《机械制造工程》第4版多媒体课件第二篇第八章

机械工业出版社出版多媒体教学课件第4版机械制造工程吴拓编普通高等教育“十一五”国家级规划教材机械工业出版社精品教材WuTuo制作机械制造工程（第4版）第二篇机械制造工艺第三篇常用机床夹具及其设计第四篇当代先进制造技术概要

第一篇

金属切削加工及装备第二篇

机械制造工艺WuTuo制作联系电话六章

机械加工工艺规程第七章

典型表面与典型零件的加工工艺第八章

特种加工与其他新加工工艺第九章

机械加工质量的技术分析第八章

特种加工与其他新加工工艺

第一节特种加工工艺知识要点一特种加工概述传统的机械加工已有很长的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用刀具材料比工件更硬靠机械能切除工件上的多余金属传统的机械加工的本质和特点工业现代化尤其国防工业对机械加工提出新要求解决各种难切削材料的加工问题解决各种复杂表面的加工问题解决各种超精光整、或有特殊要求的零件加工问题解决特殊材料、特殊零件的加工问题特种加工的特点不是主要依靠机械能，而是主要采用其它能量（如电、化学、光、声、热等）去除金属材料工具硬度可以低于被加工材料的硬度加工时工具和工件间不存在显著的机械切削力主运动速度一般都很低加工后表面边缘无毛刺残留为区别现有切削加工方法，将上述新加工方法称为特种加工，国外称作非传统加工（NTM,Non-TraditionalMachining）或非常规机械加工（NCM,Non-ConventionalMachining）特种加工引起观念的变革提高了材料的可加工性改变了零件的典型工艺路线改变试制新产品的模式，缩短试制周期对产品零件的结构设计带来很大的影响重新衡量零件结构工艺性的好与坏微细加工和纳米加工的主要手段知识要点二电火花加工机械制造工程——第八章电蚀现象开关触点开闭时，都会产生一道蓝白色的电弧光。这种弧光放电往往会使接触表面腐蚀得凹凸不平、粗糙发毛以至逐渐损坏。这种金属表面在自激放电作用下所产生的破坏现象称为金属的电蚀电蚀原因电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度（104℃），足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。电火花加工的基本原理、特点及应用电火花加工所形成的表面如图所示电火花加工的基本原理就是基于工具和工件（正、负电极）之间因脉冲放电的电腐蚀现象来蚀除多余金属，以达到对零件尺寸、形状及表面质量预定的加工要求电火花腐蚀是一个物理微观过程，大致分为四个连续的阶段：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；极间介质的消电离电火花加工的基本原理电火花加工的基本条件必须使工具电极和工件被加工表面之间始终保持一定的很小放电间隙火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续时间一般为10-7~10-3s，放电后需停歇一段时间火花放电必须在有一定绝缘性能（103~107Ωcm）的液体介质中进行CA20数控精密电火花成型机适合任何难切削材料的加工。可以加工特殊及复杂形状的零件。加工电极与工件不直接接触，没有机械切削力作用，不会产生受力变形，特别适宜加工低刚度工件。电火花加工的特点加工表面微观形貌圆滑，无沟纹、毛刺等缺陷。工艺适应面宽，可与其他工艺结合，形成复合加工。直接利用电能加工，便于实现自动化控制。但加工速度慢；存在电极损耗和二次放电；只能加工导电材料。电火花加工工艺方法分类及其应用按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字等六大类。前五类属成形、尺寸加工，后一类属表面加工方法电火花丝切割基本原理电火花线切割加工（WireCutEDM，简称WEDM）是利用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形高速走丝电火花线切割机床（WEDM—HS）走丝速度为8~10m/s（我国独创）装置低速走丝电火花线切割机床（WEDM—LS）走丝速度低于0.2m/s（国外多用）高速走丝电火花线切割利用细钼丝4作工具电极进行切割，贮丝筒7使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源3供给。电极丝和工件之间由液压泵浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹把工件切割成形电火花线切割原理及设备构成DK77环保型线切割机床DK7725数控线切割机床D7132数控线切割机床CF20数控精密慢走丝线切割机床加工特点加工的电压、电流波形与电火花加工的基本相似加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律及材料的可加工性等也与电火花成形加工的基本相似工具电极细小，故电参数不能太大；加工工艺范围较小；常按正极性方式加工为实现安全无人运转，用水或水基工作液；其电阻率远比煤油小，此时会产生电解效应，有益改善表面粗糙度待续电极丝与工件始终有相对运动，没有稳定的放电状态工具与工件电极间存在“疏松接触”式轻压放电省掉成形工具电极，大大降低了工具电极的设计和制造费用，缩短了加工周期因为工具电极丝较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件续前工具电极丝移动长度大，使单位长度电极丝的损耗较小，对加工精度影响减小实体加工时，需加工穿丝用的预孔应用范围加工各种模具各种材料的切断试制新产品加工薄形零件加工电火花成形加工用的电极知识要点三电化学加工机械制造工程——第八章定义电化学反应：电解溶液中，电极金属片和溶液的界面上发生的交换电子的反应电化学加工：利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法分类利用电化学阳极溶解来进行加工（电解加工、电解抛光等）利用电化学阴极沉积、涂覆进行加工（电镀、涂镀、电铸等）利用电化学加工与其它加工方法相结合的复合加工工艺（电解磨削等）电化学加工概述特点适应范围广加工质量高加工过程不需要划分阶段电化学加工对环境有一定程度的污染电解液中的电化学反应实验现象利用金属在电解液中的电化学阳极溶解将工件加工成形电解加工原理电解加工实施原理图加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制生产效率高可以达到较好的表面粗糙度和±0.1mm左右的平均加工精度加工过程不存在机械切削力，不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边毛刺阴极工具理论上无耗损，可长期使用特点局限性不易达到高的加工精度和加工稳定性工具电极的设计和修正比较麻烦附属设备多，占地面积大，机床要抗腐蚀，造价高电解产物易造成环境污染选用原则用于难加工材料用于相对复杂形状的零件用于批量大的零件电解加工的应用范围：深孔扩孔加工、型孔加工、型腔加工、套料加工、叶片加工、电解倒棱和去毛刺、电解蚀刻、电解抛光、数控电解加工电化学机械复合加工是由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属工件表面进行加工的复合工艺技术。它包括电解磨削、电解珩磨、电解研磨、电化学机械抛光及电化学机械加工等。在电化学机械复合加工中，主要是靠电化学的作用去除金属，机械作用只是为了更好地加速这一过程。在各种各样的电化学机械复合加工方式中，电化学的作用是相同的，只是机械作用所用的工具及加工方式有所不同。包括电解磨削、电解珩磨、电解研磨等加工工艺电化学机械复合加工电化学机械复合加工的原理比电解加工的加工精度和表面粗糙度好；比机械磨削的生产率高电解作用和机械磨削作用相结合进行加工电解磨削电解磨削原理图与电化学阳极溶解类似，不同之处电解磨削加工过程理机削磨解电阳极钝化膜靠砂轮磨削去除可用冷却用的小型离心泵形状和尺寸精度由砂轮相对于工件的成形运动控制，可用腐蚀较弱的钝化性电解液中极法电解磨削电流密度一定时，电量与导电面积成正比应尽可能增加两极间的导电面积。当磨削外圆时，可采用“中极法”：在普通砂轮外再附加一个中间电极作为阴极，工件接正极，砂轮不导电，电解作用在中间电极和工件间进行，砂轮只起刮除钝化膜的作用将普通珩磨机床及珩磨头稍加改装，即可实现电解珩磨用于高硬、脆性、韧性材料的小孔、深孔、薄壁筒等零件的加工电解珩磨生产率比普通珩磨高，粗糙度可得改善分为固定磨料加工和流动磨料加工采用钝化型电解液，利用机械研磨去除表面微观不平度各高点的钝化膜，使其露出基体金属再次形成新的钝化膜，实现表面的镜面加工将电解加工与机械研磨结合在一起，即构成电解研磨电解研磨用于不锈钢、钛合金等难加工材料的大平面精密磨削和抛光电化学阴极沉积工艺本质上都属于电镀工艺，都和电解相反，是使电镀液中的金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极上去包括电铸、电镀、刷镀、复合镀及光电镀利用电解液中的金属正离子在外加电场的作用下到达阴极并得到电子，发生还原反应，变成原子而镀覆沉积到阴极的工件上。可导电的原模作阴极，用电铸材料（如纯铜）作阳极，用电铸材料的金属盐（如CuSO4）溶液作电镀液。阴极原模上电铸层达到预定厚度后即可取出电铸加工理原又称刷镀或无槽电镀，是在金属工件表面局部快速电化学沉积金属的新技术涂镀加工理原涂镀时，工件转动，接直流电源的负极，正极与镀笔相接，镀笔端部的不溶性石墨电极用外包尼龙布的脱脂棉套包住，镀液浇注在工件上利用照相和光致抗蚀作用，首先在金属基板上按图形形成电气绝缘膜，然后在基板的暴露部分镀上图形，再剥离金属基板而制成精细制品光电成形掩膜制备：先将原图按一定比例放大描绘在纸上或刻在玻璃上，然后通过照相，按所需大小缩小在照相底片上，再将其紧密贴合在已涂覆感光胶的金属基板上，通过紫外线照射使金属基板上的感光胶膜按图形感光。照相底片上不透光部分，由于挡住了光线照射，胶膜不参与化学反应，仍是水溶性的；而透光的部分则形成了不溶于水的络合物。最后把未感光的胶膜用水冲洗掉，使胶膜呈现出清晰的图像。电镀：将已形成光致抗蚀的基体放入电解脱脂液或氢氧化钠溶液中，进行短时间的阳极氧化处理；或在铬酸钠或硫酸钠溶液中进行短时间浸渍，然后用水清洗，在表面形成剥离薄膜。以此作阴极，用待镀材料作阳极进行电镀。当电镀层达到10µm厚时停止。之后再用水清洗，接着干燥并剥离电镀层，此层称为基底镀层。若10µm厚的镀层已达到要求，即完成制品；但若需要加厚镀层，可将基底镀层用框架展平，再置于镀液中追加电镀。知识要点四高能束加工机械制造工程——第八章光实质上是一定波长范围内的电磁波激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应加工各种材料激光束加工工作原理激光加工原理示意图根据光的量子学说，可认为光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流功率密度高达108~1010W/cm2，几乎可加工任何材料激光光斑可聚焦到微米级，输出功率可调节，可用于精密微细加工加工特点是非接触加工，没有明显的机械力，没有工具损耗；加工速度快，热影响区小打孔和切割的激光深度受限加工装置简单是瞬时的、局部熔化的、气化的热加工，影响因素很多，精度和粗糙度难以保证有金属飞溅物，应戴防护镜应用激光打孔：任何材料上打微型孔；宝石轴承、金刚石拉丝模、喷嘴、喷丝板等激光切割：各种材料，加工Y形、十字形等型孔及切割窄缝与划线以及雕刻；切割玻璃、陶瓷和半导体等硬脆材料；对细小部件作精密切割激光焊接：热敏感很强的晶体管组件焊接；微型精密仪表中的焊接；可焊接异种材料激光表面处理：加热快，光束传递方便，便于控制，可以对形状复杂的零件或局部处进行处理；加热点小，散热快，不需冷却介质真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高速度冲击到工件表面极小的面积上，极短时间内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料局部熔化和气化，被真空系统抽走电子束加工工作原理通过控制电子束能量密度大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的加工材料范围很广电子束能量密度高，生产率很高加工过程可以自动化污染少，加工表面不氧化需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，应用有一定的局限性特点属精密微细加工方法，加工面积可很小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装置由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成应用按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等最小直径可达0.003mm左右加工小深孔（深径比>10:1）可加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料如加工喷丝头异型孔、复杂型面、锥孔、斜孔，甚至加工弯孔和曲面加工喷丝头异形孔高速打孔加工型孔及特殊表面加工曲面加工弯孔刻蚀将陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来，以制造多层固体组件可用于制板利用电子束作为热源电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小；不用焊条，焊接过程在真空中进行，焊缝化学成分纯净，焊接强度往往高于母材可精加工后进行焊接；可先零后整焊可焊难熔金属和很薄的工件；可异种金属的焊接焊接适当控制功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的加热速度和冷却速度很快，能获得一种超细晶粒组织；还可在熔化区添加元素，使金属表面形成很薄的新的合金层光刻电热转换效率高，无材料氧化，功率可大先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使之曝光；然后将它其显影；最后将其与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就能在金属掩模或材料表面上制出图形来热处理将离子源产生的离子束经过加束聚焦，使之打到工件表面。离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，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，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工作原理考夫曼型离子源分类离子刻蚀：用能量为0.5~5keV的氩离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离离子溅射沉积：用0.5~5keV的氩离子轰击靶材，将靶材原子击出并沉积在工件上，使工件表面镀上一层薄膜离子镀：用0.5~5keV的氩离子同时轰击靶材和工件表面离子注入：用5~500keV的离子束直接轰击被加工材料，离子钻进被加工材料的表面层微观作用、宏观压力很小，加工应力、热变形等极小，适合各种材料和低刚度零件的加工，加工质量高加工设备费用贵、成本高，加工效率低特点离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到0.001μm级的加工精度。它是纳米加工技术的基础加工在真空中进行，污染少，适用于高纯度材料的加工离子束加工非球面透镜原理应用刻蚀加工从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程镀膜加工分为溅射沉积和离子镀离子镀用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜、电气膜等离子镀膜附着力强、膜层不易脱落用离子镀在刀具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可提高刀具耐用度离子镀膜代替镀硬铬可减少公害空心阴极放电离子镀装置注入加工应用于半导体改变导电型式和制造P-N结，成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段向工件表面直接注入任何离子，注入量可精确控制离子注入可以制造光波导可提高材料的耐腐蚀性能、改善金属材料的硬度、改善材料的润滑性能知识要点五

超声波加工机械制造工程——第八章超声波是由压电晶片（如石英、钛酸钡等）的逆压电效应产生的人耳能感受到的声波频率在6~16000Hz范围内。频度超过16000Hz的声波称为超声波超声波加工的原理超声波的产生压电晶片受力后的状态把某一规律变化的电压加工压电晶片两面上，它就作相应的机械振动，称为逆压电效应当压电晶片受到某一规律的压缩和拉伸时（晶片厚薄亦产生规律变化），在晶片两面便产生相同电压变化，称为正压电效应当压电晶片受到来自高频（>20000Hz）发生器的高频电压作用而发生逆压电效应时，晶片在其厚度方向发生变薄及变厚的振动，晶片周围介质点亦相应振动，此振动在介质中传播即形成超声波形成机理当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，因液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象，从而引起固体物质分散、破碎等效应能传递很强的能量超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象；在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象超声波的特性超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的利用工具端面作超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的超声加工是基于局部撞击作用，因此越是脆硬的材料，越易进行超声加工。而选择工具材料时则应使之既能撞击磨粒，又不致使自身受到破坏工作原理超声加工原理图特点适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料工具的工件无需复杂的相对运动，超声加工机床结构简单工件表面宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度较好，而且可加工薄壁、窄缝、低刚度零件要求：输出功率和频率连续可调、结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小；有电子管式、晶体管式将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量超声加工设备包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统超声波加工的装置及关键部件超声波发生器压电陶瓷换能器将高频电能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅的振动以进行加工声学部件磁致伸缩换能器——镍棒长度等于超声波半波长或其整数倍，使之处于共振状态（20kHz的换能器，其长度为125mm）换能器几种变幅杆磨料可以靠人工输送和更换，也可利用小型离心泵注入磨料、工作液工作液常用的是水。为了提高表面质量，有时也用煤油或机油磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等装置CSJ-2型超声加工机床对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等生产率比电火花、电解加工低，但加工精度和表面粗糙度要好，且能加工半导体、非导体的脆硬材料如玻璃、石英、宝石甚至金刚石等；电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具等，最后还常用超声抛磨进行光整加工应用型孔型腔加工加工异形孔、套料加工、加工微细孔切割脆硬的半导体材料型孔型腔加工超声切割单晶硅片成批切槽刀具切割成的陶瓷模块超声电解复合加工小孔与其它加工方法结合进行复合加工，以提高加工速度和表面质量复合加工手携式电解超声复合抛光原理图超声波切割金刚石超声振动切削加工应用：清洗喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表机芯、印刷电路板、集成电路微电子器件等超声清洗原理：主要基于超声振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用超声清洗超声清洗液：汽油、煤油、酒精、丙酮、水超声清洗装置四槽式超声波气相清洗机简图

第二节其他新技术新工艺简介机械制造工程——第八章爆炸成形示意图封闭式爆炸成形应用实例爆炸成形知识要点一直接成形技术液压成形示意图液压成形应用实例液压成形旋压模型安装在三爪卡盘上，板料坯料顶压在模型端部，旋压工具形似圆头车刀，安装在方刀架上。模型和工具的材料均要比工件材料软，多用木料或软金属制成。坯料旋转，工具从右端开始，沿模型母线方向缓慢向左移动，即可旋压出与模型外轮廓相符的壳状零件旋压成形要求工件材料具有很好的塑性旋压成形旋压成形示意图旋压