《金属切削机床》-教学单元9

9-1电火花加工机床简介一、电火花加工机床原理电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温熔蚀工件表面材料来实现加工的。电火花加工机床一般由脉冲电源、自动进给机构、机床本体及工作液循环过滤系统等部分组成。如图9-1所示，工件固定在机床工作台上。脉冲电源提供加工所需的能量，其两极分别接在工具电极1与工件3上。当工具电极与工件在进给机构的驱动下在工作液4中相互靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电，释放大量的热。工件表层吸收热量后达到很高的温度(10000℃以上)，其局部材料因熔化甚至气化而被蚀除下来，形成一个微小的凹坑。下一页返回9-1电火花加工机床简介

工作液循环过滤系统强迫清洁的工作液以一定的压力通过工具电极与工件之间的间隙，及时排除电蚀产物，并将电蚀产物从工作液中过滤出去。多次放电的结果，工件表面产生大量凹坑。工具电极在进给机构6的驱动下不断下降，其轮廓形状便被“复印”到工件上(工具电极材料尽管也会被蚀除，但其速度远小于工件材料)。1.电火花加工的特点

(1)可用硬度低的紫铜或石墨作为工具电极对任何硬、脆、高熔点的导电材料进行加具有以柔克刚的功能;(2)可以加工特殊和形状复杂的表面，常用于注塑模、压铸模等型腔模的加工;上一页下一页返回9-1电火花加工机床简介

(3)无明显的机械切削力，适宜于加工薄壁、窄槽和细微精密零件;(4)由于脉冲电源的输出脉冲参数可任意调节，因而能在同一台床子上连续进行粗加半精加工和精加工。2.电火花加工应用范围

(1)加工硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料;(2)加工半导体材料及非导电材料;(3)加工各种型孔、曲线孔和微小孔;(4)加工各种立体曲面型腔，如锻模、压铸模、塑料模的模膛;(5)用来进行切断、切割以及进行表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。上一页下一页返回9-1电火花加工机床简介

图9-2为电火花加工机床组成示意图。二、电火花线切割机床电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种加工工艺(简称WEDM)。其工具电极为金属丝(铂丝或铜丝)，在金属丝与工件间施加脉冲电压，利用脉冲放电对工件进行切割加工，因而也称线切割。图9-3为电火花线切割加工原理。电火花线切割加工的特点和应用:(l)可切割各种高硬度材料，用于加工淬火后的模具、硬质合金模具和强磁材利；

(2)由于采用数控技术，可编程切割形状复杂的型腔，易于实现CAD/CAM;上一页下一页返回9-1电火花加工机床简介(3)由于几乎无切削力，可切割极薄工件;(4)由于金属丝直径小，因而加工时省料，适于切割贵重金属材料;(5)试制新产品时，可直接将某些板类工件切割出，使开发产品周期缩短。线切割机床的结构大同小异，如图9-4大致可分为主机、脉冲电源和数控装置三大部分。上一页返回9-2电解加工机床简介一、电解加工原理电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成型加工的一种方法。工件接直流电源正极，工具接负极。当工具阴极向工件不断进给时，在面对阴极的工件表面上，金属材料按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，于是工具型面的形状就相应地“复印”在工件上。如图9-5所示为电解加工的成型原理图。如图9-6所示电解加工机床加工示意图。电解加工的基本设备包括直流设备、电解加工机床和电解液系统三个部分。

下一页返回9-2电解加工机床简介二、电解加工特点

(1)工作电压小，工作电流大;(2)以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔;(3)可加工难加工材料;(4)生产率较高，约为电火花加工的5-10倍;(5)加工中无机械切削力或切削热，适于易变形或薄壁零件的加工;(6)平均加工公差可达0.1mm左右;(7)附属设备多，占地面积大，造价高;(8)电解液既腐蚀机床，又容易污染环境。上一页下一页返回9-2电解加工机床简介三、电解加工机床应用范围电解加工主要用于加工型孔、型腔、复杂型面、小直径深孔、膛线以及进行去毛刺、刻印等。上一页下一页返回9-3激光加工机床简介

激光加工是利用光能经透镜聚焦以极高的能量密度靠光热效应加工各种材料的一种新工艺(简称LBM)。一、激光加工的原理激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的高强度平行单色光。由于光束的发散角通常不超过0.10，因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸相近的焦点上，焦点处的能量密度温度可高达摄氏1万度，从而使任何材料均在瞬时被急剧熔化乃至汽化，并产生强烈的冲击波被喷发出去，从而达到切除材料的日的。常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。如图9-7为固体激光器结构示意图。

下一页返回9-3激光加工机床简介

原理:对工件的激光加工由激光加工机完成。激光加工机通常由激光器、电源、光学系统和机械系统等组成。激光器(常用的有固体激光器和气体激光器)把电能转变为光能，产生所需的激光束，经光学系统聚焦后，照射在工件上进行加工。工件固定在三坐标精密工作台上，由数控系统控制和驱动，完成加工所需的进给运动。图9-8为激光加工机床示意图。二、激光加工的特点

(1)由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工任何材料;(2)激光束可调焦到微米级，其输出功率可以调节，因此，激光可用于精细加工;上一页下一页返回9-3激光加工机床简介(3)激光属非接触式加工，无明显机械切削力，因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小，易实现自动化等优点;(4)能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工。

(5)激光切割的切缝窄，切割边缘质量好。三、激光加工机床的应用应用范围激光加工已广泛用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、发散式气冷冲片的多孔蒙皮、发动机喷油嘴、航空发动机叶片等的小孔加工以及多种金属材料和非金属材料的切割加工。上一页返回9-4超声波加工机床简介一、超声波加工原理超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击，抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

1.超声加工的基本原理超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。加工原理如图9-9所示。加工时，在工具6和工件7之间加人液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液8，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。下一页返回9-4超声波加工机床简介

超声换能器4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，驱动工具端面作超声振动，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，从工件上被打击下来。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，促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。上一页下一页返回9-4超声波加工机床简介

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，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，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。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，因此就不难理解，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。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。上一页下一页返回9-4超声波加工机床简介

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钢作工具即可满足上述要求。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(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、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。

(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作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，只需一个方向进给，操作和维修方便。上一页下一页返回9-4超声波加工机床简介(3)由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度一也较好，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。二、超声加工设备及其组成部分超声加工设备又称超声加工装置，见图9-10。它们的功率大小和结构形状虽有所不同，但其组成部分基本相同，一般包括超声发生器、超声振动系统、机床本身和磨料工作液循环系统。其主要组成如下:(1)超声发生器。超声发生器也称超声波或超声频发生器，其作用是将工频交流电转变为有一定功率频的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。上一页下一页返回9-4超声波加工机床简介

(2)声学部件。声学部件的作用是把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。

(3)机床。超声加工机床一般比较简单，包括支撑声学部件的机架及工作台，使工具以一定压力作用在工件上的进给机构，以及床体等部分。

(4)磨料工作液及其循环系统。简单的超声波加工装置，其磨料是靠人工输送和更换的，即在加工前将悬浮磨料的工作液浇注堆积在加工区，加工过程中定时抬起工具并补充磨料。效果较好而又最常用的工作液是水，为了提高表面质量，有时也用煤油或机油作工作液。磨粉常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等。上一页下一页返回9-4超声波加工机床简介

在加工难切削材料时，常将超声振动与其他加工方法配合进行复合加工，如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声线切割等。这些复合加工方法把两种甚至多种加工方法结合在一起，能起到取长补短的作用，使加工效率、加工精度及工件的表面质量显著提高。三、超声加工的应用超声加工从20世纪50年代开始实用性研究以来，其应用日益广泛。随着科技和材料工业的发展，新技术、新材料将不断涌现，超声加工的应用也会进一步拓宽，发挥更大的作用。日前，生产上多用于以下几个方面:(1)成型加工。超声加工适于加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细孔、套料等。上一页下一页返回9-4超声波加工机床简介

(2)切割加工。超声精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料，比用金刚石刀具切割具有切片薄、切日窄、精度高、生产率高、经济性好的优点。

(3)焊接加工。超声焊接是利用超声频振动作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本体表面显露出来，并在两个被焊工