第五章 特种加工.ppt

1、第5章 特种加工,第 次课,仪器制造技术,1特种加工：,现代的（非古代）不同于传统切削加工方式的加工方法。 特种加工是直接利用电、热、声、光及化学能等能量形式进行的加工。如：超声波加工、电化学加工、电火花加工以及它们的复合加工。 2特种加工的特点 加工时工具不与工件直接接触，加工工具不受工件材料的物理机械性能的限制，因而工具的硬度可低于工件材料的硬度。 加工能量大，且易于控制、转换。 便于实现特殊形状零件的加工及微细加工。 机床运动简单、便于自动化和制造高精度机床。,仪器制造技术,3特种加工对零件结构工艺性的影响, 改变了零件的典型工艺路线。 对零件结构设计带来很大影响。 对传统结构工艺性的好

2、与坏，重新衡量。 5.1 电火花加工 5.1.1 电火花成形加工 1基本原理 电火花加工是利用了电腐蚀现象。但是为了使电腐蚀现象能对金属材料进行加工，还必须解决以下几个问题：,仪器制造技术,1）必须使工具电极和被加工表面之间保持一定的间隙。,2）火花放电必须是瞬时的脉冲放电。 3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。 图1电火花加工原理。 2影响电火花成形加工的工艺因素 （1）影响材料放电腐蚀及加工速度的主要因素,仪器制造技术,1）极性效应：,极性效应：材料相同的两个电极电蚀量不一样的现象叫做 “极性效应”。 两极的蚀除速度与脉冲宽度（放电时间 ）有关，当 时，称为窄脉冲，阳极的蚀除

3、速度大于阴极，称正效应。可实现正极性加工，工件接正极；当 时，称为宽脉冲，阳极的蚀除速度小于阴极，称为负效应。可实现负极性加工，工件接负极。,仪器制造技术,2）脉冲参数：,电火花加工时，单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内近似成正比关系。 单个脉冲能量与极间放电电压、放电电流和 放电持续时间有关。 在单个脉冲能量一定时，脉冲宽度过大和过小都不好，若脉冲宽度过小，脉冲电流幅值将很大，热量过于集中，会使蚀除的金属材料中气态蚀除比例增大，金属因气化而消耗掉很大的能量，反而使材料的蚀除量减小。脉冲宽度过大，会因为热传导扩散而损失大量的热量，也会使电蚀量减小。因此在一定的单个脉冲放电能量下，会有一

4、个最佳脉宽使电极电蚀量最大。,仪器制造技术,3）金属材料的（热学）物理常数：,在脉冲放电能量相同情况下，材料的热学物理常数（熔化热、气化热、熔点、沸点等）越高，单位质量金属熔化和气化时需要的热量越多，因此材料的蚀除量越小。 而材料的热导率大，会把火花放电时产生的瞬时热量从电极放电点很快地传导扩散到其它部位，而减少了放电点处的电蚀量。 钨、钼、石墨等材料熔点、沸点高，因此很难蚀除 。铜的熔点、沸点虽然较低但导热性好，所以也很难电腐蚀，因此这些材料可用做工具电极材料。考虑加工难度和加工成本，生产中多采用铜和石墨等材料作为工具电极。,仪器制造技术,4）工作液：,电火花成型加工必须在有绝缘性好的工作液

5、中进行 ，例如，机油、煤油等，不同性质的工作液对电蚀 量的影响不相同。 由于绝缘性好，密度、粘度大的工作液有利于压缩 放电通道，使放电能量集中在很小的范 围内，可以 增大电蚀量。 但粘度过大不利于电蚀物排出，影响加工的稳定性 ，因此只适合用于粗加工（粗加工时脉冲能量大， 加工间隙大，电蚀屑易于抛出），一般多选用机油。 而在中、精加工时，脉冲能量小放电间隙小不利于 排屑，因此要求工作液粘度小、流动性好、渗透性 好，多选用煤油。,仪器制造技术,（2）影响加工精度的主要因素,1）放电间隙： 在电火花加工中，由于工具电极与工件电极之间存在放电间隙，因此工具尺寸应比工件最终要求的尺寸减小一个放电间隙值。

6、但由于工具电极的不断损耗，以及加工中电参数，工作液的绝缘性等发生变化，难于保证间隙的稳定和一致性，最终影响工件的加工精度。 另外间隙的大小对工件加工精度的影响也不同 ，间隙大对精度的影响就大，因此精加工时应采用较小的放电间隙。 精加工的放电间隙一般为0.01mm，粗加工时可达0.5mm以上。,仪器制造技术,2）二次放电：,二次放电是指在已加工的表面上，由于间隙内存在电蚀物导致间隙过小而引发的非正常的再次放电。二次放电一般是发生在工具和工件的侧面，随着不断向下加工，侧面间隙排屑变得困难，使二次放电机会增大，导致工件深度方向的斜度增大，影响了工件的形状精度。 3）工具电极的损耗： 在加工中，工具的

7、端面和侧面都会受到损耗。随着加工的深入，工具电极的下部分经历的加工时间长，工件因电极的损耗形成一定的加工斜度。 电火花的加工精度可达0.010.05mm左右。,仪器制造技术,（3）影响表面质量的主要因素,1）由于采用的是脉冲电源，每一次的脉冲放电是在工件与工具之间的绝缘最弱点击穿放电，放电点被局限在很小的范围内，由于一秒钟的上万次放电，因此加工表面便由无数个小凹坑组成。通常情况下电火花加工表面粗糙度可达到Ra2.50.63m。 图2 2）表面变质层：电火花加工时，由于工件表面受到瞬时高温及工作液快速冷却作用，表面形成了熔化层和热影响层。,仪器制造技术,熔化层：,熔化层位于工件表面最外层，是经过

8、高温熔化而后又凝固形成。它的金相组织已经与基体金属完全不同，并含有气孔、碳化物及其他夹杂物。 热影响层位于熔化层之下，这一层金属虽未熔化，但在高温作用下金相组织也发生了变化。 3）表面的机械性能： 由于在电火花加工中存在着表面淬火现象（工件表面受到瞬时高温及工作液快速冷却作用），这样，工件表面最外层的硬度就比基体略高，因而耐磨性好。但由于表面存在着拉应力及由此产生的显微裂纹，其疲劳强度低（比切削加工的表面）。,仪器制造技术,2电火花成型加工的特点,（1）用于加工高硬度、高强度金属材料。 （2）工具的硬度可低于工件材料的硬度。因为加工中无切削力的作用。因此工具电极可以用比工件软的材料制造。可以进

9、行微孔、窄槽等微细加工和低刚度工件的加工。另外，还可加工特殊形状的型孔、型腔等。 （3）适宜加工热敏性材料。因为脉冲放电时间极短 ，工件表面受热的影响很小，不致因热而产生变形。,仪器制造技术,（4）可以连续完成粗、中、精加工。由于脉冲参数调节范围广，在同一台机床上，通过改变电规准就可以连续完成粗、中、精加工。,但是电火花成型加工方法在应用中也存在如下的局限性： （1）加工速度慢，生产率低。特别是精加工时，为了顾及工件的表面质量，加工速度会更低。 （2）工具电极存在损耗，影响成型精度。,仪器制造技术,4电火花成型加工的应用,电火花成型加工：用成型工具电极对工件电极进行的仿形加工。 （1）电火花穿

10、孔加工 如在各种精密零件和模具上进行的圆孔、异形孔及小孔、深孔的成型加工。 （2）电火花型腔加工 广泛应用于压铸模、塑料模等。由于是盲孔，工作液循环困难，电蚀物不易排除。另外，型腔形状复杂使得电极各部分损耗不均匀（一般采用更换电极的方法），对加工精度造成很大影响。 （3）小孔加工 这里所指小孔一般直径在0.12mm ，深径比20 mm以上。 图3,仪器制造技术,5.1.3 线切割加工,5.1.3.1 加工原理 线切割加工的工具电极特殊，它不是成型面，而是一个金属丝（常用钼丝）。利用运动着的金属丝做工具电极，钼丝（或工件）按一定的轨迹运动，钼丝既然是电极，钼丝与工件之间也产生火花放电。加工时，钼

11、丝要穿过工件，由电火花“锯”出工件。由于现在的电火花线切割机床，已实现计算机控制，因此可加工出高精度、形状复杂的工件。图4 线切割加工时，用数控技术控制工件的直线及圆弧运动经常采用逐点比较法。逐点比较法加工圆弧如图5所示。,仪器制造技术,5.1.3.3 线切割加工特点及应用,1加工特点 电火花线切割可以加工淬火钢、硬质合金等高硬度、高强度的金属材料。 降低了工具电极的制造成本。线切割加工不需要单独设计制造特定形状的工具电极，而仅仅使用电极丝 ，降低了工具电极的制造成本。 通过CNC控制，可以很方便地加工出形状复杂的零件。 能加工细小、窄缝工件。只要窄缝的宽度尺寸大于钼丝的尺寸即可。 材料利用率

12、高。线切割属于图形轮廓加工，加工完后，图形内或是图形外的材料还可利用。,仪器制造技术,电极丝损耗小，对加工精度影响小。,由于加工中电极丝不断往复移动，因此，电极丝的损耗小，电极丝的尺寸变动量不大，对加工精度的影响可以忽略不计。线切割不能加工型腔、盲孔类零件。 2应用 可用于冲裁模具的加工。在一定的工艺措施下，通过一次编程就可以切割出具有一定的配合间隙、精度符合要求的凸、凹模。 可用于挤压模、拉丝模、粉末冶金模等带锥度的模具加工以及成型刀具的加工。 可用来加工电火花成型加工用的工具电极。特别是铜钨合金等难以用普通切削方法加工的工具电极更显经济。,仪器制造技术,加工形状复杂的高硬度材料零件，加工微

13、细狭窄异形的孔、槽等。,在新产品试制中，某些零件不必通过另行制造模具，而采用线切割加工方法，大大缩短了加工周期，降低了成本。 加工三维直纹曲面。电火花线切割一般只能加工二维曲面，因为工作台是两维的，但只要再增加一个工作台回转运动，即可加工由直线组成的三维直纹曲面（回转体工件）。如图5-13所示。 (6)高速走丝线切割加工尺寸精度：0.010.02mm,表面粗糙度Ra：52.5m。 最大切割厚度：610mm,仪器制造技术,5.2 电化学加工,电化学反应原理： 将两电极（两块金属）置于电解槽中，极间加入低压直流电，当电流流经两极和电解液时，阳极上的金属发生氧化反应（金属原子失去电子变为正离子进入电

14、解液中，阳极金属逐渐被溶解）；而阴极上金属发生还原反应（金属离子会获得电子变为金属原子而沉积在阴极表面）。也就是说，阳极表面会氧化溶解 ，金属离子进入溶液，而在阴极上，金属离子会获得电子变为金属原子而沉积在阴极表面。这种通电后，由于电子的得失，在阳极发生阳极氧化溶解在阴极发生还原沉积的反应称为电化学反应。,仪器制造技术,电化学加工包括两大类：, 电解加工、电化学抛光。 当工件为阳极时，而且加工的目的又是对工件表面腐蚀去除金属，此为电解加工；如果加工目的仅是使工件表面粗糙度值下降时，此为电化学抛光。 电镀、涂覆、电铸。 当工件为阴极时，且电解液为多种金属盐类，当阳极氧化溶解时，让工件表面发生还原

15、反应，金属沉积在工件上，大量沉积为电铸加工；微量沉积为电镀。 当电解加工与机械加工结合时，为电化学机械加工。,仪器制造技术,5.2.1 电解加工,5.2.1.1 电解加工的基本工作原理 图6 1.特点 可以加工高硬度高强度的各种金属材料，如高温合金、硬质合金、淬火钢等。并且可以加工形状复杂的型面。 电解加工的生产率高。对于型孔、型面、型腔可以一次进给成型。 工件表面质量好，不存在切削加工的残余应力和变形及金相组织的变化，不存在刀痕与毛刺等。表面粗糙度可达Ra 1.250.2m。 加工工件的阴极工具基本没有损耗，使用寿命长。,仪器制造技术,电解加工也存在一些不足之处：,加工精度不是很高且难以实现

16、较高的加工稳定性。加工窄缝、小孔有很大难度，而且不能加工出清晰的棱角。 加工复杂型面时，工具电极的设计困难。 电解液对设备有一定的腐蚀作用，电解产物对环境有一定污染，需要采取防护措施和妥善处理。,仪器制造技术,2.应用,电解加工可以用于形状复杂的零件。 如花键孔、炮管膛线、模具型腔、各种异型孔、深孔的加工。一些诸如椭圆、半圆、方形等截面形状特殊的通孔或盲孔，应用一般机械加工方法困难很大 ，而采用电解加工就很方便而且生产率很高。另外，由于电解加工的生产率是电火花加工的510倍，一些需要经常更换且精度要求不高的模具型腔，往往采用电解加工代替电火花加工。 （2）结合一定的加工方式和工艺方法，实现电解

17、套料加工，电解抛光，电解去毛刺、倒棱，电解刻字等。 图7,仪器制造技术,电解抛光 ：,利用阳极溶解使工件表面粗糙度值降低。电解抛光时，工件作为阳极，工件表面在电流和电解液的作用下，生成一层氧化膜，氧化膜的粘度高，导电率低 。由于粗糙度的影响，工件表面凹凸不平，凹处粘膜厚，电阻大，电流密度小，电解的慢，凸处电流密度大，电解的快，金属去除的多，经过一段时间，达到工件表面平整的结果。 电解抛光的生产效率比机械抛光高十几倍，不受金属材料硬度、韧性等的限制。可加工有色金属和黑色金属，如，铜合金、铝、不锈钢、高速工具钢等。特别是对于形状复杂的型孔、型腔，小尺寸零件更显出它的优越性。,仪器制造技术,5.2.

18、2电解磨削(电化学机械加工),电化学加工与机械加工相结合而成为电化学机械加工。它是利用电化学腐蚀和磨粒的机械刮削二者共同作用进行的复合加工，其中磨削（机械刮削）金属量是小部分，占去除总金属量的5%左右，大部分是电解加工完成的。它比单纯的电解加工尺寸精度高，表面粗糙度值小，比单纯机械加工的效率高35倍。 5.2.2.1 电解磨削的工作原理 图8,仪器制造技术,5.2.2.2 电解磨削的特点及应用,1特点 可以得到较高的加工精度和表面质量。 与机械磨削比较，由于电解磨削的主要作用是电解腐蚀，磨轮只是磨去氧化膜，由于氧化膜薄且软，因此，磨削力、磨削热都很小，工件表面不会出现裂纹、毛刺、烧伤等缺陷，表

19、面粗糙度一般可小于 Ra0.16m。 与电解加工相比，电解加工完全依靠工件阳极溶解蚀除金属，由于影响阳极溶解的因素很多，因此加工精度难以控制。而电解磨削时工件的尺寸和精度是通过控制磨轮相对工件的运动来实现，其加工精度要比电解加工精度高。,仪器制造技术,加工效率高。,由于电解磨削主要是电解作用，与普通机械磨削相比加工效率可以提高数倍。例如在加工硬质合金时，加工效率要比单纯用金刚石砂轮磨削提高35倍。 磨轮损耗小。 需要增加与电解加工有关的附属设备，及防止腐蚀和环境污染的装置。 2应用 电解磨削主要用来磨削各种高硬度的材料。可以用来磨削硬质合金的刀具、量具等。,仪器制造技术,5.2.3 电铸加工,

20、电铸加工是利用阴极还原反应使金属沉积而达到加工目的的一种加工方法。它与电镀工艺相似。电镀时镀层厚度仅为0.0010.05mm，其目的是装饰和防蚀。电铸时，金属沉积厚度可达0.055mm，直接得到所需的金属制品。 5.2.3.1 电铸加工原理 图9 5.2.3.2 电铸加工的特点及应用 1特点 可以方便地复制复杂形状的零件。 能准确复制工件的复杂表面及微细纹路。 电铸件精度较高，表面粗糙度可达Ra0.1m。用同一原模加工电铸件一致性非常好。 可制得纯度很高的金属制件。 电铸加工生产周期长，生产率较低。,仪器制造技术,2应用,复制精细的表面轮廓及图案。如唱片模，艺术品模，纸币、证券等的印刷版。 复

21、制注塑模具，电火花加工的工具电极。 制造高精度、复杂形状的空心、薄壁零件。如波导管、电动剃须刀网罩等。以及表面粗糙度标准样块，反光镜，表盘，微细、异形孔喷嘴等零件。,仪器制造技术,5.4 超声波加工,超声波加工是利用超声波在介质中传播时在传播方向上产生的高频压力及在液体中产生的空化作用对工件进行加工的一种加工方法。 加工用的超声波频率大约为 。超声波具有很多优点，超声波具有频率高、波长短，及较强的束射性能（易聚成细波束，便于定向和聚焦），使能量高度集中，因此被用来进行机械加工。 5.4.1 工作原理 图11,仪器制造技术,5.4.4 超声加工特点,特别适合加工各种硬、脆的非金属材料。 超声加工

22、是利用磨粒对工件表面瞬时局部撞击作用 ，工件受力小、热影响小、加工精度较高，有较好的表面质量。可以加工薄壁、低刚度的工件。 工具头可以采用较软的材料，易于加工。超声加工中工具不需要与工件做复杂的相对运动，因此机床结构简单。,仪器制造技术,5.4.5 超声加工的应用,与电火花加工、电解加工相比，虽然超声加工生产率低，但是它可以加工前者不能加工的非导体硬、脆材料。而且加工精度及表面粗糙度也要优于电火花和电解加工。超声加工在如下几个方面得到了应用。 1型孔、行腔加工 如图5-26所示，超声加工可以对硬、脆材料进行型孔、型腔的加工，特别是非导体材料。 2切割加工 与普通机械加工方法相比超声波切割半导体材料、石英、金刚石、宝石等硬脆材料是一种比