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1、第四章特种加工工艺基础第一节 特种加工概述一、特种加工的产生与特点1.特种加工的概念所谓特种加工是指不采用常规的刀具或磨具对工件进行加工，而是直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量，或选择几种能量的复合形式对材料进行加工的工艺方法。,2.特种加工的产生特种加工早期的发明和应用是在1943年由前苏联的拉扎连柯夫妇发现开关触点遭受火花放电的腐蚀损坏现象，继而进一步研究，最终发明了电火花加工。从而首次摆脱了常规的切削加工，直接利用电能去除金属，达到了“以柔克刚”的效果。随后，人门不停的进行研究和探索，相继发展了一系列的特种加工新方法。,如电解加工、超声波加工和激光加工等，开创了特种加工的广阔领域。
2、3.特种加工的特点与传统的切削加工相比，特种加工具有下列特点：1)工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；2)可直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工；,3)加工过程中的机械力不明显；4)各种加工方法可以有选择地复合成新的工艺方法，使生产效率成倍的增长，加工精度也相应提高；5)几乎每产生一种新的能源，就有可能导致一种新的特种加工方法产生。由于特种加工方法具有上述特点，因此，可以用于解决以下工艺难题：,1、解决各种难加工材料的加工问题，如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石以及锗和硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工。2、
3、解决各种复杂零件表面的加工问题，如各种热锻模、冲裁模和冷拔模的模腔和型孔、整体蜗轮、喷气蜗轮叶片、炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小孔的加工问题。,3、解决各种精密的、有特属要求的零件的加工问题，如航空航天、国防工业中表面质量和精度要求都很高的陀螺仪、伺服阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工。由于特种加工具有上述特点并可以解决生产中上述工艺难题，因此，在现代制造、科学研究和国防事业中获得日益广泛的应用，,而生产和科学研究中提出来的新问题又促进了特种加工方法的迅速发展。特种加工发展至今虽有50多年的历史，但在分类方法上并无明确的规定。一般按能量形式和作用原理进行划分。,二、特种加工方法
4、分类1、电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、电子束加工（EBM）和等离子体加工（PAM）。2、电能与化学能作用方式有：电解加工（ECM）、电铸加工（ECM）和刷镀加工。,3、电化学能与机械能作用方式有：电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH）。4、声能与机械能作用方式有：超声波加工（USM）。5、光能与热能作用方式有：激光加工（LBM）。6、电能与机械能作用方式有：离子束加工（PAM）。,7、液流能与机械能作用方式有：挤压珩磨（AFH）和水射流切割（WJC）。根据在生产中的实际应用情况，本章将主要介绍电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子
5、束和离子束加工。三、特种加工对机械制造技术产生的影响特种加工自问世以来，由于其突出的工艺特点和日益广泛的应用，逐步深化了人们对制造工,艺技术的认识，同时也引起了制造工艺技术的一系列变革。1、改变了对材料可加工性的认识。对切削加工而言，淬火钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石一直被认为是难切削材料。而现在已较广泛使用的由陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石制成的刀具、工具和拉丝模等，都可以采用电火花、电解、超声波和激光等多种方法进行加工。,对于淬火钢、硬质合金，采用电火花成形加工和电火花线切割加工已在也不是难事。这样一来，材料的可加工性就不在仅仅以材料的强度、硬度、韧性和脆性进行衡量，而于所选择的
6、加工方法有关。2、要重新衡量设计结构工艺性的优劣问题。在传统的结构设计中，通常认为方孔、小孔、弯孔和窄缝的结构工艺性很差。,而对特种加工来讲，利用电火花工作之便穿孔和电火花线切割加工孔时，方孔和圆孔在加工难度上是没有分别的。有了高速电火花小孔加工专用机床后，各种导电材料的小孔加工变得更为容易；喷丝头上的各种异形孔则由以往的不能加工变为可以加工；,现在则可以用电加工方法予以补救；过去攻螺纹因无法取出孔内折断的丝锥，而使工件报废的现象已经不复存在。有了特种加工，设计和工艺人员在设计零件结构，安排工艺过程时有了更大的灵活性和选择余地。过去因一时疏忽在淬火前没有钻的定位销孔，没有铣的槽，淬火后因难以切
7、削加工只能报废，,3、对零件的结构设计带来重大变革。喷气发动机的叶轮由于形状复杂，过去只能在做好的一个个叶片后组装而成。有了电解加工设计人员就可以设计整体涡轮了。又如山形硅钢片冲模，结构复杂不易制造，往往采用拼装结构。有了电火花线切割，就可以设计成整体结构。,4、可以进一步优化零件的机械加工工艺过程。按照传统的切削加工，除磨削外，其它切削加工一般需要安排在淬火工序之前。按照常规，这是工艺人员必须遵循的工艺准则之一。有了特种加工，为了避免淬火工序中引起的已加工表面的变形甚至开裂，工艺人员可以先安排淬火再加工孔槽。,采用电火花成形加工、电火花线切割加工或电解加工的零件常先安排淬火，这已经成为较典型
8、的工艺过程。总之，各种特种加工方法不仅给设计师提供了更广阔的结构设计的新天地，而且给工艺师提供了解决各种工艺难题的新手段，有力地促进着我国的科技发展和技术进步。,随着我国国民经济和科学技术的飞速发展的需要，特种加工技术将取得更加辉煌的成就。第二节 电火花加工电器开关在合上和拉开时，有可能因局部放电使开关的接触部位烧蚀，这种现象称为电蚀。电火花加工正是在一定的液体介质中，利用,脉冲放电对导电材料的电蚀现象来蚀除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛。一、电火花加工的原理及特点（一）电火花加工原理电火花加工是在如图1-1所示的加
9、工系统中进行的。,加工时，脉冲电源的一极接工具电源，另一极接工件电极。两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01-0.05mm）。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。,由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（106107W/mm2)，放电区域产生的瞬时高温,可达10000以上,足以使材料溶化甚至蒸发，灼热的金属蒸气具有很大的压力,引起剧烈的暴炸,而将熔融的金属抛出,以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束后，经过很短的时间间隔，第二个脉
10、冲又在另一极间最近点击穿放电。,如此周而复始高频率地重复地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具电极的损耗。电蚀过程如图1-2所示。,（二）电火花加工的条件从上面的叙述中可以看出，进行电火花加工必须具备下列三个条件：1、必须采用脉冲电源，以形成瞬时的脉冲放电。每次脉冲放电延续一段时间(10-710-3s)后，需停歇一段时间，如图1-3所示。这样才能使能量集中于微小区域，而不致于扩散到邻近的材料中去。,如果形成连续放电，就会形成象电焊一样的电弧，使工件表面烧伤而不能保证零件的尺寸和表面质量。
11、,2、必须采用自动进给调节装置以保证工具电极与工件电极间微小的放电间隙。间隙过大，极间电压难以击穿极间的掖体介质，不能产生火花放电；间隙过小，容易产生短路，也不能产生火花放电。电参数对放电间隙的影响很大，精加工时单边间隙仅有0.01mm,而粗加工时则可达0.5mm，甚至更大。,3、火花放电必须在具有一定绝缘强度(103107cm)的液体介质中进行。常用的液体介质有煤油、皂化液和去离子水等。液体介质又称工作液，它除了有利于产生脉冲式火花放电外，而且有利于排除放电过程中产生的电蚀产物和冷却电极及工件表面。,（三）电火花加工的特点电火花加工具有如下特点：1、可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性
12、以及时高纯度的导电材料。如不锈钢、钛合金、工业纯铁、淬火钢、硬质合金、导电陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石等。,2、加工时无明显机械力，故适用于低刚度工件和细微结构的加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制在工件上，再加上数控技术的运用，因此，特别适用于复杂的型孔和型腔加工。甚至可以使用简单的工具电极加工出复杂形状的零件。3、脉冲参数可根据需要进行调节，因而，可以在同一台机床上进行粗加工、半精加工厂和精加工。,4、在一般情况下生产率低于切削加工。为了提高生产率，常采用切削加工进行粗加工，再进行电火花加工。目前电火花小孔加工的生产率已明显高于钻头钻孔。5、放电过程有部分能量消耗在工具电极上，从而
13、导致工具电极的损耗，影响成形精度。,由电火花加工具有上述特点，因此，一方面广泛用于机械制造、航空航天、仪器仪表和电子设备等行业，另一方面正在加强研究，以扩大其应用范围，并不断改善其不足之处。二、表面质量及其影响因素电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能。,1）表面粗糙度 电火花加工的表面由许多无方向性的小坑和硬凸边所组成，这种表面形貌在保存润滑油方面，有点类似于刮削表面。在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，其表面的润滑性能和耐磨损性能优于带方向性的切削和磨削加工的表面。对于表面粗糙度Ra值影响最大的是单个脉冲能量。,单个脉冲能量越大，脉冲放电的能量越大，越容易产生又
14、深又大的放电凹坑，从而使加工表面粗糙度加大。工件材料对表面粗糙度也有影响。熔点高的材料，如硬质合金，在相同能量下加工出的表面粗糙度Ra值要小于熔点低的材料，如钢。由于放电加工时的仿形作用，工具电极的表面粗糙度也直接影响被加工表面的表面粗糙度。因此精加工用的工具电极表面要光滑平整。,放电加工的表面粗糙度还受到加工方法的影响。普通的电火花成形加工达到的表面粗糙度Ra值约为3.20.4m；采用平动或摇动加工，则可达到0.80.05m；采用电火花磨削可达到0.050.025m。其基本规律是：加工速度越高，被加工表面越粗糙；被加工表面要求越平整，则加工速度会明显降低。,在生产中必须善于处理加工速度与表面
15、粗糙度这一对矛盾，否则愈速则不达。2）表面变质层 放电加工时，在放电的瞬时高温和液体介质的快速冷却作用下，材料的表层产生较大的变化，大体可分为熔化凝固层、热影响层和显微裂纹如图1-5所示。,（1）熔化凝固层位于工件表层的最上层。它是放电时瞬时高温熔化后被液体介质快速冷却凝固的薄层。它不同于基体金属，与内层结合也不牢固。其厚度随脉冲能量的增大而变厚，但一般小于0.1mm。（2）热影响层 位于熔化层和基体间。虽然受到瞬时放电高温的影响，但没有熔化。,高温使其金相组织发生变化，但与基本材料间不存在明显界限。热影响层主要为淬火区，其厚度一般为最大微观不平度的23倍。（3）显微裂纹 电火花加工表面由于受
16、到瞬时高温和骤冷作用，容易出现显微裂纹。脉冲能量越大显微裂纹越深；脉冲能量小到一定程度时，则一般不再出现显微裂纹。,由于脆性材料的原始内应力较大，放电加工时也容易产生裂纹。3）表面力学性能 电火花加工表面层主要影响材料的显微硬度与耐磨性、残余应力和耐疲劳性能。（1）对显微硬度与耐磨性的影响 电火花加工表面层的硬度一般较高，对于滑动摩擦，表面的耐磨性性好。对于交变载荷的滚动摩擦，尤其是干摩擦，则容易造成剥落磨损。,（2）对残余应力的影响 由于电火花加工是瞬时高温与快速冷却交替频繁地进行，容易在材料的表层产生拉应力为主的残余应力。残余应力的大小和分布，主要取决于脉冲能量的大小和材料加工前的热处理状
17、态。为了减少残余应力，对表面质量要求较高的工件，需选用较小的脉冲能量和适当的热处理。,（3）对耐疲劳性能的影响 电火花加工表面层的耐疲劳性能大大低于机械加工的表面。在实际生产中，可采用回火处理来降低残余应力；采用喷丸处理，将残余拉应力转化为压应力。此外，当选用很小的脉冲能量进行加工，表面粗糙度Ra值可达0.40.1m时，其耐疲劳性能将于机械加工的表面接近。,三、加工精度及其影响因素电火花加工的尺寸精度随加工方法而异。目前电火花成形加工的平均加工精度为0.05mm，最高精度可达0.005mm；电火花线切割加工的平均加工精度为0.01mm，最高精度可达0.005mm。,如排除机床的制造误差，工件和
18、工具电极的定位和安装误差，影响加工精度的主要因素有放电间隙的大小和一致性、工具电极的损耗以及加工过程中的“二次放电”等因素。1）放电间隙的大小和一致性 电火花加工时，如果放电间隙能保持不变，就可以获得较高的加工精度。然而，由于加工过程的复杂性，放电间隙的大小实际是变化的。,此外，间隙的大小对加工精度也产生影响。尤其是在加工具有复杂型面的内腔时，棱角部位的电场强度分布不均，间隙愈大，影响也愈大。为了减小加工误差，往往采用较小的放电参数，以提高仿形精度。2）工具电极的损耗 工具电极的损耗既影响尺寸精度也影响形状精度。因此，当尺寸精度和表面质量要求较高时，往往粗、精加工分开进行。,精加工时除了采用较
19、小的放电参数外，还采用更换新电极或采用平动方法来提高加工精度。3）二次放电“二次放电”是指已加工表面由于电蚀产物等的未及时排除而产生的非正常放电。由于二次放电，在工件的加工深度方向会产生斜度并容易使待加工的棱角棱边产生圆角如图2-6所示。采用高频率窄脉宽精加工，此时的放电间隙小，可以使精密冲模获得小于0.01mm的圆角半径。,四、电火花加工的应用范围由于电火花加工在国防、民用和科学研究中的应用日益广泛，因此，电加工机床的种类和应用形式也朝着多样性方向发展。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工大体上可分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非
20、金属电火花加工和电火花表面强化等。,（一）电火花成形加工电火花成形加工是通过工具电极相对于工件作进给运动，将工具电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需要的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。1.电火花型腔加工电火花型腔加工包括三维型腔和型面加工，,此外还包括电火花雕刻。主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木模的型腔，如图1-7所示。,型腔多为盲孔，内形复杂，各处深浅不同，加工较为困难。为了便于排除加工产物和冷却，以提高加工的稳定性，有时在工具电极中间开有冲油孔，如图1-7（b）所示。2.电火花穿孔加工电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔等）、曲线孔
21、（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工，,如图1-8所示。,近几年来，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，解决了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，取得了良好的社会经济效益。加工时，一般采用管状电极，内通一高压工作液。工具电极在回转的同时作轴向进给运动，如图1-9所示。这种方式适合于33mm的小孔。其加工速度可达60mm/min，远远高于小直径麻花钻头钻孔，,而且避免了小直径钻头（d1mm）容易折断的问题。这种方法还可以用于在斜面和曲面上打孔，且孔的尺寸精度和形状精度较高。,直径小于0.2mm的孔称为细微孔。目前国外已加工出深径比为5，直径为0.015的细微孔。我国也能稳
22、定地加工出深径比为10，直径为0.05mm细微孔。细微孔加工时，除了工具电极制备困难外，排屑状态也极为恶劣，还要有特殊的脉冲电源来控制单个脉冲的放电能量，对伺服进给系统亦有严格的要求。这里仅介绍细微孔加工中工具电极材料的选用和工具电极的制造方法。,由于细微孔加工的孔径小，电极的相对损耗相当大，故不能选用常用的电极材料作工具电极，而应选用杂质少、损耗小、刚度和加工稳定性好的钨丝。但市场上购得的钨丝，其尺寸和形状难以满足加工要求。对于微米级直径的工具电极，需加工成阶梯轴的形状，以提高电极刚度。,通常采用的电火花反拷加工法是加工细微工具的有效方法，如图1-10所示。反拷加工有两种：一种是采用长方块的
23、铜钨合金固定在工作台上作为反拷电极（图1-10a）；另外一种是采用线电极电火花磨削法（图1-10b）。利用后一种方法，甚至可以加工出0.01mm的细轴。当然，这种细轴的长度以满足加工深度为宜。,（二）电火花线切割加工电火花线切割加工是利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。按线电极移动的速度大小分为高速走丝电火花线切割和低速电火花线切割加工。我国普遍采用高速电火花线切割加工，近年来正在发展低速电火花线切割。高速走丝时，线电极是直径为0.02-0.03mm的高强度钼丝。,钼丝往复运动的速度为810m/s。低速走丝时，多采用铜丝，线电极以小于0.2m/s的速度作单方向低速移动。
24、电火花线切割的原理如图10-11所示。工作时，脉冲电源的一极接工件，另外一极接缠绕金属丝的储丝筒。如果切割图示的内封闭结构，钼丝先穿过工件上预加工的工艺小孔，再经导轮由储丝筒带动作正、反向的往复移动。,工作台在水平面两个坐标方向按各自预定的控制程序，根据放电间隙状态作伺服进给移动，合成各种曲线轨迹，把工件切割成形。与此同时，工作液不断地喷注在工件与钼丝之间，起绝缘、冷却和冲走屑末的作用。与电火花成形加工不同的是，线电极在切割时，只有当电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力时，才形成火花放电。,由此可以推断，在电极丝与工件间必然存在某种电化学作用产生的绝缘薄膜介质。当电极丝相对工件移动摩擦和被顶
25、弯所造成的压力使绝缘膜减薄到可以被击穿的程度，才发生火花放电。放电产生的爆炸力使钼丝或铜丝局部振动而暂时脱离接触，但宏观上仍属于轻压放电。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。,其平均加工精度可达0.01mm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1.6m或更小。国内外绝大多数数控电火花线切割机床都采用了不同水平的微机数控系统，基本上实现了电火花线切割数控化。目前电火花切割广泛用于加工各种冲裁模（冲孔和落料用），样板以及各种形状复杂的型孔、型面和窄缝等。,（三）电火花磨削与镗磨加工1、电火花磨削加工采用类似工具磨床的方式，即可实现电火花磨削加工。DK6825数控旋转电火
26、花加工机床如图1-12所示。就是利用数控和伺服技术，专用脉冲电源以及旋转工具电极来解决各种超硬导电材料的磨削加工问题。该机床装有大直径高纯度石墨电极的主轴，该主轴可以实现无级调速和沿立柱上下调整，工作台由,步进电机通过滚珠丝杠驱动，根据用户程序可实现纵向或横向的伺服运动以及相对应的纵向或横向的往复运动，,工作台上的螺旋进给装置如图1-13所示。,既可分别提供工件的回转和往复运动，又可由旋转运动和轴向移动方便地组合为螺旋运动。再加上其它必要的附件，可以方便地磨削平面、外圆、螺旋槽和进行分度工作，如图1-14所示。图1-15所示为利用该机床加工的人造聚晶金刚石车刀和小直径麻花钻头。电火花磨削的尺寸
27、公差等级可达IT8-IT6，表面粗糙度Ra值可达0.04m。,2、电火花镗磨加工电火花镗磨加工与电火花磨削加工的不同之处在于除了工件的回转运动外，工具电极有往复运动和进给运动，而没有回转运动，如图1-16所示。电火花镗磨的设备简单，加工精度和表面粗糙度良好，但生产效率低。已实现的小孔镗磨的锥度和圆度可达0.0050.003mm，表面粗糙度Ra值可达0.4m，在小孔加工中应用较多。,（四）电火花展成加工在传统的切削加工中，齿轮齿形加工中的滚齿和插齿就属于展成加工。它是利用滚刀或插齿刀与齿坯之间以一定的速比的强制啮合运动来形成齿轮的渐开线齿廓的。电火花展成加工正是借用了上述原理，利用工具电极相对工
28、件进行展成运动的。,回转、回摆、齿轮啮合、往复运动和螺旋运动都可以形成展成运动。电火花展成加工的主要特点是工具电极与工件相互接近的部位切向相对运动的线速度很小，有时甚至为零，同时还要保证工具电极在展成放电加工中损耗很小。由我国发明的电火花共轭回转加工中的突出例子。,过去在淬火钢或硬质合金材料上采用电火花加工内螺纹，常按图1-17所示的方法。利用导向螺母使工具电极旋转的同时作轴向进给。但这种方法加工出的螺纹孔表面粗糙，有锥度，生产率较低。,电火花共轭回转加工则采用工件与工具电极同向同步旋转，工件作径向进给来实现内螺纹的加工，如图1-18所示。,加工以前，工件的螺纹底孔按小径制出，工具电极的螺纹尺
29、寸及其精度按工件图样要求制作，但其外径应小于工件底孔直径，以便安装调整。粗加工时，工具电极穿过工件底孔并使其轴线与工件轴线平行，然后和工件以相同的方向和转速旋转。与此同时，工件向工具电极作径向切入进给，从而复制出所需要的内螺纹。精加工时，为了补偿电极的损耗，应使其轴向移动一个大于工件厚度的正数倍螺距值。,用共轭同步回转法加工出的内螺纹精度非常高，其螺纹中径误差可小于4m。不但可以用于加工精密内外螺纹，而且可以加工精密内外齿轮、回转圆弧面和锥面等。（五）电火花表面强化电火花不仅可以作为金属材料的一种特种加工方法，也可以用作金属的表面强化处理，如图1-19所示。在工具和工件之间接直流或交流电源，,
30、由于振动器的作用，使工具和工件之间的放电间隙频繁变化，在气体介质中不断产生火花放电，使金属表面产生物理化学变化，从而强化表面，改变表面性能。电火花表面强化过程如图1-20所示。在工具和工件表面之间距离较大时（图1-20a），电源经过电阻R对电容器C（图1-20），,同时工具电极在振动器带动下逐渐向下靠近工件表面。当间隙接近某一距离时（图1-20b），间隙中的空气被击穿，产生火花放电。此时，工具和工件相对的表面材料局部熔化，甚至汽化。当工具继续靠近工件并以一定的压力接触工件表面后（图1-20c），火花放电停止，在接触点流过短路电流，使该处继续被加热熔化，熔化了的材料相互粘,接，从而在工件表面扩散
31、形成一层工具材料的熔渗层。当工具在振动器的带动下，离开工件表面时（图1-20d），由于工件的热容量比工具大，使工件表面的熔化层首先急剧冷却，,在工件表面便形成具有工具材料的硬化层。电火花表面强化工艺方法简单、经济、效果好，广泛用于模具、刃具、量具、凸轮、导轮、水轮机和涡轮机叶片的表面强化。其工艺特点如下：1）硬化层厚度约为0.010.08mm；2）当采用硬质合金作工具材料时，硬度可达11001400HV（约为HRC70以上）或更高；,3）当使用铬锰合金、钨铬钴合金、硬质合金作工具强化45号钢时，其耐磨性比原表层提高22.5倍；4）用石墨作电极强化的45号钢，用食盐水作腐蚀性试验，其耐腐蚀性提高
32、90%。用WC、CrMn作工具强化的不锈钢，耐腐蚀性提高35倍；5）疲劳强度提高2倍左右。,第二节 电解加工电解加工是电化学加工中的一种重要方法。我国于50年代末首先在军工领域进行电解加工炮管腔线的工艺研究很快取得成功并用于生产。不久便迅速推广到航空发动机叶片型面及锻模型面的加工。到60年代后期，电解加工已成为航空发动机叶片生产的定型工艺。,在我国科技人员的长期努力下，电解加工在许多方面获得突破性的进展。例如，用锻造毛坯叶片直接电解加工出复杂的叶片型面，当时达到世界先进水平。今天，无论是我国还是工业发达国家，电解加工已成为国防航空和机械制造业中不可缺少的重要工艺手段。,一.电解加工的原理与特点
33、1.电解加工原理电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种工艺方法。电解加工原理如图1-21所示。加工时，工件接直流稳压电源正极，工具接负极，两极间保持0.11mm的间隙，具有一定压力（0.52.5Mpa）的电解液从两极间隙中高速（560m/s）流过。,加工过程中，工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小，此处的电流密度最大，单位时间内消耗的电量最多。根据法拉第定律，金属阳极的溶解量与通过的电量成正比。因此，工件上与工具阴极凸起部位的对应处比其它部位溶解更快。随着工具阴极不断缓慢地向工件进给，工件则不断地按工具端部的型面溶解，,电解产物则不断被高速流动的电解
34、液带走，最终工具电极的形状就“复制”在工件上。电解中常用的电解液有NaCI、NaNO3和NaClO3三种溶液。下面仅介绍用10%20%的氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢时的主要化学反应：水溶液 H2 O H+OH-阳极反应 Fe 2e Fe+,Fe+2OH-Fe(OH)2,阴极反应 2H+2e H2从以Fe+上反应可以看出，在电解加工过程中，由于外电源的作用，阳极铁不断失去电子，以Fe+的形式与水溶液中的负离子化合生成Fe(OH)2而沉淀；阴极不断得到电子，与水溶液中的H+结合而游离出氢气。在电解过程中，工件阳极和水不断消耗，而工具阴极和氯化钠并不消耗。,因此在理想情况下，工具阴极可常期使用。氯
35、化钠电解液不断过滤干净并经常补充适量的水，也可长期使用。电解加工在专用的电解加工机床上进行，其中的直流稳压电源常采用低电压（6-24V）和大电流（500-20000A）。工具阴极材料常采用黄铜和不锈钢等。,2.电解加工的特点电解加工具有如下特点：1）不受材料本身强度、硬度和韧性限制，可以加工淬火钢、硬质合金、不锈钢和耐热合金等高强度、高硬度和高韧性的导电材料。2）加工中不存在机械切削力，工件不会产生残余应力和变形，也没有飞边毛刺。,3）可达到0.1mm的平均加工精度和0.01mm的最高加工精度；平均表面粗糙度Ra值可达0.8m，最小表面粗糙度Ra值可达0.1m。4）加工过程中，工具电极理论上不
36、会损耗，可长期使用。5）生产率较高，约为电火花加工的510倍，某些情况下甚至高于切削加工。6）能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面与型腔。,7）电解加工大附加设备多，造价高，占地面积大，加工稳定性尚不够高。与此同时，电解液易腐蚀机床和污染环境，也必须引起重视。二、电解加工的应用范围电解加工首先在国防工业中成功地用于加工炮膛线，60年代发展较快。但因加工精度不够高等因素一度发展缓慢，近年来对电解加工工艺规律的研究有所突破，终于使这项工艺获得较为广泛的应用。,1.电解加工锻模型腔由于电火花加工的精度容易控制，多数锻模的型腔采用电火花加工。但电火花加工的生产率较低，因此对精度要求不太高的矿山机
37、械、汽车拖拉机所需锻模，正逐步采用电解加工。图1-22所示为连杆锻模型腔电解加工的示意图。,2.电解加工整体叶轮叶片是喷气发动机、汽轮机中的关键零件，它的形状复杂，精度要求高，生产批量大。采用电解加工，不受材料硬度和韧性的限制，在一次行程中可加工出复杂的叶片型面，比机械加工有明显的优越性。采用机械加工的方法制造叶轮时，叶片毛坯是精密铸造的，经机械加工和抛光、再分别镶入叶轮轮缘的榫槽中，最后焊接形成整体叶轮。,这种方法加工量大，周期长，质量难以保证。电解加工整体叶轮时，如图1-23所示，只要先将整体叶轮的毛坯加工好，则可用套料法加工。每加工好一个叶片，退出阴极，分度后再依次加工下一个叶片。这样不
38、但可以大大缩短加工周期，而且可保证叶轮的整体强度和质量。,3.电解去毛刺机械加工中常采用钳工方法去毛刺，这不但工作量大，而且有的毛刺因过硬或空间狭小难以去除。而采用电解去毛刺，则可以提高工效，节约费用。图1-24所示，为采用电解法去除齿轮毛刺。利用电解加工，不仅可以完成上述重要的工艺过程，而且还可以应用于深孔的扩孔加工、型孔加工以及抛光等工艺过程中。,第三节 超声波加工人耳能感受到的声波频率在1616000Hz范围内。当声波频率超过16000Hz时，就是超声波。前两节所介绍的电火花加工和电解加工，一般只能加工导电材料，而利用超声波振动，则不但能够加工像淬火钢、硬质合金等硬脆的导电材料，而且更适
39、合加工像玻璃、陶瓷、宝石和金刚石等脆硬的非金属材料。,一.超声波加工的原理及特点1.超声波加工原理超声波加工是利用工具端面的超声频振动，或借助于磨料悬浮液加工硬脆材料的一种工艺方法。其加工原理如图1-25所示，超声波发生器产生的超声频电振荡，通过换能器转变为超声频的机械振动。变幅杆将振幅放大到0.010.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动。,在加工过程中，由于工具与工件间不断注入磨料悬浮液，当工具端面以超声频冲击磨料时，磨料再冲击工件，迫使加工区域内的工件材料不断被粉碎成很细的微粒脱落下来。此外，当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙中的工作液内可能由于负压和局部真空形成
40、许多微空腔。,当工具端面再很大的加速度接近工件表面时，空腔闭合，从而形成可以强化加工过程的液压冲击波，这种现象，称为“超声空化”。因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械锤击和研抛为主，以超声空化为辅的综合作用过程。,2、超声波加工的特点1）超声波加工适用于加工各种硬脆材料，尤其是利用电火花加工、电解加工难以加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、金刚石以及锗和硅等。对于韧性好的材料，由于它对冲击有缓冲作用而难以加工，因此可用作工具材料，如45钢常用作工具材料。,2）由于超声波加工的宏观机械力小，因此可获得良好的加工精度和表面粗糙度。尺寸精度可达0.020.01
41、mm;表面粗糙度Ra值可达0.80.1m。3）采用的工具材料硬度较低，容易制成复杂形状，工具和工件无需作复杂的相对运动，因此，普通的超声波加工设备结构较简单。,但若需加工复杂精密的三维结构，可以预见，仍需设计制造三坐标数控超声波加工机床。三、超声波加工的应用范围超声波加工的生产率一般低于电火花加工和电解加工，但加工精度和表面质量都优于前者。更重要的是，它能加工前者所难以加工的半导体材料和非导体材料。,1、型腔和型孔加工目前超声波加工主要用于加工硬脆材料的圆孔、异形孔和各种型腔，以及进行套料、雕刻和研抛等，如图1-26所示。,2、切割加工锗、硅等半导体材料又硬又脆，用机械切割非常困难，采用超声波
42、切割则十分有效，如图1-27所示。3、超声波清洗由于超声波在液体介质中会产生较变冲击波和超声空化现象，这两种作用的强度达到,一定值时，产生的微冲击就可以使被清洗物表面的污渍遭到破坏而脱落下来。加上超声作用无处不入，即使是小孔和窄缝中的污物也容易被清洗干净。目前，超声波清洗不但用于机械零件或电子器件的清洗，也用于医疗器皿如生理盐水瓶、葡萄糖水瓶的清洗。利用超声振动去污原理，国外已生产出超声波洗衣机。,4.超声波焊接焊接一般离不开热。超声波焊接就是利用超声频的振动作用，去除工件表面的氧化膜，使工件露出新的本体表面。此时，被焊接工件表层的分子在高速振动撞击下，摩擦生热并亲合焊接在一起，如图1-28所
43、示。它不仅可以焊接表面易生成氧化物的铝制品、尼龙和塑料等高分子制品，,而且它还可以使陶瓷等非金属材料在超声振动作用下挂上锡或银，从而改善这些材料的可焊接性。,超声波的应用范围非常广泛，利用其定向发射、反射等特性，可以用于测距和无损检测，还可以利用超声振动制作医疗用的超声手术刀。第六节 激光加工激光加工是60年代发展起来的一种新兴技术。它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。,由于它利用高能光束进行加工，加工速度快，变形小，可以加工各种金属和非金属材料，在生产实践中不断显示出它的优越性，因而广泛用于打孔、切割、焊接、表面热处理以及信息存储等许多领域。一.激光加工
44、的原理与特点1.激光加工原理激光是一种经受辐射产生的加强光。它的,光强度高，方向性、相干性和单色性好，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度（1081010W/cm）。当激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达1万度以上，使材料熔化或者汽化。,随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力凸然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。图1-29所示，是固体激光器中激光的产生和工作原理图。,当激光的工作物质釔铝石榴
45、石受到光泵（激励脉冲氙灯）的激发后，吸收具有特定波长的光，,在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为粒子数反转。此时一旦有少数激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放起，再经过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，此时由调振腔的一端输出激光。再通过透镜聚焦成高能光束，照射在工件表面上，即可进行加工。,固体激光器中常用的工作物质除釔铝石榴石外，还有红宝石和钕玻璃等材料。2.激光加工的特点1）激光加工加工属于高能束流加工，其功率密度可高达1081010W/cm，几乎可以加工任何金属与非金属材料。2）激光加工无明显机械力，也不存在机械损耗问题。加工速度快，热影响
46、区小，易实现加工过程自动化。,3）激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部进行焊接等。4）激光可以通过聚焦，形成微米级的光斑，输出功率的大小又可以调节，因此可用于精密微细加工。5）可达到0.01mm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度；表面粗糙度Ra值可达0.40.1m。,二.激光加工的应用范围激光加工的主要参数为激光的功率密度，激光的波长和输出的脉宽，激光照射在工件上的时间以及工件对能量的吸收等。激光对材料表面热处理、焊接、切割和打孔等都与上述参数有关。1.激光表面热处理当激光的功率密度为，便可以实现对铸铁、中碳钢、甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。,激光淬火层的深度一般为0
47、.71.1mm。淬火层的硬度比常规淬火约高20%，产生的变形小，能解决低碳钢的表面淬火强化问题。对激光淬火能获得超高强度的机理，一般认为是由于激光淬火是骤冷骤热的过程，碳在奥氏体中来不及均化，因而马氏体中含碳量较高，致使硬度提高。,最明显的例证是10低碳钢激光淬火，其表层硬度可高达700Hv，而常规淬火的低碳马氏体硬度只有380Hv。而且在激光淬火中由于碳扩散不均匀，所得马氏体更细。有人在研究Cr12钢激光淬火时发现，该材料的原始组织的晶粒度为12级，而激光表面淬火硬化后为15级，晶粒明显细化。,此外，还有人在研究GCr15钢时发现，经激光处理过的GCr15钢中的位错密度高达1012条，而在残
48、余奥氏体中也有同样的位错密度。因此，激光表面淬火能得到超高强度是由于马氏体本身硬度增高、马氏体细化和具有很高位错密度所致。2.激光焊接当激光的功率密度为105-107W/cm，照射时间约为1/100秒左右，即可进行激光焊接。,激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区“热熔”在一起即可。激光焊接过程迅速，热影响区小，焊缝质量高，既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，还可以透过玻璃进行焊接。3.激光切割激光切割所需的功率密度约为105-107W/cm。它既可以切割金属材料，也可以切割非金属材料。还可以透过玻璃切割真空管内的灯丝，,这是任何机械加工都难以达到的。固体激光器（YAG）输出的脉冲
49、式激光成功地用于半导体硅片的切割，化学纤维喷丝头异型孔的加工等。大功率的CO2气体激光器输出的连续激光不但广泛用于切割钢板、钛板、石英和陶瓷，而且还用于切割塑料、木材、纸张和布匹等。图1-30所示，为CO2气体激光器切割钛合金板材的情况。,4.激光打孔激光打孔的功率密度约为107-108W/cm。它主要应用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭发动机和柴油机的喷油嘴、化学纤维的喷丝板、钟表上的宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模等零件上的微细孔加工。激光打孔的效率很高，如直径为0.120.18mm，,深为0.61.2mm的宝石轴承孔，若工件自动传送，每分钟可加工数十件。在聚晶金刚石拉丝模坯料的中央加工直
50、径为0.04mm的小孔，仅需十几秒钟。第六节 电子束和离子束加工电子束和离子束加工是近年来获得较大发展的两种特种加工技术。它们主要应用于精密细微加工方面。,一、电子束加工（一）电子束加工的原理和特点1.电子束加工原理电子束加工在真空中进行，其加工原理如图1-31所示。由电子枪射出的高速电子束经电磁透镜聚焦后轰击工件表面，在轰击处形成局部高温，使材料瞬时熔化和汽化，从而达到去除材料的目的。,图中的电磁透镜实际上是一个通以直流电的多匝线圈，利用其产生的磁场力作用使电子束聚焦。偏转器也是一个多匝线圈，通以不同的交变电流可产生不同的磁场，用以控制电子束的方向。如果使偏转电流按一定程序变化，电子束便可以
