西北工业大学特种加工技术

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1、机械制造行业面临的主要技术难题:1. 难切削材料2. 特殊复杂表面3. 超精、光整、微细加工4. 低刚度零件特种加工也称非传统或非常规机械加工，它主要利用机械能以外的其它形式的能 量去除材料，加工过程中不存在显著的机械切削力，这样的方法叫做特种加工。特种加工的特点1. 不是主要依靠机械能，而是主要依靠其它能量（如电、化学、光、声、热能等 来去除金属材料；2. 工具硬度可以低于，并常常低于被加工材料硬度；3. 加工过程中，工具和工件之间，不存在显著的机械切削力。特种加工对材料可加工性的影响1. 材料的可加工性，不再与硬度、强度、韧性、脆性等物理机械性能，成直接正 比关系；2. 金刚石、硬质合金、

2、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等，不再特别难加工；3. 材料可加工范围从普通材料扩大到包含硬质合金、超硬材料和特殊材料在内的 几乎所有材料。特种加工对机械制造零件结构工艺性等的影响1. 改变了零件加工的典型工艺路线 以往：除磨削外，其它加工工序都得安排在热处理前进行2. 零件的结构设计几乎不受结构工艺性影响3. 模具结构更易整体化4. 特种加工已成为微细加工、纳米加工的主要手段电火花加工：工具、工件之间不断产生脉冲性的火花放电，依靠放电时局部、瞬 时产生的高温把金属蚀除下来。电火花加工原理：在液体介质中，基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火 花放电时的电腐蚀现象，通过两极间的相对进给，蚀除多余的

3、金属，以达到对零 件的尺寸、形状及表面质量的预定要求。实现电火花加工的条件1、电极、工件经常保持一定的放电间隙、；2、火花放电必须是瞬时性的脉冲放电；3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 电火花加工机床的设备组成1. 电源控制柜2. 床身、工作台、油槽3主轴，提供A主轴旋转运动，Z轴直线移动，夹持电极4. 工作液系统，工作液循环、过滤、降温（空调） 电火花加工的优点a、适合于难切削材料的加工b、可以加工特殊及复杂形状，或低刚度的零件电火花加工的局限性1. 适合于导电材料的加工2. 加工速度较慢3. 加工成型精度不是特别高4. 最小脚部半径有限制 电火花加工几个连续的阶段：1. 极间

4、介质的电离、击穿，形成放电通道2. 介质热分解，电极材料熔化、气化热膨胀3. 电极材料的抛出4. 极间介质的消电离 电火花加工过程：1、电极趋近工件2、放电击穿绝缘介质3、局部瞬时高温汽化4、第一脉冲结束5、第二放电开始6、达到预定深度 影响材料放电腐蚀的主要因素一. 极性效应 短脉宽加工时，因电子对正极的撞击作用较明显，为尽快蚀除材料，宜将工件接 正极，即“正极性加工”方式； 长脉宽加工时，宜将工件接负极，即“负极性加工”方式。二. 电参数提高Vw的方法：提高f,增大WM，增大K。t0 相对 ti 过分小， K 会减小； ti 增大， f 减小；ip 过大， K 会减小，电极损耗会加大；三.

5、 金属材料热学常数四. 工作液 工作液的作用：形成放电通道，恢复绝缘；压缩放电通道；抛出、排除产物；冷 却。粗加工时，由于放电间隙较大，排屑条件好，可以选用介电性能好、粘度稍大的 机油；中、精加工时，由于放电间隙较小，排屑条件较差，须选择粘度小、渗透 性好的煤油类工作液。五. 影响电蚀量其它因素1. 加工过程的稳定性2. 脉冲电源波形3. 水基工作液电火花加工速度 Vw影响因素：f （ti、10）、WM （极性、te、ip、火花维持电压）、屮、K （电极对材 料、电参数匹配情况、工作液、冲油、抬刀、进给速度、电压波形等）。Vw、&、Ra是电火花加工的三个工艺指标。极性效应：两极性的正负性不同，

6、而彼此的电蚀量不一样的现象叫极性效应。产 生原因：1、正负两极分别受电子和正离子轰击，表面分配能量、熔化汽化量都不一样；2、正极吸附碳微粒，形成碳黑膜，使正极损耗小。影响电极相对损耗的因素：一、极性短脉冲宽度，用工件接正的正极性加工； 长脉冲宽度，用工件接负的负极性加工；二、覆盖效应（正极形成黑膜） 带负电的碳胶粒，会向正极移动，如果电极表面温度合适（低于熔点，但高于 400C）,就有部分碳胶粒吸附在正极表面，形成一定厚度的化学吸附碳层一黑膜。 它起到保护、补偿电极的作用。在加工稳定的前提下，1）、ip、t0不变，ti适当增大，利于形成黑膜；2）、 ip、 ti 不变， t0 适当减小，利于形

7、成黑膜；3）、冲油加工，降低了放电区温度，不利于形成黑膜。三、利用传热效应，控制 ip 电流偏大时，电流密度偏高，工具电极局部表面温度过高，电极损耗增大。四、合适的电极材料 考虑到上述因素，生产中一般采用： 负极性加工石墨（紫铜） -钢ip / te V 0.10.2 A/p s 影响电火花加工精度因素：1 、机床本身误差；2、工件电极制造、定位、安装误差3、放电间隙大小及其一致性；4、工具电极损耗；5、二次放电及尖端放电；5. 电火花加工表面质量： 1、表面粗糙度（小坑和硬凹边，利于储存润滑油， 表面润滑性、耐磨性好）；2、表面变质层（熔化凝固层，有微观裂纹；热影响层， 在熔化凝固层和基体之

8、间）；3、表面机械性能（显微硬度高，耐磨性好；残余应 力-拉应力；耐疲劳性较低，可用回火或喷丸处理）；自动进给调节原理 进给调节特性曲线：当间隙过大时，电极以较大的正向进给速度趋近工件；当间 隙过小时，电极以较大的反向回退速度远离工件。通过间隙电压与SV的差值比 较、放大，并反馈控制主轴的进退，以及进给快慢程度。电火花型腔加工方法：1、单电极平动法； 一个电极完成零件的粗、中、精加工；当中、精加工时，由于放电间隙减小，可 逐步加大电极的平动量，修光型腔的底面、侧面。优点：一个电极，一次装夹，完成型腔的粗、精加工，电极定位方便。电蚀产物 排除较易。常用。缺点：粗加工时，电极易引起龟裂状积碳层，影

9、响型腔表面 Ra。 办法：粗加工电参数略小，或在保证电极更换精度的条件下，取下（或不取下） 修光。2、多电极更换法；b、多电极更换法 多个外形完全相同，尺寸略有不同的电极，依次更换加工同一型腔，精度、表面 质量较好，但需这些电极的形状一致性好，装夹、定位精度高。3、分解电极法主型腔电极 + 副型腔电极优点：简化电极制造（不同Ra、精度、面积的表面，采用不同电规准，但需各 电极的准确定位）适用于大型复杂型腔零件。电极库可作为分解电极法应用的辅助手段。电极库：多个电极制造、调试好以后，装在电极库中，自动按编制程序，更换电 极、设置不同电参数（脉宽、电流，等）、非电参数（冲油、抬刀、旋转，等）， 加

10、工出型腔。优点：生产率高，但调试准备周期长，适合于中、大批量生产（不宜无人加工）。电火花小孔加工的特点：1、加工面小，深度大；2、排削困难，不易散热，容易变形；3、电极损耗大；电火花螺纹加工特点：1、精度低；2、电极相对于工件旋转一周，轴向移动一个导程；3、可在淬火零件上加工；电火花成型磨削应用：1、型面精度、Ra要求高；2、刚性差，机械磨削困难；3、小参数磨削；4、磨削型面位于圆周上数十个间断的台子上5、电极旋转，避免大损耗； 电火花铣削特点：1 、加工方式灵活；2、电极损耗严重；3、效率低；4、精度低、 Ra 差快走丝线切割：电极丝高速往复运动，往复使用；运丝机构简单，丝会抖动；切 割精度

11、低，Ra差；机床便宜；使用乳化液；电控一般慢走丝线切割：电极丝低速单向运动，一次使用；运丝机构复杂，丝平稳；精度 高， Ra 好；机床贵，自动穿丝；使用去离子水；电控强大灵活电火花线切割与电火花成型加工比较 共性：电压、电流波形相似，放电状态相似，基本工艺规律相似，材料可加工性 相似 特点：水基工作液（存在电解作用），没有稳定的电弧放电（微开路、微短路）， （与放电时电极、工件间“丝在移动、轻压放电、疏松接触”有关）无需成型电 极 应用：模具、成型电极、零件上的上下贯通的各种圆孔、异型孔、缝，以及贵重 金属切割。线切割加工设备组成1 、机床本体2、脉冲电源及控制系统3、工作液循环系统线切割控制

12、系统的作用:1、自动控制电极丝相对于工件的运动轨迹；2、进给速度的自动控制。线切割的主要工艺指标 1、切割速度2、表面粗糙度3、加工精度4、电极丝损耗 量。电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆 电铸加工两大类。电解加工 原理：利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，将工件加工成型 优点：加工任何金属材料；生产率高； Ra 较好（离子去除）；无飞边、毛刺； 阴极无损耗；无明显机械力。缺点：不易高精度（杂散腐蚀、流场 123 影响、阴极设计复杂）；附属设备多； 机床、零件腐蚀严重；废液处理困难，污染环境。表面质量： Ra 好，但很难完全避免条纹、瘤子、麻点；不存在残余

13、应力、冷作 硬化；应用：深孔扩孔加工；机匣等（生产率要求高，Ra要求高，精度不高）；电解加 工整体叶轮；电解去毛刺、抛光（阴极简单、电流小、加工间隙大）；电铸原理：导电原模作阴极，材料作阳极，材料的金属盐溶液作溶液，在直流电 作用下，阳极上的金属失电子成为离子进入镀液，阴极上金属离子得电子沉积于 原模表面，分离后既得与原模凹凸相反的电铸件。特点：1、能精密复制复杂型面和微细纹路；2、能获得高精、小Ra的复制品；3、 可把外表面纹路复制到内表面，把内表面纹路复制到外表面主要应用： 1、复制精细表面轮廓； 2、制作电火花成型电极； 3、制造复杂高精 空心零件电解磨削原理：电解腐蚀与机械磨削作用相结

14、合的复合加工，电解腐蚀起主要作 用，机械磨削磨去阳极钝化膜、整平工件表面特点： 1、效率高，比机械磨削高好几倍； 2、砂轮磨损小，精度高， Ra 好； 3、 无需高压电解液； 4、工件易磨出圆角； 5、机床夹具须防锈、防蚀； 6、附加一 套电解系统； 7、污染应用： 1、磨削高硬高脆零件，砂轮寿命长； 2、难加工的小孔、深孔、薄壁及细 长杆件；涂镀加工概念：又称刷镀、无槽电镀，是在金属零件局部表面快速电化学沉积金 属的技术，工具电极与工件以脱脂棉套相隔，镀层厚度0.001mm0.5mm以上 特点： 1、不需完整镀槽，局部表面涂镀； 2、人工操作，但镀层与基体金属的结 合比普通槽镀更牢固； 3、

15、易实现复合镀层应用范围： 1、修补零件磨损或划伤表面； 2、超差面补救； 3、大型零件局部涂 覆保护层、防护层、耐磨层复合镀加工概念：金属工件表面镀金属的同时将磨料作为镀层的一部分一起镀到 工件表面上；微粉级的化合物磨料需与金属离子络合成离子团才能镀上金属表面 应用范围： 1、零件表面镀高耐磨层； 2、制作带高耐磨层的切削刀具电解去毛刺的特点： 1、阴极简单； 2、电流小； 3、加工间隙大激光特点： 1、单色光； 2、强度高； 3、能量密度大； 4、相干性好、方向性好； 激光加工特点： 1、能量密度高，可加工高硬、耐热材料； 2、光斑、功率大小可 调，可微细加工； 3、无明显切削力、无工具损耗

16、、可透过透明体加工； 4、加工 快、热影响区小；5、属于热加工，Ra差；6、加工光泽或透明表面需预先色化、 打毛处理； 7、不宜加工过深表面，金属气体、火星飞溅 应用范围：1、激光打孔； 2、激光切割； 3、激光微调； 4、激光焊接； 5、激光 热处理、表面处理； 6、激光存储激光热处理、表面处理激光束设法照射到工件表面，使零件金属产生相变，甚至熔融，达到类似表面淬 火的功效。特点：1、加热快，热影响区小，变形小； 2、由于光束可通过光纤传递，便于 控制，可对形状复杂的零件或其局部进行处理； 3、硬化层浅； 4、设备费用高。电子束加工原理：真空条件下，利用高能量密度电子束高速冲击工件表面极小的

17、 面积，在极短的时间内使材料达几千度高温，引起材料熔化、气化，被真空系统 抽走特点：1、精密微细加工； 2、不产生宏观应力； 3、生产率高； 4、便于自动化；5、加工表面、加工区不氧化； 6、价格昂贵电子束加工的应用：1、高速打孔； 2、加工型孔； 3、刻蚀； 4、焊接； 5、热处 理； 6、光刻超声加工原理：利用工具作超声振动，通过磨料悬浮液中，使磨粒高速撞击抛磨 被加工工件，使被加工硬脆材料粉碎成很细的微粒的一种成型方法 特点：1、适合各种硬脆材料； 2、工具材料为较软材料，可做成复杂形状； 3、 可以加工薄壁低刚度零件应用：1、型孔型腔加工； 2、切割片、槽； 3、复合加工； 4、超声研

18、磨、抛光模 具、工件表面； 5、超声清洗； 6、超声焊接光化学腐蚀加工的原理：通过对计算机绘制的图纸进行信息摄取并感光，保 留需要腐蚀的部位，再利用电化学腐蚀进行去除，可以腐蚀浅层零件材料。特点：精度甚高； 应用范围：1、是半导体器件和集成电路制造中的关键工艺之一； 2、制造一 些精密产品的零部件挤压珩磨的原理：利用含磨料的粘性介质，在一定压力下，强迫其在需加工表面 流过，通过磨料的刮削作用，去除工件表面微观不平的材料 特点：1、内部通道、外部均可； 2、金属、非金属均可； 3、去除量小，可以减 小、去除表层残余应力、表面变质层； 4、工件需要设计夹具固定 应用：主要用于去除零件内部通道或隐蔽

19、部分的毛刺及抛光，也可用于外表面的 抛光、去毛刺磨料喷射加工的原理：利用混有细磨料颗粒或粉末的气体，经喷嘴聚焦成束，高 速喷射到加工部位，来去除工件材料。特点：1、喷嘴制造质量是关键因数之一，其喷口形状保持情况，关系到喷出气 体、磨粒的聚集程度，进而关系到加工质量； 2、喷嘴寿命较短。应用：玻璃、陶瓷等硬脆材料的切割、去毛刺、清理和刻蚀等。高压水射流切割的原理：利用高压高速液流对工件的冲击作用去除材料。 特点：1、切割精度主要受喷嘴轨迹精度的影响；2、切边质量受材料性质影响很 大；3、水中加入添加剂能改变切割性能和减少切割宽度 4、不存在灰尘，无爆 炸、火灾的危险；5、对某些材料，射流束中夹杂空气会增加噪声 应用：加工、切割很薄、很软的金属、非金属