特种加工(第二讲)讲解

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1、精密与特种加工,主讲：周哲波教授,2-1 概 述,一、特种加工的产生及发展 1. 尖端科学技术的发展方向 高精度 高速度 高温 高压 大功率及 小型化。 2 .对机械制造部门提出的新要求： （1）解决各种难切削材料的加工问题； （2）解决各种特殊复杂表面的加工问题； （3）解决各种超精、光整或具有特殊要求的零。件的加工问题 3 . 切削加工的本质和特点： （1）靠刀具材料比工件更硬； （2）靠机械能把工件上多余的材料切除。,4 .特种加工的产生、发展的前提条件 要解决机械制造部门面临的一系列工艺问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，甚至根本无法实现，人们相继探索研究新的加工方法，特种加工因

2、此而产生。 5.特种加工的特点 （1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除金属材料； （2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”； （3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。,6.特种加工与传统切削加工的不同点,（1）主要依靠机械能以外的能量(如电、化学、光、声、热等)去除材料；多数属于“熔溶加工”的范畴。 （2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”； （3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力； （4）主运动速度一般都较低；理论上，某些方法可能成为“纳米加工”的重要手段； （5）加工后的表面边缘无毛刺残留。微观形貌“圆滑”。,7

3、.我国特种加工技术的发展历程,（1）20世纪50年代中期，电火花穿孔机床、电火花表面强化机研制成功； （2） 20世纪50年代末，营口电火花机床厂开始成批生产电火花强化机、电火花机床； （3）1979年我国成立了全国性的电加工学会； （4）1981年我国高校间成立了特种加工教学研 究会； （5）1997年批量生产。,二、特种加工的分类,特种加工的分类 续表一,常用特种加工方法 的综合比较(1),常用特种加工方法 的综合比较(2),常用特种加工方法 的综合比较(3),常用特种加工方法 的综合比较(4),常用特种加工方法 的综合比较(6),三、特种加工对机械制造工艺技术产生的影响,1.提高了材料的

4、可加工性 材料的可加工性不在与硬度、强度、韧性、脆性等直接相关，对电火花、线切割加工而言，淬火钢比未淬火钢更易加工。特种加工方法使材料的可加工范围从普通材料发展到硬质合金、超硬材料和特殊材料。 2.改变了零件的典型工艺路线 以前的典型工艺路线是先加工后淬火，特种加工的工艺路线是先淬火后加工。,3.改变了试制新产品的模式 特种加工可以直接加工出各种标准和非标准件，各种特殊、复杂的二次曲面体零件，省去设计制造相应刀具、夹具、量具、模具、工装，大大缩短了试制周期。 快速成型技术，成为试制新产品的必要也是重要手段。,4.特种加工对产品零件的结构设计带来很大的影响 各种复杂冲模过去采用拼镶结构，有了特种

5、加工可设计成成整体结构 花键的齿根加工，用拉削方法时，刀齿只能是清棱清角的齿根，电解加工时，非采用小圆角的齿根不可。,5.重新衡量传统的结构工艺性的好坏 过去认为工艺性很坏的小孔、窄缝等，因为有了特种加工方法，现代产品结构中可以大量采用。 6.特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段, 2-2 电化学加工技术,2.1 电化学加工的原理与特点 1. 电化学加工的原理 如图2-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl和二价铜正离子Cu2+。当两个铜片接

6、上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。,在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu2+正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(如图所示的中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜)的方法即电化学加工。,图2-1 电解(电镀)液中的电化学反应,以电化学阳极溶解的方式来实现对工件进行加工的。加工时工件接正极，工具接负极。

7、工件相应的部分产生阳极溶解，工具阴极不断地向阳极工件进给，工具的形状就相应地“复制”在工件上，从而达到加工的目的。,2.电化学加工的特点 1）应用范围广：导电的材料均可加，不受材料的性能的限制； 2）加工的质量高：无机械切削力，工件表面无残余应力、飞边、毛刺和棱角； 3）一次完成加工，加工的面积大，效率高； 4）对环境有一定的污染。,3. 电化学加工的分类 电化学加工有三种不同的类型。 1）利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等； 2）利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等； 3）利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加

8、工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。 电化学加工的类别如表2-1所示。,表2-1 电化学加工分类,3. 电化学加工的适用范围 电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。 电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛线”(来复线)，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。 电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。,2. 2 电解加工 1电解加工的原理及特点 1) 基本原理 利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的。如图2-2所示，在

9、工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.10.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。,随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。,图2-2 电解加工原理图,2) 特点 电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点: (1) 能加工各种硬度和强度的材料。只要是导体（金属），不管其硬度和

10、强度多大，都可加工。 (2) 生产率高，约为电火花加工的510倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 (3) 表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.21.25 m。 (4) 电解加工设备简单，用简单的直线运动可加工复杂的行腔。,(5) 阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。 注：电解加工当前存在的主要问题是： 1）加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.150.30 mm。 2）电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。 3）加工复杂的形腔，工具制造成本高。 2.

11、 电解加工设备 电解加工的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，其主要特点及应用见表2-2。,表2-2 直流电源的特点及应用,2) 机床 电解加工机床的任务是:安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。 对机床的要求： （1）足够的刚性：电解加工过程中虽没有机械切削力，但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的； （2）进给系统的稳定性：如果进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响加工精度； （3）好的防腐措施和安全措施：电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触。,3) 电解液

12、系统 （1）要求： 导电率高、流动性好：保证较低的加工的电压获得较大的加工电流，在较低的压力下得到较高的流水，减少发热； 电离度、溶解度大：阳离子具有负电极电位； 性能稳定、操作安全：腐蚀轻、不易燃、不爆炸、环境污染小及对操作者危害小； 阳极的产物不溶性：便于处理、不会再阴极表面沉积； 价格低廉、适应性强、使用寿命长。,（2）特性 杂散腐蚀：衡量电解加工精度高低的指标。 在其他条件相同的情况下，保证严格按工具电极的形状加工。杂散腐蚀小，成形精度高。 电流效率：不同的电解液在阳极表面生成钝化层厚度不同，阳极的溶解效率不同。不同的电解液电流效率不同。 加工速度的非线性：加工速度与电流密度的关系曲线

13、。由于钝化作用和电极间隙的影响。 注：电解液的特性不同，使用性能不同，其判别的标准为加工精度、表面质量和生产成本。,（3）作用： 导电介质与化学反应：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。 更新和冷却：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。 （4）电解液分类：中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液。 注：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。,NaCl 电解液 优点：价廉易得，使用大多数金属，电流效率均很高，

14、损耗小，可在低浓度下使用，应用很广。 缺点：电解能力强，腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 NaNO3电解液 优点：浓度低于30%，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。 缺点： 生产效率低，需较大电源功率，适用于成型精度要求较高的工件加工。 NaClO3电解液 优点：腐蚀能力小，加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。 缺点： 是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。,（5）对加工过程的影响 电解液的参数：成分、浓度、温度

15、、酸碱性、粘度等。 注：它们对加工过程均有显著的影响，主要是浓度和温度。 浓度与温度对电导率、电流效率和粘度影响大，浓度大、温度高，则电导率高、电密度高、腐蚀能力强，生产效率高，精度下降。 选择合适的温度：应综合考虑机床夹具、电导率、电流效率、极间间隙电解液的沸腾等，一般低于60，推荐为3040 。 浓度与温度对极间间隙的影响：水的分解、蒸发及电解质的分布，应及时调整浓度，影响加工精度。 粘度对流动性的影响：在电解系统中设置加热和冷却系统来调节温度。,（6）流速和流向 流速：大于10m/s，保证将电解产物和热量带走（氢氧化物、氢气） 流向：正流向、反流向和侧向流向。 注：1）流速和流量是由电解

16、泵的出水压力来调节； 2）正流向：电解液从工具电极中心流入，经缝隙四周流出，不要密封，流出方向无法控制，精度、表面质量差； 3）反流向：电解液从型腔周边流入，经工具电极中心流出，要加密封，可控制流速和流量。 4）侧向流向：电解液从一侧面流入，经另一侧面流出，不适合加工较深的型腔，用于型腔模的修复。 5）电解液出口的形状与布局应与工件的形状或型腔结构相适应，避免出现死水区。,3. 电解加工应用 电解加工主要应用在深孔加工、叶片(型面)加工、锻模(型腔)加工、管件内孔抛光、各种型孔的倒圆和去毛刺、整体叶轮的加工等方面。 如图2-3是用电解加工整体叶轮，叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的。加工完一个叶片，退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。,图2-3 电解加工整体叶轮,2. 3 加工参数与加工精度 1加工精度的含义：复制精度、重复精度。 1）复制精度：工件尺寸形状与工具电极尺寸形状的符合程度。影响主要因素是沿工件加工表面的间隙的均匀性。 2）重复精度：加工一批零件的尺寸形状的变化程