电火花,电化学加工

1、1第五章第五章 特种加工特种加工特种加工：特种加工：不属于传统加工工艺范畴的加工不属于传统加工工艺范畴的加工方法方法。 不使用不使用刀具、磨具刀具、磨具等直接利用等直接利用机械能机械能切除切除多余材料多余材料, , 而是将而是将电、磁、声、光电、磁、声、光等等物理物理能量、化学能量能量、化学能量或其组合直接施加在被加或其组合直接施加在被加工的部位上工的部位上 , , 从而使材料被去除、变形或从而使材料被去除、变形或改变性能等。改变性能等。2运用领域运用领域 特种加工技术在国际上被称为特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术世纪的技术 难加工材料难加工材料：如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料

2、、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。 难加工零件难加工零件：如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。 低刚度零件低刚度零件：如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。 以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。 3 特种加工优点特种加工优点： 1)1)可以完成传统加工难以加工的材料可以完成传统加工难以加工的材料 ( ( 如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和工业陶瓷、磁性材料等工业陶瓷、磁性材料等 ) ) 2)2)可以完成精密、微细、形状复杂零件的加工。可以完成精密、微细、形状

3、复杂零件的加工。 在航空航天、电子、轻工等工业部门以及电机、电器、在航空航天、电子、轻工等工业部门以及电机、电器、仪表、仪表、 透平机械、汽车和拖拉机等行业中透平机械、汽车和拖拉机等行业中 , , 已成为不已成为不可缺少的加工方法。可缺少的加工方法。 特种加工是近几十年发展起来的新工艺特种加工是近几十年发展起来的新工艺 , , 是对是对传统加工工艺方法的重要补充与发展传统加工工艺方法的重要补充与发展 , , 目前仍目前仍在继续研究开发和改进。在继续研究开发和改进。4特种加工种类特种加工种类 电火花加工电火花加工 电化学加工电化学加工 激光加工激光加工 超声波加工超声波加工 等离子弧加工等离子弧

4、加工5一、电火花加工一、电火花加工1、电火花加工的原理与特点、电火花加工的原理与特点 利用脉冲放电产生的局部瞬时（利用脉冲放电产生的局部瞬时（1000010000）去除材料去除材料 , , 也有称放电加工或电蚀加工的。也有称放电加工或电蚀加工的。6脉冲电源工具电极工件电极(a)(b)(c)(d)(e)BA7 (1) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道。极间介质的电离、击穿，形成放电通道。(图图a) 工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，在工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，在两极间距离最近处电场强度最大。两极间距离最近处电场强度最大。工具电极与工件电极之间充满着液体介质，

5、工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中液体介质中含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。由于通由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还

6、伴随着光效应和声效应，这就形成周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。了肉眼所能看到的电火花。8 (2) 电极材料的熔化、气化热膨胀电极材料的熔化、气化热膨胀(如图 b.c)。 液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。 通道高温首先使工作液液化，进而气化，然后高温向四周扩散，通道高温首先使工作液液化，进而气化，

7、然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。听到轻微的爆炸声。9 (3) 电极材料的抛出电极材料的抛出(如图如图d所示所示)。 正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断通道中心

8、的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。 10 (4) 极间介质的消电离极间介质的消电离(如图如图e所示所示)。加工液流入放电。加工液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。状

9、态。 若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。1

10、12 2、电火花加工的特点、电火花加工的特点(1)(1)可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及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。高纯度的导电材料。(2)(2)加工时无明显的机械力，故适用于低刚度工件和微细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。结构的加工。(3)(3)脉冲参数可根据需要进行调节，因而可以在同一台机脉冲参数可根据需要进行调节，因而可以在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工。床上进行粗加工、半精加工和精加工。(4)(4)在一般情况下生产效率低于切削加工。在一般情况下生产效率低于切削加工。(5)(5)放电过程有部分能量消耗在

11、工具电极上，从而导致电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。极损耗，影响成形精度。123 3、 电火花加工的分类电火花加工的分类 按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工主要分为：不同，电火花加工主要分为：电火花成形加工电火花成形加工、电火花线切割电火花线切割加工、加工、电火花表面强化电火花表面强化等。等。 （1 1）电火花成形加工）电火花成形加工 电火花成形加工是通过工具电极相对于工件作电火花成形加工是通过工具电极相对于工件作进给运动，进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件将工件电极的形状和尺寸复制

12、在工件上上，从而加工出所需要的零件，如图，从而加工出所需要的零件，如图所示。所示。13 电火花成形加工主要用于加工各类电火花成形加工主要用于加工各类热锻模，压热锻模，压铸模、挤压模，塑料模和胶木模的型腔。铸模、挤压模，塑料模和胶木模的型腔。这类这类型腔多为盲孔，内形复杂，各处深浅不同，加型腔多为盲孔，内形复杂，各处深浅不同，加工较为因难。工较为因难。14 近年来，在电火花穿孔加工中发近年来，在电火花穿孔加工中发展了展了高速小孔加工高速小孔加工，解决了小孔，解决了小孔加工中电极截面小，易变形，孔加工中电极截面小，易变形，孔的深径比大，排屑困难等问题，的深径比大，排屑困难等问题，工具电极在回转的同

13、时作轴向进工具电极在回转的同时作轴向进给运动如图。这种方式适合于给运动如图。这种方式适合于0.33 mm0.33 mm的小孔的小孔。 这种方法还可以用于这种方法还可以用于在斜面和曲面上在斜面和曲面上打孔，且孔的尺寸精度和形状精度较高。打孔，且孔的尺寸精度和形状精度较高。15 （2）电火花线切割加工电火花线切割加工 电火花线切割加工是电火花线切割加工是利用移动的细金属丝作工具利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。 电火花线切割按线电极移动的速度大小可分为电火花线切割按线电极移动的速度大小可分为高速走丝高速走丝线切割线切割和和低速走丝线切割

14、低速走丝线切割。我国普遍采用高速走丝线切。我国普遍采用高速走丝线切割。割。（1 1）高速走丝高速走丝时，线电极是直径为时，线电极是直径为0.020.02一一0.30.3的高强度的高强度钼钼丝丝；钼丝往复运动的速度为；钼丝往复运动的速度为810m810ms s。（2 2）低速走丝低速走丝时，多采用时，多采用钢丝钢丝，线电极以小于，线电极以小于0 002 m02 ms s的速度作单方向低速移动。的速度作单方向低速移动。16电火花线切割的原理电火花线切割的原理 17 脉冲电源的一极接工件，另一极接缠绕金属丝的储脉冲电源的一极接工件，另一极接缠绕金属丝的储丝筒。电极丝穿过工件上预加工的工艺小孔，再经丝

15、筒。电极丝穿过工件上预加工的工艺小孔，再经导轮由储丝筒带动作正，反向的往复移动。工作台导轮由储丝筒带动作正，反向的往复移动。工作台在水平面两个坐标方向按各自预定的控制程序，在水平面两个坐标方向按各自预定的控制程序，根根据放电间隙状态作伺服进给移动，合成各种曲线轨据放电间隙状态作伺服进给移动，合成各种曲线轨迹，把工件切割成形。与此同时，工作液不断喷注迹，把工件切割成形。与此同时，工作液不断喷注在工件与钼丝之间，起绝缘、冷却和冲走屑末的作在工件与钼丝之间，起绝缘、冷却和冲走屑末的作用。用。 18电火花加工、电火花线切割加工的特点电火花加工、电火花线切割加工的特点 1 1共同特点共同特点 (1) (

16、1) 二者的加工原理相同二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产，都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。削力。 (2) (2) 二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律基本相似规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。，可以加工硬质合金等一切导电材料。19电火花加工3456721(b) 穿孔加工(c) 成型加工电极工件电极工件1工件；2脉冲电源；3自动进给调节系统；4工具；5工作液；6

17、过滤器；7工作液泵(a) 电火花加工原理示意图20图 线切割加工(a) 加工示意图543211绝缘底板；2工件；3脉冲电源；4滚丝筒；5电极丝(b) 线切割加工原理示意图212不同特点不同特点 （1）从加工原理看，）从加工原理看，电火花加工是将电极形状复制到工件电火花加工是将电极形状复制到工件上。在实际中可以加工通孔（穿孔）和盲孔上。在实际中可以加工通孔（穿孔）和盲孔(成型加工）。成型加工）。 线切割加工是利用移动的细金属导线线切割加工是利用移动的细金属导线(铜丝或钼丝铜丝或钼丝)做电极，做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法。对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法。

18、(2) (2) 从产品形状角度看，从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方电火花加工必须先用数控加工等方法法加工出与产品形状相似的电极加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状；线切割加工中产品的形状是是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进，只对工件进行轮廓图形加工，余料仍可利用。行轮廓图形加工，余料仍可利用。22 (3) (3) 从电极角度看，从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极电火花加工必须制作成型用的电极( (一般一般用用铜、石墨铜、石墨等材料制作而成等材料制作而成) )；线切割加工用移动的细金属导；线切割加工用

19、移动的细金属导线线( (铜丝或钼丝铜丝或钼丝) )做电极。做电极。 (4) (4) 从电极损耗角度看，从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，电火花加工中电极相对静止，易损易损耗，故通常采用多个电极加工耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于；而线切割加工中由于电极丝电极丝连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。 (5) 从应用角度看从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适宜加工形

20、状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹等；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形等；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件。状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件。23(a) 电火花加工产品 (b) 线切割加工产品图2-5 加工产品实例24二、二、 电解加工电解加工一、电解加工过程及特点一、电解加工过程及特点 电解加工是利用金属在电解液中的电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解阳极溶解”将将工件加工成形的工件加工成形的。 25化学反应化学反应 电解加工时的化学反应是比较复杂的电解加工时的化

21、学反应是比较复杂的 , 它随它随工工件材料、件材料、 电解液成分电解液成分等不同而不同。当用氯化钠水溶等不同而不同。当用氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢工件时液作电解液加工低碳钢工件时 , 其主要电化学反应如其主要电化学反应如下下 :电解液在电场作用下离解电解液在电场作用下离解2) 工件工件 ( 阳极阳极 ) 离解并与电解液反应离解并与电解液反应3) 工具极工具极 ( 阴极阴极 ) 反应反应222HeH26 工件工件 ( 阳极阳极 ) 的的 Fe 原子失去电子原子失去电子 , 以以 Fe+ +的形式与的形式与电解液中的电解液中的 OH- 化合生成化合生成 Fe(OH)2 而沉淀。由于而沉淀。由于

22、 Fe(OH)2 在水中的溶解度很在水中的溶解度很 小小 , 起初为墨绿色的絮状起初为墨绿色的絮状物物 , 时间一长时间一长 , 就逐渐被电解液及空气中的氧氧化就逐渐被电解液及空气中的氧氧化 , 而而生成黄褐色的生成黄褐色的 Fe(OH)3( 即铁锈即铁锈 ) 沉淀物沉淀物 ,其反应如下其反应如下 : 4Fe(OH)2+2H2O +O2 4Fe(OH)3 沉淀物被高速流动的电解液带走沉淀物被高速流动的电解液带走 , 达到去除工件材料的达到去除工件材料的目的。目的。 电解液电解液中的中的 H+ 不断从工具不断从工具 ( 阴极阴极 ) 得到电子得到电子 , 形成氢形成氢气气 (H2) 游离而出游离

23、而出 。在整个过程中在整个过程中 , 仅有工件仅有工件 ( 阳极阳极 ) 和水逐渐消耗和水逐渐消耗 , 而而工具工具 ( 阴极阴极 ) 和和 NaCl 并不消耗。并不消耗。27 当工具阴极不断向工件进给时当工具阴极不断向工件进给时 , , 在工件表面上在工件表面上 , , 金属材料按阴极型面的形状不断地溶解金属材料按阴极型面的形状不断地溶解 , , 电解产电解产生物被高速电解液带走生物被高速电解液带走 , , 于是在工件的相应表面于是在工件的相应表面上就加工出和阴极型面近似相反的形状。上就加工出和阴极型面近似相反的形状。 电解加工采用电解加工采用 低的工作电压低的工作电压 (6-24 V) (

24、6-24 V) 大的工作电流大的工作电流 ( ( 某些场合可高达某些场合可高达 20000A) 20000A) 狭小的加工间隙狭小的加工间隙 (0.1-1mm) (0.1-1mm) 高的电解液流速高的电解液流速 (5-60m/s) (5-60m/s) 。28电解液电解液 1. 主要作用：主要作用： 作为导电介质传递电流；作为导电介质传递电流； 在电场作用下进行电化学反应；在电场作用下进行电化学反应； 及时带走加工间隙内产生的电解产物及量。及时带走加工间隙内产生的电解产物及量。 29 2. 基本要求：基本要求： 保证足够的蚀除速度保证足够的蚀除速度 即电解质有较高的溶解即电解质有较高的溶解度和离

25、解度度和离解度 保证较高的精度和表面质量保证较高的精度和表面质量 即电解液中的金即电解液中的金属阳离子不应放电沉积到阴极工具上。属阳离子不应放电沉积到阴极工具上。 阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 。 具有性能稳定、操作安全、价格便宜及对设具有性能稳定、操作安全、价格便宜及对设备腐蚀性小的特点。备腐蚀性小的特点。 30 3. 常用的电解液：常用的电解液： 酸性电解液：酸性电解液：导电率高，蚀除速度快，电解产导电率高，蚀除速度快，电解产物易溶于电解液。但对人的危害和对设备的腐蚀性物易溶于电解液。但对人的危害和对设备的腐蚀性大，金属离子容易沉积在阴极处，且废

26、液难以处理。大，金属离子容易沉积在阴极处，且废液难以处理。 只用在高精度小间隙、细长孔以及锗、钼、铌只用在高精度小间隙、细长孔以及锗、钼、铌等难溶金属加工。等难溶金属加工。 碱性电解液：碱性电解液：对人有害，会生成难溶性阳极薄对人有害，会生成难溶性阳极薄膜，只用于加工钨、钼等金属材料。膜，只用于加工钨、钼等金属材料。 中性电解液：中性电解液：使用时安全，对设备腐蚀性小，使用时安全，对设备腐蚀性小，使用比较普遍。使用比较普遍。 314.电解液的流向及流速电解液的流向及流速 流向：正向流动、反向流动和横向流动。流向：正向流动、反向流动和横向流动。 32 流速：由电解液泵的出口压力决定，一般为流速：

27、由电解液泵的出口压力决定，一般为10ms。电流密度大时，流速应适当调高。电流密度大时，流速应适当调高。33 3 3、电解加工的特点、电解加工的特点 (1) (1) 生产率高：生产率高：能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔型腔 , , 如锻模、叶片等。如锻模、叶片等。(2) (2) 加工范围广：加工范围广：可加工高硬度可加工高硬度 及高强度和高韧性等难切削的金及高强度和高韧性等难切削的金属材料属材料 , , 如淬火钢、高温合金、钛合金等。如淬火钢、高温合金、钛合金等。(3) (3) 无机械切削力或切削热无机械切削力或切削热 ：适合于易变形或

28、薄壁零件的加工。：适合于易变形或薄壁零件的加工。(4) (4) 加工后零件表面无剩余应力和毛刺加工后零件表面无剩余应力和毛刺： 表面粗糙度表面粗糙度 Ra Ra 值为值为 0.2-0.8 m0.2-0.8 m。(5) (5) 工具阴极不损耗。工具阴极不损耗。缺点：缺点：加工稳定性不好控制；不适合单件小批量生产；加工稳定性不好控制；不适合单件小批量生产；设备投资大；产生环境污染。设备投资大；产生环境污染。4 4、电解加工和电火花加工的比较、电解加工和电火花加工的比较 在应用范围上有许多相似之处在应用范围上有许多相似之处 , , 所不同的是电解加工的所不同的是电解加工的生产率生产率较高较高 , ,

29、 加工精度较低加工精度较低 , , 且机床费用较高且机床费用较高。电解加工适用于成批和大量生产电解加工适用于成批和大量生产 电火花加工主要适用于单件小批生产电火花加工主要适用于单件小批生产 。345 5、电解加工的应用电解加工的应用 （1 1）电解整体叶轮电解整体叶轮 叶片是喷气发动机、汽轮机中的关键零件，它的形状复杂，精叶片是喷气发动机、汽轮机中的关键零件，它的形状复杂，精度要求高，生产批量大。度要求高，生产批量大。 机械加工方法制造叶轮时，叶片毛坯是精密铸造的，经过机械加机械加工方法制造叶轮时，叶片毛坯是精密铸造的，经过机械加工和抛光，再分别镶入叶轮轮缘的榫槽中，最后焊接形成整体叶轮。工和

30、抛光，再分别镶入叶轮轮缘的榫槽中，最后焊接形成整体叶轮。 电解加工整体叶轮时，只要先将整体叶轮的毛坯加工好，可用电解加工整体叶轮时，只要先将整体叶轮的毛坯加工好，可用套料法加工。每加工完一个叶片，退出阴极，分度后再依次加工下套料法加工。每加工完一个叶片，退出阴极，分度后再依次加工下一个叶片。一个叶片。电解加工的叶片型面电解加工的叶片型面 不但可大大缩短加工不但可大大缩短加工周期，而且可保证叶轮周期，而且可保证叶轮的整体强度和质量。不的整体强度和质量。不受材料硬度和韧性的限受材料硬度和韧性的限制，在一次行程中可加制，在一次行程中可加工出复杂的叶片型面，工出复杂的叶片型面，比机械加工有明显的优比机

31、械加工有明显的优越性。越性。35 （2 2）电解去毛刺电解去毛刺 机械加工中常采用钳工方法去毛刺，这不机械加工中常采用钳工方法去毛刺，这不但工作量大，而且有的毛刺因过硬或空间狭小但工作量大，而且有的毛刺因过硬或空间狭小而难以去除。若采用电解加工，则可以提高工而难以去除。若采用电解加工，则可以提高工效，节省费用。效，节省费用。 利用电解加工，不仅可以完成上述重要的利用电解加工，不仅可以完成上述重要的工艺过程，而且还可以应用于加工型孔、型腔、工艺过程，而且还可以应用于加工型孔、型腔、复杂型面、小而深的孔复杂型面、小而深的孔 , , 以及套料、去毛刺、以及套料、去毛刺、刻印等方面。刻印等方面。 （3

32、 3）电解加工锻模电解加工锻模 有一些机械零件锻模精度要求不高可采用电有一些机械零件锻模精度要求不高可采用电解加工提高生产效率。解加工提高生产效率。36电解磨削电解磨削一、电解磨削的原理及特点一、电解磨削的原理及特点 原理：电解作用与机械磨削相原理：电解作用与机械磨削相 结合进行加工结合进行加工37 二、电解液及电解磨削设备二、电解液及电解磨削设备 1. 电解液电解液 要求：能使金属表面生成结构紧密、粘附要求：能使金属表面生成结构紧密、粘附力强的钝化膜并不发生阳极溶解；具有良好力强的钝化膜并不发生阳极溶解；具有良好的导电性；的导电性； 常用电解液：电解磨削碳钢以常用电解液：电解磨削碳钢以NaN

33、O3、KNO3、NaNO2等为主的；磨削硬质合金时，等为主的；磨削硬质合金时，除了除了NaNO3或或KNO3外，还应加入适当的外，还应加入适当的“络合剂络合剂” 或其它物质。或其它物质。38 2. 电解磨削设备电解磨削设备 组成：直流电源，电解液系统和电解磨床。组成：直流电源，电解液系统和电解磨床。 直流电源：电压直流电源：电压520V内可调，最大工作电内可调，最大工作电流视加工面积和生产率可自流视加工面积和生产率可自101000A不等。不等。 循环泵：耐蚀性强，具有过滤和沉淀杂质、抽循环泵：耐蚀性强，具有过滤和沉淀杂质、抽风装置。风装置。 电解磨床：与普通磨床类似，机床主轴应保证电解磨床：与

34、普通磨床类似，机床主轴应保证砂轮工作面的偏摆量不大于砂轮工作面的偏摆量不大于0.010.02mm。工具、。工具、夹具和机床间应有绝缘措施，防腐措施。夹具和机床间应有绝缘措施，防腐措施。39电铸与涂镀电铸与涂镀 电镀：404142电铸电铸 1. 电铸加工原理及特点电铸加工原理及特点 原理：利用电镀液中金属正离子在电场的作原理：利用电镀液中金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极。用下，镀覆沉积到阴极。43 2. 电铸加工的主要设备电铸加工的主要设备 包括：电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系包括：电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统及加热和冷却装置。统及加热和冷却装置。 电铸槽：一般用铅板、橡腔或

35、塑料等耐腐蚀材电铸槽：一般用铅板、橡腔或塑料等耐腐蚀材料作衬里，焊接钢板作外框。料作衬里，焊接钢板作外框。 直流电源：直流电源：320V可调，电流密度为可调，电流密度为0.150.30Acm2。44 四四、高能束加工简介、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射束, ,去除工件上多余材料的特种加工方法，通常包括去除工件上多余材料的特种加工方法，通常包括激光加工、电子束加工和离子束加工激光加工、电子束加工和离子束加工等。等。 1、激光加工光加工激光加工是光加工是2020世纪世纪6060年代发展起来的一种新技术。它是利年代发

36、展起来的一种新技术。它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能敏密度，依靠光热用光能经过透镜聚焦后达到很高的能敏密度，依靠光热效应来加工各种材料。由于它利用高能光束进行加工，效应来加工各种材料。由于它利用高能光束进行加工，加工速度快，变形小，可以加工各种金属和非金属材料，加工速度快，变形小，可以加工各种金属和非金属材料，在生产实践中不断显示出它的优越性，因而，泛用于打在生产实践中不断显示出它的优越性，因而，泛用于打孔、切割、焊接、表面热处理以及信息存储等许多领城。孔、切割、焊接、表面热处理以及信息存储等许多领城。45（1 1）激光加工原理）激光加工原理 激光激光是一种受激辐射产生的加强光。它的光是

37、一种受激辐射产生的加强光。它的光强度高，方向性、相干性和单色性好，通过光学强度高，方向性、相干性和单色性好，通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密度的极小光斑，从而获得极高的能量密度(10 -10 (10 -10 W Wc c) )。当激光照射到工件表面，光能被工件。当激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达万万度度以上，使材料熔化甚至汽化。随着激光能量的以上，使材料熔化甚至汽化。随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压不断

38、吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。波的综合作用过程。 81046 如图是固体激光器中激光的产生和工作原理图。如图是固体激光器中激光的产生和工作原理图。 当激光的工作物质当激光的工作物质钇铝石榴石钇铝石榴石受到光泵受到光泵( (激励脉激励脉冲债灯冲债灯) )的激发后，吸收具有特定波长的光，在一的激发后，吸收具有特定波长的光，在

39、一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为能级粒子数，这种现象称为粒子数反转粒子数反转。此时一旦。此时一旦有少量激发粒子发生受激辐射跃迁，造成光放大，有少量激发粒子发生受激辐射跃迁，造成光放大，再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，就会由谐振腔的一端输出激光。再通用产生振荡，就会由谐振腔的一端输出激光。再通过透镜聚焦形成高能光束，照射在工件表面，即可过透镜聚焦形成高能光束，照射在工件表面，即可进行加工。固体激光器中常用的工作物质除了进行加工。固体激光器中常用的工

40、作物质除了钇铝钇铝石榴石石榴石外，还有外，还有红宝石红宝石和和铷玻璃铷玻璃等材料。等材料。47（2 2）激光加工的特点激光加工的特点 几乎可以加工任何金属与非金属材料。激光加几乎可以加工任何金属与非金属材料。激光加工无明显机械力，也不存在工具损耗问题。加工速工无明显机械力，也不存在工具损耗问题。加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。激度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部进行焊接等。激光可以通过聚焦，形成微米级部进行焊接等。激光可以通过聚焦，形成微米级的光斑，输出功率的大小又可以调节，因此可用

41、于的光斑，输出功率的大小又可以调节，因此可用于精密微细加工。可以达到精密微细加工。可以达到0.01 mm0.01 mm的平均加工精的平均加工精度和度和0 0001 mm001 mm的最高加工精度，表面粗糙度的最高加工精度，表面粗糙度RaRa可可达达0 010104 4 m m。 特别适用对坚硬材料进行微小孔的加工，孔的直径特别适用对坚硬材料进行微小孔的加工，孔的直径一般为一般为0.011mm，最小孔径可达，最小孔径可达0001 mm，孔的深径比可达孔的深径比可达50100；也可加工异形孔。；也可加工异形孔。48(3) (3) 激光加工的应用激光加工的应用 激光加工的主要参数为激光的功率密度，激

42、光的波长和输出的激光加工的主要参数为激光的功率密度，激光的波长和输出的脉宽，激光照射在工件上的时间以及工件对能量的吸收等。脉宽，激光照射在工件上的时间以及工件对能量的吸收等。 激光表面热处理激光表面热处理 功率密度约为功率密度约为10 10 一一10 W10 Wc c，便可实现表面淬火。淬火层的，便可实现表面淬火。淬火层的深度一般为深度一般为0.7-1.1 mm0.7-1.1 mm，淬火层的硬度比常规淬火约高，淬火层的硬度比常规淬火约高 2020，产生的变形小，并能对低碳钢的表面淬火强化。产生的变形小，并能对低碳钢的表面淬火强化。 激光焊接激光焊接 功率密度为功率密度为10 10 一一10 W

43、10 W c c ，照射时间约为，照射时间约为1 1100 S100 S左右左右, ,即可进行焊接，激光焊接过程迅速，热影响区小，无需焊料和焊即可进行焊接，激光焊接过程迅速，热影响区小，无需焊料和焊剂剂, ,焊缝质量高，既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，焊缝质量高，既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，还可以透过玻璃进行焊接。还可以透过玻璃进行焊接。 激光切割激光切割 功率密度约为功率密度约为10 10 一一10 W10 W c c, , 可以切割金属材料，非金属材可以切割金属材料，非金属材料。它还能透过玻璃切割真空管内的灯丝，这是任何机械加工所料。它还能透过玻璃切割真空管内的灯丝，这

44、是任何机械加工所难以达到的。难以达到的。 激光打孔激光打孔 功率密度一般为功率密度一般为10 -10 c10 -10 c . .它主要应用于在特殊零件或特殊它主要应用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭发动机和柴油机的喷油嘴、化学纤维的喷材料上加工孔。如火箭发动机和柴油机的喷油嘴、化学纤维的喷丝板、钟表上的宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模等零件上的微细孔丝板、钟表上的宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模等零件上的微细孔加工。激光打孔的效率很高。加工。激光打孔的效率很高。3557778549 当电子束冲击到工件时，当电子束冲击到工件时，在极短的时间内使受冲击在极短的时间内使受冲击部位的温度升高到几千摄部位的温

45、度升高到几千摄氏度以上，足以使任何材氏度以上，足以使任何材料瞬间熔化、气化。料瞬间熔化、气化。从而从而达到材料去除加工的目的。达到材料去除加工的目的。由上述可知，电子束是利由上述可知，电子束是利用电子的动能转换成热能用电子的动能转换成热能对材料进行加工的。对材料进行加工的。 2、电子束加工的基本原理、特点及应用电子束加工的基本原理、特点及应用 图是电子束加工原理的示意图。在真空条件下，由电图是电子束加工原理的示意图。在真空条件下，由电子枪旁热阴极发射的电子，在高电压子枪旁热阴极发射的电子，在高电压(80-200kV)作用下被作用下被加速到很高的速度加速到很高的速度(1/2一一13光速光速)，然

46、后通过电子透镜，然后通过电子透镜聚焦形成高能量密度聚焦形成高能量密度(1000一一10000kWm)的电子束。的电子束。50 电子束加工具有如下特点电子束加工具有如下特点： （1 1）对任何材料都能进行加工，与材料的强度无关对任何材料都能进行加工，与材料的强度无关，能达到使材料气化，都能用电子束进行加工。能达到使材料气化，都能用电子束进行加工。 (2) (2)加工速度快，一般厚度为加工速度快，一般厚度为0.1-1 mm0.1-1 mm的工件的工件, ,打孔打孔时间为时间为10S10S至数秒；切割厚度为至数秒；切割厚度为1 mm1 mm的钢板的钢板, ,速度可达速度可达240mm240mmmin

47、min。 (3)(3)非接触加工非接触加工, ,不存在工具磨耗问题，对工件无机不存在工具磨耗问题，对工件无机械切削力作用械切削力作用, ,而且加工时间极短，所以工件无变形。而且加工时间极短，所以工件无变形。 (4)(4)电子束的束径小电子束的束径小, ,最小直径可达最小直径可达0.010.05mm0.010.05mm，电子束长度可达束径的几十倍电子束长度可达束径的几十倍, ,故能加工微细的深孔、故能加工微细的深孔、窄缝等。窄缝等。 (5)(5)加工点上化学纯度高。加工点上化学纯度高。 由于是在真空中加工，由于是在真空中加工，可防止氧化而产生杂质，适合于加工，易氧化的金属及可防止氧化而产生杂质，

48、适合于加工，易氧化的金属及合金材料，特别适于加工要求高纯度的半导体材料。合金材料，特别适于加工要求高纯度的半导体材料。 51 (6)可控制性能好：可控制性能好： 通过磁场或电场即可控制电子束通过磁场或电场即可控制电子束的强度，进行聚焦和调节焦点位置，并可采用计算机进的强度，进行聚焦和调节焦点位置，并可采用计算机进行控制。行控制。 电子束加工已实际应用于不锈钢、耐热钢、合金钢、电子束加工已实际应用于不锈钢、耐热钢、合金钢、陶瓷、玻璃和宝石等材料的打孔或切槽除了加工圆孔、陶瓷、玻璃和宝石等材料的打孔或切槽除了加工圆孔、通孔之外，还可以加工异形孔、锥孔、盲孔和窄缝等。通孔之外，还可以加工异形孔、锥孔

49、、盲孔和窄缝等。 电子束与气体分子碰撞时，会产生能量损失和散射，电子束与气体分子碰撞时，会产生能量损失和散射，所以电子束加工一般在高真空度的工作室内进行。并且所以电子束加工一般在高真空度的工作室内进行。并且由于使用高电压，会产生较强的由于使用高电压，会产生较强的x x射线，必须采取相应射线，必须采取相应的安全防护措施。由此而限制了它的应用，除特定的需的安全防护措施。由此而限制了它的应用，除特定的需要，一般为激光加工所代替。要，一般为激光加工所代替。52 从电离室引出的离子流若不聚焦成束状，从电离室引出的离子流若不聚焦成束状，而是使它大体均匀地投射到大面积的工件而是使它大体均匀地投射到大面积的工

50、件表面上，同时采取掩膜等措施也可对工表面上，同时采取掩膜等措施也可对工件表面进行微细的溅射去除加工。件表面进行微细的溅射去除加工。 离子束溅射去除加工的机理不同于电离子束溅射去除加工的机理不同于电子束加工，它是一种无热加工，离子与工子束加工，它是一种无热加工，离子与工件材料原子之间的碰撞接近于弹性碰撞。件材料原子之间的碰撞接近于弹性碰撞。在碰撞过程中，离子所具有的能量传递给在碰撞过程中，离子所具有的能量传递给材料的原子、分子，其中一部分能量使工材料的原子、分子，其中一部分能量使工件材料产生溅射、抛出，其余能量转变为件材料产生溅射、抛出，其余能量转变为材料晶格的振动能。材料晶格的振动能。 3、离

51、子束加工的基本原理、特点及应用离子束加工的基本原理、特点及应用图为离子束加工原理示意图。首先把氩图为离子束加工原理示意图。首先把氩(Ar)(Ar)、氪、氪(Kr)(Kr)、氙、氙(Xe)(Xe)等惰等惰性气体注入低真空（约性气体注入低真空（约1Pa)1Pa)的电离室中，用高频放电、电弧放电、的电离室中，用高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击等方法使其电离成等离子体，接着用加速等离子体放电或电子轰击等方法使其电离成等离子体，接着用加速电极将离子呈束状拉出并使之加速。然后离子束进入高真空电极将离子呈束状拉出并使之加速。然后离子束进入高真空( (约约10-10-4Pa4Pa）的加工室，并用静电

52、透镜聚成细束向工件表面冲击，从工件）的加工室，并用静电透镜聚成细束向工件表面冲击，从工件表面打出原子或分子，从而达到溅射去除加工的目的。表面打出原子或分子，从而达到溅射去除加工的目的。53 离子束加工具有如下特点离子束加工具有如下特点： 离子束光斑直径可以聚焦到离子束光斑直径可以聚焦到1m1m内，离子束流密度内，离子束流密度和离子的能量可以精确控制，并且可以通过离子光学系和离子的能量可以精确控制，并且可以通过离子光学系统进行扫描，因此能够进行微细加工，并能精密地控制统进行扫描，因此能够进行微细加工，并能精密地控制加工效果。加工效果。 离子束加工是在真空中进行的，污染少，特别适合离子束加工是在真

53、空中进行的，污染少，特别适合于易氧化的金属、合金和半导体材料的加工。于易氧化的金属、合金和半导体材料的加工。 离子撞击工件表面只产生微观的作用力，宏观上作离子撞击工件表面只产生微观的作用力，宏观上作用力很小。因此加工应力很小，工件不变形，适合于脆用力很小。因此加工应力很小，工件不变形，适合于脆性，半导体和高分子材料的加工。性，半导体和高分子材料的加工。 离子束溅射去除加工，可以对材料实现纳米级加工自离子束溅射去除加工，可以对材料实现纳米级加工自至分子级、原子级加工，可以将材料的原子一层一层地至分子级、原子级加工，可以将材料的原子一层一层地去除，尺寸精度和表面粗糙度可以达到极限的程度。主去除，尺

54、寸精度和表面粗糙度可以达到极限的程度。主要用于精微的穿孔、蚀刻、切割、铣削、研磨和抛光。要用于精微的穿孔、蚀刻、切割、铣削、研磨和抛光。例如集成电路、声表面器件、磁泡器件、超导器件、光例如集成电路、声表面器件、磁泡器件、超导器件、光电器件、光集成器件等微电子器件的图形蚀刻，石英晶电器件、光集成器件等微电子器件的图形蚀刻，石英晶体振荡器、压电传感器等的减薄，金刚石触针的成形，体振荡器、压电传感器等的减薄，金刚石触针的成形，非球面透镜的加工，等等。非球面透镜的加工，等等。54 五、水射流切割技术五、水射流切割技术 2020世纪世纪6060年代，研发了利用水为工具的一种加工技术年代，研发了利用水为工

55、具的一种加工技术水水射流切割射流切割(WaterJet Cutting(WaterJet Cutting，WJC)WJC)。 1 1、水射流切割水射流切割是利用在高压下，由喷嘴喷射出的高速水射是利用在高压下，由喷嘴喷射出的高速水射流对材料进行切割的技术。流对材料进行切割的技术。 水射流切割技术由于单纯利用水射流切割，切割力较小，适水射流切割技术由于单纯利用水射流切割，切割力较小，适宜切割软材料喷嘴寿命长。宜切割软材料喷嘴寿命长。2 2、磨料水射流切割、磨料水射流切割利用带有磨料的水射流对材料进行切割的利用带有磨料的水射流对材料进行切割的技术。技术。 而磨料水射流切割由于混有磨料，切割力大，适宜

56、切割硬而磨料水射流切割由于混有磨料，切割力大，适宜切割硬材料，但喷嘴磨损快，寿命短。材料，但喷嘴磨损快，寿命短。 553、水射流切割原理 水射流切割是利用高速高压的液流对工件的冲击作用来去除水射流切割是利用高速高压的液流对工件的冲击作用来去除材料的。材料的。 使水获得压力能的方式有两种：一种是直接采用高压水泵供水，使水获得压力能的方式有两种：一种是直接采用高压水泵供水，压力可达到压力可达到3560MPa3560MPa；另一种是采用水泵和增压器，可获得；另一种是采用水泵和增压器，可获得100100一一1000 MPa1000 MPa的超高压和的超高压和0 05251 ml5251 mls s的较小流量。用于的较小流量。用于切割的水射流速度可达切割的