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1、第11章 特种加工,机械制造技术基础 专业基础课,随着生产和科学技术的发展，常规的机械加工方法出现以下局限性：,如何解决难加工材料问题（高硬度、高韧性、高脆性等材料的加工）,如何解决各种复杂表面的加工问题（整体涡轮、注射模立体成型表面等复杂表面的加工）,解决这些问题可采用特种加工工艺。,第11章 特种加工,特种加工,特种加工不仅用机械能而且更多的应用电能、化学能、声能、光能、磁能等进行加工。这些加工方法，在某种意义上说，即不使用普通刀具来切削工件材料，而是直接利用能量进行加工。,第11章 特种加工,特种加工具有以下特点：, 切除材料的能量不主要靠机械能，主要为其他形式的能量；,“以柔克刚” 工
2、具材料的硬度可低于工件材料的硬度，或者 无传统意义上的刀具；, 在加工过程中，工具与工件之间不存在显著的机械切削力， 相应的切削物理现象不明显；, 加工能量易于控制、转换，可复合成新的工艺技术，加工范 围广。,第11章 特种加工,电火花加工是利用浸在工作液中的工具电极和工件电极间脉冲放电时产生的电蚀和高温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。,一、 电火花加工,第11章 特种加工,1、电火花加工原理,(1) 电极间介质的电离、击穿，形成放电通道(如图（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，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A、B处电
3、场强度最大。,第11章 特种加工,(2) 电极材料的熔化、气化热膨胀(如图 (b)、(c)所示)。液体介质被电离、击穿，形成放电通道，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温使工件熔化，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。,1、电火花加工原理,第11章 特种加工,(3) 电极材料的抛出(如图(d)所示)。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。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。,1、电火花加工原理,第11章 特种加工,(4) 极间介质的消电离(如图(e)所示)。工作液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并
4、恢复绝缘状态。,1、电火花加工原理,第11章 特种加工,上述步骤(1)(4)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(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二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穿放电，蚀出另一个小凹坑。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互重叠的小凹坑组成。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。,第11章 特种加工,2.电火花加工的特点 可加工任何硬、脆、软、韧和高熔点的导电材料，如硬质合金、导电陶瓷、不锈钢、钛合金、工业纯铁、人造金
5、刚石等。 加工时，工具与工件不接触，“切削力”极小。故适合于低刚度工件和微细结构的加工。特别适合加工复杂截面的形孔和形腔。 由于脉冲放电持续时间极短，加工表面的热影响极小。故可加工热敏感性很强的材料； 调整脉冲参数，可在同一机床上依次进行粗、半精、精加工； 在一般情况下生产率低于切削加工，故常采用切削加工进行粗加工、再进行电火花半精、精加工。 放电过程有部分能量消耗在工具电极上，从而导致电极损耗，影响成形精度。,第11章 特种加工,3.电火花加工的应用 主要用于加工硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料，适用于加工各种型腔、穿孔加工、线切割加工。,第11章 特种加工,电火花成型加工,电火花线切割加工
6、,二、电解加工,1.基本原理,电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的一种方法 。,工具接直流电源的阴极，工件接阳极，加工时两极保持0.11mm的间隙。具有一定压力的电解液从两极间隙快速流过。在电极间隙最小处的电流密度最大，此处比其它部位溶解更快。随着工具不断进给，工件不断地按照工具端部的型面溶解。最终工具的形状就“复制”在工件上。,第11章 特种加工,视频1,视频2,二、电解加工,2.设备,基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。,1) 直流电源 电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源。,2）机床 电解加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实
7、现其相对运动，传送电和电解液。,第11章 特种加工,3) 电解液系统在电解加工过程中，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行，这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的。同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务，起到更新和冷却的作用。电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液的腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。,第11章 特种加工,3.电解加工的特点 加工范围广；不受材料本身硬度、强度的限制，只要是导电材料都可加工各种复杂形面。 无
8、机械切削力和切削热作用；工件不会产生残余应力、变形及加工变质层，也没有飞边毛剌。 加工精度高；可达0.1mm至0.01mm；表面粗糙度Ra值一般可达0.8m，最小Ra值可达0.1m。 工具无损耗寿命长；在加工中，工具阴极无溶解作用，理论上无损耗，使用寿命长。 生产率较高；为电火花加工的510倍，有时甚至高于机械切削。 缺点也不少；电解加工的附属设备多，造价高，占地面积大，加工稳定性不高。电解液有腐蚀性，电解产物有污染，也应引起重视。,第11章 特种加工,4.电解加工的应用,电解加工还应用于深孔的扩孔加工、形孔加工以及抛光等工艺过程中。,与电火花加工相同，主要用于加工硬、脆、韧、软、高熔点的导电
9、材料。,电火花加工,单件小批生产,电解加工,成批大量生产,第11章 特种加工,三、超声加工 1.基本原理 利用工具端面作超声高频振动，冲击悬浮液，使悬浮液中的磨料对工件表面产生连续的冲击作用，引起工件材料局部破裂，从而达到对硬脆材料加工的一种方法。,第11章 特种加工,视频,第11章 特种加工,四、高能束加工简介 高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束，去除工件上多余材料的加工方法，通常包括激光加工、电子束加工和离子束加工等。,第11章 特种加工,（1）激光加工,激光强度高，方向性、相干性和单向性好，通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密
10、度。激光照射到工件表面，在高温下使坚硬材料瞬时熔化或蒸发。,1、基本原理,第11章 特种加工,视频1,视频3,视频2,2、激光加工的特点: 功率密度高；可加工以往认为难加工的任何材料。 非接触式加工,不污染材料；加工速度快、热影响区小，易于实现自动控制。 能通过空气、惰性气体或光学透明介质进行加工；如对真空管内部进行焊接等。 可精细加工；加工精度可达0.001mm; 表面粗糙度Ra值0.40.1m。 工具不损不换；作为非接触性加工,不需要工具,所以不存在 工具损耗和无机械加工变形等问题。 装置简单,工作可靠,第11章 特种加工,3、激光加工的应用 （1）打孔：金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、
11、塑料等非金属以及硬质合金、不锈钢等金属材料，特别适合对坚硬材料微小孔的加工，d=0.011mm，深径比大于50100。 （2）切割金属、木材、纸、布料、皮革、陶瓷、塑料等 （3）激光还在焊接、热处理、划线、调动平衡、微调等多方面有广泛的用途。,第11章 特种加工,（2）电子束加工,第11章 特种加工,第11章 特种加工,（3）离子束加工,第11章 特种加工,离子束加工的特点 精细加工，可控性好 是所有现代加工中最精密、最微细的加工方法。 高真空加工，污染少 适宜对易氧化的金属或合金材料和高纯度半导体材料的加工。 压力小，变形小 加工时产生应力、变形小，工件表面质量高，材料适应性强。 设备成本高，加工效率低，应用范围受限。,第11章 特种加工,离子束加工的应用 可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米至纳米级精度的加工，可将材料的原子一层层地铣削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近乎极限。可以较好地实现材料的表面改性处理，使用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离子镀膜加工。,一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于蚀刻、熔化、热处理、焊接等。,第11章 特种加工,
