特种加工设备

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1、,第11章 特种加工设备 11.1概 述 特种加工方法也称为现代加工方法，是指采用除机械能以外的电能、化学能、声能、光 能、磁能等进行加工的方法。 这种加工方法在加工过程中，不使用普通刀具来切削工件材料，而是直接利用能量来进行加工。,特种加工的特点是： （1）切除材料的能量不单纯依靠机械能，主要依靠电能、化学能、声能、光能等； （2）有的使用工具，有的则不使用工具。在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力，工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。 特种加工方法的分类见表11-1所示。,表11 -1 特种加工方法的分类,11.2 数控电火花线切割机床 11.2.1 概述 1. 电火花线切割

2、加工的基本原理（如图11-1所示）,图11-1 电火花线切割原理 1绝缘底板 2工件 3脉冲电源 4钼丝 5导向轮 6支架 7贮丝筒,基本工作原理： 电火花线切割（Wire Cut EDM，简称WEDM）的基本原理是利用连续移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作为工具电极，并在金属丝与工件之间通以脉冲电流（工具(线)电极与电源的负极相接，工件与电源的正极相接），利用它们之间的脉冲火花放电效应，使金属熔化或气化，并通过电极丝与工件的相对运动，对工件进行切割成型。电火花线切割也简称为线切割。,2. 数控线切割机床的分类 根据电极丝的运行速度和运转方式，数控线切割机床可分为以下三类： 高速走丝线切割机床（W

3、EDMHS） 这类机床的电极丝作高速往复运动，也称为往复走丝或快走丝线切割机，一般走丝速度为810m/s，为我国独创，也是我国生产和使用的主要机种；, 低速走丝线切割机床（WEDMLS） 这类机床的电极丝作低速单向运动，故也称为单向走丝或慢走丝线切割机，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机种。 自旋转式数控线切割机床 这类机床的电极丝在作直线运动(20120mm/s)的同时绕自身轴线做高速旋转运动(10003000r/min)，为我国首创。,11.2.2 数控线切割机床的组成 如图11 -2和图11 -3所示，数控线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、工作液循环系统、数控系统

4、和机床附件等组成。,图11 -2 高速走丝线切割装置示意图 1脉冲电源;2喷嘴;3、8步进电动机;4电极丝;5导轮;6储丝筒; 7坐标数控装置;9工件;10绝缘板;11工作液箱;12泵,图11 -3 低速走丝线切割装置示意图 1脉冲电源;2工件;3工作液箱;4去离子水;5泵;6放丝筒; 7坐标工作台;8 X轴电动机;9数控装置;10Y轴电动机;11收丝筒,1. 机床本体 机床本体由床身、坐标工作台、走丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具等组成。 （1）床身 床身是坐标工作台、储丝机构及丝架的支承和固定基础，应具有足够的强度和刚度，一般采用箱式结构的铸件。 床身内部可安置电源及工作液箱。,（2）坐

5、标工作台 坐标工作台用来安置工件，并根据控制要求，对电极丝做预定的相对运动。它包括拖 板、导轨、丝杆运动副及驱动装置等。 （3）走丝机构 走丝机构的作用是使电极丝保持一定的张力，以一定的速度平稳运行，并使电极丝整齐地缠绕在储丝筒上。, 低速走丝机构 如图11-4所示，低速走丝是单方向一次用丝，电极丝从放丝筒出丝，经导向滑轮、张紧装置、导向装置，穿过工件等到达卷丝筒，在卷丝筒的转动下以一定的张力(225N)和较低的速度(通常在0.2m/s以下)平稳移动。,1放丝筒; 2、5、6、11、18导向滑轮; 3制动轮; 4、12断丝检测微动开关; 7卷丝筒; 8放丝筒; 9压紧轮; 10抬丝轮; 13、

6、17引电板; 14、16导向器; 15工件 图11 -4 低速走丝机构示意图,为了减小电极丝的振动，通常在工件的上、下装有可上下调节（适应厚度的变化）的蓝宝石V形导向器或圆孔金刚石模导向器，其附近装有引电板。 工作液一般通过引电区和导向器再进入加工区，可使电极丝的通电部分全部冷却。有的机床上还装有自动穿丝机构，能使电极丝经过导向器穿过工件上的穿丝孔被送到另一个导向器，并在必要时能自动切断。 为了使工作可靠，走丝机构中通常装有断丝检测微动开关，断丝时能自动停车并报警。,快走丝机构 快走丝机构通过电动机传动储丝筒做高速正、反转，使电极丝保持一定的张力，以较高的速度（810m/s）平稳运行，并通过丝

7、杠螺母传动推板随同储丝筒的正、反转而做往复移动，使电极丝整齐、均匀地缠绕在储丝筒上。 走丝机构与床身、工作台必须保持良好的绝缘。,（4）丝架 丝架的作用是通过丝架上的两个导轮对电极丝进行支承和导向，并且能使电极丝的工作部分与工作台保持一定的角度，以便实现锥度切割。 双坐标联动丝架是在丝架上增加了 u、v两个驱动电动机，通过程序控制来实现锥度切割。,2. 脉冲电源 脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给工件和电极丝放电间隙所需的电能来蚀除金属。 脉冲电源的性能直接影响加工速度、表面质量、加工精度及电极丝的损耗等。,正极性加工 受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制

8、，线切割加工电源的脉宽较窄（260s），单个脉冲能量、脉冲峰值电流较小，一般为1535A，所以线切割加工总是采用正极性加工（即工件接正极）。因采用窄脉宽时，电子质量小、惯性小、易加速，且冲向正极表面，所以电能、动能转化为热量而蚀除金属;,负极性加工 若采用负极性加工，因采用的脉宽窄，且离子质量较大、惯性较大、起动加速较慢，有一大部分离子尚未到达工件（负极）表面，脉冲就结束了，所以蚀除金属速度低。因此，负极性加工只适于长脉冲粗加工。 常用的脉冲电源 脉冲电源的品种很多，常用的有晶体管矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、并联电容型脉冲电源和低损耗脉冲电源等。,3. 工作液 工作液在加工时起绝缘、洗涤

9、、排屑、冷却作用，对切割速度、表面粗糙度、加工精度等工艺指标影响很大。因此，对工作液的性能有以下要求： （1）具有一定的绝缘性 火花放电必须在工作液中进行，要求放电间隙击穿时即能压缩放电通道，形成瞬时、局部高温，熔化、气化金属，又能在放电后迅速恢复放电间隙为绝缘状态。,绝缘性太低，将产生电解而不能形成火花放电; 绝缘性太高，则放电间隙将减小，排屑困难，使切割速度降低。 一般要求工作液的电阻率为103 10 4 cm。 （2）具有较好的洗涤性能 与工件材料有较大的亲和附着力，渗透性强，去油污能力强，排屑效果好，使切割后的表面光亮清洁。,（3）冷却性能好。 （4）对环境无污染，对人体无危害。 （5

10、）价格低，稳定性好，使用存储安全方便，寿命长等。 低走丝线切割机床的工作液大多采用去离子水，只有在特殊精加工时才采用绝缘性较高的煤油。 高走丝线切割机床的工作液采用乳化液。,4.数控系统 数控系统的主要作用是在电火花线切割加工过程中，按加工程序要求自动控制电极丝与工件的相对运动轨迹和进给速度，实现自动加工。 数控系统的主要功能: （1）轨迹控制功能 通过插补运算，驱动步进电动机实现工作进给，精确控制电极丝与工件的相对运动轨 迹，切割出符合形状、尺寸要求的零件。,（2）加工控制功能 主要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机构、工作液循环系统以及其他操作的控制。 进给控制 根据加工间隙的平均电压或

11、放电状态的变化，通过取样、变频电路，不定期地向计算机发出中断申请，自动调整伺服进给速度，保持某一平均放电间隙，使加工稳定，并提高切割速度和加工精度。,短路退回 经常记忆电极丝的经过路线，发生短路时，改变加工条件并使电极丝沿原路快速后退，消除短路，防止断丝。,间隙补偿 由于加工程序是按电极丝中心的移动轨迹来进行编制的，因此，必须补偿电极丝的半径和放电间隙： 加工凸模时，电极丝中心轨迹应向原图形之外偏移，进行“间隙补偿”； 加工凹模时，电极丝中心轨迹应向原图形内偏移，进行“间隙补偿”。,图形的缩放、旋转和平移 利用图形的任意缩放功能可以加工出任意比例的相似图形； 利用任意角度的旋转功能可大大简化如

12、齿轮、电动机定子和转子等旋转对称类零件的编程； 利用平移功能则可大大简化复杂模具的编程。,适应控制 在工件厚度变化时，改变规准之后，能自动改变预置进给速度或电参数（包括加工电流、脉冲宽度和间隔），不用人工调节就能自动进行高效率、高精度的加工。,自动找中心 可使工件孔中的电极丝自动进行中心找正，并停止在中心处。 信息显示 可动态显示程序号、计数长度等轨迹参数，采用CRT还可显示电规准参数和切割轨迹图形等。 自诊断功能等。,11.3.1电火花成型加工原理如图11 -5所示。 在工具电极4和工件1之间接一脉冲电源2，利用自动进给调节装置3使工具电极与工件始终保持一很小的放电间隙，在脉冲电流的作用下，

13、产生火花放电。,11.3数控电火花成型机床,图11 - 5电火花成型加工原理 1工件;2脉冲电源;3自动进给调节装置; 4工具电极;5工作液;6过滤器;7工作液泵,在工件和电极表面上的凸峰处电流密度大，产生局部高温，因此凸峰将首先被熔化、气化，形成微小的凹坑，这又会形成新的凸峰，下次脉冲放电时，又会在新的凸峰处蚀除金属。熔化的金属以粉末状散布于工作液中被带走并过滤掉。这样不断的脉冲放电，就可将工具电极的形状复制在工件上，实现成型加工。,11.3.2数控电火花成型加工机床 数控电火花成型加工机床是一种高精度的自动化加工机床。如图11 -6所示，它由机床本体、脉冲电 源、数控系统、工作液循环系统等

14、组成。,图11 -6数控电火花成型加工机床示意图,机床主轴上装有工具电极（正 极），工件（负极）固定在工作台上，在CNC系统控制下， Z向伺服电动机通过滚珠丝杠带动主轴上、下运动，使工具电极与工件之间保持稳定的放电间隙，实现电蚀加工过程。 X、Y两坐标工作台由伺服电动机通过滚珠丝杠实现X、Y向进给运动，完成指定的轨迹加工。 ATC是电极的自动更换装置，可根据需要更换不同形状的电极，以加工所需形状的。,11.4 激光切割机,11.4.1 概 述 1.光的物理概念 电磁学说认为：光是一种在一定波长范围内的电磁波。 波长、频率、光速c具有下列关系: = c /,可见光： 可见的红、橙、黄、绿、蓝、青

15、、紫光的波长范围为0.40.76m； 紫外光： 波长小于0.4m的光称为紫外光或紫外线； 红外光： 波长大于0.76m的光称为红外光或红外线。,量子学说认为：光是一种以光速运动且具有一定能量的粒子流。 这种具有一定能量的粒子称为光子，光子的能量 E与光的频率成正比，即： E = h 式中， h为普朗克常数。 因此，光是一种具有波粒二相性的物质，即光既具有波动性，又具有粒子性。,2.原子发光的两种形式 （1）自发辐射 原子内部的电子，可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状 态，对于每一种运动状态，原子内部都有某一确定的能量值，即能级。 习惯上把能量值大的叫高能级，把能量值小的叫

16、低能级，最小的能级叫基态。,一般，能级越高，电子的数目就越少。如图11 -7所示为氢原子的能级示意图，其中，处于 E2 、E3 、E8 等高能级的电子很不稳定，总是力图回到较低的能级。因此，高能级的电子为激发态。,图11 -7 氢原子的能级示意图,电子从高能级向低能级运动的过程称为跃迁，当电子从高能级跃迁到低能级或基态时，常以发出光子的形式辐射出能量，这种发光过程称为自发辐射。 如日光灯、氙灯等光源都是自发辐射发光，自发辐射发光时的频率与跃迁能量差 En - E1 、普朗克常数 h遵循下列关系: =（ En - E1 ）/ h 由于各个受激原子自发跃迁返回基态时，辐射时间不一致，跃迁的能级多，因此，频率、波长不同。 故这类光源强度低、单色性差。,（2）受激辐射 当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中时，若这束光的频率与该系统