材料性能及其加工第20章特种加工和数控加工.ppt

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1、第二十章第二十章 特种加工与数控加工特种加工与数控加工本章知识点本章知识点先导案例先导案例第一节第一节 特种加工特种加工第二节第二节 数控加工数控加工先导案例解决先导案例解决本章小结本章小结思考题思考题本章知识点本章知识点1 1、了解电火花加工的原理和特点。、了解电火花加工的原理和特点。2 2、了解电解加工的原理和特点。、了解电解加工的原理和特点。3 3、了解激光加工的原理和特点。、了解激光加工的原理和特点。4 4、了解超声波加工的原理和特点。、了解超声波加工的原理和特点。返回先导案例先导案例请想想如何对一些传统切削难以加工的材料进行加工，如高请想想如何对一些传统切削难以加工的材料进行加工，如

2、高硬度，高韧性材料的加工硬度，高韧性材料的加工返回第一节第一节 特种加工特种加工 随着现代制造业的发展，加工中许多高强度、高硬度、高韧随着现代制造业的发展，加工中许多高强度、高硬度、高韧性、高脆性、高熔点等难切削材料不断出现，各种复杂结构性、高脆性、高熔点等难切削材料不断出现，各种复杂结构与特殊工艺要求的零件也越来越多，采用传统的切削加工方与特殊工艺要求的零件也越来越多，采用传统的切削加工方法己难以胜任，于是出现了特种加工方法。法己难以胜任，于是出现了特种加工方法。特种加工亦称特种加工亦称“非传统加工非传统加工”或或“现代加工方法现代加工方法”，泛指，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、

3、声能及特殊机械用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。它的种类很多，常用的去除、变形、改变性能或被镀覆等。它的种类很多，常用的特种加工方法有电火花加工、电解加工、激光加工、超声波特种加工方法有电火花加工、电解加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、等离子加工和水喷射加工等。加工、电子束加工、等离子加工和水喷射加工等。特种加工与传统的切削加工相比有如下特点。特种加工与传统的切削加工相比有如下特点。(l)(l)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加

4、工任何加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（2)2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。（3)3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。热影响区等均比较小。（4)4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。特种加工技术在国际上被称为特种加工技术在国际上被称为2121

5、世纪的技术，对新型武器世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。随着新型武器装装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其他作战平台都要求降低结构质量，提高明机、导弹，还是其他作战平台都要求降低结构质量，提高明示速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构示速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进

6、冷却结构等新型结都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工构，以及钦合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新构，以及钦合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造材料。为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用在以下领域。的主要应用在以下领域。(1)(1)难加工材料，如钦合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、难加工材料，如钦合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金

7、刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。高强度、高熔点材料。（2)2)难加工零件，如复杂零件二维型腔、型孔、群孔和窄缝难加工零件，如复杂零件二维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。等的加工。（3)3)低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。（4)4)以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。改性、刻蚀和精细加工。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工一、电火花加工一、电火花加工 1.1.电火

8、花加工原理电火花加工原理 电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电电火花加工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，甚至气化，从而将金属蚀产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢?这一过程大致分为以下几个阶段，如图这一过程大致分为以下几个阶段，如图20-120-1所示。所示。（1)1)极间介质的电离、击穿，形成放电通道，极间介质的电离、击

9、穿，形成放电通道，如图如图20-120-1（a)a)所示。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，所示。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的近的A,BA,B处电场强度最大。处电场强度最大。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的

10、粒子，电场强度越大，带电粒成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应

11、和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（2)2)电极材料的熔化、气化热膨胀，如图电极材料的熔化、气化热膨胀，如图20-120-1（b),b),（c)c)所所示。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负示。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相匀电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相匀_ _撞撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液气化，进而气化，

12、然后高温向四周扩散，使温首先使工作液气化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。并听到轻微的爆炸声。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（3)3)电极材料的抛出，如图电极材料的抛出，如图20-120-1（d)d)所示。正负电极间产生所示。正负电极间产生的电火

13、花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到橘红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎看到橘红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。屑。（4)4)极间介质的消电离，如图极间介质的消电离，如图20-120-1（e e

14、）所示。加工液流入所示。加工液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放

15、电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。上述步骤（上述步骤（1)1)一步骤（一步骤（4)4)在一秒内约数千次甚至数万次地往在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔(即脉冲即脉冲间隔间隔)使工作液恢复绝缘后，第一个脉冲又作用到工具电极和使工作液恢复绝缘后，第一个脉冲又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强

16、度最弱处击穿放电，蚀出另一个小四坑。这样以相当高的频率连续不断穿放电，蚀出另一个小四坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相匀匀_ _重叠的小四坑组成。所以电火花加工是大量的微小放电痕重叠的小四坑组成。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 2.2.电火花加工的特点电火花加工的特点 （1)1)可以加工任何硬、脆、软、韧、高熔点的导电材料。可以加工任何硬、脆、软、韧、高熔点的导电材料。（2)

17、2)两电极不接触，无明显切削力，故不会产生由此而引两电极不接触，无明显切削力，故不会产生由此而引起的残余应力或变形，有利于窄槽、小孔、薄壁以及各种复起的残余应力或变形，有利于窄槽、小孔、薄壁以及各种复杂形状型孔、型腔的加工，特别有利于低刚度零件和精密、杂形状型孔、型腔的加工，特别有利于低刚度零件和精密、细微表面的加工。细微表面的加工。（3)3)由于脉冲放电持续时间很短，工件加工表面几乎不受由于脉冲放电持续时间很短，工件加工表面几乎不受热影响，不会产生热变形，故尤其有利于加工热敏性材料。热影响，不会产生热变形，故尤其有利于加工热敏性材料。（4)4)由于脉冲参数可以任意调节，故可在同一台机床上通由

18、于脉冲参数可以任意调节，故可在同一台机床上通过改变电压、电流、脉宽和脉间等参数，连续进行粗、半精过改变电压、电流、脉宽和脉间等参数，连续进行粗、半精和精加工。一般电火花加工的尺寸精度可达和精加工。一般电火花加工的尺寸精度可达0.01mm0.01mm，表面粗，表面粗糙度为糙度为上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工(5)(5)直接用电加工，便于实现自动化。直接用电加工，便于实现自动化。(6)(6)加工速度较慢。要保证加工质量则速度很慢，要提高加加工速度较慢。要保证加工质量则速度很慢，要提高加工速度则质量较差。工速度则质量较差。(7)(7)工具电极有损耗，影响成型精度，型腔最小角部半径不

19、工具电极有损耗，影响成型精度，型腔最小角部半径不能太小。能太小。3.3.电火花加工的应用电火花加工的应用(1)(1)电火花穿孔。电火花穿孔。常用于加工冷冲模四模的型孔，喷兹头常用于加工冷冲模四模的型孔，喷兹头上的小孔、微孔以及弯孔、螺旋孔等。上的小孔、微孔以及弯孔、螺旋孔等。(2)(2)电火花型腔加工。常用于加工锻模、压铸模、挤压模、电火花型腔加工。常用于加工锻模、压铸模、挤压模、注射模、胶木模等的型腔以及叶片和整体式叶轮的曲面等。注射模、胶木模等的型腔以及叶片和整体式叶轮的曲面等。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工(3)(3)电火花线切割加工。线切割加工是利用移动的细金属导电火

20、花线切割加工。线切割加工是利用移动的细金属导线线(铜丝或钳丝铜丝或钳丝)做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法，型的一种工艺方法，如图如图20-220-2所示。所示。早期线切割采用快走丝，即采用直径为的钼丝，以早期线切割采用快走丝，即采用直径为的钼丝，以8-l 8-l Om/sOm/s的速度来回使用。现在线切割采用慢走丝，即用直径为的速度来回使用。现在线切割采用慢走丝，即用直径为的黄铜丝，以的黄铜丝，以0.01-0.lm/s0.01-0.lm/s的速度单向走丝的速度单向走丝,黄铜丝一次走过黄铜丝一次走过就作废。慢走丝加工出的工件精度高，表面

21、质量好。电火花就作废。慢走丝加工出的工件精度高，表面质量好。电火花线切割加工用于切割冲裁模得凸模、样板、成形刀具以及窄线切割加工用于切割冲裁模得凸模、样板、成形刀具以及窄缝、栅网和形状复杂得各种平面成形件。缝、栅网和形状复杂得各种平面成形件。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工二、电解加工二、电解加工 1.1.电解加工原理电解加工原理 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。加工时，工件接直理将工件加工成形的一种特种加工方法。加工时，工件接直流电源的流电源的i1i1，极，工具接负极，两极

22、之间保持较小的间隙，极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙，一般取。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通一般取。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产随着工具相对工件不断进给，工件金属不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工物不断被电解液冲走，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状，如图件表面形成与工具工作面基本相似的形状，如图20-320-3所示。所示。上一页 下一

23、页返回第一节第一节 特种加工特种加工 电解液的成份主要取决于工件材料和加工要求，氯化钠电解液的成份主要取决于工件材料和加工要求，氯化钠（NaCl)NaCl)和硝酸钠（和硝酸钠（NaNONaNO3 3）水溶液使用较为普遍，某些场合）水溶液使用较为普遍，某些场合也使用氯酸钠（也使用氯酸钠（NaNO NaNO3 3 ）水溶液。对不锈钢、钦合金等工件）水溶液。对不锈钢、钦合金等工件材料，为了防止电蚀和改善表面质量，可使用两种或多种成材料，为了防止电蚀和改善表面质量，可使用两种或多种成份混合的电解液。混气电解加工是在电解液中混入一定量的份混合的电解液。混气电解加工是在电解液中混入一定量的压缩空气，使加工

24、区域内电解液的流场分布更为均匀，加工压缩空气，使加工区域内电解液的流场分布更为均匀，加工间隙趋向一致，从而提高加工精度。间隙趋向一致，从而提高加工精度。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 2.2.电解加工得特点电解加工得特点（1)1)加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料，加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料，并目不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制，并目不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制，加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于加工硬加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料

25、。质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。（2)2)生产率高，目加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙生产率高，目加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。电解加工能以简单的直线进给运动一次加工出复度的限制。电解加工能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型腔、型面和型孔，而目加工速度可以和电流密度成比杂的型腔、型面和型孔，而目加工速度可以和电流密度成比例地增加。据统计，电解加工的生产率约为电火花加工的例地增加。据统计，电解加工的生产率约为电火花加工的5-5-1010倍，在某些情况下，甚至可以超过机械切削加工。倍，在某些情况下，甚至可以超过机械切削加工。上一页 下一页返回第一节第一节 特

26、种加工特种加工（3)3)加工质量好，可获得一定的加工精度和较低的表面粗糙加工质量好，可获得一定的加工精度和较低的表面粗糙度。加工精度度。加工精度(mm:(mm:型面和型腔为型面和型腔为0.05-0.20;0.05-0.20;型孔和套料型孔和套料为为 0.03-0.05 0.03-0.05。表面粗糙度。表面粗糙度(m):m):对于一般中、高碳钢对于一般中、高碳钢和合金钢，可稳定地达到和合金钢，可稳定地达到Ra1.6-Ra0.4 m Ra1.6-Ra0.4 m，有些合金钢可，有些合金钢可达到达到Ra0.1 m Ra0.1 m（4)4)可用于加工薄壁和易变形零件。电解加工过程中工具和可用于加工薄壁和

27、易变形零件。电解加工过程中工具和工件不接触，不存在机械切削力，不产生残余应力和变形，工件不接触，不存在机械切削力，不产生残余应力和变形，没有飞边毛刺。没有飞边毛刺。（5)5)工具阴极无损耗。在电解加工过程中工具阴极上仅仅析工具阴极无损耗。在电解加工过程中工具阴极上仅仅析出氢气，而不发生溶解反应，所以没有损耗。只有在产生火出氢气，而不发生溶解反应，所以没有损耗。只有在产生火花、短路等异常现象时才会导致阴极损伤。花、短路等异常现象时才会导致阴极损伤。但是，事物总是一分为一的。电解加工也具有一定的局限但是，事物总是一分为一的。电解加工也具有一定的局限性，主要表现为以下几个方面。性，主要表现为以下几个

28、方面。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（1)1)电解加工影响因素多，技术难度高，不易实现稳定加工电解加工影响因素多，技术难度高，不易实现稳定加工和保证较高的加工精度。和保证较高的加工精度。（2)2)工具电极的设计、制造和修正较麻烦，因而很难适用于工具电极的设计、制造和修正较麻烦，因而很难适用于单件生产。单件生产。（3)3)电解加工设备投资较高，占地面积较大。电解加工设备投资较高，占地面积较大。(4)(4)电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物的处理和回电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物的处理和回收困难。收困难。3.3.电解加工的应用电解加工的应用(1)(1)用于深孔加工，如

29、枪筒、炮筒的膛线以及花键孔等型孔加用于深孔加工，如枪筒、炮筒的膛线以及花键孔等型孔加工。工。(2)(2)用于少成形表面的加工，如模具型腔、蜗轮叶片等。用于少成形表面的加工，如模具型腔、蜗轮叶片等。(3)(3)用于电解磨削、电解抛光、电解晰磨。用于电解磨削、电解抛光、电解晰磨。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工三、激光加工三、激光加工 1.1.激光加工原理激光加工原理 激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利用激光高激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特性，通过一系列的强度、高亮度、方向性好、单色性好的特性，通过一系列的光学系统聚焦成平

30、行度很高的微细光束光学系统聚焦成平行度很高的微细光束(直径几微米至几十微直径几微米至几十微米米)，获得极高的能量密度，获得极高的能量密度(108-lOlOW/cm2)(108-lOlOW/cm2)照射到材料上，照射到材料上，使材料在极短的时间内使材料在极短的时间内(千分之几秒甚至更短千分之几秒甚至更短)熔化甚至气化，熔化甚至气化，以达到加热和去除材料的目的。以达到加热和去除材料的目的。图图20-420-4为激光加工机示意图。激光加工机包括下面几个部分为激光加工机示意图。激光加工机包括下面几个部分:上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（1)1)激光器。激光器是激光加工的核心设备，通过

31、它可以把激光器。激光器是激光加工的核心设备，通过它可以把电能转化成光能，获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。电能转化成光能，获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。按材料分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体按材料分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器。按工作方式分为连续激光器和脉激光器及自由电子激光器。按工作方式分为连续激光器和脉冲激光器。冲激光器。（2 2）激光电源。激光电源根据加工工艺的要求，为激光提）激光电源。激光电源根据加工工艺的要求，为激光提供所需的能量及控制功能。由于激光器的工作特点不同，对供所需的能量及控制功能。由于激光器的工作特点不同，对

32、供电电源的要求也不同。供电电源的要求也不同。（3 3）光学系统。光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。）光学系统。光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上上;为了使激光束准确地聚焦在加工位置，要有焦点位置调节为了使激光束准确地聚焦在加工位置，要有焦点位置调节以及观察瞄准系统。以及观察瞄准系统。（4)4)机械系统。机械系统主要包括床身、工作台和机电控制机械系统。机械系统主要包括床身、工作台和机电控制系统。系统。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 2.2.激光加工的特点激光加工的特点

33、（1)1)适应性强。激光加工的功率密度高，几乎能加工任何适应性强。激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料，如各种金属、陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。材料，如各种金属、陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。（2)2)加工精度高。激光束可聚焦成微米级的光斑加工精度高。激光束可聚焦成微米级的光斑(理论上直理论上直径可小于径可小于1 )1 )适合精密微细加工。适合精密微细加工。（3)3)加工质量好。激光加工能量密度高，热作用时间很短，加工质量好。激光加工能量密度高，热作用时间很短，整个加工区几乎不受热的影响，工件热变形极小，故可加工整个加工区几乎不受热的影响，工件热变形极小，故可加工对热冲击敏感的材料。对热冲击

34、敏感的材料。（4)4)效率高。激光打孔只需效率高。激光打孔只需0.01s0.01s，切割比常规方法提高效，切割比常规方法提高效率率8-208-20倍，激光焊接可提高效率倍，激光焊接可提高效率3030倍，微调薄膜电阻可提高倍，微调薄膜电阻可提高10001000倍，提高精度倍，提高精度1-21-2个数量级。个数量级。（5)5)便于自动化。激光束传输方便，易于控制，便于与机便于自动化。激光束传输方便，易于控制，便于与机器人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相结合。器人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相结合。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（6)6)通用性强。用一台激光器改变不同

35、的导光系统，可以处通用性强。用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理各种形状和尺寸的工件。也可以选择适当的加工条件，用理各种形状和尺寸的工件。也可以选择适当的加工条件，用同一台装置进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。同一台装置进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。（7)7)节能节材。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的节能节材。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10-100010-1000倍，激光切割可以节省材料倍，激光切割可以节省材料15%-30%15%-30%（8)8)激光可通过光学透明介质激光可通过光学透明介质(玻璃、空气、惰性气体和某玻璃、空气、惰性气体和某些液体些液体)对

36、工件进行加工。对工件进行加工。激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素多。因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保多。因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此外对具有高热传导率材料的加工较困难。证。此外对具有高热传导率材料的加工较困难。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 3.3.激光加工的应用激光加工的应用(1)(1)激光打孔。激光打孔是激光加工中应用最广泛的。激光激光打孔。激光打孔是激光加工中应用最广泛的。激光打孔速度快、效率高，可打很小的孔和在超硬材料上打孔。打孔速度快、效率高，可打很小的孔和在

37、超硬材料上打孔。目前己应用于柴油机喷油嘴上打孔，化学纤维喷兹头上打孔，目前己应用于柴油机喷油嘴上打孔，化学纤维喷兹头上打孔，钟表钻石轴承和仪表宝石轴承上打孔以及金刚石拉兹模上打钟表钻石轴承和仪表宝石轴承上打孔以及金刚石拉兹模上打孔等。孔等。（2)2)激光切割。能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和激光切割。能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料，切割精度高，切割质量优良，可与计算机数控技硬脆材料，切割精度高，切割质量优良，可与计算机数控技术结合，实现自动化加工。术结合，实现自动化加工。（3)3)激光雕刻。激光雕刻所需能量密度较低，装工件的工作激光雕刻。激光雕刻所需能量密度较低，装工件的

38、工作台由一坐标数控系统传动。激光雕刻用于印染行业以及美术台由一坐标数控系统传动。激光雕刻用于印染行业以及美术作品等。作品等。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（4)4)激光焊接。激光焊接所需能量密度也较低，只需使被焊激光焊接。激光焊接所需能量密度也较低，只需使被焊工件在焊接处局部熔化，使两者结合在一起即可。激光焊接工件在焊接处局部熔化，使两者结合在一起即可。激光焊接迅速、生产率高，被焊材料不易氧化、热影响小，适合于热迅速、生产率高，被焊材料不易氧化、热影响小，适合于热敏感的品体竹元件的焊接。激光焊接既没有焊渣，也没有氧敏感的品体竹元件的焊接。激光焊接既没有焊渣，也没有氧化膜，适合

39、于精密仪表中的焊接。激光不仅能焊接同种材料，化膜，适合于精密仪表中的焊接。激光不仅能焊接同种材料，而目也可以焊接异种材料，甚至可焊接金属与非金属材料。而目也可以焊接异种材料，甚至可焊接金属与非金属材料。（5)5)激光表明处理。利用大功率激光器对金属表面扫描，使激光表明处理。利用大功率激光器对金属表面扫描，使工件表面在极短时间内加热到相变温度，并由于热量迅速向工件表面在极短时间内加热到相变温度，并由于热量迅速向工件内部传导而使表面冷却，使工件表层材料相变硬化。还工件内部传导而使表面冷却，使工件表层材料相变硬化。还可用激光在普通金属表层熔入其他元素，使其具有优良合金可用激光在普通金属表层熔入其他元

40、素，使其具有优良合金的性能。的性能。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工四、超声波加工四、超声波加工 超声波加工是利用工具端面作超声波加工是利用工具端面作16-25kHz16-25kHz的超声频率振动，使的超声频率振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面冲击琢磨所实现的加工。如工作液中的悬浮磨粒对工件表面冲击琢磨所实现的加工。如图图20-520-5所示，超声波发生器所示，超声波发生器7 7产生产生16kHz16kHz以上的高频交流电，以上的高频交流电，输送给超声换能器输送给超声换能器5 5，使由镍片组成的换能器产生超声频纵向，使由镍片组成的换能器产生超声频纵向振动，再通过振幅扩大棒振动

41、，再通过振幅扩大棒4 4把振幅扩大到，使装在振幅扩大棒把振幅扩大到，使装在振幅扩大棒下端的工具下端的工具1 1产生强烈振动。工作液产生强烈振动。工作液3 3由悬浮在水中的磨粒组由悬浮在水中的磨粒组成，工具的强烈振动迫使磨粒以很大的速度和加速度撞击加成，工具的强烈振动迫使磨粒以很大的速度和加速度撞击加工表面，从工件工表面，从工件2 2上琢磨下许多颗微粒，微粒被循环的工作液上琢磨下许多颗微粒，微粒被循环的工作液带走。工具连续向下进给，冲击磨削继续进行，工具的形状带走。工具连续向下进给，冲击磨削继续进行，工具的形状便反映到工件上，直到达到要求的尺寸。为了冷却超声换能便反映到工件上，直到达到要求的尺寸

42、。为了冷却超声换能器，需用冷却水循环散热。超声波加工塑性材料用刚玉磨料，器，需用冷却水循环散热。超声波加工塑性材料用刚玉磨料，脆性材料用碳化硅磨料，加工硬质合金用碳化硼磨料，加工脆性材料用碳化硅磨料，加工硬质合金用碳化硼磨料，加工金刚石则用金刚石粉磨料。金刚石则用金刚石粉磨料。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 1.1.超声波加工的特点超声波加工的特点 （1 1）超声波加工适用于各种工件材料。它可加工高韧性的）超声波加工适用于各种工件材料。它可加工高韧性的合金、淬硬钢和硬质合金等硬材料，也可加工塑性、石墨等合金、淬硬钢和硬质合金等硬材料，也可加工塑性、石墨等软材料。但它特别适合于

43、加工电火花加工、电解加工所无法软材料。但它特别适合于加工电火花加工、电解加工所无法加工的不导电的非金属硬脆材料，如玻璃、陶瓷、宝石、金加工的不导电的非金属硬脆材料，如玻璃、陶瓷、宝石、金刚石以及半导体材料等。刚石以及半导体材料等。（2)2)超声波加工靠极细磨粒进行琢磨，尺寸精度可达，表面超声波加工靠极细磨粒进行琢磨，尺寸精度可达，表面粗糙度仅为粗糙度仅为Ra0.1-Ra0.4Ra0.1-Ra0.4mm。工件表面无残余应力，不发生。工件表面无残余应力，不发生组织改变和烧伤等。组织改变和烧伤等。（3)3)通过选择不同的工具端部形状和不同的运动方法可进行通过选择不同的工具端部形状和不同的运动方法可进

44、行各种微细加工。各种微细加工。（4)4)超声波加工的工具可用较软的材料如超声波加工的工具可用较软的材料如4545钢等制成，工具钢等制成，工具和工件间只有简单的相对运动。超声波加工机床结构比较简和工件间只有简单的相对运动。超声波加工机床结构比较简单，操作、维修较方便，加工成本较低。单，操作、维修较方便，加工成本较低。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（5)5)超声波加工材料去除率不及电火花加工和电解加工，生超声波加工材料去除率不及电火花加工和电解加工，生产率较低。产率较低。（6)6)超声波加工时，工具损耗率较高。超声波加工时，工具损耗率较高。2.2.超声波加工的应用超声波加工的应用

45、 （1)1)超声波用于加工不导电硬脆材料上的孔和型面。超声波用于加工不导电硬脆材料上的孔和型面。（2)2)充分利用超声波加工精度高的优点，在用电火花、电充分利用超声波加工精度高的优点，在用电火花、电解加工模具的型面后，再用超声波加工进行研磨抛光。解加工模具的型面后，再用超声波加工进行研磨抛光。（3)3)在清洗的溶剂如煤油、汽油、四氯化碳中引入超声波，在清洗的溶剂如煤油、汽油、四氯化碳中引入超声波，可强化清洗喷油嘴、喷兹板、微型轴承和乎表机芯等。可强化清洗喷油嘴、喷兹板、微型轴承和乎表机芯等。（4)4)利用超声波高频振动的撞击能量，可以焊接尼龙、塑利用超声波高频振动的撞击能量，可以焊接尼龙、塑料

46、制品，特别是表面易产生氧化层的难焊金属材料。料制品，特别是表面易产生氧化层的难焊金属材料。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（5)5)超声波加工可和其他加工方法结合，如用超声波振动车超声波加工可和其他加工方法结合，如用超声波振动车削难加工材料，用超声波振动攻螺纹，以及超声波电火花加削难加工材料，用超声波振动攻螺纹，以及超声波电火花加工，超声波电解加工和超声波调制激光打孔等。工，超声波电解加工和超声波调制激光打孔等。五、复合加工五、复合加工 复合加工是把两种或两种以上的能量形式合理的组合在一复合加工是把两种或两种以上的能量形式合理的组合在一起发展成的一种加工类型，它能成倍地提高加工

47、效率和进一起发展成的一种加工类型，它能成倍地提高加工效率和进一步改善加工质量，是特种加工的发展方向。步改善加工质量，是特种加工的发展方向。如图如图20-620-6所示的所示的电解磨削就是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加电解磨削就是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法。工方法。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 图图20-620-6中电解磨削所用的是导电砂轮，它是用铜粉或石墨作中电解磨削所用的是导电砂轮，它是用铜粉或石墨作结合剂的砂轮，或是电镀金刚石砂轮。工作时，导电砂轮接结合剂的砂轮，或是电镀金刚石砂轮。工作时，导电砂轮接负极，工件接负极，工件接i1i1，极。加

48、工时在砂轮与工件间喷入电解液，极。加工时在砂轮与工件间喷入电解液，接通直流电源后，工件表面发生电解作用，形成一层薄膜，接通直流电源后，工件表面发生电解作用，形成一层薄膜，随即被砂轮磨除，再形成薄膜，再被磨除，如此周而复始，随即被砂轮磨除，再形成薄膜，再被磨除，如此周而复始，经过电化学和机械作用，把工件表面的金属除去。由于经过电化学和机械作用，把工件表面的金属除去。由于90%90%的的工件金属靠电解作用蚀除，所以砂轮的损耗很少。电解磨削工件金属靠电解作用蚀除，所以砂轮的损耗很少。电解磨削的材料磨除率要比普通磨削高很多，所磨削的表面不产生残的材料磨除率要比普通磨削高很多，所磨削的表面不产生残余应力

49、、烧伤、裂纹和毛刺等缺陷。电解磨削用于磨削高硬余应力、烧伤、裂纹和毛刺等缺陷。电解磨削用于磨削高硬度的零件，特别适合于刃磨硬质合金刀具，往往一次行程就度的零件，特别适合于刃磨硬质合金刀具，往往一次行程就能把硬质合金刀具切削刃刃磨锋利，其加工效率要比普通金能把硬质合金刀具切削刃刃磨锋利，其加工效率要比普通金刚石砂轮磨削高刚石砂轮磨削高3-53-5倍，表面粗糙度可达倍，表面粗糙度可达mm超声波加工和其超声波加工和其他加工方法结合也属复合加工。他加工方法结合也属复合加工。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 特种加工除了以上五大类以外，还有电子束、离子束加工和特种加工除了以上五大类以外，

50、还有电子束、离子束加工和液体喷射加工等多种。液体喷射加工等多种。电子束和离子束加工都是在真空条件下利用极高速度运动电子束和离子束加工都是在真空条件下利用极高速度运动的电子束和离子束的冲击动能，使被冲击的金属迅速局部熔的电子束和离子束的冲击动能，使被冲击的金属迅速局部熔化和气化，以在工件上形成窄缝、小孔，或把工件割开。由化和气化，以在工件上形成窄缝、小孔，或把工件割开。由于离子的质量要比电子大千万倍，所以离子束加工比电子束于离子的质量要比电子大千万倍，所以离子束加工比电子束加工能量更大，生产率更高，因此也用的更多。离子束加工加工能量更大，生产率更高，因此也用的更多。离子束加工可切割可切割3-10