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1、等离子体加工,1,贾宝贤,5687026,Plasma Arc MachiningPAM,课程内容大纲,2,1绪论2电火花加工3电火花线切割加工4电化学加工5超声波加工6磨料与水喷射加工7激光加工8快速原型制造9电子束、离子束加工10化学加工、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,本讲内容,3,一、等离子体加工基本原理二、等离子体加工材料去除速度和加工精度三、等离子体加工设备四、等离子体加工应用,一、原理,4,等离子体加工又称等离子弧加工(Plasma Arc Machining)利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气化来去处材料。,等离子弧切割.flv,等离子体,5,等离子
2、体被称为物质存在的第四种状态，物质存在的通常三种状态是气、液、固三态。等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子所组成，整体的正负电荷数值仍相等，因此称为等离子体。,6,等离子体具有高能量密度的原因,7,机械压缩效应：电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通道对电弧产生机械压缩作用，喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。热收缩效应：喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在电弧中心高温区通过，使电弧的有效截面缩小，电流密度大大增加。这
3、种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应，一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却越充分，热收缩效应越强烈。,等离子体具有高能量密度的原因,8,磁收缩效应：电弧电流周围磁场作用迫使电弧强烈收缩，电流密度更大，电弧更细、更稳定。由于上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子体电弧的温度都很高，可达1100028000摄氏度，气体的电离度也随着剧增，并以极高的速度从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力，当到达金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将熔化了的金属材料吹除。,等离子体,9,等离子体加工又叫做等离子体电弧加工或等离子体电弧切割。把喷嘴2接
4、直流电源的阳极，钨电极5接阴极，使阴极钨电极5和阳极喷嘴2的内壁之间发生电弧放电，吹入的工质气体受电弧作用加热膨胀，从喷嘴喷出形成射流7，称之为等离子体射流，使放在喷嘴前面的材料1充分加热。,等离子体加工特点,10,由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。,二、材料去除速度和加工精度
5、,11,取决于工件的热学性质、加工速度、切割深度以及所采用的加工参数。切割速度 成形切割厚度为25mm的铝板时的切割速度为760mm/min，而厚度为6.4mm钢板的切割速度为4060mm/min，采用水喷时可增加碳钢的切割速度，对厚度为5mm的钢板，切割速度为6100mm/min。切边斜度 切边的斜度一般为2o7o，当仔细控制工艺参数时，斜度可保持在1o2o。切缝宽度 对厚度小于25mm的金属，切缝宽度通常为2.55mm：厚度达150mm的金属，切缝宽度为1020mm。,二、加工精度和表面粗糙度,12,加工精度 孔径10mm以内，板厚4mm时的加工精度为0.25mm，厚度达35mm时，孔或槽
6、精度为0.8mm。表面粗糙度 通常为Ra1.63.2m，热影响层分布的深度为15mm。,二、设备和工具,13,简单的设备有：手持等离子切割器、小型手提式装置。,二、设备和工具,14,复杂的设备有程序控制和数字程序控制的设备、多喷嘴的设备，采用光学跟踪的设备。,二、设备和工具,15,在数控机床上可安装先进的等离子体切割系统，并实现喷嘴的自适应控制，以自动寻找和保持喷嘴与板材的正确距离。除了平面成形切割外，还有用于车削、开槽、钻孔和刨削的等离子体加工设备。,二、设备和工具,16,切割用的直流电源空载电压为300V左右，用氩气作为工质气体时空载电压可降低为100V左右，电极材料为铈钨或钍钨。用压缩空
7、气作为工质气体时，电极材料为锆或铪。使用的喷嘴材料一般为纯铜或锆铜。,实际应用,17,广泛用于切割穿孔热辅助加工（热切削复合加工）焊接表面加工,实际应用-切削,18,等离子体加工已广泛用于切割各种金属材料特别是不锈钢、铜、铝的成形切割。已获得重要的工业应用。它可以快速而较整齐地切割软钢、合金钢、钛、铸铁、钨、钼等。切割不锈钢、铝及其合金的厚度一般为3100mm。等离子体还用于金属的穿孔加工。等离于体弧还作为热辅助加工。这是一种机械切削和等离子弧的复合加工方法，在切削前，用等离子弧对工件待加工表面进行加热，使工件材料变软，强度降低，从而使切削加工具有切削力小、效率高、刀具寿命长等优点，已用于车削
8、、开槽、刨削等。,数控等离子相贯线切割 国冶数控 高清.mp4,19,20,21,22,实际应用-焊接,23,等离子体电弧焊接已得到广泛应用，使用的气体为氩气。用直流电源可以焊接不锈钢和各种合金钢，焊接厚度一般在110mm,1mm以下的金属材料用微束等离子弧焊接。近代又发展了交流及脉冲等离子体弧焊铝及其合金的新技术。等离子体现还用于各种合金钢的熔炼，熔炼速度快，质量好。,等离子弧焊接与切割.flv,实际应用-表面处理,24,等离子体表面加工技术近年来有了很大的发展，日本近年试制成功一种很容易加工的超塑性高速钢，就是采用这一技术实现的，采用等离子体对钢材进行预热处理和再结晶处理，使钢材内部形成微
9、细化的金属结晶微粒。结晶微粒之间联系韧性很好，所以具有超塑性能，加工时不易碎裂。,实际应用-表面处理,25,采用等离子体表面加工技术，还可提高某些金属材料的硬度，例如使钢板表面氮化，可大大提高钢材的硬度。在氧等离子体中，采用微波放电，可使硅、铝等进行氧化，制得超高纯度的氧化硅和氧化铝。采用无线电波放电，在氮等离子体中，对钛、锆、铌等金属进行氮化，可制得氮化钛、氮化锆、氮化铌等化合物。由直流辉光放电发生的氮等离子体，使四氯化钛、氢气与甲烷发生反应，可在金属表面生成碳化钛，大大提高了材料的强度和耐磨性能。,实际应用-表面加工,26,等离于体还用于人造器官的表面加工，采用氨和氢-氮等离子体，对人造心
10、脏表面进行加工，使其表面生成一种氨基酸，这样，人造心脏就不受人体组织排斥和血液排斥，使人造心脏植入手术更易获得成功。,工作保护,27,等离子体加工时，会产生噪声、烟雾和强光，因此需对噪声和烟雾进行控制，并对眼睛进行保护。常采用高速流动的水屏，使高速流动的水通过一个围绕在切削头上的环喷出，这样就形成了一个水的屏幕或防护罩，从而大大减少了等离子体加工过程中产生的光、烟和噪声的不良影响。在水中加入染料，可以降低电弧的照射强度。,参考1,28,一、等离子体的三种效应1.机械压缩效应。电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通常对电弧产生机械压缩作用，而喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。2.热收缩效应
11、。喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在电弧中心高温区通过，使电弧的有效截面缩小，电流密度大大增加。这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应，一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却越充分，则热收缩效应越强烈。3.磁收缩效应。由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使电弧变得更细，电弧区中心电流密度更大，电弧更稳定而不扩散。上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子体电弧的温度都很高，达到1100028000（普通电弧仅50008000），气
12、体的电离度也随着剧增，并以极高的速度从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力，当达到金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将熔化的金属材料吹除。等离子电弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。,参考2,29,二、材料去除速度和加工精度等离子体切割的速度是很高的，成形切割厚度为25mm的铝板时的切割速度为760mm/min，而厚度为6.4mm钢板的切割速度为4060mm/min，采用水喷时可增加碳钢的切割速度，对厚度为5mm的钢板，切割速度为6100mm/min。切边的斜度一般为27，仔细控制工艺参数时，斜度可保持在12。厚度小于25mm的金属，切缝宽度为2.55mm；厚
13、度可达150mm的金属，切缝宽度为1020mm。等离子体加工孔的直径在10mm以内，钢板厚度为4mm时，加工精度为0.25mm，当钢板厚度达35mm,加工孔或槽的精度为0.8mm。加工后的表面粗糙度通常为Ra1.63.2um，热影响层分布的深度为15mm，决定于工件的热学性质、加工速度、切割深度，以及所采用的加工参数。,参考3,30,三、设备和工具简单的等离子体加工装置有手持等离子体切割器和小型手提式装置；比较复杂的有程序控制和数字程序控制的设备；还有采用光学跟踪的设备。工作台尺寸达13.4m25m，切割速度为506100mm/min，在大型程序控制成形切削机床上可安装先进的等离子体切割系统，
14、有喷嘴的自适应控制，以自动寻找和保持喷嘴与板材的正确距离。除了平面成形切割外，还有用于车削、开槽、钻孔和刨削的等离子体加工设备。切割用的直流电源空载电压一般为300V左右，用氩气作为切割气体时空载电压可以降低为100V左右。常用的电极为铈钨或钍钨。用压缩空气作为工质气体切割使用的电极为金属锆或铪。使用的喷嘴材料一般为鈍铜或锆铜。,参考4,31,四、实际应用等离子字体加工已广泛用于切割。各种金属材料，特别好似不绣钢、铜、铝的成形切割，以获得重要的工业应用。它可以快速而较整齐地切割软钢、合金钢、钛、铸铁、钨、钼等。切割不绣钢、铝及其合金的厚度一般为3100mm。等离子体还用于金属的穿孔加工。此外，
15、等离子体弧还作为热辅助加工。这是一种机械切削和等离子弧的复合加工方法，在切削过程中，用等离子弧对工件待加工表面进行加热，使工件材料变软，强度降低，从而使切削加工具有切削刀小、效率高、刀具寿命长等优点。等离子体电弧焊接已得到广泛应用，使用的气体为氩气。用直流电源可以焊接不绣钢和各种合金钢，焊接厚度一般在110mm，1mm以下的金属材料用微束等离子弧焊接。近代又发展了交流及脉冲等离子体弧焊铝及其合金的新技术。等离子体弧还用于各种合金钢的熔炼，熔炼速度快，质量好。,参考4,32,四、实际应用等离子体表面加工技术近年来有了很大的发展。日本近年试制成功一种很容易加工的超塑性高速钢，就是采用这一技术实现的
16、；采用等离子体对钢材进行预热处理和再结晶处理，使钢材内部形成微细化的金属结晶微粒。结晶微粒之间联系韧性很好，所以具有超塑性能，加工时不易碎裂。采用等离子体表面加工技术，还可提高某些金属材料的硬度，例如使钢板表面氮化，可大大提高钢材的硬度。在氧等离子体中，采用微波放电，可使硅、铝等进行氧化，制得超高纯度的氧化硅和氧化铝。采用无线电波放电，在氮等离子体中，对钛、锆、铌等金属进行氮化，可制得氮化钛、氮化锆、氮化铌等化合物。等离子体还用于人造器官的表面加工；采用氨和氢-氮等离子体，对人造心脏表面进行加工，使其表面生成一种氨基酸，这样，人造心脏就不易受人体组织排斥和血液排斥，使人造心脏植入手术更易获得成功。等离子体加工时，会产生噪声、烟雾和强光，故要求对其工作地点进行控制和防护，常采用的方法就是采用高速流动的水屏，即高速流动的水通过一个围绕在切削头上的环管喷出，这样就形成了一个水的屏幕或防护罩，从而大大减少了等离子体加工过程中产生的光、烟和噪声的不良影响。在水中混入染料，可以降低电弧的照射强度。,
