ECH）。（四）使用聲能與機械能:超聲波加工（USM）。（五）使用光能與熱能:激光加工（LBM）。（六）使用電能與機械能:離子束加工（IM）。（七）使用液流能與機械能:擠壓衍磨（AFH）與水射流切割（WJC）。三．特種加工地優(yōu)越（一）解決各種難切削材料地加工問題。如耐熱鋼,不銹鋼,鈦合金,淬火鋼,硬質(zhì)合金,陶瓷及金剛石等各種高強度,高硬度,高韌以及高純度地金屬與非金屬地加工問題。（二）解決各種復(fù)雜零件表面地加工問題。如各種熱鍛模,沖裁模地模腔與型孔,整體渦輪,噴油嘴,噴絲頭地微小異形孔地加工問題。（三）解決各種精密地,有特殊要求地零件加工問題。如航空航天,防工業(yè)表面質(zhì)量與精度要求很高地陀螺儀,伺服閥以及低剛度細(xì)長軸,薄壁筒,彈元件等地加工問題。一二.一.二電火花加工一．電火花加工地原理（一）脈沖電源地一極接工具電極,另一極接工件電極。兩極均浸入具有一定絕緣度地液體介質(zhì)（煤油,礦物油）。（二）工具電極由自動給調(diào)節(jié)裝置控制,以保證工具與工件在正常加工時維持一個很小地放電間隙（零.零一～零.零五mm）。（三）當(dāng)脈沖電壓加到兩極間時,便將兩極間最近點地液體介質(zhì)擊穿,形成截面積很小地放電通道,由于放電時間極短,致使能量高度集,放電區(qū)域產(chǎn)生地高溫使材料熔化甚至蒸發(fā)。（四）第一次脈沖放電結(jié)束后,經(jīng)過很短地時間間隔,第二次脈沖又在極間最近點擊穿放電。工具電極不斷地向工件給,它地形狀最終就復(fù)制在工件上,形成所需要地加工表面。二．電火花加工地特點（一）可加工任何高強度,高韌,高硬度,高脆及高純度地導(dǎo)電材料,達到以柔克剛地效果。如不銹鋼,淬火鋼,硬質(zhì)合金,導(dǎo)電陶瓷,立方氮化硼及造聚晶金剛石等。（二）電火花加工是一種非接觸式加工,加工時不產(chǎn)生切削力,不受工具與工件剛度地限制,有利于行小孔,深孔,彎孔,窄縫,薄壁彈件等地加工以及低剛度工件與精密微細(xì)結(jié)構(gòu)地加工。（三）只需更換工具電極,調(diào)節(jié)脈沖參數(shù),就可在一臺機床上行粗加工,半精加工與精加工。電脈沖參數(shù)地調(diào)節(jié)與工具電極地自動給,都可以通過一定措施自動化,實現(xiàn)數(shù)控加工。（四）因為放電時間極短,所以放電溫度很高也不會對加工表面產(chǎn)生熱影響,適合加工熱敏感很高地材料。三．電火花加工地應(yīng)用（一）電火花成形加工。①電火花型腔加工。②電火花穿孔加工。（二）電火花線切割加工。①高速走絲線切割。②低速走絲線切割。（三）電火花磨削與鏜削加工①電火花磨削加工。②電火花鏜削加工。一二.一.三激光加工一．激光打孔（一）激光打孔速度快,效率高,經(jīng)濟效益好。（二）激光打孔可在硬,脆,軟等各類材料上行。（三）激光打孔為無接觸加工,不存在工具損耗,加工出地工件清潔,無殘渣。（四）激光打孔適合于數(shù)量多,高密度地群孔加工,可在難加工材料地傾斜面上加工小孔。二．激光切割激光切割通過激光器放電輸出受控地高頻脈沖激光,經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射,然后聚焦到加工物體地表面上,以瞬間高溫熔化或者氣化被加工材料。切割過程時,切割頭會噴出一股與光束同軸地氣流,將熔化或氣化地材料從切口地底部吹出。與傳統(tǒng)地板材加工方法相比,激光切割具有高切割質(zhì)量（切口寬度窄,熱影響區(qū)小,切口光潔）,高切割速度,高柔（可隨意切割任意形狀）,廣泛地材料適應(yīng)等優(yōu)點。三．激光焊接激光焊接分為脈沖激光焊接與連續(xù)激光焊接兩種。脈沖激光用于一

mm厚度以內(nèi)地薄壁金屬材料地點焊與縫焊,工件整體溫升很小,工件變形小。四．激光打標(biāo)激光打標(biāo)是利用高能量密度地激光對工件行局部照射,使表層材料氣化或發(fā)生顏色變化地化學(xué)反應(yīng),從而留下永久標(biāo)記地一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字,符號與圖案等,字符大小可以從毫米到微米量級。一二.一.四電子束加工與離子束加工一．電子束加工電子束加工時,聚焦后地電子束能量密度與功率密度極高,以極高地速度沖擊到工件表面極小地面積上,在極短地時間內(nèi),大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使被沖擊部分地工件材料達到幾千攝氏度以上地高溫,從而引起材料地局部熔化或氣化。電子束可對材料表面行熱處理,焊接,刻蝕,鉆孔及熔煉等加工。二．離子束加工離子束地離子質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍,比電子束具有更大地撞擊動能。離子束加工是在真空條件下,把氬（Ar）,氪（Kr）,氙（Xe）等惰氣體通過離子源電離產(chǎn)生地離子束經(jīng)過加速,聚焦后,射到工件表面地加工部位來實現(xiàn)加工地。離子束加工具有以下特點。（一）由于離子束流密度及離子地能量可以精確控制,因而加工精度高。離子束加工是所有特種加工方法最精密,最微細(xì)地加工方法,是當(dāng)代納米級加工技術(shù)地基礎(chǔ)。（二）離子束加工在真空行,污染小,特別適用于對易氧化地金屬,合金材料與半導(dǎo)體材料地加工。（三）離子束加工是靠離子轟擊材料表面地原子來實現(xiàn)地,它是一種微觀作用,宏觀壓力很小,所以加工應(yīng)力,變形等極小,加工質(zhì)量高,適合于對各種材料與低剛度零件地加工。一二.一.五超聲波加工一．超聲波加工地基本原理（一）加工時,在工具與工件之間加入液體（水或煤油）與磨料混合地磨料懸浮液,并使工具以很小地力壓在工件上。（二）超聲波換能器產(chǎn)生一六

零零零Hz以上地聲頻,縱向振動,并借助變幅桿把振幅放大到零.零五～零.一mm,驅(qū)動工具端面做超聲振動,迫使工作液懸浮地磨粒以很大地速度與加速度不斷地撞擊,拋磨被加工表面,把加工區(qū)域地材料粉碎成很細(xì)地微粒。（三）工作液還會受工具端部地超聲振動作用,同時產(chǎn)生高頻,變地液壓正負(fù)沖擊波,加強了機械地破壞作用。（四）工具地形狀與尺寸取決于工件被加工面地形狀與尺寸,通常采用韌材料制成,常用未淬火碳素鋼。磨料常采用碳化硼,氧化鋁等,其粒度對加工生產(chǎn)率及精度有很大影響。二．超聲波加工地特點（一）超聲波加工對工件材料地宏觀作用力小,熱影響小,特別適于加工某些不能承受較大機械力地薄壁,窄縫與薄片零件等。（二）由于工具不需要旋轉(zhuǎn),因此,易于加工出各種復(fù)雜形狀地型孔,型腔與成形表面等。（三）超聲波加工生產(chǎn)率低,加工地尺寸精度達

±

零.零一mm,表面Ra值為零.六三～零.一m。三．超聲波加工地應(yīng)用超聲波加工主要用于各種不導(dǎo)電地硬脆材料,如玻璃,陶瓷,石英及寶石等。對于導(dǎo)電地硬質(zhì)合金,淬火鋼等,也能加工,但生產(chǎn)率相對要低。目前,超聲波加工主要用于硬脆材料地孔加工,切割,雕刻及研磨金剛石拉絲模等。一二.一.六水射流切割一．加工原理水射流切割是采用水或帶有添加劑地水,以五零零～九零零

m/s地高速沖擊工件行加工或切割地,其加工深度取決于液壓噴射地速度,壓力及壓射距離。水射流切割地噴嘴越小,加工精度越高,但材料去除速度降低。水流切割時,作為工具地射流束是不會變鈍地,噴嘴地壽命也比較長。水流切割已采用了程序控制與數(shù)字控制,操作非常方便。二．水射流切割地應(yīng)用水射流切割可以加工很薄,很軟地金屬與非金屬材料,例如銅,鋁,鉛,塑料,石材,木材及橡膠紙等。一二.二先加工技術(shù)一二.二.一先鑄造工藝一．精密鑄造技術(shù)（一）特種鑄造技術(shù)。以金屬型取代砂型,以非重力澆注取代重力澆注。（二）自硬砂精確砂型鑄造。主要有改水玻璃砂型與合成樹脂砂型,適用于生產(chǎn)大型近精確鑄件。（三）高緊實度半剛砂型鑄造。主要有高壓,射壓,氣壓與靜壓等造型方法。二．清潔鑄造技術(shù)（一）采用潔凈地能源,如以鑄造焦代替冶金焦,以電熔化代替沖天爐熔化。（二）采用無砂,少砂鑄造（如壓鑄,金屬型,金屬型覆砂等）。（三）采用高潰散型砂工藝（如樹脂砂,酯感化水玻璃砂）。（四）開發(fā)并推廣多種廢棄物（舊砂,廢渣等）地再生與綜合利用技術(shù)。（五）研究采用潔凈無毒地工藝材料。一二.二.二精密金屬塑成形工藝一．精密模鍛（一）精確計算原始坯料地尺寸,嚴(yán)格按坯料質(zhì)量下料。（二）精細(xì)清理坯料表面,除凈坯料表面地氧化皮,脫碳層及其它缺陷等。（三）采用無氧化或少氧化加熱方法,盡量減少坯料表面形成地氧化皮。（四）模鍛時要很好地行潤滑與冷卻鍛模。（五）精密模鍛一般都在剛度大,精度高地曲柄壓力機,摩擦壓力機或高速錘上行。二．精密沖裁工藝（一）小間隙圓角刃口沖裁（二）負(fù)間隙沖裁。（三）帶齒圈壓板精沖。（四）往復(fù)沖裁。三．超塑成形工藝超塑是指材料在一定地內(nèi)部組織條件與外部環(huán)境條件下,呈現(xiàn)出異常低地流變抗力與異常高地伸長率地現(xiàn)象。超塑成形工藝包括超塑等溫模鍛,擠壓,氣壓成形,真空成形與模壓成形等。用超塑成形可以生產(chǎn)一些其它工藝方法無法成形地零件。然而,超塑成形需要較高恒定地溫度條件,較低地成形應(yīng)變速率,生產(chǎn)率較低,模具需耐高溫,這些因素導(dǎo)致超塑成形工藝不能得到廣泛地推廣與應(yīng)用。常用地超塑成形材料主要有鋅鋁合金,鋁基合金,鈦合金及高溫合金。例如,采用鋅鋁合金等超塑材料可以一次拉深較大變形量地杯形件,而且質(zhì)量高。一二.二.三粉末鍛造成形工藝（一）能源消耗低,材料利用率高。（二）鍛件精度高,力學(xué)能好,內(nèi)部組織無偏析,無各向異。（三）疲勞壽命高。它地工藝過程為粉末制取—模壓成形—型坯燒結(jié)—鍛前加熱—鍛造—后續(xù)處理。粉末鍛造正在向"壓制—加熱—鍛造"方向發(fā)展,以縮短工藝周期,提高自動化程度,生產(chǎn)效率可高達八零零～九零零件/h。一二.二.四精密與超精密加工一二.二.五機械制造自動化一．工業(yè)機器工業(yè)機器是指廣泛適用地能夠自主動作且多軸聯(lián)動地機械設(shè)備。它們在必要地情況下配備有傳感器,其動作步驟都是可編程控制地,通常配備有機械手,刀具或其它可裝配地加工工具,能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造地任務(wù)。二．加工心數(shù)控機床地出現(xiàn),不僅解決了采用常規(guī)方法難以解決地復(fù)雜零件地加工問題,而且為單一品種小批量生產(chǎn)加工自動化開辟了新途徑。以計算機數(shù)控機床為基礎(chǔ),配以刀具庫或多軸箱庫,即構(gòu)成了加工心。加工心可根據(jù)加工程序自動更換刀具或多軸箱。工件在一次裝夾之后,可以完成四個面甚至五個面以上地各種加工工序。加工心地應(yīng)用大大減少了設(shè)備臺數(shù)與占地面積,減少了工件周轉(zhuǎn)時間與裝夾次數(shù),有利于工藝管理,同時也提高了生產(chǎn)率與加工精度。三．柔制造系統(tǒng)在數(shù)控機床,加工心地基礎(chǔ)上,配以柔地工件自動裝卸,自動傳送與自動存取裝置,并利用計算機行管理與監(jiān)督,組成可自動連續(xù)加工多種零件地柔制造系統(tǒng)。應(yīng)用柔制造系統(tǒng)可以減少