《现代特种加工技术》PPT课件

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1、第三章 先进制造工艺技术 第八节 现代特种加工技术 非传统加工又称特种加工 ， 通常被理解为别于传统切 削与磨削加工方法的总称 。 非传统加工方法 产生于二次大战后 。 两方面问题传统 机械加工方法难于解决： 1） 难加工材料的加工问题 。 宇航工业等对材料高强度 、 高硬度 、 高韧性 、 耐高温 、 耐高压 、 耐低温等的要求 ， 使新材料不断涌现 。 2） 复杂形面 、 薄壁 、 小孔 、 窄缝等特殊工件加工问题 。 为解决上面两方面问题 ， 出现了非传统加工方法 。 非传统加工方法将电 、 磁 、 声 、 光等物理量及化学能 量或其组合直接施加在工件被加工的部位上 ， 从而使材 料被去

2、除 、 累加 、 变形或改变性能等 。 一、概述 非传统加工方法主要不是依靠机械能 ， 而是用其它能量 （ 如电能 、 光能 、 声能 、 热能 、 化学能等 ） 去除材料 。 非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用 ， 对工 具和工件的强度 、 硬度和刚度均没有严格要求 。 一般不会产生加工硬化现象 。 且工件加工部位变形小 ， 发热少 ， 或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内 ， 工件热变形小 ， 加工应力也小 ， 易于获得好的加工质量 。 加工中能量易于转换和控制 ， 有利于保证加工精度和提 高加工效率 。 非传统加工方法的材料去除速度 ， 一般低于常规加工方 法 ， 这也是目前

3、常规加工方法仍占主导地位的主要原因 。 非传统加工方法特点 机械过程 利用机械力 ， 使材料产生剪切 、 断裂 ， 以去除材料 。 如 超声波加工 、 水喷射加工 、 磨料流加工等 。 非传统加工方法分类 （ 按加工机理和采用的能源划分） 热学过程 通过电 、 光 、 化学能等产生瞬时高温 ， 熔化并去除材料 ， 如电火花加工 、 高能束加工 、 热力去毛刺等 。 电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工 ， 如电解加工 、 电铸加工 （ 金属离子沉积 ） 等 。 化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀 、 溶解 ， 去除材料 ， 如化学 蚀刻 、 化学铣削等 。 复合过程 利用机械 、 热

4、 、 化学 、 电化学的复合作用 ， 去除材料 。 常见的复合形式有： 机械化学复合 如机械化学抛光 、 电解磨削 、 电镀 珩磨等 。 机械热能复合 如 加热切削 、 低温切削等 。 热能化学能复合 如电解电火花加工等 。 其它复合过程 如 超声切削 、 超声电解磨削 、 磁力抛光等 。 工件 （陶瓷滚柱） 磁性材料 磁极 振动运动 磁力抛光示意图 N S 拓宽现有非传统加工方法的应用领域 。 探索新的加工方法 ， 研究和开发新的元器件 。 优化工艺参数 ， 完善现有的加工工艺 。 向微型化 、 精密化发展 。 采用数控 、 自适应 控制 、 CAD/CAM 、 专家系统等技术 ， 提 高加

5、工过程自动化 、 柔性化程度 。 发展趋势 EI 收录文章数比较 70年代 80年代 90年代 2084 1104 232 142 244 424 214 441 321 252 353 316 激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工 右图反映了学术界 和工程界对几种非传 统加工方法的关注程 度 。 工作原理： 利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电 ， 产生瞬时高温 ， 工件材料被熔化和气化 。 同时 ， 该处绝缘液 体也被局部加热 ， 急速气化 ， 体积发生膨胀 ， 随之产生很高 的压力 。 在这种高压作用下 ， 已经熔化 、 气化的材料就从工 件的表面迅速被除去 。 4个阶段： 1

6、） 介质电离 、 击穿 ， 形成放电通道； 2） 火花放电产生熔 化 、 气化 、 热膨胀； 3） 抛出蚀除物； 4） 间隙介质消电离 （ 恢复绝缘状态 ） 。 电火花加工 电火花加工原理图 进给 系统 放电间隙 工具电极 工件电极 直流 脉冲 电源 工作液 电火花加工机床 电极材料 要求导电 ， 损耗小 ， 易加工；常用材料： 紫铜 、 石墨 、 铸铁 、 钢 、 黄铜等 ， 其中石墨最常用 。 工作液 主要功能压缩放电通道区域 ， 提高放电能量 密度 ， 加速蚀物排出；常用工作液有煤油 、 机油 、 去离子 水 、 乳化液等 。 放电间隙 合理的间隙是保证火花放电的必要条件 。 为保持适当

7、的放电间隙 ， 在加工过程中 ， 需采用自动调节 器控制机床进给系统 ， 并带动工具电极缓慢向工件进给 。 工作要素 脉冲宽度与间隔 影响 加工速度 、 表面粗糙度 、 电极 消耗和表面组织等 。 脉冲频率高 、 持续时间短 ， 则每个脉 冲去除金属量少 ， 表面粗糙度值小 ， 但加工速度低 。 通常 放电持续时间在 2s至 2ms范围内 ， 各个脉冲的能量 2mJ到 20J（ 电流为 400A时 ） 之间 。 电火花线切割加 工：用连续移动的 钼丝 （ 或铜丝 ） 作 工具阴极 ， 工件为 阳极 。 机床工作台 带动工件在水平面 内作两个方向移动 ， 可切割出二维图形 。 同时 ， 丝架可作

8、小 角度摆动 ， 可切割 出斜面 。 电火花加工类型 电火花线切割原理图 X Y 储丝筒 导轮 电极丝 工件 eal 电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 Real Ral 电火花线切割机床 电火花线切割加工 加工过程显示 数控电火花成型机床 不受加工材料硬度限制 ， 可加工任何硬 、 脆 、 韧 、 软的 导电材料 。 加工时无显著切削力 ， 发热小 ， 适于加工小孔 、 薄壁 、 窄槽 、 形面 、 型腔及曲线孔等 ， 且加工质量较好 。 脉冲参数调整方便 ， 可一次装夹完成粗 、 精加工 。 易于实现数控加工 。 电火花加工特点 电火花加工应用 电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷

9、冲模 、 拉丝 模 、 喷嘴 、 喷丝孔等 。 型腔加工包括锻模 、 压铸模 、 挤压 模 、 塑料模等型腔加工 ， 以及叶轮 、 叶片等曲面加工 。 电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的 冲模 、 样板 、 各种形状复杂的板类零件 、 窄缝 、 栅网等 。 工作原理： 工件接阳 极 ， 工具 （ 铜或不锈 钢 ） 接阴极 ， 两极间 加直流电压 6 24V， 极间保持 0.1 1mm间 隙 。 在间隙处通以 6 60m/S高速流动电 解液 ， 形成极间导电 通路 ， 工件表面材料 不断溶解 ， 溶解物及 时被电解液冲走 。 工 具阴极不断进给 ， 保 持极间间隙 。 电解加工原理

10、图 电解液 直流 电源 泵 工件阳极 阴极进给 工具阴极 电解加工 不受材料硬度的限制 ， 能加工任何高硬度 、 高韧性的导 电材料 ， 并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形 面和型腔 。 加工形面 、 型腔生产率高 （ 与电火花加工比高 5 10 倍 ） 。 采用振动进给和脉冲电流等新技术 ， 可进一步提高 生产效率和加工精度 。 阴极在加工中损耗小 。 加工表面质量好 ， 无毛刺 、 残余应力和变形层 。 设备投资大 ， 有污染 ， 需防护 。 模具型腔 、 枪炮膛线 、 发电机叶片 、 花键孔 、 内齿轮 、 小而深的孔加工 ， 电解抛光 、 倒棱 、 去毛刺等 。 电解加工特点

11、电解加工应用 工件与磨轮保持一定接触压力 ， 突出的磨料使磨轮导电 基体与工件之间形成一定间隙 。 电解液从中流过时 ， 工件 产生阳极溶解 ， 表面生成一层氧化膜 ， 其硬度远比金属本 身低 ， 易被刮除 ， 露出新金属表面 ， 继续进行电解 。 电解 作用与磨削作用交替进行 ， 实现加工 。 电解磨削效率 比机械磨削高 ， 且磨轮损耗远比 机械磨削小 ， 特 别是磨削硬质合 金时 ， 效果更明 显 。 导电磨轮 电解液 电刷 工作台 工件 绝缘板 导电基体 磨料 阳极膜 电解磨削 真空条件下 ， 利用电流加 热阴极发射电子束 ， 经控制 栅极初步聚焦后 ， 由加速阳 极加速 ， 通过透镜聚

12、焦系统 进一步聚焦 ， 使能量密度集 中在直径 5 10m斑点内 。 高速而能量密集的电子束 冲击到工件上 ， 被冲击点处 形成瞬时高温 （ 几分之一微 秒时间内升高至几千摄氏 度 ） ， 工件表面局部熔化 、 气化直至被蒸发去除 。 电子束加工原理图 控制栅极 加速阳极 电子束斑点 旁热阴极 聚焦系统 工件 工作台 电子束加工 工作原理 电子束束径小 （ 最小直径可达 0.01 0.05mm） ， 而电 子束长度可达束径几十倍 ， 故可加工微细深孔 、 窄缝 。 材料适应性广 （ 原则上各种材料均能加工 ） ， 特别适 用于加工特硬 、 难熔金属和非金属材料 。 非接触加工 ， 无工具损耗；

13、无切削力 ， 加工时间极短 ， 工件无变形 。 加工速度高 ， 切割 1mm厚钢板 ， 速度可达 240mm/min。 在真空中加工 ， 无氧化 ， 特别适于加工高纯度半导体 材料和易氧化的金属及合金 。 加工设备较复杂 ， 投资较大 。 多用于微细加工 。 特点及应用 激光是一种受激辐射而得 到的加强光 。 其基本特征： 强度高 ， 亮度大 波长频率确定 ， 单色性好 相干性好 ， 相干长度长 方向性好 ， 几乎是一束平 行光 工作原理 激光加工 当激光束照射到工件表面时 ， 光能被吸收 ， 转化成热能 ， 使照射斑点处温度迅速升高 、 熔化 、 气化而形成小坑 ， 由于 热扩散 ， 使斑点

14、周围金属 熔化 ， 小坑内金属蒸气迅速膨胀 ， 产生微型爆炸 ， 将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的 反冲击波 ， 于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔 。 激光器 工件 工作台 激光加工原理图 光阑 反射镜 聚焦镜 电源 Real 固体激光器 YAG（ 结晶母材由钇 、 铝和石榴石构成 ） 激光器 红宝石激光器 混合气体：氦 约 80%， 氮约 15%， CO2 约 5% 通过高压直流 放电进行激励 波长 10.6m， 为不可见光 能量效率 5% 15% 反射 凹镜 反射平镜 电极 放电管 CO2气体 冷却水进口 冷却水出口 激光 高压直流电源 CO2激光器示意图 气体激光器 CO2激

15、光器 激光器 加工材料范围广 ， 适用于加工各种金属材料和非金属材料 ， 特别适用于加工高熔点材料 ， 耐热合金及陶瓷 、 宝石 、 金刚 石等硬脆材料 。 加工性能好 ， 工件可离开加工机进行加工 ， 可透过透明材 料加工 ， 可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工 。 非接触加工方式 ， 热变形小 ， 加工精度较高 。 可进行微细加工 。 激光聚焦后焦点直径理论上可小至 1以 下 ， 实际上可实现 0.01mm的小孔加工和窄缝切割 。 加工速度快 ， 效率高 。 激光加工不仅可以进行打孔和切割 ， 也可进行焊接 、 热处 理等工作 。 激光加工可控性好 ， 易于实现自动控制 。 加工设

16、备昂贵 。 激光加工特点 激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟 表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属 材料，和硬质合金、不锈钢等金属 材料的小孔加工。 激光打孔具有高效率、低成本 的特点，特别适合微小群孔加工。 焦点位置对孔的质量影响：若 焦点与加工表面之间距离很大，则 激光能量密度显著减小，不能进行 加工。如果焦点位置偏离加工表面 1mm，可以进行加工，此时加工出 孔的断面形状随焦点位置不同而发 生变化。 激光加工应用 焦点位置对孔形状影响 Real 激光热处理 原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发 ， 由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成 ， 达到硬化 。 优点：快速 、 不需淬火介

17、质 、 硬化均匀 、 变形小 、 硬化 深度可精确控制 。 激光焊接 与打孔相比 ， 激光焊接所需能量密度较低 ， 因不需将材 料气化蚀除 ， 而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起 。 优点：没有焊渣 ， 不需去除工件氧化膜 ， 可实现不同材 料之间的焊接 ， 特别适宜微型机械和精密焊接 。 Real 激光切割 激光切割具有切缝窄 、 速度快 、 热影响区小 、 省材料 、 成本低等优点 ， 并可以在任何方向上切割 ， 包括内尖角 。 可以切割钢板 、 不锈钢 、 钛 、 钽 、 镍等金属材料 ， 以及 布匹 、 木材 、 纸张 、 塑料等非金属材料 。 Real 激光焊接车身 激光切割 利

18、用工具端面作超声 （ 16 25kHz） 振动 ， 使工 作液中的悬浮磨粒对工件表 面撞击抛磨来实现加工 。 超声波发生器将工频交流 电能转变为有一定功率输出 的超声频电振荡 ， 通过换能 器将超声频电振荡转变为超 声机械振动 ， 此时振幅一般 很小 ， 再通过振幅扩大棒 （ 变幅杆 ） 使固定在变幅杆 端部的工具振幅增大到 0.01 0.15mm。 工作原理 变幅杆 超声 波发 生器 超声波加工原理图 振动方向 工具 换能器 工作液 喷嘴 工件 Real 超声波加工 超声波加工机床 超声波加工样件 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、 陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。 可加工各种

19、复杂形状的型孔、型腔、形面。 工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺 寸精度可达 0.01 0.05mm 。 加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变 形零件。 生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声 磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。 超声波加工特点及应用 工作原理： 加工装置 喷嘴材料及工作条件 项目 材料 孔径 /mm 至工件距离 /mm 喷射角度 / 参数 金刚石，蓝宝石，淬火钢 0.075 0.4 2.5 50 0 30 喷嘴材料及工作条件 水喷射加工装置示意图 喷嘴 阀 控制器 蓄能器 供水

20、器 过滤器 泵 增压器 液压装置 排水器 工件 射流 d 水喷射加工 利用超高压水 （ 或 水与磨料的混合液 ） 对工件进行切割 （ 或打孔 ） ， 又称 高压水切割 ， 或 “ 水刀 ” 。 高速水射流 (Water Jet)是 属于高能束加工范畴，是一 种可与激光、等离子体、电 子束加工方法媲美的新型材 料加工工具。由于水 射 流对 材料的切割机理与其它方法 完全不一 样，因此，在许多 材料的切割、加工、表面处 理中，水射流具有其独特的 优越性。水射流技术与数控 技术的结合，可以组成多功 能数控加工机床，实现包括 打孔、切割、铣削、雕刻、 磨削等加工。 多功能和高效能：可完成任意材质 从纸

21、板到钢板、花 岗石、陶瓷、混凝土等的切割；同时，配合软件可以实现 打孔、切割、铣削、雕刻、磨削等加工。 高度自动化、柔性化：配合数控系统，可进行任意复杂形 状的异形加工，切口平整、加工精度高、无需二次加工。 唯一冷切割加工工具：水射流切割时，工件温度在 100C 以内，绝无热应力或热变形产生，特别适用于热敏感材料、 特殊合金材料和复合材料的切割加工。 绿色环保、安全：水射流切割时不会产生粉尘和有毒气体、 无二次污染，可提供一个安全、清洁的工作环境。 操作简单、方便：利用 CAD/CAM系统，配合数控执行机 构（ CNC）可容易实现数控精确切割。 投资成本低、效率高、效益好：同其它数控机床相比，数 控水射流加工机床具有一机多用，投资成本低、生产效率 高、经济效益好等特点。 水喷射加工特点及应用 加工工件被安放在一个静 止的平面上，通常是在水下。 之后用高压水流来研磨去掉多 余的材料，并跨过打磨完的产 品。水射流切割的一个显著优 点是切割工序后无须再进行加 工。需要的形状通常是先在 CAD中画好，然后转换成水射 流喷头 XY运动。水射流切割机 总共有三个轴：两个轴以龙门 的方式进行 X方向上的运动， Y 轴与 X轴协调运动，描绘出适 当的图案。 数控水射流加工机床加工流程 水射流加工喷嘴及生产样品 本节结束