精密加工和现代加工简介.ppt

第四章精密加工和现代加工简介 近年来随着科技的进步和生产的发展 出现的许多由坚硬而又难加工材料制成的 具有精密公差尺寸和低表面粗糙度的复杂零件的加工 许多新的加工方法应运而生 这些方法本章指精密加工和 现代加工方法 或 特种加工工艺 1精整和光整加工 精整加工是生产中常用的精密加工 它是指在精加工之后从工件上切除很薄的材料层 以提高工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法 如研磨 珩磨等 光整加工是指不切除或从工件上切除极薄材料层 以降低表面粗糙度为目的的加工方法 如超精加工 抛光等 一 研磨 1 加工原理研磨是用研磨工具和研磨剂 从工件上研去一层极薄表面层的精加工方法 采用不同的研磨工具 如研磨心棒 研磨套 研磨平板等 可对内圆 外圆和平面等进行研磨 图示为研磨外圆的工具 研磨套2由夹套1夹持 它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂 其上还有一条内外相通的直槽 使其有一定胀缩性 为了磨料能嵌入研磨套的内表面 研磨套的材应软些 常用的是铸铁 研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂 将该工具套在工件上 并调节好配合的松紧程度 然后让工件旋转 手持研磨工具在轴向来回移动 直至达到研磨的要求为止 研磨剂是很细的磨料 粒度为W14 W15 研磨液和辅助材料的混合剂 二 珩磨 常用的有液态研磨剂 研磨膏和固体研磨剂 研磨皂 三种 主要起研磨 吸附 冷却和润滑等作用 2 研磨的特点与应用 经研磨后的工件表面 尺寸精度可达IT4 IT1级 表面粗糙度值可减小到0 1 0 006 m 形状精度亦可相应提高 生产效率低 加工余量小 研磨剂易飞溅 污染环境 在现代制造业中研磨应用很广 许多精密量块 量规 齿轮 钢球 喷油嘴 石英晶体 陶瓷元件 光学镜头及棱镜等零件均需研磨 1 加工原理利用珩磨工具对工件表面施加一定压力 珩磨工具同时作往复振动 相对旋转和直线往复运动 三 超精加工GB 又名 超级光磨 切除工件上极小余量的工件精加工方法 2 特点与应用一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级 表面粗糙度Ra值可达0 2 0 025 m 珩磨加工的工件表面质量特性好 加工精度和加工效率高 加工应用范围广 经济性好 1 加工原理用细粒度的磨具对工件施加一定压力 并作往复振动和慢速纵向进给运动 以实现微量磨削的一种光整加工方法 磨具与工件之间的运动如下 工件作低速旋转运动 工 3 20m min 油石磨具作往复振动 每分钟振动3001200次 四 抛光 振幅为3 5mm 磨具作纵向进给运动 进给量f纵为0 1 0 15mm r 2 特点与应用超精加工能加工钢 铸铁 铜合金 铝合金 陶瓷 玻璃 硅和锗等各种金属与非金属 可以加工外圆 平面 内孔和各种曲面 尤其适用加工内燃机曲轴 凸轮轴 活塞 活塞销等的光整加工 超精加工可在普通车床 外圆磨床上进行 对于批量较大的生产则宜在专用机床上进行 工作时应充分地加润滑油 以便形成油膜和清洗极细地磨屑 超精加工后地工件表面粗糙度Ra值约在0 1 0 006 m之间 抛光是利用机械 化学或电化学地作用 使工件获的光亮 平整表面的加工方法 2现代加工 又名 特种加工 抛光的主要工具用品有软轮和磨膏等 软轮用皮革 毛毡 帆布等材料叠制而成 具有一定的弹性 以便抛光时能按工件形状而变形 增加抛光面积或加工曲面 磨膏由磨料和油脂 包括硬脂酸 煤油 石蜡等 配置而成 磨料的种类取决于工件材料 如 钢制零件抛光可选用氧化铁粉及刚玉 铸铁件抛光可选用氧化铁粉及碳化硅粉 有色合金抛光宜选用氧化铬及金刚砂 抛光是安排在工件精加工之后进行 抛光之后的工件 粗糙度Ra值可达0 1 0 012 m 并能明显增加光亮度 但不能甚至不能保持原有的精度 抛光可在抛光机或砂带磨床上进行 现代加工方法是不仅用机械能而且更多的应用电能 化学能 声能 光能 磁能等进行加工 这些加工方法 一 电火花加工 在某种意义上说 即不使用普通刀具来切削工件材料 而是直接利用能量进行加工 与传统的切屑加工相比较 具有以下特点 切除材料的能量不主要靠机械能 主要为其他形式的能量 以柔克刚 工具材料的硬度可低于工件材料的硬度 或者有传统意义的刀具 在加工过程中 工具与工件之间不存在显著的机械切削力 相应的切削物理现象不明显 加工能量易于控制 转换 可复合成新的工艺技术 适应加工范围广 1 基本原理电火花加工是基于脉冲放电蚀除原理产生的 故又称放电加工或电蚀加工 图示为电火花加工原理图 由脉冲电源 自动进给调节装置 工作液循环系统 工具电极等组成 加工时 脉冲电源的一极接工具电极 另一极接工件电极 两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质 常用煤油或矿物油 中 工具电极由自动进给调节装置控制 以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙 0 01 0 05 当脉冲电压 100v左右 加到两极之间 由于工具电极和工件之间的表面不是完全平滑的 而是存在着凹凸不平处 便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿 形成放电通道 由于通道的截面积很小 放电时间极短 致使能量高度集中 106 107w 2 放电区域产生的瞬间高温 5000oC 足以使材料熔化甚至汽化 以致形成一个小凹坑 第一次脉冲放电结束之后 间隔极短时间 第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电 如此周而复始高频率地循环下去 工具电极不断地向工件进给 它的形状最终就复制在工件上 形成所需要的加工表面 当然工具也有损耗 2 电火花加工的特点 可加工任何硬 脆 软 韧和高熔点的导电材料 如硬质合金 导电陶瓷 不锈钢 钛合金 工业纯铁 人造聚晶金刚石等 还可加工半导体和非导体材料 加工时 工具与工件不接触 切削力 极小 故适合于低刚度工件和微细结构的加工 特别适合加工复杂截面的形孔和形腔 由于脉冲放电持续时间极短 加工表面的影响极小 故可加工热敏感性很强的材料 加工的表面 由许多小的弧坑组成 有助于油膜形成 改善润滑 调整脉冲参数 可以在同一台机床上依次进行粗 精加工 易于实现自动控制 二 电解加工 3 电火花加工的应用电火花加工在国防 民用和科学研究中的应用极为广泛 并且应用形式也正朝着多样化方向发展 归纳起来大体有 成形穿孔加工 磨削加工 线电极加工 展成加工 非金属电火花加工和表面强化等 1 基本原理电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理 将零件加工成形的一种方法 电解加工的过程如图 加工时 工件接直流电源的正极 阳极 按形状要求制成的工具接负极 阴极 两极间保持0 1 1mm的间隙 具有一定压力 0 5 2 5Mpa 的电解液从两极间隙中高速 5 60m s 流过 接通直流电源后 工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小 此处的电流密度最大 单位时间内消耗 的电量最多 根据法拉第定律 金属阳极的溶解量与通过的电量成正比 因此工件上与工具阴极凸起部位的对应部位比其他地方溶解迅速 并随即被高速的电解液冲走 同时工具阴极以一定速度 0 5 3mm min 向工件进给 达到预定的加工深度时 就获得所需要的加工形状 2 电解加工的特点 加工范围广 不受材料本身硬度 强度的限制 高硬 高强度及韧性的导电材料 可加工各种复杂形面 加工中无机械切削力和切削热的作用 工件不会产生残余应力 变形及加工变质层 也没有飞边毛剌 加工精度可达0 1mm至0 01mm 表面粗糙度Ra值一般可达0 8 m 最小Ra值可达0 1 m 在加工中 工具只发生氢气和沉淀而无溶解作用 理论上无损耗 使用寿命长 3 电解加工的应用 生产率较高 为电火花加工的5 10倍 有时甚至高于机械切削 电解加工的附属设备多 造价高 占地面积大 加工稳定性不高 电解液有腐蚀性 电解产物有污染 也应引起重视 近年来电解加工工艺的应用研究有很大发展 除了在加工炮膛膛线外 在花键孔 深孔 内齿轮 链轮 叶片 异形零件及模具等方面获得广泛的应用 形腔加工电火花加工的生产率较低 因此对精度要求不太高的矿山机械 农机 拖拉机零件用锻模 正逐渐采用电解加工 电解整体叶轮 叶身形面形状复杂 精度要求高 加工量大 用电解加工 比机械加工工期短 效率高 三 超声加工又名超声波加工 质量好 电解磨削是靠阳极金属的电化学溶液 占95 98 和机械磨削作用 占2 5 相结合进行的复合加工 它集中了两者的优点 用于磨削各种硬质合金 量具 涡轮叶片榫头 蜂窝结构件 轧辊 拉丝磨孔等复杂形面的零件 电解去毛刺代替传统的钳工操作 提高工效 节约费用电解加工还应用于深孔的扩孔加工 形孔加工以及抛光等工艺过程中 1 基本原理它是利用超声振动为工具进行加工的 加工时 在工件和工具之间加入液体 水或煤油 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 2 超声加工的特点 超声波发生的超声频振荡 通过换能器转换成16000Hz以上的超声频纵向振动 并借助于变幅杆把振幅放大到0 05 0 1mm左右 变幅杆驱动工具作超声振动 并以工具端面迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击和研磨工件表面 把工件加工区域内的材料破碎成很细的微粒并打击下来 既然是基于局部的撞击作用 可见 越是硬脆的材料 受到的破坏越大 也就越好加工 反之 脆性和硬度不大的塑性材 由于有缓冲作用而难加工 工具可用相对较软的材料 如45号钢 做成较复杂的形状 故工具和工件间无须复杂的相对运动 因此超声波机床的结构简单 操作 维修也方便 适合加工薄壁 窄缝 低刚度工件加工过程中工具对工件材料的宏观作用力小 热影响小 不致引起变 3 超声加工的应用 形及烧伤 表面粗糙度也较低 Ra值可达1 0 1 m 加工精度可达0 02 0 01mm 磨粒硬度一般应比被加工材料高 虽加工精度高 但工具磨损大 生产效率低 超声加工虽生产率低 但其加工精度 表面粗糙度都较理想 能加工半导体 非导体的硬脆材料 如石英 宝石 钨及钨合金 玛瑙等 另外 如宝石轴承 拉丝模 喷丝头 还可以用于超声抛光 光整加工 复合加工等许多方面 四 高能束加工简介 高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束 去除工件上多余材料的加工方法 1 激光加工的基本原理 特点及应用激光是20世纪60年代初出现的一种光源 激光 Laser 即LightAmplificationbystimulatedEmissionofRadiation的缩写 意思是利用辐射受激得到的加强光 相对于普通光 激光有强度高 单色性好 相干性好和方向性好的特性 根据这些特性将激光高度集中起来 聚焦成一个极小的光斑 直径 1 100mm2 从而获得功率密度极高100 000kW cm2 这就能提供足够的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料 故可进行非接触加工 适合各种材料的微细加工 激光加工的特点 功率密度高 可加工以往认为难加工的任何材料 接触式加工 不污染材料 加工速度快 热影响区小 变形也小 易于实现自动控制 能通过透明体进行加工 如对真空管内部进行焊接等 激光加工的应用 因为输出功率可调 所以可用于精密微细加工 加工速度极高 打一个孔只需0 001s 加工精度可达0 001mm 表面粗糙度Ra值0 4 0 1 m 作为非接触性加工 不需要工具 所以不存在工具损耗和更换等到问题 与电子束加工机相比 不需要真空 也不需要X射线进行防护 因此装置简单 工作性能良好 如打孔金刚石模具 钟表轴承 陶瓷 橡胶 塑料等非金属以及硬质合金 不锈钢等金属材料 如硬质合金的喷丝头 一般要在 100mm的部位打出12000多个直径为60 m的小孔 切割金属 木材 纸 布料 皮革 陶瓷 塑料等 激光还在焊接 热处理 划线 调动平衡 微调等 多方面有广泛的用途 2 电子束加工的基本原理 特点及应用电子束加工的特点 加工材料范围广泛 且与材料的强度无关 加工速度快 效率非常高 每分钟可在0 1mm厚的钢板上加工出3000个直径为0 2mm的孔 电子束可实现极其微细的聚焦 可达0 1 m 能加工微孔 窄缝 半导体集成电路等 属精密微细的加工方法 非接触加工 不存在工具磨耗问题 无机械切削力作用 工件不易产生宏观应力和变形 污染少 不易氧化 特适用加工易氧化的金属及合金材料 以及纯度要求极高的半导体材料 可控制性能好 亦可采用计算机进行控制 3 离子束加工的基本原理 特点及应用 电子束加工设备价格高 又由于有一定局限性 因此除了特定需要 一般为激光加工所代替 电子束加工的应用 高速打孔子束打孔的孔径范围为0 02 0 003mm 加工形孔人造纤维的喷丝头形孔往往设计成各种异形截面 适合电子束加工 加工弯孔和曲面可以加工出弯孔和曲面 此外 还可进行焊接 切割 刻蚀和表面热处理 基本原理 和电子束加工基本类似 在真空条件下 将离子源产生的离子束经过加速聚焦 打到工件表面 不同的是离子带正电荷 其质量比电子大数千 数万倍 如氩离子的质量是电子的7 2万倍 故离子加速到较高速度时 比电子束具有更大的撞击动能 它是靠微观的 机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的 离子束加工的特点 可控性好 是所有现代加工方法中最精密 最微细的加工方法 在高真空中进行 污染少 尤其适宜对易氧化的金属 合金材料和高纯度半导体材料的加工 宏观压力小 加工中产生应力 变形也小 不但加工工件表面质量高 而且对材料适应性强 设备成本高 加工效率低 应用范围受限 离子束加工的应用可以实现精密 微细及光整加工 尤其是亚微米至纳米级精度的加工 可将材料的原子一层层地铣削下来 使工件加工的精度 表面粗糙度的控制近乎极限 小结与作业 可以较好地实现材料的表面改性处理 使用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离子镀膜加工 一台设备离子束加工 既可用于加工 又可用于蚀刻 熔化 热处理 焊接等 1 通过