现代特种加工技术.ppt

《现代特种加工技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代特种加工技术.ppt（33页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、现代特种加工技术 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 非非传传统统加加工工又又称称特特种种加加工工，通通常常被被理理解解为为别别于于传传统统切切削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。非非传传统统加加工工方方法法 产产生生于于二二次次大大战战后后。两两方方面面问问题题传传统统机械加工方法难于解决：机械加工方法难于解决：1 1）难难加加工工材材料料的的加加工工问问题题。宇宇航航工工业业等等对对材材料料高高强强度度、高高硬硬度度、高高韧韧性性、耐耐

2、高高温温、耐耐高高压压、耐耐低低温温等等的的要要求求，使新材料不断涌现。使新材料不断涌现。2 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。）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。为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。非非传传统统加加工工方方法法将将电电、磁磁、声声、光光等等物物理理量量及及化化学学能能量量或或其其组组合合直直接接施施加加在在工工件件被被加加工工的的部部位位上上，从从而而使使材材料被去除、累加、变形或改变性能等。料被去除、累加、变形或改变性能等。一、概述一、概述一、概述一、概述 非非传传统统加加工工方方法法主主要要不

3、不是是依依靠靠机机械械能能，而而是是用用其其它它能能量量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。非非传传统统加加工工方方法法由由于于工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用，对对工工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。且且工工件件加加工工部部位位变变形形小小，发发热热少少，或或发发热热仅仅局局限限于于工工件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。工件热变形小，加工应力也小，易于

4、获得好的加工质量。加加工工中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制，有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提提高加工效率。高加工效率。非非传传统统加加工工方方法法的的材材料料去去除除速速度度，一一般般低低于于常常规规加加工工方方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。q 非传统加工方法特点 机械过程 利利用用机机械械力力，使使材材料料产产生生剪剪切切、断断裂裂，以以去去除除材材料料。如如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。q 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 通通过过电

5、电、光光、化化学学能能等等产产生生瞬瞬时时高高温温，熔熔化化并并去去除除材材料料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。电化学过程 利利用用电电能能转转换换为为化化学学能能对对材材料料进进行行加加工工，如如电电解解加加工工、电铸加工电铸加工（金属离子沉积）等。（金属离子沉积）等。化学过程 利利用用化化学学溶溶剂剂对对材材料料的的腐腐蚀蚀、溶溶解解，去去除除材材料料，如如化化学学蚀刻、化学铣削等。蚀刻、化学铣削等。复合过程 利利用用机机械械、热热、化化学学、电电化化学学的的复复合合作作用用，去去除除材材料料。常见的复合形式有：常见的复合形式有：机机械械化

6、化学学复复合合如如机机械械化化学学抛抛光光、电电解解磨磨削削、电电镀镀珩磨等。珩磨等。机机械械热热能能复复合合如如加热切削、低温切削等。加热切削、低温切削等。热热能能化化学学能能复复合合如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。其其它它复复合合过过程程如如超超声声切切削削、超超声声电电解解磨磨削削、磁力抛光等。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NS 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。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。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。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型

7、化、精密化发展。向微型化、精密化发展。采采用用数数控控、自自适适应应控控 制制、CAD/CAMCAD/CAM、专专家家系系统统等等技技术术，提提高高加加工工过过程程自自动动化化、柔性化程度。柔性化程度。q 发展趋势EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316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。q 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

8、。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）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 电电极极材材料料要要求求导导电电，损损耗耗小小，易易加加工工；常常用用材材料料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工工作作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域，提提高高放放电电能能量量密密度度，加加速速蚀蚀物物排排出出；常常用

9、用工工作作液液有有煤煤油油、机机油油、去去离离子子水、乳化液等。水、乳化液等。放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙，在在加加工工过过程程中中，需需采采用用自自动动调调节节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。q 工作要素 脉脉冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短，则则每每个个脉脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。冲

10、去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通通常常放放电电持持续续时时间间在在2s2s至至2ms2ms范范围围内内，各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J（电流为（电流为400A400A时）之间。时）之间。电电火火花花线线切切割割加加工工：用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝（或或铜铜丝丝）作作工工具具阴阴极极，工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动，可可切切割割出出二二维维图图形形。同同时时，丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动动，可可切切割割出斜面。出斜面。q 电火花加工类型电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电

11、极丝工件eal电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等RealRal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数控电火花成型机床 不不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制，可可加加工工任任何何硬硬、脆脆、韧韧、软软的的导电材料。导电材料。加加工工时时无无显显著著切切削削力力，发发热热小小，适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。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。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。易于实现数控加工。q

12、 电火花加工特点q 电火花加工应用 电电火火花花成成形形加加工工：电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。电电火火花花线线切切割割：广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。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624V，极间保持0.11m

13、m间隙。在间隙处通以 660m/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电解加工 不不受受材材料料硬硬度度的的限限制制，能能加加工工任任何何高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料，并并能能以以简简单单的的进进给给运运动动一一次次加加工工出出形形状状复复杂杂的的形形面和型腔。面和型腔。加加工工形形面面、型型腔腔生生产产率率高高（与与电电火火花花加加工工比比高高5 51010倍倍）。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等等新新技技术术，可可进进一一

14、步步提提高高生生产产效率和加工精度。效率和加工精度。阴极在加工中损耗小。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。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。设备投资大，有污染，需防护。模模具具型型腔腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。q 电解加工特点q 电解加工应用 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力，突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从

15、中中流流过过时时，工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解，表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜，其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低，易易被被刮刮除除，露露出出新新金金属属表表面面，继继续续进进行行电电解解。电电解解作用与磨削作用交替进行，实现加工。作用与磨削作用交替进行，实现加工。电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高，且且磨磨轮轮损损耗耗远远比比机机械械磨磨削削小小，特特别别是是磨磨削削硬硬质质合合金金时时，效效果果更更明明显。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q 电解磨削真真空空条条件件下下，利利用用电电流流加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束，经经控控制制

16、栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后，由由加加速速阳阳极极加加速速，通通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步聚聚焦焦，使使能能量量密密度度集集中在直径中在直径5 510m10m斑点内。斑点内。高高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上，被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温（几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度），工工件件表表面面局局部部熔熔化化、气气化化直至被蒸发去除。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电子束加工工作原理 电电子子束束束束径径小小（最最小小直直径径可可达达0

17、.010.010.05mm0.05mm），而而电电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。材材料料适适应应性性广广（原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工），特特别别适适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非非接接触触加加工工，无无工工具具损损耗耗；无无切切削削力力，加加工工时时间间极极短短，工件无变形。工件无变形。加工速度高，切割加工速度高，切割1mm1mm厚钢板，速度可达厚钢板，速度可达240mm/min240mm/min。在在真真空空中中加加工工，无无氧氧化化，特特别别适适于于加加工工高高纯

18、纯度度半半导导体体材料和易氧化的金属及合金。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。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。q 特点及应用 激激光光是是一一种种受受激激辐辐射射而而得得到的加强光。其基本特征：到的加强光。其基本特征：强度高，亮度大强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长相干性好，相干长度长 方方向向性性好好，几几乎乎是是一一束束平平行光行光 q 工作原理激光加工激光加工当当激激光光束束照照射射到到工工件件表表面面时时，光光能能被被吸吸收收，转转化化成成热热能能，使使照照射射斑斑点点处处温温度度迅迅速速升升高

19、高、熔熔化化、气气化化而而形形成成小小坑坑，由由于于热热扩扩散散，使使斑斑点点周周围围金金属属熔熔化化，小小坑坑内内金金属属蒸蒸气气迅迅速速膨膨胀胀，产产生生微微型型爆爆炸炸，将将熔熔融融物物高高速速喷喷出出并并产产生生一一个个方方向向性性很很强强的的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器激光器工件工件工作台工作台激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源Real 固体激光器固体激光器 YAGYAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 红宝石激光器红宝石激光器混合气体

20、：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 气体激光器气体激光器COCO2 2激光器激光器q 激光器 加加工工材材料料范范围围广广，适适用用于于加加工工各各种种金金属属材材料料和和非非金金属属材材料料，特特别别适适用用于于加加工工高高熔熔点点材材料料，耐耐热热合合金金及及陶陶瓷瓷、宝宝石石、金金刚刚石等硬脆材料。石等硬脆材料。加加工工性性能能好好，工工件件可可离离开开加加工工机机进进行行加加工工，可可透透过过透透明明材材料加工，可在其他

21、加工方法不易达到的狭小空间进行加工。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。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可可进进行行微微细细加加工工。激激光光聚聚焦焦后后焦焦点点直直径径理理论论上上可可小小至至11以以下，实际上可实现下，实际上可实现0.01mm0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。加工速度快，效率高。激激光光加加工工不不仅仅可可以以进进行行打打孔孔和和切切割割，也也可可进进行行焊焊接接、热热处处理等工作。理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工可控性好，易于实现自

22、动控制。加工设备昂贵。q 激光加工特点 激光打孔激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟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，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。材料的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本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。的特点，特别适合微小群孔加工。焦点位置对孔的质量影响：若焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则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加工。如果焦点位置偏离加

23、工表面1mm1mm，可以进行加工，此时加工出，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孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化。生变化。q 激光加工应用焦点位置对孔形状影响Real 激光热处理激光热处理 原原理理：照照射射到到金金属属表表面面上上的的激激光光使使表表面面原原子子迅迅速速蒸蒸发发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。优优点点：快快速速、不不需需淬淬火火介介质质、硬硬化化均均匀匀、变变形形小小、硬硬化化深度可精确控制。深度可精确控制。激光焊接激光焊接 与与打打孔孔相相比比，激激光光焊焊接接所所需需能能量量密密

24、度度较较低低，因因不不需需将将材材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。优优点点：没没有有焊焊渣渣，不不需需去去除除工工件件氧氧化化膜膜，可可实实现现不不同同材材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。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 激激光光切切割割具具有有切切缝缝窄窄、速速度度快快、热热影影响响区区小小、省省材材料料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。可可以以切切割割钢钢板板、不不锈锈钢钢、钛钛、钽钽、镍镍等等金金属属材材

25、料料，以以及及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。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 利利用用工工具具端端面面作作超超声声（161625kHz25kHz）振振动动，使使工工作作液液中中的的悬悬浮浮磨磨粒粒对对工工件件表表面面撞撞击抛磨来实现加工。击抛磨来实现加工。超超声声波波发发生生器器将将工工频频交交流流电电能能转转变变为为有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡，通通过过换换能能器器将将超超声声频频电电振振荡荡转转变变为为超超声声机机械械振振动动，此此时时振振幅幅一一般般很很小小，再再通通过过振振幅幅扩扩大大棒棒（变变幅幅杆杆）使使固固定定在在

26、变变幅幅杆杆端端部部的的工工具具振振幅幅增增大大到到0.010.010.15mm0.15mm。q 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、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、金刚石等陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。可加工各种复杂形状的型孔、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。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

27、，尺被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达寸精度可达0.010.010.05mm 0.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。形零件。生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声生产效率较低。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。磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。q 超声波加工特点及应用q 工作原理：q 加工装置q 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0.0750.42.55

28、0030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板到钢板、

29、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。q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。q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本节结束