《特种加工论文特种加工技术的发展及其对制造技术的影响》.doc
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1、特种加工技术的开展及其对制造技术的影响 摘要:特种加工是传统加工工艺方法的重要补充和开展,已成为航空,航天,电子仪表,家用电器以及通讯,汽车,轻工业等各个机械制造行业,随着科技的进步,特种加工的种类也越来越多,本文介绍了电火花加工、电火花线切割加工、电化学加工、激光加工、电子束加工、离子束加工的特点及应用。关键字:特种加工 特点 应用 开展一、引言特种加工技术一个响亮的名词已在21世纪迅速崛起,特种加工技术在制造业具有重要的地位以及开展意义,显示了其在国家根底工业现代化中的战略性作用。在一些尖端科学技术部门和新型的工业领域中,以越来越多地使用特殊物理,机械性能的新材料,如高强度、高硬度、高熔点
2、、高脆性、高粘性、磁性材料等,有的硬度已接近甚至超过现有刀具材料的硬度,同时,有的零件加工尺寸及其微小,加工形状极其复杂,或者有的加工外表有特殊严格的外表质量要求等,使用常规的加工技术无法进行或达不到加工要求。从而产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法,这些加工方法广泛定义为特种加工技术。特种加工不使用刀具,磨具等切除金属,而是采用电、磁、声、光等物理能量及化学能量或组合施加在被加工部位上,从而去除材料,或改变材料的性能,到达加工要求。特种加工技术采用电磁声光等无形的能量,是科技的进步的最大表现,在未来的开展中,我们要不断认识特种加工的优缺点,更好的利用好特种加工技术,为未来的生产做出更大的
3、奉献。二、特种加工及其开展特种加工是除了单独利用机械能加工以外的所有加工方法的总称,它可以利用电能,热能,流体能,光能,声能,化学能及特殊机械能等多种能量或其复合施加在工件的被加工部位以实现材料切除的加工方法1。1.特种加工的特点:特种加工在加工机理和加工形式上与传统切削和成形加工有着本质的区别,主要表现在:不能只用机械能,与加工对象的力学性能无关。有些加工方法如激光加工,电火花加工,等离子弧加工,电化学加工等,是利用热能,化学能,电化学能等,这些加工方法与工件的硬度,强度等力学性能无关,故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。非接触加工。加工时不一定
4、需要工具,有的虽使用工具,但与工件不接触,因此,工件不承受大的作用力,工具硬度可以低于工件硬度,因此可以加工刚性极低元件及弹性元件。微细加工。工件外表质量高,有些特殊加工,如超声加工,电化学加工等其加工余量都十分微细,故不仅可以加工尺寸微小的孔或狭缝,还能获得很好的加工外表质量。加工中不存在机械应变或大面积的热应变,可获得较低的外表粗糙度值,其热应力,剩余应力,冷作硬化等均比拟小,尺寸稳定性也好。两种或两种以上的不同类型的能量可以相互组合,形成新的复合加工,其综合加工效果明显,且便于推广使用。特种加工对简化加工工艺,变革新产品的设计及零件结构的工艺性等会产生积极地影响。2. 特种加工的开展史从
5、第一次产业革命到第二次世界大战,传统的切削加工占据了整个机械加工业,对特种加工也没有迫切的要求;但20世纪30年代以后,特别是在20世纪50年代以来,随着生产的开展和科技的进步,很多工业部门,特别是国防工业和航空航天工业,要求科学技术产品向高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向开展,随之而来的是各种难加工材料,特殊的复杂型面,超精和光整加工,以及各种特殊要求的零件的加工,如硬质合金、耐热钢、金刚石、宝石、半导体材料等硬度高、强度大、韧性好或脆性特别大的材料的加工;涡轮机的叶片、锻压磨具、喷油嘴、喷丝孔、窄缝等复杂型面的加工;陀螺仪,伺服阀的高精和光整加工;细
6、长轴,弹性元件等低刚度零件的加工等。于是,人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料,自动化切削参数,提高刀具可靠性,开发新型切削液和在线刀具监控系统,研发新型自动机床等途径进一步改变切削状态,提高切削加工水平,并解决一些问题;另一方面,那么冲破传统加工方法的束缚,不断探索,力图寻求新的加工方法,于是,一种本质上区别于传统加工的特种加工方法应运而生,并不断获得开展。其中,前苏联科学家拉扎林柯夫妇在研究开关触点受电火花放电腐蚀损坏的现象时,发现电火花放点所产生的瞬间高温对金属材料有熔化和汽蚀作用,于是创造了电火花加工方法。该方法可以用软的工具材料加工很硬的工件,获得了以柔克刚的效果。电火花加工是
7、从加工机理和加工形式上脱离传统切削加工的方法的先例,随后又出现了激光加工,电化学加工,超声加工,电子束加工,离子束加工等多种与传统加工完全不同的新型加工方法,形成了现在统称的“特种加工方法。近年来,电火花加工机床的生产和销售已经远远的超过金属切削机床的增长,各种特种加工方法的应用也日益广泛。同时,各种特种加工方法也在不断地开展,并衍生出各种特种加工方法相结合有与传统机械加工相结合的新型复合加工。目前,特种加工已经成为制造行业不可或缺的重要加工手段,在难加工材料、细微加工、特殊型面加工等方面发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的开展,特种加工技术在较短的时间内取得了很大的进步,已经成为先进制造技
8、术的重要组成局部。随着各种特种加工机理的研究和开展,这种非传统的加工技术越来越完善,特别是与计算机相结合,使特种加工进入了数字化制造领域,这对特种加工技术的开展和推广应用产生了很大的促进作用。因此,随着各种新型材料的不断出现和新工艺的不断提出,特种加工技术正在以崭新的面貌出现在机械制造领域。3.特种加工的分类加工方法主要能量形式作用形式电火花加工电火花成形加工电,热能熔化,汽化电火花线切割加工电,热能熔化,汽化电化学加工电解加工电化学能阳极溶解电镀磨削电化学能,机械能阳极溶解,机械磨削电铸加工电化学能阴极沉积涂镀加工电化学能阴极沉积高能束加工激光加工光,热能熔化,汽化电子束加工电,热能熔化,汽
9、化离子束加工电,机械能切蚀等离子弧加工电,热能熔化,汽化三、电火花加工电火花加工:电火花加工是基于电火花腐蚀原理,是在工具电极与工件电极相互靠近时,极间形成脉冲性火花放电,在电火花通道中产生瞬时高温,使金属局部熔化,甚至汽化,从而将金属蚀除下来,以到达尺寸,形状及外表质量的预定加工要求。1. 电火花加工的工作原理电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法,又称放电加工或电蚀加工,英文简称EDM。进行电火花加工时,工具电极和工件分别接脉冲电源的两极,并浸入工作液中,或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给,当两电极间的间隙到达
10、一定距离时,两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿,产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能,温度可高达一万摄氏度上,压力也有急剧变化,从而使这一点工作外表局部微量的金属材料立刻熔化、气化,并爆炸式地飞溅到工作液中,迅速冷凝,形成固体的金属微粒,被工作液带走。这时在工件外表上便留下一个微小的凹坑痕迹,放电短暂停歇,两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着,下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿,产生火花放电,重复上述过程。这样,虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少,但因每秒有成千上万次脉冲放电作用,就能蚀除较多的金属,具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下,一边蚀除
11、工件金属,一边使工具电极不断地向工件进给,最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此,只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式,就能加工出各种复杂的型面。工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料,如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中,工具电极也有损耗,但小于工件金属的蚀除量,甚至接近于无损耗。工作液作为放电介质,在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质,如煤油、去离子水和乳化液等。2. 电火花加工的主要特点能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件; 加工时无切削力; 不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷; 工具电极
12、材料无须比工件材料硬; 直接使用电能加工,便于实现自动化; 加工后外表产生变质层,在某些应用中须进一步去除; 工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比拟麻烦。 3.电火花加工的主要用途加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件;加工各种硬、脆材料如硬质合金和淬火钢等;加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等;加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。4. 电火花加工的应用领域及最新进展电火花加工包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。电火花穿孔加工主要用于型孔圆孔、方孔、多边形孔、异形孔、曲线孔弯孔、螺旋孔、小孔和微孔的
13、加工。近年来,为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题,在电火花穿孔加工中开展了高速小孔加工,取得良好的社会经济效益。当前,电火花加工机床的各项工艺指标均已到达很高的水平,机床具有了优越的性能与强大的功能。在这种情况下,进一步开展就应该呈现出新的特点。电加工技术的开展趋势归纳为五化:精密微细化、智能化、个性化、绿色环保化和高效化2。研究说明,对于同一种金属材料,在电火花加工时,存在一个最正确脉冲参数组合。所谓最正确脉冲参数,是指在一定的外表粗糙度和工具电极损耗的前提下能获得的最高生产率。即随着加工电流的改变,存在一个最正确的加工电流值,低于或者超过这个最正确值,都会降
14、低加工速度;在其它电规准不变的情况下,随着脉冲宽度的改变,也存在一个最正确的脉宽值,低于或者超过这个最正确脉宽值,都会降低电火花加工的速度。脉间减小,脉宽系数增大,加工速度提高。当设定的极间距离比常用的加工条件窄时,放电产生的加工液沸腾、气化膨胀使得放电通道周围介质可获得较大的流速,有效地利用这种原理,将加工屑、析碳等从极间排出去。这样做可减小脉冲间隔时间,增加放电频率,促进放电生成物的排出,提高加工效率。上海交通大学系统地研究了使用该方法的放电加工特性,在峰值电流为60A,脉冲宽度为200s,脉宽系数为80%,平均极间距为47m时,即使不采用定时抬刀,仍然可以将放电生成物顺利排极间,从而实现
15、高效率放电加工3。采用工作液中参加气体的方式,以提高电火花加工效率是近几年的研究热点之一。日本的M.Kunieda 等采用水作工作液,并向工作液中通入氧气,可以观察到更大的放电凹坑和更加频繁的放电,加工速度也相应提Kunieda 等又以氧气作工作介质,研究了气中放电三维铣削加工,最大加工效率达12.2mm3/min ,是同样加工条件下普通电加工铣削效率的6倍4。此外,利用非燃性工作液或在工作液中参加添加剂的电火花加工可成倍提高加工速度。日本的三菱电机公司、Sodick 公司相继开发了利用水基工作液的电火花成形加工机,在水基工作液中加工钢材,在相同的平均加工电流下,其加工速度比煤油工作液高出23
16、 倍。日本的国枝正典等人,在研究电火花加工放电位置检测技术的根底上,进行了放电位置的可控性研究。其试验原理基于对放电等效回路的分析,可以在纳秒数量级内获得优先击穿的几率5。这一研究进展对于电火花加工的过程控制可能带来非常深刻的影响,很有可能将过去被动的控制策略变成为主动控制策略,从而不必依赖延长放电停歇时间来保证间隙消电离,防止放电集中导致的拉弧等有害放电。这样不仅可以保证加工更加稳定,而且可以大幅度提高加工效率。综上所述,加工过程的高效化就是提高电火花加工的效率,它不仅表达在单位放电脉冲蚀除材料量的大小上,而且表达在采用新型高效的加工工艺和改良电火花加工控制系统、工作液循环系统、机床结构等对
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