特种加工5.doc

一、特种加工 定义：用软的工具加工硬的材料，不仅用机械能而且偶尔还采用电、化学、光、声等能量来进行加工。 它与切削加工的不同本质特点：(1) 不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料。(2) 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。(3) 各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM) 就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。（4）工件硬度可以低于被加工材料的硬度，如激光、电子束等加工时甚至没有形成的工具。对机械部门提出的新的要求是： 1、解决各种难切削材料的加工问题 2、解决各种特殊复杂表面的加工问题 3、解决各种超精、光整或具体特殊要求的零件的加工问题特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响：1、提高了材料的可加工性2、改变了零件的典型工艺路线3、特种加工改变了试制新产品的模式4、特种加工对零件的结构设计带来很大的影响5、对传统的结构工艺性的好与坏，需要重新衡量6、特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段二、电火花加工 必须创造的条件： 1、必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙 2、火花放电必须使瞬时的脉冲放电性放电 3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 电火花加工的原理：基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。 可以分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。 影响材料放电腐蚀的主要因素1. 极性效应：在电火花加工过程中，无论正极还是负极（即：工具和工件），都会受到不同程度的电蚀，且电蚀量不相等。仅因正负极性不同而彼此电蚀量不等的现象叫做极性效应。正极性加工：工件接正极，工具接负极短脉冲加工时，采用正极性加工负极性加工：与正极性加工反之，亦称反极性加工长脉冲加工时，采用负极性加工2. 电参数对电蚀量的影响电参数：指电压脉宽，电流脉宽，脉冲间隔，脉冲频率，峰值电压，峰值电流和极性等。在电火花加工过程中，无论正极、负极，都存在着单脉冲的蚀除量与单脉冲能量在一定范围内成正比的关系。正电极蚀除量：qa=KaWMft负电极蚀除量：qc=KcWMft正电极蚀除速度：va= qa / t =KaWMf负电极蚀除速度： vc= qc / t =KcWMf单脉冲释放能量：WM =te0u(t)i(t)dt提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量WM，或者说增加平均放电电流ie（对矩形脉冲即为峰值电流）和脉冲宽度，减小脉间，设法提高系数Ka、Kc。3. 金属材料热学常数对电蚀量的影响热学常数：指熔点，沸点（气化点）, 热导率及比热容，熔化热，气化热等。当脉冲放电能量相同时 金属的熔点，沸点，比热容，熔化热，气化热越高,该材料的电蚀量越小，越难加工；金属的热导率越大，散失热量越多，会减小电蚀量;且，当脉冲放电能量相同时 脉冲电流幅值越小，则脉冲宽度越长，从而散热量也越多，电蚀量会减小；加工速度:电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，亦即生产率。体积加工速度vw 单位时间内被加工掉的工件体积 vw=V/t (mm3/min)质量加工速度vw 单位时间内被加工掉的工件质量 vm=G/t (g/min)减少工具损耗应注意三个效应极性效应 正确选择极性和脉宽 短脉冲精加工采用正极性加工 长脉冲粗加工采用负极性加工吸附效应 保护电极 碳的熔点和气化点很高，可对电极起保护和补偿作用（必须是负极性加工）。传热效应 减少散热量 材料的导热性越好，散热越快，电极表面的温度会降低，损耗自然会减少。工具电极材料的导热性应比工件材料的导热性好。并采用大脉宽小电流。 电火花加工用脉冲电源 电火花加工中的火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，而电火花加工用脉冲电源的作用就是：把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流 对脉冲电源的要求1、所产生的脉冲应该是单向的，以充分利用极性效应，提高生产率，减少工具电极的损耗；2、脉冲电压的波形前后沿应较陡，以减少其他因素对脉冲放电宽度等参数的影响；3、脉冲的主要参数应宽范围可调，以满足不同的加工要求；4、工作稳定可靠，成本低，节省电能，寿命长，操作维修方便；电火花加工的自动进给调节系统1. 作用电火花加工属于“不接触加工”，正常加工时，工具电极与工件之间有一个放电间隙S。在加工过程中，工件以vw 的速度不断被蚀除，而工具电极必须以速度vd 补偿进给（vd vw ，为动态），才能维持放电间隙。2、 对自动进给调节系统的技术要求有较宽的速度调节跟踪范围有足够的灵敏度和快速性有必要的稳定性3、 自动进给调节系统的种类电液压式（喷嘴挡板式）步进电机直流伺服电机交流伺服电机宽调速力矩电机电规准的选择及转换电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准。冲模加工中，常选择粗、中、精三种规准。（1）粗规准 主要用于粗加工。对粗规准的要求是： 生产率高；工具电极的损耗小。 转换到中规准之前的表面粗糙度应小于Ra10m，否则将增加中精加工中的加工余量与加工时间。 加工过程要稳定。 所以，粗规准主要采用较大的电流，较长的脉宽（ 50500s ），采用铜电极时电极相对损耗应低于1。（2）中规准 粗、精加工间过渡加工采用的电规准，用以减小精加工余量，促使加工稳定和提高加工速度。 中规准采用的脉宽一般为10100s。（3）精规准 用于精加工。 用来保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度、刃口斜度等质量指标。 应采用小电流，高频率、短脉宽（一般为26s）。三、电火花线切割加工电火花线切割加工的特点1电火花线切割加工与电火花成形加工的共性表现（相同之处） 电压、电流的波形基本相似（矩形脉冲）；加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律，材料的可加工性等也基本相似；可以加工硬质合金等一切导电材料。2电火花线切割加工与电火花成形加工的不同特点（不同之处） 工具电极为细丝，直径小，截面积小，故脉冲宽度、平均电流均不能太大，工艺参数相当于中、精规准加工，常采用正极性加工； 采用水或水基工作液（一般不用煤油），不会引燃起火，较安全； 一般没有稳定的电弧放电状态； 电极与工件之间常为“疏松接触”式轻压放电； 工具电极为细丝，不用制成各种形状； 可加工细微异形孔、窄缝和复杂形状的工件，且金属去除量少，材料利用率高； 电极丝始终移动，损耗少，加工精度较好；线切割加工的应用范围 1加工模具 适用于各种形状的冲模。加工精度通常都能达到：0.010.02mm（快走丝）和 0.0020.005mm（慢走丝）还可加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等，也可加工锥度的模具 2切割电火花线成形加工用的电极 穿孔加工用和带锥度型腔加工用的电极；铜钨 、银钨合金电极；微细复杂形状电极；（上述电极用线切割加工尤为经济） 3 加工零件 试切新产品零件，修改设计和变更加工程序方便，无需制模，周期短成本低；可将多片薄件叠成整体加工；多品种少批量零件、难加工材料零件、材料试验样件、各种型孔、型面、特殊齿轮、凸轮、样板、成型刀具；“天圆地方”等上下异型面的零件；能进行微细加工。3B编程：P66四、电化学加工 电极电位：未通电时，产生在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极电位。 电极的极化：当有电流通过时，电极的平衡状态遭到破坏，阳极的电极电位向正移（代数值增大），阴极的电极电位向负移（代数值减小），这种现象称为极化。极化后的电极电位称为超电位。电解液电解质溶液：凡溶于水后能导电的物资，称为电解质，电解质与水形成的溶液则为电解质溶液。电解液的作用 作为导电介质传递电流； 在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制的进行； 把产生的电解产物与热量带走；对电解液的基本要求 电解质在溶液中有较高的溶解度和离解度，具有很高的导电率； 电解液所含的阴离子应具有较正的标准电位，所含的阳离子应具有较负的标准电位； 阳极反应的最终产物应是不溶性化合物；电解加工的过程及其特点电解加工时，工件接直流电源的正极，工具接电源的负极。工具向工件缓慢进给，两极之间保持 0.11mm 的间隙。具有一定压力的NaCl电解液（0.52MPa）从间隙中流过。阳极金属（工件）被逐渐电解腐蚀，而电解液则将电解产物带走。 开始加工时，两极距离近的地方，通过的电流密度较大（距离远的地方，则电流密度较小）。电流密度大的部位阳极溶解的速度也较快。随着工具不断进给，工件表面距离工具近的部位越来越多，工件表面不断溶解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状为止。 电解液的流速及流向流速：电解液应具有足够的流速，以便将H2及金属氢氧化物等电解产物冲走，把加工区热量带走。（流速一般约为10m/s左右）流向：正向流动：电解液从阴极工具中心流入，从四周流出；反向流动：电解液从周边间隙流入，从阴极工具中心流出；横向流动：电解液从一侧流入，从另一侧流五、激光加工 工作原理：激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应对零件进行加工的。 激光加工的原理：由于激光的特点，通过光学系统可以使其聚焦成一个极小的光斑，而能量密度极高，温度也极高（可达10000左右）。在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时被熔化和汽化，在工件表面形成凹坑，同时，熔化物被汽化所产生的金属蒸气压力推动，高速喷出，（即：材料的蚀除）。 激光的产生： 具有亚稳态能级结构的原子，在粒子数反转的状态下，只要有一个光子（其能量恰好是这两个能级相对应的能量差）引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射（跃迁），实现了光的放大；就这样，出现雪崩式连锁反应，形成了传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。 六、电子束和离子束加工 电子束加工 电子束加工的原理：在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短时间内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。电子束加工的特点：1、 由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能够聚焦到0.1微米，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。2、 电子束的能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。被加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可以加工。3、 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。4、 可以通过磁场和电厂对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。5、 由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不会不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及其合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。6、 电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定的局限性。离子束加工 加工原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，二不是靠动能转化为热能来加工的。 离子束加工的基础是离子束射到想、材料的表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。 束加工分类：利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀，离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。 离子刻蚀是用能量为0.55kev的氩离子倾斜轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。其实质是一种原子尺寸的切削加工，所以又称离子铣削 离子注入是采用5500kev的离子束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层。工件表面含住注入离子后，就改变了工件表面层的物理、力学和化学性能。 离子束加工的应用：刻蚀加工、镀膜加工。7、 超声加工 声波是人耳能感受到得一种纵波，它的频率范围在1616000Hz范围内。当频率超过16000Hz超出一般人耳听觉范围，就称为超声波。 超声加工的原理：加工时，在工件和工具之间加入液体和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力 F 轻轻压在工件上； 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的 超声频电振荡；换能器再将超声频电振荡转变为超声频机械振动；然后，变幅杆将振幅扩大若干倍（一般约10100 倍），固定在变幅