哈尔滨工业大学-特种加工第五版-全部章节PPT课件

1、第一章 概论第一节特种加工的产生及发展第二节特种加工的分类第三节特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响第一节特种加工的产生及发展(1) 解决各种难切削材料的加工问题如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。(2) 解决各种特殊复杂表面的加工问题如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模和注塑模的立体成型表面，各种冲模、冷拔模上特殊截面的型孔，炮管内膛线，喷油嘴、栅网、喷丝头上的小孔、异形小孔、窄缝等的加工。(3) 解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题如对表面质量和精度要求很高的航天、

2、航空陀螺仪、伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。(3) 解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题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) 工具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成形的工具。3) 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，如电火花、线切割、电解加工时工具与工件不接触。第二节特种加工的分类线切割加工的金属去除率按惯例均用mm2/min为单位。但单向走丝和往复走丝机床间指标差异较大。这类工艺，主要用于精微和超精微加工，不能单纯比较材料去除率。表1-1常用特种加工方法分类表特

3、种加工方法能量来源及形式作 用 原 理英 文 缩 写电火花加工电火花成形加工电能、热能熔化、气化EDM电火花线切割加工电能、热能熔化、气化WEDM电化学加工电解加工电化学能金属离子阳极溶解ECM电解磨削电化学、机械能阳极溶解、磨削EGM(ECG)电解研磨电化学、机械能阳极溶解、研磨ECH电铸电化学能金属离子阴极沉积EFM涂镀电化学能金属离子阴极沉积EPM表1-1常用特种加工方法分类表激光加工激光切割、打孔光能、热能熔化、气化LBM激光打标记光能、热能熔化、气化LBM激光处理、表面改性光能、热能熔化、相变LBT电子束加工切割、打孔、焊接电能、热能熔化、气化EBM离子束加工蚀刻、镀覆、注入电能、动

4、能原子撞击IBM等离子弧加工切割(喷镀)电能、热能熔化、气化(涂覆)PAM超声加工切割、打孔、雕刻声能、机械能磨料高频撞击USM表1-1常用特种加工方法分类表特种加工方法能量来源及形式作用原理英文缩写化学加工化学铣削化学能腐蚀CHM化学抛光化学能腐蚀CHP光刻光、化学能光化学腐蚀PCM快速成形液相固化法光、化学能增材法加工SL粉末烧结法光、热能纸片叠层法光、机械能电、热、机械能熔丝堆积法表1-2几种常用特种加工方法的综合比较加工方法可加工材料工具损耗率(%)最低/平均平均/最高可达到尺寸精度/mm平均/最高可达到表面粗糙度/m平均/最高主 要 适 用 范 围表1-2几种常用特种加工方法的综合比

5、较电火花加工任何导电的金属材料如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、钛合金等01/1030/3000003/000310/004从数微米的孔、槽到数米的超大型模具、工件等。如圆孔、方孔、异形孔、深孔、微孔、弯孔、螺纹孔以及冲模、锻模、压铸模、塑料模、拉丝模，还可刻字、表面强化、涂覆加工表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电火花线切割加工较小(可补偿)20/50m/min002/00025/004切割各种冲模、塑料模、粉末冶金模等二维及三维直纹面组成的模具及零件。可直接切割各种样板、磁钢、硅钢片冲片。也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属的切割表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电解加工不损耗1

6、00/1000001/001125/016从细小零件到1t的超大型工件及模具。如仪表微型小轴、齿轮上的毛刺，蜗轮叶片、炮管膛线，螺旋花键孔、各种异形孔，锻造模、铸造模，以及抛光、去毛刺等表1-2几种常用特种加工方法的综合比较电解磨削1/501/100002/0001125/004硬质合金等难加工材料的磨削。如硬质合金刀具、量具、轧辊、小孔、深孔、细长杆磨削，以及超精光整研磨、珩磨表1-2几种常用特种加工方法的综合比较加工方法可加工材料工具损耗率(%)最低/平均平均/最高可达到尺寸精度/mm平均/最高可达到表面粗糙度/m平均/最高主 要 适 用 范 围超声加工任何脆性材料01/101/50003

7、/0005063/016加工、切割脆硬材料。如玻璃、石英、宝石、金刚石、半导体单晶锗、硅等。可加工型孔、型腔、小孔、深孔以及切割等表1-2几种常用特种加工方法的综合比较激光加工任何材料不损耗(三种加工，没有成形的工具)瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高001/000110/125精密加工小孔、窄缝及成形切割、刻蚀。如金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、化纤喷丝孔镍、不锈钢板上打小孔，切割钢板、石棉、纺织品、纸张，还可焊接、热处理电子束加工离子束加工表1-2几种常用特种加工方法的综合比较很/001m/001水射流切割钢铁、石材无损耗30002/0120/5下料、成形切割、剪裁快速成形增材加工，无

8、可比性03/0110/5快速制作样件、模具第三节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以往认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的，现在已广泛采用金刚石、聚晶(人造)金刚石、硬质合金制造的刀具、工具、拉丝模具，可用电火花、电解、激光等多种方法来加工它们。(2) 改变了零件的典型工艺路线以往除磨削外，其他切削加工、成形加工等都必须安排在淬火热处理工序之前，这是一切工艺人员决不可违反的工艺准则。(3) 特种加工改变了试制新产品的模式以往试制新产品的关键零部件时，必须先设计、制造相应的刀、夹、量具和模具，以及二次工装，现在采用数控电火花线切割，可以

9、直接加工出各种标准和非标准直齿轮(包括非圆齿轮、非渐开线齿轮)，微型电动机定子、转子硅钢片，各种变压器铁心，各种特殊、复杂的二次曲面体零件。(4) 特种加工对产品零件的结构设计带来很大的影响主要有零件上尖角与圆角、零件与部件拼镶结构或整体结构的选定，例如，花键孔、轴，枪炮膛线的齿根部分，从设计观点为了减少应力集中，最好做成小圆角，但拉削加工时刀齿做成圆角对排屑不利，容易磨损，刀齿只能设计与制造成清棱清角的齿根，而用电解加工时由于存在尖角变圆现象，非采用小圆角的齿根不可。(5) 对传统的结构工艺性的好与坏，需要重新衡量过去将方孔、小孔、深孔、弯孔、窄缝等认为是工艺性很“坏”的典型，对工艺、设计人

10、员是非常忌讳的，有的甚至是禁区。(6) 特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段近年来出现并快速发展的微细加工和纳米加工技术，主要是电子束、离子束、激光、电火花、电化学等电物理、电化学特种加工技术，学习和掌握了特种加工技术，使设计和工艺技术人员能够采用更小的结构，甚至微细结构。电火花加工第一节电火花加工的基本原理及其分类第二节电火花加工的机理第三节电火花加工中的一些基本规律第四节电火花加工用的脉冲电源第五节电火花加工的自动进给调节系统第六节电火花加工机床第七节电火花穿孔成形加工第八节其他电火花加工第一节电火花加工的基本原理及其分类一、电火花加工的原理和设备组成二、电火花加工的特点及其应用三

11、、电火花加工工艺方法分类一、电火花加工的原理和设备组成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，这一间隙随加工条件而定，通常约为0.020.1mm。2) 火花放电必须是瞬时的脉冲性放电(图2-1)。3) 火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。图2-1晶体管脉冲电源电压、电流波形图2-3电火花加工表面局部放大图二、电火花加工的特点及其应用1.主要优点2.电火花加工的局限性1.主要优点(1) 适合于任何难切削导电材料的加工由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容

12、、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。(2) 可以加工特殊及复杂形状的表面和零件由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工宏观的切削力，因此适宜加工低刚度工件及作微细加工。2.电火花加工的局限性1) 主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。2) 一般加工速度较慢。3) 存在电极损耗。表2-1电火花加工工艺方法分类类别工艺方法特点用途备注电火花穿孔成形加工1工具和工件间主要只有一个相对的伺服进给运动2工具为成形电极，与被加工表面有相同的截面和相反的形状1型腔加工：加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件2穿孔加工：加工各种冲模、挤压模、粉末冶

13、金模、各种异形孔及微孔等约占电火花机床总数的30%，典型机床有D7125、D7140等电火花穿孔成形机床表2-1电火花加工工艺方法分类类别工艺方法特点用途备注电火花线切割加工1工具电极为顺电极丝轴线方向移动着的线状电极2工具与工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动1切割各种冲模和具有直纹面的零件2下料、截割和窄缝加工约占电火花机床总数的60%，典型机床有DK7725、DK7740数控电火花线切割机床表2-1电火花加工工艺方法分类电火花内孔、外圆和成形磨削1工具与工件有相对的旋转运动2工具与工件间有径向和轴向的进给运动1加工高精度、表面粗糙度小的小孔，如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、钻套等2加

14、工外圆、小模数滚刀等约占电火花机床总数的3%，典型机床有D6310电火花小孔内圆磨床等表2-1电火花加工工艺方法分类电火花同步共轭回转加工1成形工具与工件均作旋转运动，但二者角速度相等或成整倍数，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度2工具相对工件可作纵、横向进给运动以同步回转、展成回转、倍角速度回转等不同方式，加工各种复杂型面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规，高精度、高对称度、表面粗糙度小的内、外回转体表面等约占电火花机床总数不足1%，典型机床有JN2、JN8内外螺纹加工机床表2-1电火花加工工艺方法分类电火花高速小孔加工1采用细管(?03mm)电极，管内冲入高压水基工作液2细管电极

15、旋转3穿孔速度较高(60mm/min)1线切割穿丝预孔2深径比很大的小孔，如喷嘴等约占电火花机床2%，典型机床有D703A电火花高速小孔加工机床电火花表面强化、刻字1工具在工件表面上振动2工具相对工件移动1模具刃口，刀、量具刃口表面强化和镀覆2电火花刻字、打印记约占电火花机床总数的2%3%，典型设备有D9105电火花强化器等第二节电火花加工的机理一、极间介质的电离、击穿，形成放电通道二、介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀三、电极材料的抛出四、极间介质的消电离图2-4极间放电电压和电流波形a) 电压波形b) 电流波形图2-5放电间隙状况示意图1正极2从正极上熔化并抛出金属的区域3放电通道4气泡

16、5在负极上熔化并抛出金属的区域6负极7翻边凸起8在工作液中凝固的微粒9工作液10放电形成的凹坑第三节电火花加工中的一些基本规律 二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度三、影响加工精度的主要因素四、电火花加工的表面质量图2-6单个脉冲放电痕剖面放大示意图1无变化区2热影响层3翻边凸起4放电通道5气化区6熔化区7熔化凝固层2.电参数对电蚀量的影响表2-2常用材料的热学物理常数热学物理常数材料铜石墨(碳)钢钨铝熔点/C1083372715353410657比热容c/J(kgK393561674769501549110048熔化热/Jk179258420934015909843851856沸点/C2

17、5954830300059302450气化热/Jk53042569460548006290667108940536热导率/W(mK39980800081617002378热扩散率a/c11790217015005680920密度/gc892279193254二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度1.加工速度2.工具相对损耗1.加工速度2.工具相对损耗(1) 正确选择极性和脉宽一般在短脉冲精加工时采用正极性加工(即工件接电源正极)，而在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。(2) 利用吸附效应在用煤油之类的碳氢化合物作工作液时，在放电过程中将发生热分解，产生大量的碳微粒，它能和金属结合形成金属碳化物

18、的胶团。(3) 利用传热效应对电极表面温度场分布的研究表明，电极表面放电点的瞬时温度不仅与瞬时放电的总热量(与放电能量成正比)有关，而且与放电通道的截面积有关，还与电极材料的导热性能有关。(4) 减少工具电极损耗，选用合适的电极工具材料钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，所以除线切割外很少采用。图2-7电极相对损耗与极性、脉宽的关系1正极性加工2负极性加工三、影响加工精度的主要因素图2-8电火花加工时的加工斜度1电极无损耗时工具轮廓线2电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线四、电火花加工的表面质量1.表面粗糙度2.表面变质层3.表面力学性能图2-9电火花加工时尖角

19、变圆1工件2工具1.表面粗糙度2.表面变质层(1) 熔化凝固层位于工件表面最上层，它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液快速冷却而凝固。(2) 热影响层它介于熔化层和基体之间。(3) 显微裂纹电火花加工表面由于受到瞬时高温作用并迅速冷却收缩而产生拉应力，往往出现显微裂纹。3.表面力学性能(1) 显微硬度及耐磨性电火花加工后表面层的硬度一般均比较高，但对某些淬火钢，也可能稍低于基体硬度。(2) 残余应力电火花加工表面存在着由于瞬时先热膨胀后冷收缩作用而形成的残余应力，而且大部分表现为拉应力。(3) 耐疲劳性能电火花加工表面存在着较大的拉应力，还可能存在显微裂纹，因此其耐疲劳性能大大低于机械

20、加工表面。第四节电火花加工的自动进给调节系统一、自动进给调节系统的作用、技术要求和分类二、自动进给调节系统的基本组成部分三、电液自动进给调节系统四、电-机械式自动调节系统一、自动进给调节系统的作用、技术要求和分类(1) 有较广的速度调节跟踪范围在电火花加工过程中，加工规准、加工面积等条件的变化，都会影响其进给速度，调节系统应有较宽的调节范围，以适应加工的需要。(2) 有足够的灵敏度和快速性放电加工的脉冲频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节。(3) 有必要的稳定性由于调节系统的电蚀速度一般不高，加工进给量也不必过大，一般每步1m，所以应有很好的

21、低速性能，均匀、稳定地进给，避免低速爬行，超调量要小，传动刚度应高，传动链中不得有明显间隙，抗干扰能力要强。图2-20放电间隙、蚀除速度和进给速度图2-21间隙蚀除特性与调节特性曲线蚀除特性曲线调节特性曲线二、自动进给调节系统的基本组成部分1.测量环节2.比较环节3.放大驱动环节4.执行环节5.调节对象图2-22自动进给调节系统的基本组成方框图图2-23平均间隙电压检测电路图2-24峰值电压检测电路图2-25电火花加工时的5种放电状态图2-26喷嘴-挡板式电液压自动调节器工作原理1油箱2溢流阀3叶片液压泵4电动机5、13压力表6过滤器7节流孔8喷嘴9电-机械转换器10动圈11静圈12挡板14液

22、压缸15活塞16工具电极17工件图2-27步进电动机自动调节系统的原理框图第五节电火花加工机床1.机床总体部分2.主轴头3.工具电极夹具4.工作液循环、过滤系统图2-28电火花穿孔成形加工机床a) 组成部分b) 外形1床身2工作液槽3主轴头4立柱5工作液箱6电源箱第三章第一节电火花线切割加工原理、特点及应用范围第二节电火花线切割加工设备第三节电火花线切割控制系统和编程技术第四节影响线切割工艺指标的因素第五节线切割加工工艺及其扩展应用第一节电火花线切割加工原理、特点及应用范围一、线切割加工的原理二、线切割加工的特点三、线切割加工的应用范围图3-1电火花线切割原理1绝缘底板2工件3脉冲电源4钼丝5

23、导向轮6支架7贮丝筒二、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2.线切割加工相比于电火花加工的不同特点1.电火花线切割加工与电火花成形加工的共性表现1) 线切割加工的电压、电流波形与电火花加工的基本相似。2) 线切割加工的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律，材料的可加工性等也都与电火花加工的基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。2.线切割加工相比于电火花加工的不同特点1) 由于电极工具是直径较小的细丝，故脉冲宽度、平均电流等不能太大，加工工艺参数的范围较小，属中、精正极性电火花加工，工件常接脉冲电源正极。2) 采用水或水基工作液，不会引燃起火，容易实现安全无人运

24、转，但由于工作液的电阻率远比煤油小，因而在开路状态下，仍有明显的电解电流。3) 一般没有稳定电弧放电状态。4) 电极与工件之间存在着“疏松接触”式轻压放电现象。5) 省掉了成形的工具电极，大大降低了成形工具电极的设计和制造费用，用简单的工具电极，靠数控技术实现复杂的切割轨迹，缩短了生产准备时间，加工周期短，这不光对新产品的试制很有意义，对大批生产也增加了快速性和柔性。6) 电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。7) 由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小，特别在低速走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，电极丝损耗对加工精度的影响更

25、小。三、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。(2) 切割电火花成形加工用的电极一般穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极，以及铜钨、银钨合金之类的电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极。(3) 加工零件在试制新产品时，用线切割在坯料上直接割出零件，例如试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期、降低成本。第二节电火花线切割加工设备一、机床本体二、脉冲电源三、工作液循环系统第二节电火花线切割加工设备图3-2往复高速走丝线切割加工设备组成1贮丝筒2走丝溜板3丝架4上滑板5下滑板6床身7电源、控制柜一、机床本体1

26、.床身2.坐标工作台3.走丝机构4.锥度切割装置图3-3低速走丝线切割加工设备组成1脉冲电源2工件3工作液箱4去离子水5泵6新丝放丝卷筒7工作台8x轴电动机9数控装置10y轴电动机11废丝卷筒图3-4低速走丝系统示意图1废丝卷丝轮2未使用的金属丝筒3拉丝模4张力电动机5电极丝张力调节轴6退火装置7导向器8工件图3-5低速走丝四轴联动锥度切割装置1新丝卷筒2上导向器3电极丝4废丝卷筒5下导向器4.锥度切割装置(1) 导轮偏移式丝架这种丝架主要用在高速走丝线切割机床上实现锥度切割。(2) 导轮摆动式丝架此法加工锥度不影响导轮磨损。(3) 双坐标联动装置在电极丝有恒张力控制的高速走丝和低速走丝线切割

27、机床上广泛采用此类装置，它主要依靠上导向器作纵横两轴(称u、v轴)驱动，与工作台的x、y轴在一起构成四数控轴同时控制(图3-5)。二、脉冲电源1.晶体管矩形波脉冲电源2.高频分组脉冲电源3.节能型脉冲电源4.低速走丝线切割加工的脉冲电源图3-6晶体管矩形波脉冲电压、电流波形及其脉冲电源2.高频分组脉冲电源图3-7高频分组脉冲电压波形图3-8高频分组脉冲电源的电路原理框图图3-9线切割节能型脉冲电源主回路和波形图a)主回路图b)电压电流波形图第三节电火花线切割控制系统和编程技术一、线切割控制系统二、线切割数控编程要点三、自动编程一、线切割控制系统1) 轨迹控制：精确控制电极丝相对于工件的运动轨迹

28、，以获得所需的形状和尺寸。2) 加工控制：主要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机构、工作液系统以及其他机床操作控制。1.轨迹控制原理2.加工控制功能2.加工控制功能(1) 进给速度控制能根据加工间隙的平均电压或放电状态的变化，通过取样、变频电路，不定期地向计算机发出中断申请插补运算，自动调整伺服进给速度，保持某一平均放电间隙，使加工稳定，提高切割速度和加工精度。(2) 短路回退经常记忆电极丝经过的路线。(3) 间隙补偿线切割加工数控系统所控制的是电极丝中心移动的轨迹。(4) 图形的缩放、旋转和平移利用图形的任意缩放功能可以加工出任意比例的相似图形；利用任意角度的旋转功能可使齿轮、电动机定转子

29、等类零件的编程大大简化，只要编一个齿形的程序，就可切割出整个齿轮；而平移功能则同样极大地简化了跳步模具的编程。(5) 适应控制在工件厚度有变化的场合，能自动改变预置进给速度或电参数(包括加工电流、脉冲宽度、间隔)，不用人工调节就能自动进行高效率，高精度的稳定加工。(6) 自动找中心使孔中的电极丝自动找正后停止在孔中心处。(7) 信息显示可动态显示程序号、计数长度等轨迹参数，较完善地采用计算机CRT屏幕显示，还可以显示电规准参数和切割轨迹图形以及加工时间、耗电量等。二、线切割数控编程要点1.程序格式2.直线的编程3.圆弧的编程4.整个工件的编程举例图3-10直线和圆弧的加工指令2.直线的编程1)

30、 把直线的起点作为坐标的原点。2) 把直线的终点坐标值作为x、y，均取绝对值，单位为m。3) 计数长度J，按计数方向Gx或Gy取该直线在x轴或y轴上的投影值，即取x值或y值，以m为单位。4) 计数方向的选取原则，应取此程序最后一步的轴向为计数方向。5) 加工指令按直线走向和终点所在象限不同分为L1、L2、L3、L4，其中与+x轴重合的直线算作L1，与+y轴重合的算作L2，与-x轴重合的算作L3，其余类推。3.圆弧的编程1) 把圆弧的圆心作为坐标原点。2) 把圆弧的起点坐标值作为x、y，均取绝对值，单位为m。3) 计数长度J按计数方向取x或y轴上的投影值，以m为单位。4) 计数方向同样也取与该圆

31、弧终点时走向较平行的轴向作为计数方向，以减少编程和加工误差。5) 加工指令对圆弧而言，按其第一步所进入的象限可分为R1、R2、R3、R4；按切割走向又可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令，即SR1、SR2、SR3、SR4；NR1、NR2、NR3、NR4，如图3-10所示。图3-11编程图形4.整个工件的编程举例1) 加工直线。2) 加工斜线。3) 加工圆弧。4) 加工斜线。表3-1程序表程序BxByBJGZ12345BBBB1300001BBBB9400009BBBB40000900006000090000ND(停机码)图3-12用扫描仪直接输入图形编程切割出的工件图形第四节影响线切割工艺指

32、标的因素一、线切割加工的主要工艺指标二、电参数的影响三、非电参数的影响四、合理选择电参数五、合理调整变频进给的方法一、线切割加工的主要工艺指标1.切割速度2.表面粗糙度3.电极丝损耗量4.加工精度图3-13线切割表面黑白条纹及其切缝形状a)电极丝往复运动产生的黑白条纹b)电极丝入口和出口处的宽度c)电极丝不同走向处的剖面图1电极丝运动方向2微凹的黑色部分3微凸的白色部分二、电参数的影响1.脉冲宽度ti2.脉冲间隔t03.开路电压i4.放电峰值电流e5.放电波形三、非电参数的影响1.电极丝及其移动速度对工艺指标的影响2.工件厚度及材料对工艺指标的影响3.预置进给速度对工艺指标的影响2.工件厚度及

33、材料对工艺指标的影响1) 加工铜、铝、淬火钢时，加工过程稳定，切割速度高。2) 加工不锈钢、磁钢、未淬火高碳钢时，稳定性较差，切割速度较低，表面质量不太好。3) 加工硬质合金时，比较稳定，切割速度较低，表面粗糙度小。四、合理选择电参数1.要求切割速度高时2.要求表面粗糙度好时3.要求电极丝损耗小时4.要求切割厚工件时五、合理调整变频进给的方法1.用示波器观察和分析加工状态的方法2.用电压表和电流表观察分析加工状态的方法3.按加工电流和短路电流的比值调节4.计算出不同空载电压时不同的值1.用示波器观察和分析加工状态的方法1) 进给速度过高(过跟踪)(见图3-14a)。2) 进给速度过低(欠跟踪)

34、(见图3-14b)。3) 进给速度稍低(欠佳跟踪)。4) 进给速度适宜(正常跟踪)(见3-14c)。图3-14加工时的几种波形a)过跟踪b)欠跟踪c)正常跟踪表3-2根据进给状态调整变频的方法实频状态进给状态加工面状况切割速度电极丝变频调整过跟踪慢而稳焦褐色低略焦，老化快应减慢进给速度欠跟踪忽慢忽快不均匀不光洁易出深痕低易烧丝，丝上有白斑伤痕应加快进给速度欠佳跟踪慢而稳略焦褐，有条纹较快焦色应稍增加进给速度最佳跟踪很稳发白，光洁最快发白，老化慢不需再调整表3-3加工电流与短路电流的最佳比值脉冲电源空载电压/V405060708090100110120加工电流与短路电流最佳比值050606607

35、107507808082083第五节线切割加工工艺及其扩展应用一、电火花线切割加工工艺及机床二、线切割工艺的扩展应用一、电火花线切割加工工艺及机床1.具有切割直壁二维型面的线切割加工工艺的机床2.具有斜度切割功能，可实现等锥角三维曲面切割工艺的机床3.可实现变锥度、上下异形面切割工艺的机床图3-15线切割上下异形面工件图3-16工件倾斜、数控回转线3Z20.tif图3-18数控移动加转动线切割加工螺旋曲面图3-19数控往复移动加转动线切割加工正弦曲面图3-20数控移动加转动线切割加工窄螺旋槽图3-21数控二轴联动加分度线切割加工宝塔图3-22数控二轴联动加分度线切割加工太师椅图3-23数控三轴

36、联动加分度线切割加工扭转四方锥台a)加工原理图b)外形图第四章 电化学加工第一节电化学加工原理及分类第二节电 解 加 工第三节电 解 磨 削第四节电铸、涂镀及复合镀加工第一节电化学加工原理及分类一、电化学加工的基本原理二、电化学加工的分类一、电化学加工的基本原理(一) 电化学加工过程(二) 电解质溶液(三) 电极电位(四) 电极的极化(五) 金属的钝化和活化图4-1电解液中的电化学反应图4-2原电池示意图图4-3活泼金属的双电层图4-4不活泼金属的双电层表4-1一些元素的标准电极电位(25C)元素氧化态/还原态电 极 反 应电极电位/VL/LiL+eLi-301R/RbR+eRb-298/K+

37、eK-2925B/BaB+2eBa-292C/CaC+2eCa-284N/NaN+eNa-2713M/MgM+2eMg-238T/TiT+2eTi-175A/AlA+3eAl-166/V+3eV-15M/MnM+2eMn-105Z/ZnZ+2eZn-0763表4-1一些元素的标准电极电位(25C)C/CrC+3eCr-071F/FeF+2eFe-044C/CdC+2eCd-0402C/CoC+2eCo-027N/NiN+2eNi-023M/MoM+3eMo-020S/SnS+2eSn-0140P/PbP+2ePb-0126F/FeF+3eFe-0036表4-1一些元素的标准电极电位(25C)元

38、素氧化态/还原态电 极 反 应电极电位/V/H2+2e0S/S+2+2eS+0141C/CuC+2eCu+034/OO+2e2O+0401C/CuC+eCu+0522/+2e2+0535F/FF+eF+0771H/HgH+2eHg+07961A/AgA+eAg+07996B/BB+2e2B+1065M/MMn+4+2eM+2O+1208C/CC+14+6e2C+7O+133表4-1一些元素的标准电极电位(25C)C/CC+2e2C+13583M/MMn+8+5eM+4O+1491/+2e2S+201/+2e2+287(四) 电极的极化1.浓差极化2.电化学极化图4-5电极极化曲线i电流密度1阴

39、极端2阳极端表4-2电化学加工的分类表类别加工方法(及原理)加 工 类 型电解加工(阳极溶解)电解抛光(阳极溶解)用于形状、尺寸加工用于表面加工，去毛刺电镀(阴极沉积)局部涂镀(阴极沉积)复合电镀(阴极沉积)电铸(阴极沉积)用于表面加工，装饰用于表面加工，尺寸修复用于表面加工，磨具制造用于制造复杂形状的电极，复制精密、复杂的花纹模具表4-2电化学加工的分类表电解磨削，包括电解珩磨、电解研磨(阳极溶解，机械刮除)电解电火花复合加工(阳极溶解、电火花蚀除)电化学阳极机械加工(阳极溶解、电火花蚀除、机械刮除)用于形状、尺寸加工、超精、光整加工、镜面加工用于形状、尺寸加工用于形状、尺寸加工，高速切断、

40、下料第二节电 解 加 工一、电解加工过程及其特点二、电解加工时的电极反应三、电解液四、电解加工的基本规律五、提高电解加工精度的途径六、电解加工的基本设备七、电解加工工艺及其应用一、电解加工过程及其特点1) 加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等各种复杂型面。2) 电解加工的生产率较高，约为电火花加工的510倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。3) 可以达到较好的表面粗糙度(Ra1.250.2m)和0.1mm左右的平均加工精度。4) 由于加工过

41、程中不存在机械切削力，所以不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边毛刺。5) 加工过程中阴极工具在理论上不会耗损，可长期使用。1) 不易达到较高的加工精度和加工稳定性。2) 电极工具的设计和修正比较麻烦，因而很难适用于单件生产。3) 电解加工的附属设备较多，占地面积较大，机床要有足够的刚性和防腐性能，造价较高。4) 电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。图4-6电解加工示意图1直流电源2工具阴极3工件阳极4电解液泵5电解液图4-7电解加工成形原理二、电解加工时的电极反应(一) 钢在NaCl水溶液中电解的电极反应(二) 电解加工过程中的电能利用(一) 钢在NaCl水溶液中电解的电极反应

42、(1) 阳极反应就可能性而言，分别列出其反应方程，按表4-1查出U0，并按能斯特公式(式4-1)计算出电极电位U，作为分析时参考。(2) 阴极反应按可能性为：(1) 阳极反应1) 阳极表面每个铁原子在外电源作用下放出(被夺去)两个或三个电子，成为正的二价或三价铁离子而溶解进入电解液中。2) 负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气：3) 负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气：(2) 阴极反应1) 正的氢离子被吸引到阴极表面从电源得到电子而析出氢气2) 正的钠离子被吸引到阴极表面，得到电子而析出Na图4-8电解加工间隙内的电压分布阳极压降欧姆压降阴极压降三、电解液(一) 对电解液的基本要

43、求(二) 三种常用的电解液(三) 电解液参数对加工过程的影响(四) 电解液的流速及流向(五) 电解液出水口的布局(一) 对电解液的基本要求(1) 具有足够的蚀除速度即生产率要高，这就要求电解质在溶液中有较高的溶解度和离解度，具有很高的电导率。(2) 具有较高的加工精度和表面质量电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生放电反应而沉积到阴极工具上，以免改变工具的形状及尺寸。(3) 阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物这主要是便于处理，且不会使阳极溶解下来的金属阳离子在阴极上沉积，通常被加工工件的主要组成元素的氢氧化物大都难溶于中性盐溶液，故这一要求容易满足。(二) 三种常用的电解液1. NaCl电解液

44、2. NaNO3电解液3. NaClO3电解液4.电解液中加添加剂图4-9钢在NaN电解液中的极化曲线图4-10杂散腐蚀能力比较4Z11.TIF4Z12.TIF表4-3常用电解液的电导率1/(cm)名称温度/电导率质量分数NaClNaNNaCl3040506030405060304050605%00830099011501320054006400740085004200500058006610%01510178020702370095011501340152007600920106012215%02070245028503280130015201760203010801280151017420

45、%024702950343039301620192022202520133015801840212表4-4电解液配方及电参数加工材料电解液配方(质量分数) 电压/V电流密度/Ad各种碳钢、合金钢、耐热钢、不锈钢等(1)NaCl10%15%5510200(2)NaCl10%+NaN25%(3)NaCl10%+NaN30%101510150硬质合金NaCl15%+NaOH15%+酒石酸20%152550100铜、黄铜、铜合金、铝合金等NCl18%或NaN12%152510100图4-13电解液的流向a)正向流动b)反向流动c)横向流动图4-14出水口布局对流场的影响图4-15流线夹角小于90时形成

46、死水区a)、b)正向流动c)、d)反向流动四、电解加工的基本规律(一) 生产率及其影响因素(二) 精度成形规律(三) 表面质量(一) 生产率及其影响因素1.金属的电化学当量和生产率的关系2.电流密度和生产率的关系3.电极间隙大小和蚀除速度的关系表4-5一些常见金属的电化学当量金 属 名 称密度/(gc)电化学当量K/g(Ah/m(Ah/m(Amin铁7861042(二价)1332220696(三价)89148镍8801095124207铜8931188(二价)133222钴8731099126210铬690648(三价)941560324(六价)47078铝2690335124207图4-16

47、蚀除过程示意图1阴极工具2蚀除速度3工件图4-17与间的双曲线关系(二) 精度成形规律1.端面平衡间隙2.法向平衡间隙3.侧面间隙4.平衡间隙理论的应用5.影响加工间隙的其他因素4Z18.TIF4Z19.TIF图4-20-t曲线图4-21法向进给速度及法向间隙图4-22侧面间隙3.侧面间隙4.平衡间隙理论的应用1) 计算加工过程中各种电极间隙，例如端面、斜面、侧面的间隙。2) 设计电极时计算阴极尺寸及修正量，亦即根据工件形状尺寸计算阴极形状尺寸。3) 分析加工精度，如整平比以及由于毛坯留量不均引起的误差，阴极、工件原始位置不一致引起的误差等。4) 选择加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速度等

48、。图4-23cos作图法设计阴极图4-24尖角变圆现象(三) 表面质量1) 工件材料的合金成分、金相组织及热处理状态对表面粗糙度的影响很大。2) 工艺参数对表面质量也有很大影响。3) 阴极表面条纹、刻痕等都会相应地复印到工件表面，所以阴极表面要注意加工。五、提高电解加工精度的途径(一) 脉冲电流电解加工(二) 小间隙电解加工(三) 改进电解液(四) 混气电解加工(一) 脉冲电流电解加工1) 消除加工间隙内电解液电导率的不均匀化。2) 脉冲电流电解加工使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的，呈脉冲状。图4-25余量不均匀时电解加工示意图(四) 混气电解加工1.混气电解加工原理及优缺点2.气液混合

49、比1.混气电解加工原理及优缺点1) 增加了电解液的电阻率，减少了杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转化。2) 降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。图4-26混气电解加工效果对比a)不混气b)混气图4-27混气电解加工示意图1工件2阴极工具3扩散部4混合部5引导部图4-28混气电解加工型孔六、电解加工的基本设备(一) 直流电源(二) 机床(三) 电解液系统1.对电解加工机床的要求(1) 机床的刚性电解加工虽然没有机械切削力，但电解液有很高的压强，如果加工面积较大，则对机床主轴、工作台的作用力也是很大的，一般可达2040kN。(2) 进给速度的稳定性金属的阳极溶解量是与时间成正比的，进给速度不

50、稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响到加工精度。(3) 防腐绝缘电解加工机床经常与有腐蚀性的电解液相接触，故必须采取相应的防腐措施，以保护机床避免或减少腐蚀。(4) 安全措施电解加工过程中将产生大量氢气，如果不能迅速排除，就有可能因火花短路等而引起氢气爆炸，必须相应地采取排氢防爆措施。(3) 防腐绝缘条件：电网电压变化10%或负载变化25%100%；可输出额定电流的电压范围为1224V；外加控制柜700mm700mm2 100mm及主变压器。表4-6国内经鉴定已投入使用的几种可控硅电源型号额定电流/A额定电压/V输入电压/V冷却水压力/MPa柜体尺寸/mm稳压精度/(%)类型生产

51、厂KGXS3 000/6 243 000243850Hz高2 100宽880深2 100水冷、密封北京变压器厂表4-6国内经鉴定已投入使用的几种可控硅电源KGXS5 000/245 0002438010%50Hz0203高2 10宽700深1 5001普通水冷(不密封不防蚀)上海整流器厂KGXS10 000/32010 0002038050Hz上海整流器厂北京变压器厂KGXS0115 000/2415 0002438010%50Hz0203高2 10宽1 000深1 8001KGXS20 000/1520 0001510 00050Hz05图4-29电解液系统示意图1电解液槽2过滤网3管道4泵

52、用电动机5离心泵6加工区7过滤器8安全阀9压力表10阀门七、电解加工工艺及其应用1.深孔扩孔加工2.型孔加工3.型腔加工4.套料加工5.叶片加工6.电解倒棱去毛刺7.电解刻字8.电解抛光9.数控展成电解加工图4-30固定式阴极深孔扩孔原理图1电解液入口2绝缘定位套3工件4工具阴极5密封垫6电解液出口图4-31移动式阴极深孔扩孔示意图图4-32深孔扩孔用的移动式阴极1后引导2阴极锥体3出水孔4前引导5密封圈6接头及入水孔4z33.TIF4z34.TIF图4-35增液孔的设置图4-36异形零件图4-37套料阴极工具图4-38电解加工整体叶轮图4-39齿轮的电解去毛刺图4-40电解刻字示意图8.电解

53、抛光(1) 电解液的成分、比例对抛光质量有着决定性的影响目前从理论上尚不能确定某种金属或合金的最适宜的电解液成分、比例，主要是通过实验来确定。(2) 电参数主要是阳极电位和阳极电流密度。(3) 电解液温度及其搅拌情况对于每一种金属和合金来说，电解液的温度都有一个最适宜的范围，这一温度范围目前主要依靠实验来确定。(4) 金属的金相组织与原始表面状态电解抛光对于金属的金相组织的均匀性反应十分敏感。表4-7电解抛光常用电解液及抛光参数适用金属电解液的质量分数阴极材料阳极电流密度/(Ad)电解液温度/持续时间/min碳钢P70%Cr20%O10%铜4050809058P65%S15%O18%19%(C

54、OOH(草酸)1%2%铅30501520510表4-7电解抛光常用电解液及抛光参数不锈钢P50%10%S15%40%丙三醇(甘油)12%45%O23%5%铅60120507037P40%45%S40%35%Cr3%O17%铜、铅40707080515CrWMn1Cr18Ni9TiP65%S15%Cr5%丙三醇(甘油)12%O3%铅8010035451012铬镍合金P64mLS15mLO21mL不锈钢6075705表4-7电解抛光常用电解液及抛光参数适用金属电解液的质量分数阴极材料阳极电流密度/(Ad)电解液温度/持续时间/min铜合金P(187)670mLS(184)100mLO300mL铜1

55、22010205铜Cr60%O40%铝、铜5101825515表4-7电解抛光常用电解液及抛光参数铝及合金S(184)体积70%P(17)体积15%HN(14)体积1%O体积14%铝不锈钢12208095210P(162)100gCr10g不锈钢585005第三节电 解 磨 削一、电解磨削的基本原理和特点二、影响电解磨削生产率和加工质量的因素三、电解磨削用电解液及其设备四、电解磨削的应用一、电解磨削的基本原理和特点(1) 加工范围广，加工效率高由于它主要是电解作用，因此只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度与高韧性的金属材料，例如磨削硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削的加

56、工效率要高35倍。(2) 可以提高加工精度及表面质量因为砂轮并不主要磨削金属，磨削力和磨削热都很小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16m。(3) 砂轮的磨损量小例如磨削硬质合金，普通刃磨时，碳化硅砂轮的磨损量为切除硬质合金质量的46倍；电解磨削时，砂轮的磨损量不超过硬质合金切除量的50%100%，与普通金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削用的金刚石砂轮的损耗速度仅为它们的1/51/10，可显著降低成本。一、电解磨削的基本原理和特点(一) 阳极反应(二) 阴极反应图4-41电解磨削原理图1导电砂轮2电解液3工件图4-42电解磨削加工过程原理图1磨粒2结合剂3工件4阳极薄

57、膜5电极间隙及电解液(一) 阳极反应1.钴的阳极氧化反应2.WC的阳极氧化反应3.钴的钝化反应4.钨的钝化反应二、影响电解磨削生产率和加工质量的因素(一) 影响生产率的主要因素(二) 影响加工精度的因素(三) 影响表面粗糙度的因素(一) 影响生产率的主要因素1.电化学当量2.电流密度3.磨轮(阴极)与工件间的导电面积4.磨削压力2.电流密度图4-43中极法电解磨削1普通砂轮2工件3电解液喷嘴4钝化膜(阳极薄膜)5中间电极(二) 影响加工精度的因素1.电解液2.阴极导电面积和磨粒轨迹3.被加工材料的性质4.机械因素(三) 影响表面粗糙度的因素1.电参数2.电解液3.工件材料性质4.机械因素三、电

58、解磨削用电解液及其设备(一) 电解液(二) 电解磨削用设备(一) 电解液1) 能够使金属表面生成结构紧密、粘附力强的钝化膜，以获得良好的尺寸精度和表面粗糙度。2) 导电性好，以获得高生产率。3) 不锈蚀机床及工夹具。4) 对人体和环境无危害，确保人身健康。5) 经济效果好，价格便宜，来源丰富，在加工中不易消耗。表4-8磨削硬质合金用电解液序号电解液的质量分数电流效率(%)电流密度/(Ac)加工表面粗糙度/m1NaN(亚硝酸钠)96%NaN(硝酸钠)03%NHP(磷酸氢二钠)03%C(铬酸钾)01%O897%809010012NaN70%NaN50%O880%853NaN10%NaK(酒石酸钾钠

59、)2%O88%90表4-9“双金属”电解液电解液的质量分数电流效率(%)电流密度/(Ac)表面粗糙度(硬质合金)NaN50%NHP15%KN03%N(硼砂)03%O929%701001m表4-10磨削低碳钢和中碳钢的电解液电解液的质量分数电流效率(%)电流密度/(Ac)加工表面粗糙度/mNHP7%KN2%NaN2%O89%781004四、电解磨削的应用(一) 硬质合金刀具的电解磨削(二) 硬质合金轧辊的电解磨削(三) 电解珩磨(四)电解研磨图4-44硬质合金轧辊图4-45电解珩磨简图1工件2珩磨头3磨条4z46.TIF4z47.TIF图4-48加工方式、磨料粒度与表面粗糙度的关系机械抛光精密研

60、磨电解研磨第四节电铸、涂镀及复合镀加工一、电铸加工二、涂镀加工三、复合镀加工表4-11电镀、电铸、涂镀和复合镀的主要区别电镀电铸涂镀复合镀工艺目的表面装饰、防锈蚀复制、成形加工增大尺寸，改善表面性能1电镀耐磨镀层2制造超硬砂轮或磨具，电镀带有硬质磨料的特殊复合层表面镀层厚度0001005mm0055mm或以上000105mm或以上0051mm以上精度要求只要求表面光亮，光滑有尺寸及形状精度要求有尺寸及形状精度要求有尺寸及形状精度要求镀层牢度要求与工件牢固粘结要求与原模能分离要求与工件牢固粘结要求与基体牢固粘接表4-11电镀、电铸、涂镀和复合镀的主要区别阳极材料用镀层金属同一材料用镀层金属同一材