机械制造技术第12次课-第五章

第五章 特种加工与快速成形 第 1节 特种加工 第 2节 快速成形 述 火花成型加工 控电火花线切割加工 解加工 声加工 光加工 子束和离子束加工 压水射流加工 述 固化立体成形 层实体制造成形 融沉积快速成形 区激光烧结快速成形 第 节第 节第一节 特种加工 一、概述 传统的切削加工是用机械力（切削力或磨削力） /机械能去除多余金属的加工方法。 特种加工 是指采用声、光、电、化、热能以及电子束、离子束等不同能源去除多余金属的加工方法。 特种加工产生的原因： 难加工材料的加工： 材料具有极高的硬度、强度、脆性或韧性； 复杂零件形状的加工： 如加工化学纤维抽丝孔，不仅孔径细微（微米级），而且是梅花形等异型断面形状 特殊要求零件的加工： 如细长轴、薄壁件、弹性件等低刚度零件的加工等 第一节 特种加工 概念： 在绝缘工作液中，工具和工 件之间 脉冲性 电火花放电时的电腐 蚀现象去除工件上多余的金属，从 而使工件的尺寸、形状和表面质量达到技术要求的加工方法。 原理： 工具与工件之间接通脉冲电源； 丝杠螺母机构保证工具和工件间的宏观放电间隙 表面粗糙 度使 工具和工件 之间形成微观放电 间隙 最小间隙处的脉冲放电所产生的瞬时电火花高温使工件表面金属熔化、气化，形成小凹坑。抛离的金属被工作液带走。 新的最小间隙处的工件表面在下一个脉冲放电时被加工。 二、电火花成型加工 1、加工原理 泵 脉 冲 电 源 第一节 特种加工 二、电火花成型加工 适用的材料范围广：硬、脆、韧、软、高熔点 导电材料。如人造聚晶金刚石、工业纯铁等。 加工时 “ 无切削力 ” ，适于薄壁、小孔、窄槽的加工 将工具电极的形状近似相反地 “ 复制 ” 到工件上，可以加工复杂的型腔。 脉冲参数便于调整，以实现粗、半精、精加工 2、加工特点 3、应用范围 型孔加工：冷冲模、拉丝模、喷丝孔、异形孔等 型腔型面加工：锻模、挤压模、叶轮、叶片等 雕刻打印加工：刻字、雕刻图案、打印记等 第一节 特种加工 三、数控电火花线切割加工 工件 接脉冲电源的正极， 电极丝 接脉冲电源的负极。脉冲电源使电极丝和工件之间产生火花放电，中心温度瞬时可高达 5000 放电附近的工件 熔化 甚至少量气化 ，同时也使电极丝和工件之间的 工作液部分气化 。工作液和金属蒸气瞬间迅速热膨胀爆炸，抛出熔化和气化了的金属材料而实现切割加工。 1、基本原理 第一节 特种加工 三、数控电火花线切割加工 不需要制造成型电极，用采购的电极丝即可加工。 电极丝比较细（如 可加工异形孔、 缝窄 和复杂的直纹表面 。 尺寸精度可达 糙度可达 m。 切割缝狭窄，也可以进行 “ 套裁 ” ，节省材料 。 2、主要特点 3、应用范围 加工 硬质合金和淬火钢的冲模、样板等 加工微细槽、任意曲线窄缝切割 加工各种直纹曲面的零件（需配数控回转工作台） 第一节 特种加工 概念： 利用金属工件在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理，对工件进行加工的一种方法。 电化学反应： 两个铜板浸在导电溶液 (如 水溶液中。此时水溶液因电离而形成离子。 当两铜板间施加电压时，阳极表面的 进入溶液。溶液中的 移向阴极，并在阴极得到电子而还原沉积出铜 电解加工原理： 工件接阳极，工具接阴极，两极间加424间保持 隙处通过660m/具不断向工件进给，工件被加工成与工具型面近似相反的形状。 四、电解加工 1、加工原理 u + - + 一节 特种加工 加工范围广。如淬火钢、硬质合金、耐热钢等 加工效率高。高于电火花成型加工。 适合于低刚度工件的加工。无 “ 切削力 ” 、 “ 切削热” 。 表面质量好。工件表面无残余应力， m 影响因素多，稳定性较差，电解液有腐蚀及污染作用 2、加工特点 3、适用范围 四、电解加工 生产率高，适于批量生产的难切削材料的加工。 复杂模具的型腔、型面的加工。 薄壁零件的加工。 去毛刺、刻印，表面光整等。 第一节 特种加工 概念： 利用工具端面的超声频振动通过磨料撞击和抛压工件，从而使工件成形的一种加工方法。 原理： 磨粒撞击和抛磨 对工件进行加工。 超声空化 强化加工过程。 五、超声加工 1、加工原理 适于加工各种脆硬材料，但不适于韧性材料 精度达 ( m 切削力小 ,热影响小 ,适于薄壁、窄槽的加工 软质工具易于制作，设备结构简单 2、加工特点 型孔、型腔的加工。圆孔、套料、微细孔等 切割加工。锗、硅等半导体脆硬材料的切割 超声清洗。 超声焊接。 3、应用范围 第一节 特种加工 六、激光加工 概念： 利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应去除工件上多余材料的一种加工方法。 1、加工原理 原理： 激光是一种高亮度、方向性好、单色性好的相干光。通过透镜聚焦成直径极小的光斑，使材料受 高温熔融 和 气化蒸气爆炸冲击波 的双重作用而加工成型。 第一节 特种加工 六、激光加工技术 能量密度高，可加工各种金属和非金属材料 加工时无明显机械力，没有工具损耗，热影响区小等 激光可透过玻璃等透明材料对工件进行加工 光斑可以聚焦成微米级，可以进行微细加工 平均加工精度可达 激光打孔： 激光打孔的效率很高。功率密度 107108W/ 激光切割： 可切割各种材料。功率密度约为 105 107W/ 激光焊接： 可焊接各种材料。功率密度约为 105 107W/ 激光表面处理： 激光可以对铁碳合金等材料进行表面淬火。激光淬火变形小，功率密度约为 103 105W/ 2、加工特点 3、适用范围 第一节 特种加工 七、电子束和离子束加工 1、电子束加工的原理 原理： 在真空条件下，利用能量密度极高 （ 106109 w/的电子束，以极高的速度 （ 160000km/s） 冲击到工件表面上，在极短（微秒）的时间内，其能量的大部分转变为热能，被冲击工件表面达到数千度高温，从而引起材料的局部熔化和气化，达到加工的目的 。 概念： 在真空中，利用能量密度很高的高速电子流使工件材料熔化、蒸发和气化，去除工件上多余材料的一种加工方法 第一节 特种加工 七、电子束和离子束加工 2、电子束加工的特点 焦点直径只有 （激光光斑直径为 10m 左右） 非接触式加工，无机械力作用，不易产生宏观变形 电子束的能量密度高，加工生产率很高 真空中表面不氧化，适用于易氧化材料的加工 需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵 3、电子束加工的应用 1）电子束打孔： 人造革打孔提高透气性、喷丝头打孔等 2）刻蚀： 在硅片上刻出宽 深 细槽等 3）焊接： 难熔、易氧化金属的焊接 4）热处理： 比激光热处理功率大，防止材料的氧化 第一节 特种加工 七、电子束和离子束加工 离子束经过聚焦加速后，靠离子打击工件（或靶材）的动能，或将工件的原子撞击出来（ 撞击效应 ）、或将靶材的原子撞出后飞溅沉积在工件表面上（ 溅射效应 ）、或直接将离子束中的离子打入工件表层之内（ 注入效应 ）进行加工。 4、离子束加工 离子束撞击和飞溅加工时，一般采用能量为（ 5）千电子伏的氩离子轰击工件表面；注入加工时一般根据需要采用（ 5 500）千电子伏能量的碳、氮、硼、磷等离子束。 工件 离子束 撞击加工 靶材 离子束 工件 溅射沉积 工件 离子束 注入加工 离子 比电子的质量大数千、数 万倍，离子束比电子束具有更 大的机械能。 第一节 特种加工 八、高压水射流加工技术 概念： 水射流加工是利用高压水射流对工件的冲击作用来去除工件多余材料的一种加工方法。 1、加工原理 原理： 水介质以 （ 500900） m/率密度达 108 w/压射在工件加工部位，冲刷下来的“ 切屑 ” 随水流排走。 123 456 789 10 1112第一节 特种加工 八、高压水射流加工技术 2、加工速度与精度 3、实际应用 加工速度： 与功率成正比，与材料厚度成反比。与材料性质有关。 材料 厚度 /嘴直径 /力 /割速度 /m音板 19 10 璃钢板 12 氧树脂石墨 12 革 03 学玻璃 10 12 碳酸酯 5 12 乙烯 3 86 乙烯 3 48 加工精度： 受喷嘴轨迹的影响，切缝比喷嘴直径大 外，喷嘴角度、喷射距离、材料性质、水中是否加入磨料等因素都会影响加工精度 水射流切割： 陶瓷、高速钢等难加工材料的切割。 水射流清洗： 清除水垢、尘垢、锈层、涂层、混凝土等 水射流破碎与掘进： 煤岩破碎与巷道掘进 水射流钻井： 喷射钻井技术与加长喷嘴组合以提高效率 第二节 快速成形 一、概述 快速成型技术是 20世纪 80年代依托计算机三维立体图形技术而产生的新的加工制造技术，零件加工不是去除多余材料，而是材料的逐层粘接、积分。 快速成形技术是机械加工技术领域的一次重大突破。 大大缩短产品设计周期。一般只需要几到几十个小时。 可较容易地制造出形状结构复杂的零件、模具型腔件等。 可以容易地实现远程制造。 加工时产生的废弃物料较少，有利于环保。 在计算机上得到零件的立体图形并转换成 用分层软件将立体图形化解成许多个水平层片。 层面信息处理。 根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划。 层面加工与粘接。 成形机根据工艺规划数控代码制造并粘接各层。 层层堆积。 一层制造完毕后，制造下一层。最终形成工件 1、基本过程 2、快速成形的特点 3、快速成形的分类 光固化立体成形 / 分层实体制造成形 熔融沉积快速成形 / 选区激光烧结快速成形 第二节 快速成形 二、光固化立体成形 1、工艺原理 1）设计零件三维立体图形 2）数据转化及分层切片 3）逐层扫描成形 4）后固化处理 光敏树脂对分层截面的轮廓逐点扫描第二节 快速成形 二、光固化立体成形 2、工艺特点及应用 工艺特点： 可成形任意复杂形状的模型。且精度较高、仿真性强、材料利用率高、性能可靠、性价比高。 模型成形过程中一般需要支撑，光敏树脂昂贵 应用： 适固化比较复杂的中小模型，如制作产品外形评估、功能实验的模型。 第二节 快速成形 三、分层实体制造成形 零件三维图形切片，得到一系列横截面上的轮廓线 步进电机带动纸卷转动，将纸在工作台上方移动预定的距离 工作台升至切割位置，热压辊水平辊压，使本层粘到前一层 按每一层材料的轮廓线切割零件外形，同时切出长方形边框 工作台带动边框内的材料下降一定高度，重复上述步骤 1、工艺原理 原理： 通过热压辊加热，使单面涂有热溶胶的薄膜材料与前一层粘合在一起，再用激光束沿当前层的内、外轮廓进行切割。如此下去，通过一层层的热压粘合与切割，并在最后去除不需要的材料，以得到需要的零件。 第二节 快速成形 2、工艺特点及应用 三、分层实体制造成形 工艺特点： 无需设计和构建支撑，激光束只需切割零件截面的轮廓。效率高，适于大型实体零件的成形。 每一层为一整体，层内强度好且无应力，变形小，精度高。 材料种类有限，利用率低，成形件表面质量差，中空零件的内部废料不易去除。 应用： 效率高、速度快、成本低，常用于产品的概念建模和铸造模型的生产。 第二节 快速成形 四、熔融沉积快速成形 原理： 采用橡胶、聚酯等 热塑性线材 为成型材料，先将线材加热熔融，使其通过一个口型极小的喷头。按照分层切片提供的信息，将熔融的材料逐层堆积，最后制成零件。 1、工艺原理 2、工艺特点及应用 工艺特点： 无需使用激光，操作简单，对环境无污染。 成形过程需要支撑，支撑材料可用另一种材料沉积。 复杂零件不易制造，精度偏低，表面质量差，效率低。 应用： 制造蜡型、手机外壳等用于产品感观评价和性能测试样件。 第二节 快速成形 五、选区激光烧结成形 原理： 利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。 1、工艺原理 2、工艺特点及应用 工艺特点： 材料适应面广，不但能制造塑料、