《机械制造技术》-第8章

现代加工指利用电能、热能、光能、声能、化学能、机械能及电化学能对材料进行加工的方法，采用了非传统加工工艺，亦可称为特种加工。现代加工具有以下特点：不用机械能，而是用其他能量去除工件上多余的材料，加工过程中工具与工件无显著的切削力；工具的硬度可以低于工件的硬度；能用简单的运动加工复杂的型面。现代加工技术解决了传统加工方法难以解决的问题，如各种难加工材料(硬质合金、钦合金、陶瓷、玻璃、金刚石、硅片等)的加工；各种结构特殊、形状复杂及尺寸微小(涡轮机叶片、模具的立体型面、小孔、窄缝等)的加工；高精度零件(尺寸精度达0.1μm表面粗糙度值Ra达0.01μm)的加工；刚度极低的零件(细长、薄壁零件及弹性元件)的加工等。现代加工技术对机械制造工艺产生了非常大的影响，主要体现为(1)提高了材料的可加工性。8.1概述下一页返回(2)改变了零件的加工工艺。(3)缩短了新产品的试制周期。(4)对产品和零件的结构设计产生较大影响。8.1概述上一页返回8.2.1基本原理电火花加工是在20世纪40年代中期发展起来的，其基本原理就是利用工件和工具电极之间所产生的火花放电现象，在火花放电的瞬间，会产生约一万度的高温，从而使金属熔化、气化而被去除，不断的火花放电，就会不断的蚀去金属，最终达到加工成形的目的。图8-1所示为电火花加工原理工件和工具电极都置于流动工作液中，并分别与脉冲电源的正、负极相接，通过脉冲发生器，使工件与工具电极间产生脉冲火花放电现象，由于放电时间很短，且发生在放电区的小点上，所以能量高度集中，放电区的电流密度很大，引起金属材料的熔化和气化，使工件和工具电极表面被腐蚀成一个小凹坑，多次火花放电的结果，使工件和工具电极的表面有无数小凹坑组成，工具电极不断下降，工件表面不断地被蚀去，流动的工作液将腐蚀下来的金属带离工作区，这样工具电极的轮廓形状便可复印在工件上，从而达到电火花加工的目的。8.2电火花加工下一页返回8.2.2电火花加工的特点(1)电火花加工可加工任何导电材料，不论其硬度、脆性、熔点如何。(2)可以在淬火以后进行加工，因而免除了淬火变形对工件尺寸和形状的影响。(3)由于加工中电极和工件不接触，没有机械加工的切削力，所以可加工刚性低等复杂形状的零件。(4)脉冲参数可以任意调节加工中只要更换工具电极，就可以在同一台机床上通过改变电规准(电压、电流、脉冲宽度、脉冲间隔等电参数)连续进行粗、半精和精加工。精加工尺寸精度可达0.01mm，表面粗糙度Ra为0.8μm；微细加工尺寸精度可达0.002mm，表面粗糙度值Ra为0.1～0.05μm。8.2电火花加工上一页下一页返回8.2.3电火花加工的分类及应用电火花加工按其工艺方法可一分为以下几种：(1)电火花成形加工电极与工件之间只有一个相对的伺服进给运动，电极为成形电极，与被加工表面具有相同的截面形状，主要用于型腔加工和穿孔加工。(2)电火花线切割加工电极为沿轴线移动的线电极，工件作x、y方向的进给运动，主要用于各种通孔、异形通孔的加工。(3)电火花内、外圆成形磨削电极与工件相对旋转，电极与工件有径向和轴向的进给，主要用于加工高精度和低表面粗糙度的小孔。(4)电火花高速小孔加工电极为大于0.3mm的细管，管内冲高压工作液，且电极一边旋转一边做垂直进给运动，主要用于线切割预穿丝孔的加工。8.2电火花加工上一页下一页返回(5)电火花同步共扼回转加工电极与工件都做旋转运动，电极相对工件可作纵、横向进给运动，主要用于加工异形齿轮、螺纹环规、内外回转体等。(6)电火花表面强化电极在工件表面一边上下振动，一边相对移动，每一次振动都和工件接触1次，主要用于模具刃口、量刃具表面的强化和镀覆。(7)其他电火花加工电火花表面刻字等。8.2.4电火花线切割加工在线切割加工中，用连续移动的金属丝(也称电极丝)代替电火花穿孔加工中的电极，故称为线切割加工。工件与高频脉冲电源的正极相联接，电极丝与脉冲电源的负极相联接，利用电极丝与工件在液体介质中产生的火花切除工件上的金属，工件按预定的轨迹进行运动从而加工出形状复杂的金属零件，就像木工用钢线锯锯木板一样电火花线切割只能加工以直线为母线的曲面，图8-2所示为电火花线切割工作原理，8.2电火花加工上一页下一页返回工作时电极丝沿其轴线运动，电极丝和工件之间注入工作液介质，工件安放在坐标工作台上，随工作台按预定的控制程序沿x、y两个坐标方向运动，从而合成各种曲线轨迹，将工件切割成形。

8.2电火花加工上一页返回8.3.1电解加工的原理电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理进行的图8-3所示为电解加工的原理不意，工具电极接负极，工件接正极，工件和电极之间保持一定的间隙(0.1～1mm)，在间隙中通过具有一定压力(0.49～1.96MPa)和速度(15～50m/s)的电解液当工具电极以一定的进给速度(0.4～1.5mm/min)向工件靠近，并在工件和工具电极之间接上直流电压(6～24V)，则工件表面和工具电极之间距离最近的地方，通过的电流密度可达10～70A/cm2，产生阳极溶解，金属变成氢氧化物沉淀而被电解液冲走随着工具的不断进给，逐渐将工具的形状复印到工件上，使工件得到所需的形状和尺寸。8.3.2电解加工的特点(1)电解加工与被加工材料的硬度、强度、韧性等无关，故可加工任何金属材料常用于加工高温合金、钦合金、不锈钢、淬火钢和硬质合金等难切削材料。8.3电解加工下一页返回(2)能以简单的直线进给运动，一次加工出复杂的型腔、型孔(如锻模、叶片等)。(3)电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下甚至比切削加工的生产率还高，而且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。(4)加工表面质量好，无毛刺和变质层表面粗糙度可达Ra1.25～0.2μm；加工精度约为±0.1mm左右。(5)加工过程中阴极工具基本上不会损耗，可长期使用。(6)只能加工导电的金属材料，加工棱角比较困难，一般圆角半径都大于0.2mm。(7)电解加工设备投资大，占地面积大；设备的锈蚀也严重；单件小批量生产时成本比较高(8)电解产物必须进行妥善处理，否则将污染环境。8.3电解加工上一页下一页返回8.3.3电解加工的应用电解加工是一种比较成熟的特种加工方法，在制造业中得到广泛应用可进行电解穿孔、电解成形、电解去毛刺、电解切割、电解抛光、电解刻蚀等。1.电解穿孔对于一些形状复杂、尺寸较小的微孔(四方孔、六方孔、椭圆、半圆等形状的通孔和不通孔)是很难采用机械加工方法加工的，但如果采用电解加工则往往容易解决，既可保证加工质量，又可提高生产率。目前，电解穿孔工艺已广泛应用于炮管、枪管内孔等的加工，以及各种型孔、深孔的加工。型孔加工大多采用端面进给方式。为了避免形成锥度，阴极(工具)侧面必须绝缘，一般用环氧树脂作为绝缘层与阴极侧面粘牢。电解穿孔时工作液均匀进人工作区，使工件和工具都浸在电解液中，接通电源后发生电化学反应加工出型孔。8.3电解加工上一页下一页返回2.电解成形电解加工可以使用成形阴极(工具)对复杂的工件形腔一次成形，生产率高，表面粗糙度值小，可以节省大部分修磨工时，但加工精度不高，可控制在0.1～0.2mm，目前多应用于锻模腔加工，如汽车和拖拉机的连杆、曲轴、十字轴、凸轮轴等零件以及汽轮机和发动机的叶片、链轮以及摆线齿轮等复杂零件的加工。目前，电解成形加工的精度受电场、磁场、电解液状态以及进给速度等因素的影响，仍难掌握在实际生产中可以根据均匀间隙的理论初步设计工具的形状，然后通过多次试验、修正来满足加工精度要求。为了减小加工余量对精度的影响，可先进行粗加工，然后进行电解精加工，如用电火花加工机床进行粗加工，再用电解加工机床进行精加工。8.3电解加工上一页返回8.4.1超声波加工的原理超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法，超声波加工原理如图8-4所示加工时，在工具和工件之间加人液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上超声换能器产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05～0.1左右，驱动工具端面做超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上打击下来虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达16000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，使工作液钻人被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，8.4超声波加工下一页返回当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程此外，正负突变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒得到及时更新。由此可见，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，其中磨粒的撞击作用是主要的既然超声加工是基于局部撞击作用，因此不难理解，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易超声加工相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。根据这个道理，人们可以合理选择工具材料，使之既能撞击磨粒，又不致使自身受到很大破坏，例如用45钢做工具即可满足上述要求。8.4.2超声加工的特点(1)适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等对于导电的硬质金属材料(如淬火钢、硬质合金等)也能进行加工，但加工生产率较低。8.4超声波加工上一页下一页返回(2)由于工具可用较软的材料做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，操作、维修方便。(3)由于去除加工余量是靠极小的磨料瞬时局部的撞击作用，所以工具对工件加工表面作用力小，热影响小，不会引起变形和烧伤表面粗糙度可达Ra1～0.1μm或更低，加工精度可达0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的工件。8.4.3超声加工的应用1.型孔、型腔加工超声加工的生产率比电火花、电解加工等低，但加工精度和表面粗糙度较好，用于脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、微细孔等的加工，2.切割加工用普通机床对脆硬材料进行切割加工较困难，通常可用超声加工的方法进行切割，如切割单晶硅片、陶瓷等脆硬材料。8.4超声波加工上一页下一页返回3.复合加工为了提高生产率，降低工具的损耗，可以把超声加工和其他加工方法结合起来进行复合加工采用超声加工和电化学或电火花加工相结合，加工喷嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，可以大大提高加工速度和加工质量，其方法是在普通电火花加工时引入超声波，使工具电极端面做超声振动还可以利用工具与工件之间的相对运动，进行研磨抛光，从而改善工件的表面粗糙度利用导电油石或镶嵌金刚石颗粒的导电工具，对工件表面进行电解超声复合光整抛光加工，可达到Ra0.15～0.17μm。在切削加工中引入超声振动，可降低切削力，改善表面粗糙度，延长刀具寿命，提高加工速度。4.超声清洗超声振动被广泛用于对喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表整体机芯、印刷电路板、集成电路微电子器件等的清洗，可滤除污物，获得高的净化度。8.4超声波加工上一页下一页返回5.焊接加工超声焊接的原理是利用超声振动作用，去除工件表面的氧化膜，显露出新的本体表面，在两个被焊接的工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热并亲和黏结在一起。

8.4超声波加工上一页返回8.5.1激光加工的原理激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光因此激光束具有发散角小、单色性好、亮度集中的特性利用激光的这种特性再经过光学透镜聚焦，其焦点处光斑直径理论上可达1μm以下，故该处功率密度可达107～1011W/cm2。耐位于焦点处的材料吸收如此高的光能，温度可达上万度，在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧融化和蒸发，并产生很强烈的冲击波，使熔化物质爆炸式地喷射出去(图8-5所示)，激光加工就是利用这种原理进行细微的打孔、切割工作的。8.5.2激光加工的特点(1)由于它的功率密度高，几乎可以加工任何材料，高硬度材料、耐热合金，陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都能加工。(2)激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可用以精密微细加工。8.5激光加工下一页返回(3)加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化还能通过透明体进行加工，如对真空管内部进行焊接加工等。(4)激光加工是一种热加工，影响因索很多因此，精微加工时的精度和表面粗糙度不易保证必须进行反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求由于光的反射作用，对于表面光泽或透明材料的加工，必须预先进行色化或打毛处理。（5）加工中产生金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。8.5.3激光加工的应用1.激光打孔利用激光几乎可以在任何材料上打微型小孔已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工，化学纤维喷兹板打孔，钟表及仪表中的宝石轴承打孔等，直径可小于0.01mm。8.5激光加工上一页下一页返回2.激光切割激光切割的原理和激光打孔的原理基本相同，所不同的是工件与激光束有相对移动，在实际生产中一般都是工件移动激光可用于切割各种各样的材料，由于对被切割的材料几乎不产生机械冲击和压力，所以特别适合于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光斑点小、切缝窄，且便于自动控制，所以更适于对细小部件做精密切割加工。3.激光雕刻激光雕刻与切割基本相同，只是工件的移动由两个坐标的数控系统传动，可在平板上蚀出所需图样，一般多用于印染行业及美术作品。4.激光焊接激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料气化蚀除，因此通常可减小激光输出功率来实现，使工件材料在加工区熔融而钻合在一起激光焊接时间短，生产率高，8.5激光加工上一页下一页返回没有焊渣，被焊材料不易氧化，热影响小，不仅能焊接同种材料，还可焊接不同种材料，这是普通焊接无法实现的。5.激光热处理激光热处理的过程是将激光束扫射零件表面，其红外光能量被工件表面吸收而迅速达到极高的温度，使金属产生相变，随着激光束离开工件表面，工件表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度，使工件表面相变硬化，因此激光热处理实际上是一种表面处理技术

8.5激光加工上一页返回8.6.1电子束加工原理在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子射线聚焦(一次或二次聚焦)到被加工材料上，电子的动能大部分转变为热能，使被冲击部分材料温度升高至熔点，瞬时熔化及气化而去除，达到加工目的。其原理如图8-6所示。8.6.2电子束加工的特点(1)由于在极小的面积上具有高能量(能量密度可达到106～109W/cm2)，故可以加工微孔、窄缝等，其生产率比电火花加工高数十倍至数百倍此外，还可利用电子束焊接高熔点金属和其他方法难以焊接的金属以及用电子束炉生产高熔点高质量的合金及纯金属。(2)加工中电子束的压力很微小，主要靠瞬时蒸发，所以工件产生的应力及应变均很小。8.6电子束加工下一页返回(3)电子束加工是在真空度为1.33×10-1Pa～1.33×10-3Pa的真空加工室中进行的，加工表面无杂质渗人，不氧化，加工材料范围广泛，特别适官’加工易氧化的金属和合金材料以及纯度要求高的半导体材料。(4)电子束的强度和位置比较容易用电、磁的方法实现控制，加工过程易实现自动化，可进行程序控制和仿形加工。电子束加工也有一定的局限性，一般只用于加工微孔、窄缝及微小的特形表面，因为它需要有真空设施及数万伏的高压系统，设备价格较贵。

8.6电子束加工上一页返回8.7.1离子束加工原理离子束加工原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，将氢(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性气体通过离子源产生离子束，并经过加速、集束、聚焦后投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工所不同的是离子的质量比电子的质量大千万倍例如，最小的氢离子，其质量是电子质量的1840倍，氢离子的质量是电子质量的7.2万倍由于离子的质量大，故离子束加速轰击工件表面时比电子束具有更大的能量。高速电子撞击工件材料时，因电子质量小、速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、气化，通过热效应进行加工而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时将引起变形、分离、破坏等机械作用例如，加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要用于离子溅射加工；如果加速到1万到几万电子伏，且离子人射方向与被加工表面成25°～30°角时，离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等；8.7离子束加工下一页返回当离子加速到几十万电子伏或更高时，离子可穿人被加工材料内部，称为离子注入。产生离子束的方法是将要电离的气态兀索注入电离室，利用电弧放电或电子轰击等方法，使气态原子电离为等离子体，并在电场作用下使离子从离子源出口孔吸出而成为离子束。8.7.2离子束加工的特点1.易于精确控制由于离子束可以通过离子光学系统进行扫描，使离子束可以聚焦到光斑直径1μm以内进行加工，同时离子束流密度和离子的能量可以精确控制，因此能精确控制加工效果，如控制注入深度和浓度；抛光时可以一层层地把工件表面的原子抛掉，从而加工出没有缺陷的光整表面。此外，借助于掩膜技术可一以在半导体上刻出1μm宽的沟槽。8.7离子束加工上一页下一页返回2.加工所产生的污染少因加工是在较高的真空中进行的，离子的纯度比较高，因此特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。3.加工应力变形小离子束加工是靠离子撞击工件表面的原子而实现的这是一种微观作用，宏观作用很小，所以对脆性、半导体、高分子等材料都可以加工。8.7离子束加工上一页返回8.8.1水射流加工基本原理水射流加工是利用高速水流对工件的冲击来侵蚀材料的如图8-7所示。采用带有添加剂的水，以高达3倍声速的速度冲击工件进行加工或切削。水由水泵抽出，通过增压器增压，贮液蓄能器使脉动的液流平稳。液体从人造蓝宝石喷嘴喷出，以接近3倍声速的高速度直接压射在工件加工部位上加工深度取决于液压压射的速度、压力以及压射距离。“切屑”进入液流排出，流速的功率密度达l06W/mm2。8.8.2材料去除速度和加工精度切割速度主要由工件材料决定，并与功率大小成正比，和材料的厚度成反比。加工精度主要受机床精度的影响，切缝比喷嘴孔径大0.025mm，加工复合材料时，采用的射流速度要高，喷嘴直径要小，并具有小的前角，压射距离小。切边质量受材料性质影响很大，塑性好的材料可以切割出高质量的切边。液压过低会降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起磷。进给速度低可