《机械基础 》课件第12章

第12章特种加工和数控加工12.1特种加工技术

12.2数控加工

复习思考题

12.1特种加工技术

1.特种加工的特点特种加工(NontraditionalMachining)是直接利用各种能量,如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等进行加工的方法,与传统的机械加工相比,具有以下特点:

(1)“以柔克刚”。特种加工的工具与被加工零件基本不接触,加工时不受工件的强度和硬度的制约,故可加工超硬脆材料和精密微细零件,甚至工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。

(2)加工机理不同于一般金属切削加工,不产生宏观切屑,不产生强烈的弹性和塑性变形,故可获得很低的表面粗糙度,其残余应力、冷作硬化、热影响度等也远比一般金属切削加工小。

(3)加工时主要用电、化学、电化学、声、光、热等能量去除多余材料,而不是主要靠机械能量切除多余材料。

(4)加工能量易于控制和转换,故加工范围广,适应性强。

2.特种加工的分类

(1)电、热能:电火花加工、电子束加工、等离子加工。(2)电、机械能:离子束加工。(3)电、化学能:电解加工、电解抛光。(4)电、化学、机械能:电解磨削、电解研磨、阳极机械磨削。(5)光、热能:激光加工。(6)化学能:化学加工、化学抛光。(7)声、机械能:超声加工。(8)机械能:磨料喷射加工、

磨料流加工、

液体喷射加工。

12.1.1电火花加工

1.电火花加工的基本原理电火花加工原理如图12-1所示。加工时,脉冲电源的一极接工具电极(常用石墨或纯铜制成),另一极接工件电极。当两极在绝缘液体介质(煤油及矿物油)中靠近时,极间电压将两极间最近点处的液体介质击穿,形成脉冲放电。放电区域产生的瞬时高温,使金属局部熔化甚至气化,形成一个小凹坑。脉冲放电结束后,液体介质恢复绝缘,第二个脉冲又在两极间另一最近点处击穿放电。如此周而复始高频率地放电,工具电极逐渐向工件电极进给,就可将工具的形状复制到工件上,形成所需的加工表面。

图

12-1电火花加工原理图

可见,进行电火花加工必须具备以下三个条件:(1)必须采用脉冲电源,以形成瞬时的脉冲放电。(2)必须在具有一定绝缘强度的液体介质中进行。(3)工具电极与工件电极之间必须保持一定的放电间隙。

2.电火花加工的特点

(1)工件材料的可加工性主要取决于材料的电学、热学性能,而与材料的力学性能无关,这就使电火花加工能用较软的工具加工较硬和较韧的材料,如用纯铜或石墨工具电极加工淬火钢、不锈钢、硬质合金,甚至加工各种超硬材料。

(2)加工中工具电极与工件不直接接触,故没有显著的“切削力”,适于加工各种弹性薄壁件和微细结构的工件。

(3)适合加工特殊表面。由于可以将电极的形状“复印”到工件上,故特别适合加工各种型孔、空间曲面及复杂形状的表面。

(4)直接利用电能加工,易于实现自动控制。

(5)通过调节脉冲参数,可在同一台机床上进行粗加工、

半精加工和精加工。

3.电火花加工的应用

1)电火花成型加工

电火花成型加工(ShapingEDM,SEDM)是通过工具电极相对于工件作进给运动,将工件电极的形状和尺寸复制在工件上,从而加工出所需要的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。

(1)电火花型腔加工。电火花型腔加工包括三维型腔和型面加工以及电火花雕刻，主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木模的型腔,以及各类叶轮、叶片的曲面等。

(2)电火花穿孔加工。电火花穿孔加工主要用于型孔(圆孔、方孔、多边形孔、异形孔)、曲线孔(弯孔、

螺旋孔)、小孔和微孔的加工,如图12-2所示。

图

12-2电火花成型加工

2)电火花线切割加工电火花线切割加工(WireCutEDM,WEDM)是在电火花穿孔成型加工的基础上发展起来的一种工艺形式。它用线状电极(钼丝或钢丝)靠火花放电对工件进行切割,称为电火花线切割,简称线切割。

图12-3所示为电火花线切割加工原理图。

图

12-3电火花线切割加工原理图

线切割加工作为电火花加工的一种,具有电火花成型加工的所有特点的同时,它还具有以下主要特点:

(1)由于采用移动的长电极丝代替了成型工具电极,节省了工具电极的设计与制造的费用,缩短了生产周期,对新产品试制有重要意义。

(2)由于钼丝很细,可加工微细异形孔、窄缝和形状复杂的工件,并且精度高。

(3)线切割因切缝很窄,对金属去除量很少,所以加工生产率较高,同时对节省贵重金属有重要意义。

(4)线切割基本上实现了切割数控化。

12.1.2电解加工

1.电解加工的基本原理电解加工的基本原理如图12-4所示。电解加工时,在工件和工具之间接上直流电源,工件接电源的正极(阳极),工具接电源的负极(阴极),两极间保持约0.1～0.8mm的较小间隙,具有一定压力的电解液在间隙中间高速流动。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处比其他部位溶解更快,电解产物随即被高速流动的电解液带走。图

12-4电解加工原理图

2.电解加工的特点

(1)不受材料本身的强度、硬度、韧性的限制，可以加工淬火钢、硬质合金、不锈钢和耐热合金等高强度、高硬度和高韧性的导电材料。

(2)加工中不存在机械切削力,工件不会产生残余应力和变形,也没有飞边、毛刺。其表面粗糙度值较小,一般为Ra1.25～0.2μm;平均加工精度为±0.1mm。

(3)工具阴极本身不参与电极反应,同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等,所以除产生火花短路等特殊情况外,其工具阴极基本上无损耗,可长期使用。

(4)电解加工异形孔、型腔或复杂型面时,可一次进给直接成型,以取代多道切削加工工序,同时进给速度可达0.3～15mm／min,比切削加工生产率提高数十倍,约为电火花加工的5～10倍。

(5)电解液腐蚀性较强,所以对加工设备需要采用防腐措施,电解产物有污染,而且难于处理和回收。因此,电解加工的辅助设备多,设备初始投资大,加工稳定性不高,加工精度难以严格控制。

3.电解加工的应用

电解加工比电火花加工生产率高,加工精度不高,所以电解加工适合于大批量生产中精度要求不高的机械零件,如矿山机械、汽车、拖拉机所需的锻模。目前,运用电解加工还可进行小到仪表微细轴,大到几百千克的转轴，从各种型孔、深小孔、型腔到各种复杂型面，从各种模具、异形零件到花键、齿轮等加工。同时亦可进行电解车、

磨、

铣、

切割等加工。

12.1.3激光束加工

1.激光束加工的基本原理激光是一种经受激辐射产生的加强光,具有强度高,方向性、相干性和单色性好的特点。利用这些特点,将激光束通过光学系统聚焦成直径小到几微米、能量密度(108～1010W／cm2)极高的、能产生温度高达10000℃以上的光斑。当激光照射到工件表面上时,能在极短的时间内使光斑区域中任何可熔化、不可分解的材料熔化、蒸发、气化而达到加工的目的。图12－5所示为固体激光器加工原理图。

图

12-5固体激光器加工原理图

2.激光束加工的特点激光束加工的特点具体如下：

(1)激光束加工不需要加工工具,属非接触式加工,无明显机械力,加工速度快,热影响区小;可以通过调节激光束能量、光斑直径及光束移动速度实现各种加工,如去除材料加工、焊接、热处理、表面强化或涂敷等。

(2)激光束加工属高能束流加工,可以加工任何能熔化而不产生化学分解的固体材料,如各种金属、陶瓷、石英、金钢石等;透明材料只要采取一些色化和打毛措施,也可进行加工。

(3)激光可透过透明物质,故激光可以在任意透明的环境中操作,包括空气、稀有气体、真空甚至某些液体。

(4)加工效率很高,打一个孔只需1ms，加工精度可达1μm,表面粗糙度值可达Ra0.4～0.1μm。而且激光束易于导向、聚焦和发散,可与数控机床、机器人等接合,构成各种灵活的加工系统。激光束加工的缺点是:激光束加工是一种热加工,影响因素很多,所以导热率和反射率高的材料较难加工;激光光斑内光强分布不均匀,同时受加工过程中其他一些因素的影响,加工精度难于进一步提高。此外,激光对人体有害,需采取相应的防护措施。

3.激光束加工的应用

激光束加工初期主要用于各种材料的微细加工,目前激光束加工已发展到大尺寸和厚材料的加工。主要用于打孔、切割、焊接、表面热处理及电器元件微调和信息存储等,其应用越来越广泛。

12.1.4电子束加工

1.电子束加工的基本原理如图12-6所示,电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高(106～109W／cm2)的电子束,以极高的速度冲击到工件表面上,在极短的时间内使被冲击部位温度升高到几千摄氏度以上,使材料瞬间熔化和气化,并被真空系统抽走,达到去除材料的目的。可见,电子束加工是将电子高速运动的动能转换为热能对材料进行加工的。

图

12-6电子束加工原理图

2.电子束加工的特点

(1)由于电子束能够实现极其微细的聚焦,甚至能聚焦到0.1μm，故能加工微孔、窄孔、半导体集成电路等,是一种精密微细的加工方法。图12-7所示为电子束加工微细异形孔示例。图

12-7电子束加工微细异形孔示例

(2)电子束加工是靠瞬间热效应使材料熔化、气化来去除材料的,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。而且加工材料范围很广,对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

(3)电子束的能量密度高,因而加工生产率很高。例如,每秒钟可以在0.1mm厚的钢板上加工3000个直径为0.2mm的孔。

(4)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制,所以整个加工过程易于实现自动化。

(5)由于电子束加工是在真空中进行的,因而污染少,加工表面不氧化,特别适用于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。电子束加工是在高真空和高电压下进行的,需防止X射线逸出,故需要一整套专用设备和真空系统,因而成本较高。因此,除了特殊需要，

一般都用激光束加工代替电子束加工。

3.电子束加工的应用电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同,分为热型和非热型加工。热型加工方法是利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的,如打孔、切割、焊接、热处理等。非热型加工方法是利用电子束的化学效应进行刻蚀的。控制电子束能量密度的大小和能量注入的时间,就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可以进行电子束热处理;使材料局部熔化就可进行电子束焊接;提高电子束的能量密度,使材料熔化、气化,就可进行打孔、切割等加工。利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,即可进行电子束光刻加工。

12.1.5超声波加工

1.超声波加工的基本原理超声波加工原理如图12-8所示。加工时,在工件1和工具2之间加入液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液6,并将工具以很小的力轻轻压在工件上。超声波发生器4产生的超声频振动,通过换能器5转换成16kHz以上的超声频纵向振动,并借助于变幅杆3把振幅放大到0.01～0.15mm。变幅杆驱动工具作超声振动,迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击、抛磨被加工表面,使被加工表面的材料破碎成微粒而脱落下来。

图

12-8超声波加工原理图

2.超声波加工的特点

(1)利用超声波适宜加工各种硬脆材料,尤其是用电火花和电解难以加工的不导电材料和半导体材料,如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。

(2)由于去除工件材料主要是靠极小的磨粒对工件表面进行瞬时的局部冲击作用,故工件表面的宏观切削力很小,切削应力、切削热更小,不会引起变形及烧伤,表面粗糙度Ra值为0.8～0.1μm,尺寸精度可达0.02～0.01mm,也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

(3)采用的工具材料较软,易制成复杂形状的工具。工具和工件无需作复杂的相对运动,因此超声波加工机床的结构比较简单,操作、维修方便。

(4)超声波加工面积不大,且工具头磨损较大,故生产率较低。

3.超声波加工的应用虽然超声波加工的生产率不如电火花、电解加工,但加工精度及工件表面质量优于电火花、电解加工，而且能加工电火花和电解加工不能加工的半导体和非导体材料。目前,超声波加工在生产上主要用于脆硬材料的成型加工,如加工各种圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细孔、套料等,还可用于清洗和焊接。

12.2数控加工

数控加工是在加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具和工件之间的相对位移量都用数字化的代码表示,通过键盘输入到数控机床的计算机中,计算机对输入的信息进行处理与运算,发出指令控制机床,加工出符合要求的零件。与传统机械加工相比,主要有以下特点:

(1)加工精度高。

(2)生产率高。

(3)适合加工复杂形状的零件。

(4)数控机床的通用性强,生产准备简单,不需要复杂的工艺装备。

12.2.1数控机床

1.数控机床的组成数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统、测量装置和机床本体等部分组成。

1)控制介质控制介质(ControlMedium)是各种加工信息输入的载体,常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、

磁盘等。

2)数控装置数控装置(NumericalControlDevice)是由硬件和软件接合而成的,是数控机床的核心。其作用是通过输入装置将用户编制的、用以控制机床加工的程序输入控制介质,然后在系统内进行必要的数字运算和逻辑运算,将用户程序转换成控制机床运动的控制信号。

3)伺服系统伺服系统(ServoSystem)是联系数控系统和机床机械结构的纽带,是用于驱动数控机床的执行机构。它由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成,其作用是根据数控系统发来的控制信号对执行机构的位移、速度等进行自动控制。这种控制是在机床执行机构运动过程中实时进行的,它所控制的运动亦称为伺服运动。机床中每个运动的执行机构,都有各自的伺服系统。数控机床的伺服系统要求具有较好的快速响应特性,以实现加工过程中对加工轨迹的跟踪能快速准确地作出响应。

4)测量装置测量装置也称反馈元件,其作用是检测实际的位移量,并反馈给伺服系统,由伺服系统中的位置比较环节对控制位移量与实际位移量进行比较,并根据比较的结果,调整控制信号,以提高加工精度。

5)机床本体机床本体与普通机床的构成基本相同,也包括主运动部件、进给运动部件(工作台、刀架)和支承部件(床身、立柱)以及冷却、润滑、转位装置等。但与普通机床相比有以下几方面的差别:

(1)为了满足多品种、小批量产品的生产,粗、精加工甚至全部加工往往在一次装夹中由一台设备完成,因此机床要求具有较大的功率,较高的精度、刚度、热稳定性和耐磨性。

(2)由电伺服代替了纯机械变速,缩短了传动链,简化了传动结构。

(3)为了减少摩擦、提高传动精度,采用了高效传动部件,如滚珠丝杠副和直线滚珠导轨等,将丝杠、导轨由滑动改为滚动。

(4)为实现加工过程自动化,设置了自动换刀、自动交换工作台、对刀仪、工件夹紧机构、液压控制系统、过载保护及润滑、排屑等辅助装置。

2.数控机床的分类

1)按照工艺用途分类

(1)一般数控机床。一般数控机床是在普通机床的基础上发展起来的,各种类型的数控机床基本上起源于同类型的普通机床,按照工艺用途来分主要有:数控车床(CNCLathe)、数控铣床(CNCMillingMachine)、数控镗床(CNCBoringMachine)、数控钻床(CNCDrillingMachine)、数控磨床(CNCGrindingMachine)、数控电火花加工机床(CNCElectricalDischargeMachiningTools)、数控齿轮加工机床(CNCGearMakingandFinishingMachine)、数控线切割机床(CNCElectricalDischargeWirecuttingMachine)等。

(2)加工中心。加工中心(MachiningCenter)是一种备有刀库(ToolMagazine)并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。加工中心可进行铣(Milling)、镗(Boring)、钻(Chilling)、铰(Reaming)、攻丝(Tapping)等多工序的加工。加工中心可分为立式加工中心(VerticalMachiningCenter)和卧式加工中心(HorizontalMachiningCenter)等。

2)按照控制的运动轨迹分类

(1)点位控制数控机床。这种机床主要用作孔系加工,如数控钻床、数控镗床、数控冲床及钻镗类加工中心等。如图12-9所示,它只控制刀具从一点到另一点的位置,而不控制刀具的运动轨迹和速度,以获得精确的孔系坐标位置,在定位移动中不进行切削加工。这种数控机床结构简单,价格低廉。

图

12-9点位控制示意图

(2)直线控制数控机床。其特点是不仅控制刀具进行准确定位,还控制刀具以一定的进给速度沿平行于某一坐标轴或与坐标轴成45°角的方向两点间的运动轨迹,且在运动过程中进行切削加工。采用直线控制的机床有数控车床、数控铣床、数控磨床等。图12－10所示为直线控制数控车床的走刀轨迹。这种机床一般具有刀具半径和长度补偿功能,给编程和使用带来了方便。直线控制数控机床比点位控制数控机床的功能强,结构复杂,价格也相应高一些。

图

12-10直线控制数控车床的走刀轨迹示意图

(3)连续控制(或称轮廓控制)数控机床。它可同时控制机床的两个或两个以上坐标的运动,以加工曲线轮廓或空间曲面,加工中刀具的运动轨迹和进给速度都受到严格限制,如图12-11所示。这种机床除具备刀具半径、长度补偿功能外,还可设有传动系统反向间隙补偿功能,机床几何误差、传动误差补偿功能,主轴速度控制、自动换刀功能等。随着同时控制的坐标轴数和控制功能的增加,系统的结构也越来越复杂,价格也越来越昂贵。

图

12-11连续控制示意图

3)按照数控系统有无检测和反馈装置分类

(1)开环控制系统数控机床。开环控制系统(OpenLoopControlSystem)是指无位移检测和反馈装置，如图12-12所示。通常使用功率步进电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算,发出指令脉冲,通过环行分配器和驱动电路,使步进电机或电液伺服电机转过一个步距角。再经过减速齿轮或直接带动丝杠旋转,最后转化为工作台的直线移动。移动部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。

图

12-12开环控制系统示意图

(2)闭环控制系统数控机床。闭环控制系统(ClosedLoopControlSystem)是在机床移动部件上直接装有位置检测装置(光栅、感应同步器或磁尺),将测量的实际位移量反馈给数控装置中的比较器,与输入的指令信号进行比较,再用比较的结果对执行部件发出补偿运动指令,从而消除位移误差的系统，如图12-13所示。闭环控制的数控机床定位精度高(可达±0.005mm),但控制系统复杂,调试与维护较困难,成本相对较高,多用于高精度数控机床。

图

12-13闭环控制示意图

(3)半闭环控制系统数控机床。半闭环控制系统(SemiClosedLoopControlSystem)是在开环控制系统的丝杠上装有角位移检测装置(如感应同步器和光电编码器等),通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移,然后反馈到数控系统中,由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内,因而称之为半闭环控制系统，

如图12-14所示。

图

12-14半闭环控制示意图

4)按数控机床的用途分类按数控机床的用途分为数控车床、铣床、钻床、磨床、镗床与齿轮加工机床等。此外,

还有数控电火花线切割机、

激光切割机、

电焊机、

压力机和弯管机等。

12.2.2数控机床程序编制的基本知识

1.编程方法数控机床程序编制(又称数控编程)是指根据零件图样和工艺文件的要求,编制出可在数控机床上运行以完成规定加工任务的一系列指令的过程。具体来说,数控编程是由分析零件图样和工艺要求开始到程序检验合格为止的全部过程。数控编程分为手工编程(ManualProgramming)和自动编程(AutomaticProgramming)两种。其中手工编程是数控加工程序编制的基础。

图

12-15手工编程的一般过程

2.数控车床加工阶梯轴的编程示例

(1)确定零件的加工过程。以最后一次走刀为例,如图12-16所示,车刀运动轨迹路线为:A→B→C→D→E→A。

图

12-16数控车床加工阶梯轴

(2)进行坐标计算,选取主轴转速和刀具进给速度。数控机床的程序编制可采用绝对坐标或增量坐标。本例采用增量坐标编程,即坐标中任意一点的位置,都是以该点的坐标与相邻点的坐标之差值来表示的。由图12-16可计算出各程序段的坐标增量值如下:①A点坐标设定为:XA=80mm,ZA=120mm。②AB段:从A点到B点的坐标增量值为ΔX=－45mm,ΔZ=－