四精密与特种加工PPT课件

1、.,第4章 精密加工和特种加工,.,精密加工和光整加工,精密加工：是指在精加工之后从零件上切除很薄的材料层，以提高零件精度和减小表面粗糙度为目的的加工方法，如研磨和珩磨等。 光整加工：是指不切除或从零件上切除极薄材料层，以减小零件表面粗糙度为目的的加工方法，如超级光磨和抛光。,.,在研具与工件之间置以研磨剂，从零件上研去一层极薄表面层,对工件表面进行光整加工的方法。 特点 研磨外圆尺寸精度可达公差等级IT6IT5以上，表面粗糙度可达Ra为0.10.08。设备结构简单，制造方便，生产率较低，在高精度零件和精密配合的偶件加工中，是一种有效的方法。,研 磨,.,研磨机,.,研具材料,铸铁,软钢,黄铜

2、,塑料或木材,.,研磨剂,组成,形态,磨 料,研 磨 液,填 料,液 态,固 态,膏 状,.,大部分磨粒悬浮于磨具与零件之间，起滚动切削作用。,.,研具,研磨原理,研磨剂,运动,压力,.,手工研磨外圆,.,手工研磨外圆,.,手工研磨内圆,.,机械研磨,研具由上下两块铸铁研磨盘组成，二者可同向或反向旋转。,.,机械研磨,下研磨盘与机床转轴刚性连接，上研磨盘与悬臂轴活动铰接，可按照下研磨盘自动调位，以保证压力均匀。,.,机械研磨,在上下研磨盘之间有一个与偏心轴相连的分隔盘，其上开有安装零件的长槽，槽与分隔盘径向倾斜角为815。,.,机械研磨,当研磨盘转动时，分隔盘由偏心轴带动作偏心旋转，零件既可以

3、在槽内自由转动，又可因分隔盘的偏心而作轴向滑动，因而其表面形成网状轨迹，从而保证从零件表面切除均匀的加工余量。,.,研磨平面和凹槽,研磨平面,研磨凹槽,.,研磨(视频),.,珩 磨,.,珩 磨 机,.,珩 磨 机,.,珩磨具,.,珩磨是利用带有磨条的珩磨头对孔进行精整加工的方法。 特点与应用 生产率较高；精度高。珩磨精度可达IT7IT5以上，表面粗糙度Ra值为0.10.008；珩磨表面耐磨损；珩磨头结构较复杂。 珩磨主要用于孔的精整加工，加工范围很广，能加工直径为5mm500mm或更大的孔，并且能加工深孔。珩磨还可以加工外圆、平面、球面和齿面等。,珩 磨,.,加工原理,珩磨时，珩磨头上的油石以

4、一定的压力压在被加工表面上，由机床主轴带动珩磨头旋转并沿轴向作往复运动(零件固定不动)。,.,加工原理,在相对运动的过程中，磨条从零件表面切除一层极薄的金属，加之磨条在零件表面上的切削轨迹是交叉而不重复的网纹， 故加工精度和表面质量较高。,.,珩磨头,往复运动,回转运动,.,.,珩磨液,组成,形态,煤 油,机 油,溶 液,水 剂,.,超级光磨,超级光磨是用细磨粒的磨具(油石)对零件施加很小的压力进行光整加工的方法。 特点 (1) 设备简单，操作方便；(2) 加工余量极小； (3) 生产率较高；(4) 表面质量好；(5)仅能提高工件的表面质量，不能提高尺寸和形位精度。 超级光磨的应用也很广泛，如

5、汽车和内燃机零件、轴承、精密量具等小粗糙度表面的光整加工。它不仅能加工轴类零件的外圆柱面，而且还能加工圆锥面、孔、平面和球面等。,.,加工原理,零件旋转，磨具以恒力轻压于零件表面，作轴向进给的同时作轴向微小振动，从而对零件微观不平的表面进行光磨。,.,加工原理,油石,油膜,零件,加工过程中，在油石和零件之间注入光磨液(一般为煤油加锭子油)，一方面为了冷却、润滑及清除切屑等，另一方面为了形成油膜，以便自动终止切削作用。,.,加工原理,当油石最初与比较粗糙的零件表面接触时，虽然压力不大，但由于实际接触面积小，压强较大，油石与零件表面之间不能形成完整的油膜，加之切削方向经常变化，油石的自锐作用较好，

6、切削作用较强。,.,加工原理,随着零件表面被逐渐磨平，以及细微切屑等嵌入油石空隙，使油石表面逐渐平滑，油石与零件接触面积逐渐增大，压强逐渐减小，油石和零件表面之间逐渐形成完整的润滑油膜，切削作用逐渐减弱，经过光整抛光阶段，最后便自动停止切削作用。,.,.,加工球面,加工轴承 圆形沟道,加工轴承沟道,加工平面,.,抛光,抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以抛光膏，对零件表面进行光整加工的方法。 特点 (1) 方法简单、成本低; (2) 适宜曲面的加工; (3) 不能提高加工精度; (4) 劳动条件较差;,.,抛光 抛光轮用毛毡、橡胶、皮革或布做成。 磨膏由磨料（氧化铬、氧化铁等）和油酸、软脂等配制而成

7、。,.,抛光,.,抛光机,.,抛光轮 (具有一定弹性的软轮),组成,毛毡,橡胶,皮革,棉制品 （压制纸板）,.,抛光膏,磨料 (氧化铬、氧化铁等),油酸,软脂,.,工作原理,抛光时，将零件压于高速旋转的抛光轮上，在抛光膏介质的作用下，金属表面产生的一层极薄的软膜，可以用比零件材料软的磨料切除，而不会在零件表面留下划痕。加之高速摩擦，使零件表面出现高温，表层材料被挤压而发生塑性流动，这样可填平表面原来的微观不平，获得很光亮的表面(呈镜面状)。,.,.,小 结,综上所述，研磨、珩磨、超级光磨和抛光所起的作用是不同的，抛光仅能提高零件表面的光亮程度，而对零件表面粗糙度的改善并无益处。超级光磨仅能减小

8、零件的表面粗糙度，而不能提高其尺寸和形状精度。研磨和珩磨则不但可以减小零件表面的粗糙度，也可以在一定程度上提高其尺寸和形状精度。 从应用范围来看，研磨、珩磨、超级光磨和抛光都可以用来加工各种各样的表面，但珩磨则主要用于孔的精整加工。 从所用工具和设备来看，抛光最简单，研磨和超级光磨稍复杂，而珩磨则较为复杂。,.,超精密加工 指加工的尺寸精度以微米计的加工方法的统称。是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺。 根据所用的工具不同，超精密加工可以分为超精密切削、超精密磨削和超精密研磨等。,.,加工精度,一般加工精度为1m，精密加工精度为0.01m，超精密加工精度为0.001m(1nm)。,.,

9、超精密加工的基本条件,.,特种加工,直接利用电能、化学能、电化学能、声能、光能等进行机械加工的方法。,磁性材料,耐高温,高硬度,高强度,高脆性,高韧性,材料特征,精密细小,形状复杂,工件特点,加工范围,.,特种加工,电火花加工 电解加工 超声波加工 高能束加工,.,特种加工应用范围 解决难切削材料的加工问题： 如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英以及褚、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。 解决各种特殊复杂表面的加工问题： 如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣和锻压面的立体成型表面，各种冲模上特殊断面的型孔，炮筒内膛线，喷油嘴、栅网、喷丝

10、头上的小孔 解决各种超精、光整或具有特殊要求零件的加工问题 如表面质量和精度要求很高的航天、航空陀螺仪，伺服阀以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。,.,电火花加工是利用工具电极和零件电极间脉冲放电时局部瞬间产生的高温，将金属腐蚀去除来对零件进行加工的一种方法。,电火花加工,.,.,.,.,电火花加工装置原理图,1脉冲发生器 2自动进给调节装置 3工具电极 4零件 5工作液,脉冲发生器1的两极分别接在工具电极3与零件4上，当两极在工作液5中靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电。,.,电火花加工装置原理图,1脉冲发生器 2自动进给调节装置 3工具电极 4零件 5工作液,火花放电的同

11、时，在放电通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度(10000以上)，使零件和工具表面局部材料熔化甚至气化而被蚀除下来，形成一个微小的凹坑。,.,电火花加工装置原理图,1脉冲发生器 2自动进给调节装置 3工具电极 4零件 5工作液,多次放电的结果，就使零件表面形成许多非常小的凹坑。电极不断下降，工具电极的轮廓形状便复印到零件上，这样就完成了零件的加工。,.,电火花加工的特点及应用,电火花加工适用于导电性较好的金属材料的加工而不受材料的强度、硬度、韧性及熔点的影响，因此为耐热钢、淬火钢、硬质合金等难以加工材料提供了有效的加工手段，又由于加工过程中工具与零件不直接接触，故不存在切削力，从而工具电极可

12、以用较软的材料如纯铜、石墨等制造，并可用于薄壁、小孔、窄缝的加工，而无须担心工具或零件的刚度太低而无法进行，也可用于各种复杂形状的型孔及立体曲面型腔的一次成形，而不必考虑加工面积太大会引起切削力过大等问题。,.,电火花加工机床,.,电火花加工的应用,电火花加工的应用范围很广，它可以用来加工各种型孔、小孔，如冲孔凹模、拉丝模孔、喷丝孔等；可以加工立体曲面型腔，如锻模、压铸模、塑料模的模膛；也可用来进行切断、切割、以及表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。,.,电火花切割加工装置示意图,1绝缘底板 2零件 3脉冲电源 4电极丝 5导向轮 6支架 7贮丝筒,.,电火花线切割加工机床,.,电火花切割的应用

13、, 适宜加工具有薄壁、窄槽、异形孔等复杂结构图形的零件。 适宜加工不仅有直线和圆弧组成的二维曲面图形，还有一些由直线组成的三维直纹曲面，如阿基米德旋线、抛物线、双曲线等特殊曲线的图形的零件。 适宜加工大小和材料厚度常有很大差别的零件。技术要求高，特别是在几何精度、表面粗糙度方面有着不同要求的零件。,.,.,.,电解加工,电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的电化学反应原理，将金属材料加工成形的一种方法。,.,电解加工,.,电解加工原理,零件接直流电源的正极，工具接负极，两极间保持较小的间隙(通常为0.02mm0.7mm)，电解液以一定的压力(0.5MPa2MPa)和速度(5m/s50m/s

14、)从间隙间流过。,.,电解加工原理,接通直流电源时(电压约为5V25V，电流密度为10 A/cm2100A/cm2)，零件表面的金属材料就产生阳极溶解，溶解的产物被高速流动的电解液及时冲走。,.,电解加工原理,工具电极以一定的速度(0.5mm/min3mm/min)向零件进给，零件表面的金属材料便不断溶解，在零件表面形成与工具型面近而相反的形状，直至加工尺寸及形状符合要求为止。,.,电解加工的特点及应用,影响电解加工质量和生产效率的工艺因素很多，主要有电解液(包括电解液成分、浓度、温度、流速以及流向等)、电流密度、工作电压、加工间隙及工具电极进给速度等。,.,电解加工的特点及应用,电解加工不受

15、材料硬度、强度和韧性的限制，可加工硬质合金等难切削金属材料；它能以简单的进给运动，一次完成形状复杂的型面或型腔的加工(例如汽轮叶片、锻模等)，效率比电火花成形加工高510倍；电解过程中，作为阴极的工具理论上没有损耗，故加工精度可达0.2mm0.005mm；电解加工时无机械切削力和切削热的影响，因此适宜于易变形或薄壁零件的加工。此外，在加工各种膛线、花键孔、深孔、内齿轮以及去毛刺、刻印等方面，电解加工也获得广泛应用。,.,电解加工的特点及应用,电解加工的主要缺点是：设备投资较大，耗电量大；电解液有腐蚀性，需对设备采取防护措施，对电解产物也需妥善处理，以防止污染环境。,.,.,超声波加工,利用工具

16、端面作超声频振动，使工作液中的悬浮磨粒对零件表面撞击抛磨来实现加工，称为超声波加工。 加工用的超声波频率为16000Hz25000Hz。,.,加工原理,5零件 6工具,超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，然后通过换能器将此超声频电振荡转变为超声频机械振荡。,.,加工原理,5零件 6工具,由于超声频机械振荡振幅很小，一般只有0.005mm0.01mm，需再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，使振幅增大到0.1mm0.15mm。,.,加工原理,5零件 6工具,固定在振幅扩大棒端头的工具即受迫振动，并迫使工作液中的悬浮磨粒以很大的速度，不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉

17、碎成很细的微粒后打击下来。虽然每次打击下的材料很少，但由于每秒打击的次数多达16000次以上，所以仍有一定的加工效率。,.,加工原理,5零件 6工具,超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，然后通过换能器将此超声频电振荡转变为超声频机械振荡，由于其振幅很小，一般只有0.005mm0.01mm，需再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，使振幅增大到0.1mm0.15mm。固定在振幅扩大棒端头的工具即受迫振动，并迫使工作液中的悬浮磨粒以很大的速度，不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒后打击下来。虽然每次打击下的材料很少，但由于每秒打击的次数多达成16000次以上

18、，所以仍有一定的加工效率。,.,特点,由于超声波加工是靠极小的磨料作用，所以加工精度较高，一般可达0.02 mm，表面粗糙度Ra值为1.250.1，被加工表面也无残余应力、组织改变及烧伤等现象；在加工过程中不需要工具旋转，因此易于加工各种复杂形状的型孔、型腔及成形表面；超声波加工机床的结构比较简单，操作维修方便，工具可用较软的材料(如黄铜、45钢、20钢等)制造。超声波加工的缺点是生产效率低，工具磨损大。,.,应用,超声波加工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、玛瑙、宝石、金刚石等，对于导电的硬质合金、淬火钢等也能加工，易于加工各种复杂形状的型孔、型

19、腔及成形表面。,.,超声波加工,.,.,高能束加工,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，对零件材料进行去除加工的特种加工方法的总称，高能束加工通常指激光加工、电子束加工和离子束加工。,.,激光加工,激光是一种亮度高、方向性好(激光光束的发散角极小)、单色性好(波长或频率单一)、相干性好的光。由于激光的上述4大特点，通过光学系统可以使它聚焦成一个极小的光斑(直径仅几微米至几十微米)。从而获得极高的能量密度(10W/cm1010W/cm)和极高的温度(10000以上)。在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧被熔化和气化，在零件表面形成凹坑，同时熔化物被气化所产生的金属蒸气压力推动，

20、以很高的速度喷射出来。激光加工就是利用这个原理蚀除材料的。,.,.,激光加工特点,(1) 不需要加工工具，故不存在工具磨损问题，同时也不存在断屑、排屑的麻烦。这对高度自动化生产系统非常有利。 (2) 激光束的功率密度很高，几乎对任何难加工的金属和非金属材料(如高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料)都可以加工。 (3) 激光加工是非接触加工，零件无受力变形。 (4) 激光打孔、切割的速度很高(打一个孔只需0.001s，切割20 mm厚的不锈钢板，切割速度可达1.27m/min)，加工部位周围的材料几乎不受热影响，零件热变形很小。激光切割的切缝窄，切割边缘质量好。,.,应用,广泛用于

21、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。孔的直径一般为0.01mm1mm，最小孔径可达0.001mm，孔的深径比可达50100。切割厚度，对于金属材料可达10mm以上，对于非金属材料可达几十毫米，切缝宽度一般为0.1mm0.5mm。激光还可以用于焊接和热处理。,.,.,.,.,.,电子束加工,.,加工的原理,(1) 热加工 热加工是利用电子束的热效应来实现加工的，可以完成电子束熔炼、电子束焊接、电子束打孔等加工工序。,.,加工的原理,电子束打孔 在真空条件下，经加速和聚焦的高功率密度电子束照射在零件

22、表面上，电子束的巨大能量几乎全部转变成热能，使零件被照射部分立即被加热到材料的熔点和沸点以上，材料局部蒸发或成为雾状粒子而飞溅，从而实现打孔加工。,.,加工的原理,(2) 化学加工。功率密度相当低的电子束照射在零件表面上，几乎不会引起温升，但这样的电子束照射高分子材料时，就会由于入射电子与高分子相碰撞而使其分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的分子量和化学性质发生变化，这就是电子束的化学效应。,.,加工的原理,(2) 化学加工 利用电子束的化学效应可以进行化学加工电子束光刻：光刻胶是高分子材料，按规定图形对光刻胶进行电子束照射就会产生潜像。再将它浸入到适当的溶剂中，由于照射部分和未照射部分的

23、分子量不同，溶解速度不一样，就会使潜像显影出来。,.,电子束加工的应用范围,广泛用于不锈钢、耐热钢、合金钢、陶瓷、玻璃和宝石等难加工材料的圆孔、异形孔和窄缝的加工，最小孔径或缝宽可达0.0030.02mm。电子束还可用来焊接难熔金属、化学性能活泼的金属，以及碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金等。另外，电子束还用于微细加工的光刻中。,.,离子束加工,在真空条件下，利用惰性气体离子在电场中加速而形成的高速离子流来实现微细加工的工艺方法称为离子束加工。,.,加工原理,将被加速的离子聚焦成细束状，照射到零件需要加工的部位，基于弹性碰撞原理，高速离子会从零件表面撞击出零件材料(金属或非金属)的原子或分子，从而

24、实现原子或分子的去除加工，这种离子束加工方法称为离子束溅射去除加工；如果用被加速了的离子从靶材上打出原子或分子，并将它们附着到零件表面上形成镀膜，则为离子束溅射镀膜加工；用数十万电子伏特的高能离子轰击零件表面，离子将打入零件表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间原子，留于零件表层中，从而改变了零件表层的材料成分和性能，这就是离子束溅射去除加工。,.,应用,离子束光刻是通过离子束的力学作用去除照射部位的原子或分子，直接完成图形的刻蚀。另外，也可以不将离子聚焦成束状，而使它大体均匀的投射在大面积上，同时采用掩膜对所要求加工的部位进行限制，从而实现微细图形的光刻加工。,.,应用,离子束溅射去除加

25、工已用于非球面透镜的最终加工、金刚石刀具的最终刃磨、衍射光栅的刻制、电子显微镜观察试样的减薄及集成电路微细图形的光刻中。离子束去除加工可用于半导体材料掺杂、高速钢或硬质合金刀具材料切削刃表面改性等。,.,特点,离子束加工是一种新兴微细加工方法，在亚微米至纳米级精度的加工中很有发展前途。离子束加工对零件几乎没有热影响，也不会引起零件表面应力状态的改变，因而能得到很高的表面质量。离子束光刻可以提高图形的分辨率，得到最小线条宽度小于0.1m的微细图形。,.,复合加工,把两种或两种以上的能量形式(包括机械能)合理地组合在一起，就发展成复合加工。 (1) 电解磨削 (2) 超声电解复合抛光 (3) 超声

26、电火花复合抛光,.,电解磨削,利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法 。,1导电砂轮 2电解液 3硬质合金车刀(零件) 4工作台 5绝缘层,.,电解磨削,高速旋转的导电砂轮接直流电源负极，零件(车刀)接直流电源正极。电解磨削时，导电砂轮和零件间保持一定的接触压力，砂轮表面外凸的磨粒使砂轮导电体与零件间有一定间隙。,1导电砂轮 2电解液 3硬质合金车刀(零件) 4工作台 5绝缘层,.,电解磨削,当电解液从间隙中流过时，零件出现阳极溶解，零件表面形成一薄层较软的薄膜，很容易被导电砂轮中的磨粒磨除，零件上又露出新的金属表面并进一步电解。在加工过程中，电解作用与磨削作用交替进行，最后达到加工要