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先进制造技术第六章特种加工 2020 3 24 1 特种加工 特 在何处 就 特 在它不是采用常规的刀具或磨具对工件进行切削加工 而是直接利用电能 电化学能 声能或光能等能量 或选择几种能量的复合形式对材料进行加工 特种加工的特点 1 工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度 2 可直接利用电能 电化学能 声能或光能等能量对材料进行加工 3 加工过程中的机械力不明显 4 各种加工方法可以有选择地复合成新的工艺方法 使生产效率成倍地增长 加工精度也相应提高 5 几乎每产生一种新的能源 就有可能导致一种新的特种加工方法产生 特种加工概述 先进制造技术 2020 3 24 2 应用 1 解决各种难切削材料的加工问题 如耐热钢 不锈钢 钛合金 淬火钢 硬质合金 陶瓷 宝石 金刚石以及锗和硅等各种高强度 高硬度 高韧性 高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工 2 解决各种复杂零件表面的加工问题 如各种热锻模 冲裁模和冷拔模的模腔和型孔 整体涡轮 喷气涡轮机叶片 炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小异形孔的加工问题 3 解决各种精密的 有特殊要求的零件加工问题 如航空航天 国防工业中表面质量和精度要求都很高的陀螺仪 伺服阀以及低刚度的细长轴 薄壁筒和弹性元件等的加工 特种加工概述 先进制造技术 2020 3 24 3 一 电火花成形加工的基本原理及特点1 基本原理液体介质中进行 自动进给调节装置使工件与工具电极之间保持适当的放电间隙 当在电极和工件之间施加很强的脉冲电压 使间隙中液体介质被击穿的电压 时 就会击穿介质绝缘强度最低处 间隙最小处 形成瞬间火花放电 电流密度很大 放电区能量高度集中 瞬时温度达10000 12000 工件和电极表面金属放电点就被熔化 甚至汽化而被蒸发 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 4 这些熔化或汽化的金属在电 热 流体 化学等各种力的作用下被抛入工作液中冷却为金属小颗粒 然后被工作液迅速冲离工作区 使电极和工件表面形成一个个微小的凹坑 同时放电过程中 电压又随之迅速降为零 介质绝缘性能恢复 等待下一次放电 如此反复 电极不断下降 工件不断被蚀除 最后就在工件上复制出了电极形状型腔内形 达到成形加工的目的 同时总能量的小部分释放到工具电极上 从而造成工具损耗 所以 电火花加工就是不断放电腐蚀金属的过程 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 5 1 工件 2 脉冲电源 3 自动进给调节装置 4 工具电极 5 工作液 6 过滤器 7 泵 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 6 2 加工过程 1 介质击穿和放电通道形成当脉冲电压施加在工具电极和工件之间时 两极间立即形成一个电场 电场强度与电压成正比 与间隙成反比 随着极间电压的升高或极间间隙的减小 极间电场强度也将随之增大 某一间隙最小处电场强度将超过极间介质的介电强度 击穿两极间的介质 并迅速发展成放电通道 放电通道是由数量大体相等的分别来自于两极的带正电 正离子 和带负电 电子 的粒子以及中性粒子 原子或分子 组成的等离子体 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 7 2 能量转换 分布和传递放电通道内正 负带电粒子做相反方向的运动并相互碰撞 产生了大量的热 使通道中的电流密度高达105 106A cm2 中心处的温度则高达10000 C以上 在击穿放电过程中 还伴随着通道等离子体振荡 气泡振荡以及光辐射 射频辐射 声频辐射 声辐射等一系列复杂的物理现象 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 8 3 两极被蚀阶段脉冲电源使通道内的电子高速奔向正极 对正极表面进行高速轰击 通道内的正离子则奔向负极 对负极表面进行高速轰击 通过高速轰击 通道内的大部分动能转换为热能 于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源 达到很高的温度 使两极放电点的金属局部熔化或汽化 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 9 4 电极材料的抛出由于放电点金属熔化或汽化的过程极为短促 具有爆炸的特性 爆炸力就把熔化和汽化的被蚀材料抛离电极表面 并在电极表面留下一个小凹坑 5 消电离一个脉冲放电结束后 极间电场急速减小到零 此后有一段脉冲间隔时间 放电通道中的带电粒子复合为中性粒子 恢复本次放电通道处间隙内介质的绝缘强度以及降低两极的表面温度等 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 10 3 基本条件 1 必须采用自动进给调节装置以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙 间隙过大 极间电压难以击穿极间的液体介质 不能产生火花放电 间隙过小 容易产生短路 也不能产生火花放电 电参数对放电间隙的影响很大 精加工时单边间隙仅有0 01mm 而粗加工则可达0 5mm 甚至更大 2 必须采用脉冲电源以形成瞬时的脉冲式放电 每次脉冲放电延续一段时间后 需停歇一段时间 这样才能使能量集中于微小区域 而不致扩散到邻近的材料中去 以保证零件的尺寸和表面质量 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 11 3 火花放电必须在具有一定绝缘强度的液体介质中进行常用的绝缘液体介质有煤油 皂化液和去离子水等 液体介质又称工作液 它除了有利于产生脉冲式的火花放电外 有利于排除放电过程中产生的电蚀产物 冷却电极以及工件表面 4 足够的放电能量 5 工作液必须经常清洁 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 12 4 加工特点 1 可以加工任何高强度 高硬度 高韧性 高脆性以及高纯度的导电材料 如不锈钢 钛合金 工业纯铁 淬火钢 硬质合金 导电陶瓷 立方氮化硼和人造聚晶金刚石等 2 加工时无明显的机械力 故适用于低刚度工件和微细结构的加工 由于可以简单地将工具电极的形状复制在工件上 再加上数控技术的运用 因此特别适用于复杂的型孔和型腔加工 甚至可以使用简单的工具电极加工出复杂形状的零件 3 脉冲参数可根据需要调节 所以同一台机床上可粗 半精 精加工不 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 13 4 在一般情况下生产效率低于切削加工 为了提高生产率 常采用切削加工进行粗加工 再进行电火花加工 目前电火花高速小孔加工的生产率已明显高于钻头钻孔 5 放电过程有部分能量消耗在工具电极上 从而导致电极损耗 影响成形精度 广泛用于机械制造 航空航天 仪器仪表和电子设备等行业 一 电火花成形加工的基本原理及特点 先进制造技术 2020 3 24 14 二 电火花成形加工的基本规律与切削加工相比 其工艺过程和所涉及的工艺参数要复杂得多 从最终结果看 主要体现在加工速度 工具损耗 表面质量和加工精度四个方面 单位时间内工件的蚀除量称为加工速度 即生产率 单位时间内工具的蚀除量称为损耗速度 而被加工工件的电蚀表面则存在表面质量和加工精度问题 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 15 1 影响加工速度的主要因素 1 电规准电规准 电火花加工时选用的电加工参数 主要有脉冲宽度Ton 脉冲间隙Toff 峰值电压Vp 及峰值电流Ip等参数 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 16 2 极性效应极性效应 两极蚀除速度不同的现象 正极性加工 工件接脉冲电源正极 工具电极利用负电子的能量轰击工件 由于电子的质量惯性较小 容易获得加速度和速度 在ton50 s粗加工中 阴极的电火花蚀除速度大于阳极 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 17 降低工具电极相对损耗的一些办法 利用极性效应极性效应对加工速度有影响 对工具电极损耗的影响也很大 当采用负极性加工时 电极损耗随脉冲宽度增加而减小 当脉冲宽度超过400 s时 损耗将小于1 若采用正极性加工 电极损耗则一般大于12 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 18 利用覆盖效应在使用煤油等碳氢化合物作工作液时 放电产生的高温会使工作液受热分解出碳化物并附着在电极表面 形成能继续放电的保护层 这种现象称为覆盖效应或吸附效应 工具电极上的这层碳化物黑膜在放电加工过程中像切削加工中的积屑瘤那样 总是处于 形成一蚀除 的动态平衡中 它对工具电极起着保护和补偿作用 从而有助于实现 低损耗 加工 由于黑膜只能在正极表面形成 因此要利用覆盖效应 必须采用负极性加工 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 19 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 20 选用合适的工具电极材料工具电极材料的选择对损耗影响甚大 常用的材料有铜 石墨 钨 铜钨合金和银钨合金等 铜的熔点虽然较低 但导热性好 故损耗小 此外 铜的切削加工性好 易于制成各种精密和复杂的电极 常用作制造中 小型腔用的工具电极 石墨不仅易于加工和热学性能好 而且在长脉冲加工时能吸附游离态的碳来补偿电极的损耗 广泛用于制作各种加工型腔用的电极 钨 钼 铜钨合金 银钨合金等材料熔点高 导热性好 电极损耗小 但价格昂贵 又难于加工 一般在精密电火花加工中采用 钼在高速电火花线切割中广泛用于制作线电极 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 21 3 金属材料的热学性能金属的热学常数 导热系数 4 工作液压缩放电通道 使放电能量高度集中在极小的区域内 加速电极间隙的冷却 加剧放电的流体动力过程 有助于金属的抛出 有助于加强电极表面的覆盖效应和改变工件表面层的物理化学性能 5 排屑条件 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 22 2 影响加工精度的主要因素 1 斜度工具电极损耗不均匀放电间隙分布不均匀二次放电 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 23 2 圆角电极尖角电蚀严重等距放电 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 24 3 影响加工表面质量的主要因素 1 影响表面粗糙度的因素电火花加工的表面由许多无方向性的小坑和硬凸边所组成 在相同情况下 表面的润滑性能和耐磨损性能优于带方向性的切削和磨削加工的表面 对表面粗糙度Ra值影响最大的是单个脉冲能量 单个脉冲能量愈大 从而使加工表面更粗糙 工件材料对表面粗糙度也有影响 熔点高的材料 如硬质合金 在相同能量下加工出的表面粗糙度Ra值要小于熔点低的材料 如钢 由于放电加工时的仿形作用 工具电极的表面粗糙度也直接影响被加工表面的表面粗糙度 则需极表面要光滑平整 此外 还受加工方法的影响 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 25 2 表面变质层 熔化凝固层位于工件表层的最上层 它是放电时瞬时高温熔化后被液体介质快速冷却凝固的薄层 热影响层位于熔化层和基体间 虽然受到瞬时放电高温的影响 但并没有熔化 高温使其金相组织发生变化 但与基本材料间不存在明显界限 热影响层主要为淬火区 其厚度一般为最大微观不平度的2 3倍 显微裂纹电火花加工表面由于受到瞬时高温和骤冷作用 容易出现显微裂纹 脉冲能量愈大 显微裂纹愈深 脉冲能量小到一定程度 则一般不再出现裂纹 由于硬脆材料的原始内应力较大 放电加工时也易产生裂纹 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 26 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 27 3 表面力学性能电火花加工表面层主要影响材料的显微硬度与耐磨性 残余应力和耐疲劳性能 对显微硬度与耐磨性的影响表面层的硬度较高 对于滑动摩擦 表面的耐磨性好 对于交变载荷的滚动摩擦 尤其是干摩擦 则容易造成剥落磨损 对残余应力的影响由于是瞬时高温与快速冷却交替频繁地进行 容易在材料表层产生拉应力为主的残余应力 为了减少残余应力 对表面质量要求高的工件 需选用较小的脉冲能量和适当的热处理 对耐疲劳性能的影响电火花加工表面层的耐疲劳性能大大低于机械加工表面 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 28 4 影响工具电极损耗的因素 1 正确选择加工极性 2 利用吸附效应建立碳黑保护层工具电极表面主要是石墨化的碳素层 其次是金属微粒粘接层 碳素层具有很高的耐电腐蚀性能 但保护层的厚度和均匀性难以控制 容易导致工具电极型面的畸变 影响加工精度 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 29 3 选用合适的材料做电极选用加工稳定性好 损耗又小的材料作为工具电极 但同时需兼顾其可加工性能 4 利用电喷镀现象 5 利用电化学作用 6 改善排屑条件 二 电火花成形加工的基本规律 先进制造技术 2020 3 24 30 三 电火花线切割加工基本原理和特点电火花线切割加工与电火花成形加工都是直接利用电能对金属材料进行加工 同属蚀除加工 加工原理相似 但加工方式不同 电火花成形加工采用的是成形电极 而线切割采用细金属丝为电极 线切割可以加工带有一定锥度的型孔或型芯等 线切割加工时 一方面线电极对工件不断地上下移动 另一方面装夹工件的十字工作台 由数控伺服电动机驱动 在x y方向实现进给 使线电极沿加工图形的轨迹 对工件进行切割加工 三 电火花线切割加工基本原理和特点 先进制造技术 2020 3 24 31 1 基本原理利用工具电极与工件之间的脉冲性火花放电的电腐蚀现象 先进制造技术 三 电火花线切割加工基本原理和特点 2020 3 24 32 2 加工特点 1 不需要制造成形电极 2 不需考虑电极损耗 3 能加工精密细小 形状复杂的通孔零件或零件外形 4 不能加工盲孔 5 一般采用一个电规准一次加工完成 6 只需在工件上预加工出穿丝孔 7 可以一次切出凸模和凹模 先进制造技术 三 电火花线切割加工基本原理和特点 2020 3 24 33 3 电火花线切割的分类 1 按切割的轨迹分类a 直壁切割b 锥度切割c 上下异形面切割 2 按走丝速度的大小分类a 快速走丝线切割 300 700m min b 慢速走丝线切割 3 15m min 先进制造技术 三 电火花线切割加工基本原理和特点 2020 3 24 34 四 电火花线切割加工工艺1 坯料准备 1 淬透性好的高合金钢 2 凸模必须是直通式 长度受机床限制 3 凹模必须是直壁式 可允许有小的斜度 4 预先加工基准面 5