《机械加工技术》配套教案：项目08特种加工技术.docx

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1、项目八特种加工技术一、教学目标任务1电火花加工1 . 了解电火花加工原理。2 .熟悉电火花加工特点。3 .掌握电火花加工的应用。任务2激光加工1 . 了解激光加工的概念与原理。2 .掌握激光加工的特点。3 .掌握激光加工的应用。任务3数控加工1 .了解数控机床的发展过程。2 .熟悉数控机床的组成。3 .掌握数控机床的加工特点。任务4超声波加工1 .了解超声波加工的历史。2 .熟悉超声波加工的工作原理。3 .掌握超声波加工的特点。二、课时分配本章共4个任务，本章安排4课时。三、教学重点我们通过本项目的实施，熟悉电火花加工特点。了解激光加工的概念与原理。熟悉数控 机床的组成。熟悉超声波加工的工作原

2、理。四、教学难点1 .掌握电火花加工的应用。2 ,掌掌握激光加工的特点。3 .掌握激光加工的应用。4 .掌握数控机床的加工特点。5 .掌握超声波加工的特点。五、教学内容务1电火花加工活动1电火花加工原理电火花加工是一种利用电、热能量对金属进行加工的方法。日常生活中，插头或电器开 关的触点开、闭时，往往产生电火花而将金属部分熔化、腐蚀。把这种电腐蚀现象作为一种 加工方法，即电火花加工。电火花加工是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用，对 工件进行加工的方法。电火花加工的原理如图8-1所示。图8-1电火花加工原理示意图1一工件;2脉冲电源;3自动进给调节装置;4工具；5工作

3、液；6过滤器；7液压泵活动2电火花加工的特点电火花加工是靠局部电热效应实现加工的，与一般切削加工比较有以下特点。(1)加工时工具电极和工件不直接接触，因此，可用较软的电极材料加工任何高硬度的 导电材.料，这一点是其他加工方法无法比拟的。(2)加工时不用刀具，无明显的切削力作用(主要是两极不直接接触)，不会因此造成零 件受力变形，所以可以加工某些刚性较差的薄壁、窄缝和小孔、弯孔、深孔、曲线孔和各种 复杂型腔。(3)加工时不受热影响，由于电火花加工时的脉冲能量是间歇地以极短的时间作用在材 料上，工作液是流动的，起散热作用，可保证加工不受热变形的影响。(4)不需要复杂的切削运动便可加工形状复杂的零件

4、表面，易于实现加工的自动化。(5)需要制造精度高的电极，而且电极在加工中有一定的损耗，增加了成本、降低了精 度，且只能对导电材料进行加工，这也限制了它的应用。(6)加工时不需要刀具，减少了刀具的费用。活动3电火花加工的应用电火花加工的应用比较广泛，种类也很多，按加工过程中工具电极和工件相对运动的方 式和用途不同，大致可分为电火花穿孔加工、电火花型腔加工、电火花线切割加工、电火花 链削和磨削、电火花表面强化与刻字、电火花同步回转加工等。其中，电火花穿孔成形加工 和电火花线切割应用最广泛。1 .电火花穿孔加工2 .电火花型腔加工3 .电火花线切割加工(1)线切割加工的特点。(2)线切割加工的应用。

5、任务2激光加工活动1激光加工的概念与原理1 .激光加工的概念2 .激光加工的原理活动2激光加工的特点激光加工有以下特点。(1)加工范围广。由于激光加工的功率密度是各种加工方法中最高的一种，几乎能加工 任何金属和非金属材料，如高熔点材料、耐热合金、硬质合金、有机玻璃及陶瓷、宝石、金 刚石等硬脆材料。(2)操作简便。激光加工不需要真空条件，可在各种环境中进行。(3)适合精密加工。激光聚焦后的焦点直径小于几微米，形成极细的光束，所以可以加 工深而小的微孔和窄缝。(4)无工具损耗。激光加工不需要加工工具，是非接触加工，工件不受明显的切削力， 可对刚性差的薄壁零件进行加工。(5)高效性。加工速度快、效率

6、高，可减少热扩散带来的热变形。(6)可控性好。激光加工的可控性好，易于实现加工自动化。(7)维修性好。激光加工装置小巧简单，维修方便。活动3激光加工的应用在机械加工中，利用激光能量高度集中的特点，可进行打孔、切割、焊接、雕刻、表面 热处理，利用激光的单色性还可以进行精密测量。1 .激光打孔2 .激光切割3 .激光焊接4 .激光雕刻5 .激光表面热处理务3数控加工活动1数控机床简介数控机床的研制于20世纪50年代初开始。20世纪60年代初，数控系统由使用电子管 过渡到晶体管和印刷板电路，这使数控系统的可靠性得到了提高，成本也开始下降，民用工 业也开始发展数控机床。近年计算机技术的飞速发展，推动了

7、数控机床的巨大进步，数控机 床已经从40年前的点位控制机床，发展成为具有多功能、多种类、高精度、高效率的数控 机床，和由多台数控机床组成的柔性加工系统。活动2数控机床的组成数控机床是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成的。如图8-4所示为开环 控制的数控机床组成框图(实线部分)。在高精度数控机床的系统中，加上一个测量反馈系统 (图8-4所示的虚线部分)，就构成了闭环控制的数控机床框图。控制介质 -数控装置 一伺服系统 -机床;应-素绕;1 I图8-4数控机床组成框图1 .控制介质控制介质是使数控机床按照人的意图去进行工作的中间媒介。在数控机床上加工工件时, 要把加工工件所需的机床全部动

8、作以及刀具相对于工件的位置等内容，用数控装置所能识别 的数字和文字代码来表示，并将这些代码编制成程序存储在控制介质上。控制介质可以是磁 盘、磁带或其他可以储存代码的介质。采用哪一种介质，取决于数控装置的输入设备类型。2 .数控装置如图8-5所示，数控装置一般由输入装置、译码器、主控制器、存储器、输出装置和显 示器等组成。数控装置是数控机床的核心，它根据输入装置获得的指令信息进行分析和运算, 并将运算结果输送到伺服系统中，以驱动机床对工件进行加工。采用计算机控制的数控装置 称为CNC。图8-5数控装置逻辑框图3 .伺服系统伺服系统的作用是把数控装置送来的脉冲信号转换为机床运动部件的运动。伺服系统

9、接 到数控装置的指令后，经传动装置驱动机床的运动部件(工作台、刀架或主轴)进行精确定位 或按照规定的轨迹和速度运转，控制机床加工出合格的工件。伺服系统的性能直接影响数控 机床的加工精度、表面粗糙度和生产率。相对于每一个脉冲信号，机床移动部件的位移量称 为脉冲当量，常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲或0.001mm/脉冲。开环控制的数控机床的伺 服系统常用步进电动机和电液脉冲马达作为伺服元件，闭环控制的数控机床的伺服系统常用 伺服电动机等作为伺服元件。4 .机床机床由床身、执行件和传动件组成。由于数控机床的切削用量大，且长时间连续工作, 故除了发热量大和受力变形而影响加工精度外，还不易随时对机床

10、进行各种误差补偿，所以 要求机床的设计要更加完善，制造更加精密。有些经济型数控机床为降低成本也采用普通机床的基本结构。活动3数控加工的特点在数控机床上，工件的整个加工过程全是由数字指令控制的。在工件加工前，根据工件 图样的要求和机床的加工工艺过程，用数控系统可以识别的数字代码将工件的加工尺寸、切 削用量以及机床的辅助操作(即主轴开停、换向、刀具的更换、切削液的通断)等各种信息编 制成程序，然后输入到数控系统中去。数控机床按照程序中的指令自动完成对工件的每一道 加工工序，直到工件加工完成。因此，数控机床具有以下特点。(1)可以加工形状复杂的工件。由于机床的控制系统是由计算机来控制完成的，因此机

11、床在加工过程中，可以在两坐标或3坐标上同时对机床的进给运动进行控制，并且可以控制 机床在各个坐标方向上的相对运动速度大小，从而可以加工出普通机床难以加工的具有特殊 曲面的复杂工件。(2)更换产品灵活,由于数控机床是按照控制介质所记载的工件加工程序进行工作的。 所以改变加工工件时，只要更换控制介质上的加工程序、重新装夹工件以及更换刀具并对刀 即可。(3)生产率较高。数控机床的刚度大，功率也大，且在加工过程中，切削用量可以自动 调整到最佳状态，这就有效地节省了机动时间。数控机床具有自动换刀、不停车变速、快速 空行程运动和自动检测等功能，这些功能大大缩短了机床的辅助时间，提高了生产率。(4)加工精度

12、较高和加工质量较稳定。因为机床加工过程不需要人工直接操作，因而避 免了人为误差，并且机床的结构和传动系统都具有较高的精度和刚度，因此机床的重复精度 高，加工质量稳定。为了保证加工精度，机床又采用了如闭环控制系统和利用系统软件调整 等提高加工精度的措施，可以使机床达到较高的加工精度。(5)改善了劳动条件,减轻了工人的劳动强度。由于数控机床的加工过程是自动进行的， 不需要人工直接操作，加工完毕后即自动停机，使工人的劳动条件大为改善。(6)提高场地利用率。由于数控机床一机多用，工序高度集中，从而减少机床台数，提 高场地利用率。(7)便于实现生产过程的自动化管理。由于数控机床是使用数字指令来进行控制的

13、，便 于与计算机连接，所以它为采用计算机进行生产管理创造了条件，为实现生产过程高度自动 化(如柔性加工系统、无人车间、无人工厂等)奠定了基础。数控机床属于高度自动化机床，控制系统复杂，目前价格还比较高。但是，由于它具有 诸多的优越性，因而在宇航、国防和民用工业中得到广泛应用，不仅用于高精度的复杂工件 的生产，也应用于一般工件的加工。任务4超声波加工活动1超声波加工的历史1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早进行了超声加工试验，利用强烈的超声振动 对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。1951年，美国的科恩制成第一 台实用的超声加工机。20世纪50年代中期，日本、苏联科学家将超声

14、加工、电加工(如电火花加工和电解加 工等)与切削加工结合起来，开辟了复合加工的领域。这种复合加工的方法能改善电加工或 金属切削加工的条件，提高加工效率和质量。1964年，英国科学家又提出使用烧结或电镀 金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时，加工速度低和精度差的缺 点。1987年，中国北京电加工研究所研制成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。2003 年，德国DMG公司开发了超声振动加工机床。近年来，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业 中得到了广泛的应用。活动2超声波加工工作原理超声波加工原理图如图8-6所示。加工时，在工具与工件之间加入液体(水或煤油)与磨料混合的磨料悬浮液，

15、并使工具以很小的力压在工件上，超声波换能器产生16 kHz以 上的声频，纵向振动，并借助变幅杆把振幅放大到0. 050. 1mm,驱动工具端面做超声振动， 迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域 的材料粉碎成很细的微粒，并从工件上打击下来。除了磨粒的高频撞击和抛磨作用外，工作液还会受工具端部的超声振动作用，同时产生 高频、交变的液压正负冲击波，加强了机械的破坏作用。超声波换能器是把高频电能转换成机械能的重要组件。上部绕组称为磁致伸缩器。(2)变幅棒是一个上粗下细的杆，这种锥形棒可将振幅扩大510倍。(3)工具的形状和尺寸取决于工件被加工面的形状和尺寸。

16、工具通常采用韧性材料制成, 常用未淬火碳素钢。(4)磨料常采用碳化硼、氧化铝等。磨料的粒度对加工生产率及精度有很大影响。(5)磨料悬浮液通常是由泵注入工件与工具之间的。活动3超声波加工特点及应用范围超声波加工有以下特点。(1)特别适合于加工各种硬脆材料，如硬质合金、淬火钢、金刚石、石英、宝石、玻璃、 陶瓷等，但生产率较低。加工时，一般均采用成形加工方法。(2)加工过程受力小，热影响小，可用于加工薄壁、窄缝等低刚度零件。(3)被加工表面无残余应力、无破坏层，加工精度高，尺寸精度为0.010. 05 mm,表 面粗糙度值Ra为0. 40. 1 u mo(4)工具可用较软材料制作，故可以加工各种复杂

17、形状的型孔、型腔和型面，还可以进 行套料、切割和雕刻等。(5)超声加工的孔径范围为0. 190 mm,最大加工深度可达300400 mni,当超声发生 器功率为1 kW并加工玻璃时，其生产率可达4 000 mm3/min。(6)由于可以采用复杂形状的工具，故不需要工具与工件之间的复杂运动关系就可以加 工出复杂形状的工件，因此，超声加工机床结构简单，使用和维护也很方便。近年来，超声加工和其他加工方法结合进行的复合加工发展迅速，如超声电火花加工、 超声电解加工、超声调制激光打孔、超声振动切削加工等。这些复合加工方法，由于把两种 以至多种加工方法的工作原理结合在一起，起到取长补短的作用，使加工效率、

18、加工精度及 加工表面质量都得到显著提高。利用超声振荡所产生的空化作用，还可以用于清洗机械零件，甚至能清洗衣物等。此外， 超声波还可以用来进行测距和探伤等工作。六、项目小结1 .电火花加工电火花加工是一种利用电、热能量对金属进行加工的方法，其工作原理为电腐蚀现象。2 .激光加工由于激光具有高方向性、高亮度、高单色性和能量高度集中等特点，激光加工可以应用 于打孔、切割、焊接等各方面。3 .数控加工数控机床是采用电子计算机或专用电子计算装置对数字化信息进行处理而实现自动控 制的机床。4 .超声波加工超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮加工硬材料的一种成形方法。 七、课后习题完成项目的项目检测。