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1、机械制造基础,机械制造基础,金工教研室 制造科学与工程学院 2011年春季学期,第六讲：特种加工常识,机械制造基础,第六讲：特种加工常识,工件,机械制造基础,第六讲：特种加工常识,成形方法 属于去除“成形方法”，是切削方法的一种 发展背景：现代机器中的难加工零件 精密及形状复杂的形状：用传统方法难以加工 模具型腔、炮管内膛来复线、叶片、叶轮 难加工材料：一般刀具磨具难以加工 太软、太硬、太脆、太韧、太耐磨、高熔点、某些非金属 有特殊要求的零件 刚性差、难装夹、有弹性,机械制造基础,第六讲：特种加工常识,对机械制造技术提出了新的要求,第一，解决各种难加工材料的问题,第二，解决各种复杂表面的加工问
2、题,第三，解决各种超精或具有特殊要求的零件的加工问题。,如对表面质量和精度要求很高，以及低刚度零件的加工。,高强度、高硬度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工,如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、注射模的立体成型表面等,机械制造基础,特种加工方法的特点,工具材料的硬度可以低于零件 利用电能、电化学能、声能、光能 加工过程机械力不明显 各种方法混合生产效率可以很高 几乎每一种新能源均可以用于加工,机械制造基础,特种加工方法的分类,一般按能量形式和作用原理分类 电能与热能作用方式 电火花EDM、线切割WEDM、电子束EBM、等离子PAM 电能与化学能作用方式 电解ECM、电铸、电刷镀 电化学能与机械能
3、作用方式 电解磨削ECG、电解珩磨ECH 声能与机械作用能作用方式：超声波加工USM 光能与热能作用方式：激光加工LBM 电能与机械作用能作用方式：离子束加工IM 液流能与机械作用能：挤压珩磨AFH、水射流WJC,机械制造基础,特种加工方法的分类,机械制造基础,对机械制造工艺技术产生的影响,改变了材料可加工性的认识 重新衡量结构工艺性设计原则 对零件的结构设计带来重大变革 有些复杂结构尽可以设计为整体零件 可以进一步优化零件的加工工艺过程 淬火工序可以放在特种加工之前，既可以保证精度也不影响加工效率,机械制造基础,本讲内容,一、电火花加工 电火花成型、电火花线切割 二、电化学加工 电解、电铸、
4、电镀 三、超声加工 四、激光加工 五、水射流加工,机械制造基础,一、电火花加工,电火花加工 利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用，蚀除导电材料的方法，又称放电加工或电蚀加工 英文简称EDM Electrical Discharge Machining,机械制造基础,电火花加工原理,脉冲电源,工具送进机构,工具,液体介质,工件（）,工件台,间隙,表面粗糙度,工件,电蚀凹坑,加工原理,加工过程,机械制造基础,工艺特点,加工适应性强 无论硬、脆、软、耐热材料，只要导电就行 小孔、薄壁、窄槽、复杂截面 同一台电火花机床上，只需要修改参数即可完成粗、半精、精加工 在一般情况下，生产效率低于切
5、削加工 工具电极损耗，影响成形精度 可用于 电火花穿孔 电火花型腔加工 磨削、铣制、镗制、表面强化等 电火花线切割,机械制造基础,电火花穿孔,电火花穿孔演示,机械制造基础,电火花高速小孔加工,机械制造基础,电火花型腔加工,机械制造基础,电火花线切割原理图,电火花线切割,利用连续移动的金属丝作为工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割零件的加工方法。 （1）高速走丝线切割：钼丝往复运动 （2）低速走丝线切割：铜丝单方向移动,应用：各种冲裁模（冲孔、落料）、样板以及各种形状复杂的型孔、型面和窄缝等。,机械制造基础,数控电火花加工机床,机械制造基础,加工过程,机械制造基础,线切割平面零件,机械制造基础
6、,线切割立体零件,IC芯片引脚框架模,机械制造基础,线切割异型零件,线切割零件,机械制造基础,其它加工方法,铣键槽,表面强化,镗中心孔,机械制造基础,其它加工方法：磨削,内圆,平面,外圆,电火花磨削演示,利用数控和伺服技术、专用脉冲电源以及旋转工具电极解决各种超硬导电材料的磨削加工问题,机械制造基础,其它加工方法:展成法,复杂内表面,齿轮加工,螺纹加工,机械制造基础,二、电化学加工,历史 1834年：法拉第发现电化学作用原理 20世纪3050年代才开展大规模应用 关键：法拉第定律 第一定律在镀液进行电镀时(电解)阴极上所“附积”的金属重量(或阳极所溶蚀者)与所通过的电量成正比。 第二定律在不同
7、镀液中以相同的电量进行电镀时，其各自附积出来的重量与其化学当量成正比。 上述第一定律中的“电量”，即为电流强度与时间的乘积，理论单位是库伦。,机械制造基础,电化学加工应用,利用阳极溶解 电解：通过电化学反应从工件表面去除金属 利用阴极上的沉积作用 电镀：在工件表面沉积金属：材料表面装饰保护 电铸：在阴极上沉积实现附着加工 复合加工,机械制造基础,1、电解加工,原理 阳极溶解：溶解速度与电流密度有关 工作液高速冲走电解腐蚀物,电解加工演示,机械制造基础,工艺特点,对工件材料的适应能力强 适应性强：只要导电，无论软、硬、脆 加工过程无机械作用力 工具电极理论上无消耗（阴极） 加工效率高于电火花加工
8、 加工精度及稳定性不易提高 电极设计制造较麻烦，需多次修整 防腐蚀及电解泥渣、废液处理问题,机械制造基础,电解加工实例：穿孔,电极,电极,电极进给,绝缘层,工件,电解液,电极进给,工件,电解液,机械制造基础,电解加工实例：切断,机械制造基础,电解加工实例：型腔,机械制造基础,电解加工实例：其它,成品,电极进给,内外绝缘层,废料,电解液,废料,电解液,电解套料,型面加工：电解加工整体叶轮,机械制造基础,电解磨削,工艺特点 加工范围广 各种硬、韧金属材料 工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关 切削温度低，不易变形、裂纹 切削力很小，可加工刚度差的零件 加工效率高于普通磨削510倍 加工精度略低于普通磨
9、削,电解作用和机械磨削相结合的加工过程。导电磨削时，工件接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在阴极上，两者保持一定的接触压力，并将电解液引入加工区。当接通电源后，工件的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧化膜，又被砂轮磨去。如此进行，直至达到加工要求为止。,机械制造基础,电镀和电刷镀原理,直流电源,镀液,镀笔,盘子,工件,电刷镀工作原理,电镀原理,用电解的方法将金属沉积于导体(如金属)或非导体(如塑料、陶瓷、玻璃钢等)表面，从而提高其耐磨性,增加其导电性,并使其具有防腐蚀和装饰功能。,电刷镀演示,机械制造基础,电镀和电刷镀产品
10、,机械制造基础,电镀和电刷镀产品,机械制造基础,电镀产品,机械制造基础,电镀产品,机械制造基础,电铸加工：Electroforming,电铸是在原模表面电沉积金属，然后使两者分离来制取零件的工艺。 优点： 1)能准确的复制出芯模的表面形貌。如用电铸镍制造压制唱片或光盘的压膜。 2)可将难以甚至不能进行的内型面加工转变为容易进行的外型面加工，从而可大大提高加工零件的精度。如电铸生产特殊型面的波导管、气切割嘴、塑料注射成型模具型腔。 3)容易得到由不同金属或金属与非金属组合的多层结构件。如在芯模上电沉积薄的金、银、铜层后再缠绕碳纤维环氧复合材料来制作轻型波导。 4)可电铸连接某些不能或不便于焊接的
11、材料。这是电铸加工的一种延伸。如可电铸连接不锈钢一铝(或钛、铍)接头。,机械制造基础,各种电化学方法的比较,机械制造基础,三、超声加工,超声加工（Ultra Sonic Machining） 超声波：高于16000Hz 超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化 超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关 超声波可传递很强的能量 超声波会产生反射、干涉和共振现象 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行,超声加工演示,机械制造基础,超声加工原理,超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的机械锤击、研抛和超
12、声空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主 由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工,超声波发生器,冷却水,换能器,变幅杆,工具头,泵,液体磨料,工件,机械制造基础,超声加工的工艺特点,适合加工各种硬脆材料 玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料 淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。 加工质量较好 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤 表面粗糙度较低，可达Ra0.630.08um 尺寸精度可达0.03mm 适于加工薄壁、窄
13、缝、低刚度零件。,机械制造基础,超声加工的工艺特点,工具材料 工具可用较软的材料、做成较复杂的形状 不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面 超声加工机床 结构比较简单，操作、维修也比较方便。 生产率较低 超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。,机械制造基础,应用实例,成形孔加工,异形孔加工,型腔加工,雕刻,切割,外螺纹,内螺纹,表面研磨和抛光,机械制造基础,四、激光加工,特点：新的先进加工方法 非接触加工。激光可视作“光刀”，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件 可对多种金属、非金属加工，特别是高硬度、高脆性及高熔点材料 与数控系统配合组成激光加
14、工中心，实现多种加工目的 激光束能量密度高，是局部加工，加工速度快，热影响区小，工件变形小，后续加工量小 生产效率高，加工质量稳定可靠,激光加工,机械制造基础,聚光镜,激光加工原理,全反射镜,工作物质,部分反射镜,激光束,镀金反射镜,透镜,工件,高压充电源,触发电路,电容,光泵,激光束,机械制造基础,采用激光加工必然性,激光加工，如：焊接、切割、打孔、打标、热处理和微加工等，解决了许多常规方法无法解决的难题 大大提高了工作效率和加工质量，是先进加工系统必不可少的 发达国家的制造业已经步入“光加工”时代,机械制造基础,激光加工方法,功能: 切 割 可对铝、铜、镍、陶瓷等材料进行切割加工出各种图形
15、，切割深度2.5mm 打 孔 最小孔径0.03mm，并可对其他金属如：铝、铜、非金属金刚石、硬质合金、陶瓷、塑料上打孔 标 记 能在多种金属材料上做简单的文字、数字标记 焊 接 可对铝、铜、金、银、镍等金属材料进行点焊、对焊或密封焊 接，焊接熔深2.5mm,机械制造基础,激光切割,激光切割特色 切缝窄，工件变形小 非接触 与计算机配合高速加工 切割非金属是其它方法不可比的,机械制造基础,激光打孔,激光打孔的特色 速度快，效率高，尤其高密度群孔加工 大深径比，传统不大于1：10，激光在碳钢上 加工0.25mm的小孔深径比达65：1 可加工硬脆软材料 可在难加工材料上加工斜孔,机械制造基础,激光标
16、记,激光标记的特色 便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类 便于使用、防止假冒 激光标记特点 可标记条形码、数字符号图案,机械制造基础,激光焊接,激光焊接的优势 速度快，效率高，深度大，变形小 大深宽比，5：1，最大10：1 可焊接难熔材料 可进行微型焊接,机械制造基础,激光雕刻,特点 适用于多种金属/非金属材料 复杂平面艺术图形,机械制造基础,三维激光内雕刻,激光内雕刻 在计算机控制下利用激光作为加工手段，在各种形状的透明水晶玻璃中雕刻出各种立体图案、文字、人物肖像等的设备。 激光内雕技术主要用于水晶工艺品的激光内雕刻有传统的机械雕刻方法有无法比拟的优点： 采用计算机控制技术和高精度、高效率的伺服控制系统，适应了现代化生产的高效率、快节奏的要求 采用激光加工手段，在水晶玻璃内部雕刻出由精细明亮的点组成的精美立体图案 利用激光聚焦技术，与水晶体不接触却可在水晶内雕刻出永不磨灭的立体图案 激光玻璃内雕刻或标识系统可广泛应用于玻璃装饰行业（如玻璃隔墙、玻璃屏风等）、玻璃制品行业（如玻璃杯、酒杯等）、艺术品行业（如将人像、风景等照片刻入玻璃内）、玻璃家具行业（如玻璃台桌、家具
