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1、特 种 加 工,主要解决三个问题 1、特种加工是怎样产生的,究竟“特”在哪？主要特点。 2、理解一般特种加工原理、主要分类和应用范围。 3、特种加工的应用，对现代机械制造技术带来的影响和变化。,1,第一章: 绪 论 1-1:特种加工的产生及发展,特种加工技术是直接利用电能、光能、声能、光能、化学能、电化学能以及特殊机械能等多种能量或其复合应用以实现材料切除的加工方法。可以加工高强度、高硬度、高韧性、高脆性、耐高温等材料。 解决难加工材料加工问题；各种复杂表面的加工问题；各种超精、光整及特殊要求的零件的加工问题。 应用：电火花成型加工、线切割加工、电解加工、超声加工、电铸加工和化学加工等。,2,
2、特种加工的主要特点,特种加工的独特之处： 非机械接触加工，作用时间短，热影响小，工件不易变形 加工的刀具硬度可以低于被加工材料的硬度 加工质量易控制、可进行细小精密零件加工； 无切屑或者粉末状切屑、易于自动化处理； 加工过程易于实现自动化。 能量密度高，能加工常规切削方法难以加工的材料； 简单进给运动,可以加工复杂型面,3,适用范围： .某些产品，如：阀门、航空陀螺、光学透镜，其尺寸精度0.1m，粗糙度Ra0.01m。 .某些材料具有高硬度、高强度、高脆性、高韧性、高熔点，如：钛合金、高温合金、硬质合金、陶瓷、金刚石和玻璃等。 .某些结构特殊、形状复杂、尺寸微小的零件加工，如：模具形腔、发动机
3、叶片、花键喷管等。 .细长轴和薄壁工件。 上述四种情况的加工，通常采用特种加工方法,特种加工分类 按用途分：尺寸加工、表面加工 *每类又可按照能量形式和工作原理分为多种不同的工艺方法。 新的特种加工方法： .复合特种加工：超声电火花、电解磨削 .改变工件表面粗糙度或表面性能的加工：离子束抛光、电子束表面强化 .微纳米加工：分子、原子单位的加工 .不属于尺寸加工的成形加工方式：电磁成形、放电烧结,1-2.特种加工对机械制造业的影响,特种加工的广泛应用，引起机械制造领域的许多变革。 1.材料的可加工性工件材料的可加工性不在与其硬度、强度韧性、脆性等直接有关。 2.改变零件加工的典型工艺路线为免除加
4、工后在淬火引起的变形，通常先淬火、后加工。 3.缩短新产品试制周期。 4.对零件的结构设计产生影响。 5.对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生影响。,1-3.特种加工待解决的主要问题,特种加工技术是一个国家制造业水平发展的重要标志，但也存在有待解决的一些问题。1. 加工机理、参数选择和加工稳定性。2. 加工产生的废液、废气的无害化处理。3. 加工精度及生产率（快速成形、等离子弧加工等）有待提高。4. 经济性,第二章：电火花加工 2-1.电火花加工原理和设备,原理：在一定的介质中，利用两个电极之间产生火花放电时的电蚀效应来蚀除部分金属材料的加工方法。电火花加工的基本原理如图：,8,电极：铜 、
5、钢、石墨 加工介质：煤油、煤油和机油、水基工作液 脉冲电源,电火花加工应具备的条件,1）必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙； 2）脉冲波形基本是单向的；具有合适的脉间和脉宽； 3）放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行； 4）有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属溶化或气化 。,9,加工条件：,脉冲电流波形,电火花加工,电火花加工的特点 1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料； 2）电极和工件在加工过程中不接触，便于加工小孔、深孔、窄缝零件； 3）电极材料不必比工件材料硬； 4）直接利用电能、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制；5) 广泛应用于
6、凹模型孔、型腔加工。,10,电火花加工方法的分类,电火花加工,普通电火花加工,电火花磨削,线电极电火花加工,电火花展成加工,电 火 花 平 面 磨,电 火 花 成 形 磨,电 火 花 线 切 割,电 火 花 小 孔 加 工,电 火 花 内 外 圆 磨,电 火 花 成 形,电 极 电 火 花 加 工,电 火 花 共 扼 展 成,其 他 展 成 加 工,电 火 花 表 面 强 化,电火花,电 火 花 穿 孔,2-2.电火花加工的机理,1）电离:电场强度大,液体介质电子、离子 2）放电： 电子阴离子 阳介质绝缘形成电通道 3）热膨胀：电子、离子碰撞， 阴、阳极碰撞1000012000 工件表面熔化、
7、汽化介质汽化、分离碳黑 4）抛处金属：爆炸力使工件表面抛出金属，形成凹坑。 5）消电离： 带电粒子转变成中性粒子，介质恢复成绝缘状态，为下一次准备。,12,加工过程,火花放电产生高温的特性：.局部：结果使金属材料局部熔化、汽化。.瞬时：热量集中，来不及扩散，能量密度大，最后蚀除掉金属形成放电坑。虽然在正负电极之间加上电源可以实现火花放电这一物理现象进行实际加工，还要满足一定的条件才行。,2-3.电火花加工中的一些基本规律,影响材料放电腐蚀量的主要因素 .极性效应的影响，由于正负极不同而彼此电蚀量不一样的现象，称极性效应。 .电参数对电蚀量的影响,单个脉冲所释放的能量,取决于极间放电电压、放电电
8、流和放电持续时间，因此单个脉冲放电能量为：,由于火花放电间隙电阻的非线性特性，击穿后间 隙的火花维持电压是一个与电极对材料及工作液种类有 关的数值。,正、负极的电蚀量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽。,提高电蚀量和生产率的主要途径在于：提高脉冲频率f；提高单个脉冲能量Wm；增加脉冲电流的幅值ie；减少脉冲间隔t0；设法提高系数Ka、Kc等。,图中 ti为脉冲宽度， to为脉冲间隔， tp为脉冲周期，ui为脉冲峰值电压或空载电压,.金属材料热学物理常数对电蚀量的影响 热学物理常数：熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高
9、，则电蚀量越小，其加工的难度越大。 .工作液对电蚀量的影响介电性能好、密度、粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效果。,.影响电蚀量的一些其它因素加工过程的稳定性采用加工的电流过大电极材料脉冲波形碳黑膜的形成工作液,电火花加工速度和工具的损耗速度,单位时间内工件的电蚀量称加工速度，也叫生产率。单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。 ：加工速度提高途径：.提高脉冲频率 .提高单个脉冲能量.提高工艺系数 ：工具电极相对损耗速度和相对损耗比具体做到：.正确选择极性 .利用吸附效应 .利用传热效应 .要减少工具电极损耗选用合适材料,电极损耗 放电间隙 加工斜度,21,
10、影响电火花加工精度的主要因素,电火花加工时的加工斜度 1电极无损耗时工具轮廓线 2电极有损耗时而不考虑二次放电时工件轮廓线,放电间隙大小及一致性；工具电极损耗及稳定性。 放电间隙大小实际是变化的，影响着加工精度；工具电极损耗对尺寸和形状精度都有影响。,二次放电：已加工表面上，由于电蚀产物等的介入，而再次进行的不必要的放电，使得加工深度方向产生斜度和加工棱角，棱边变钝。,图2-10 电火花加工时尖角变圆,图2-9 电火花加工时的加工斜度,二次放电,加工斜度,电极损耗,棱角变钝,电火花加工的表面质量,表面粗糙度表面变化层表面机械性能,24,影响表面质量主要因素,电火花加工表面质量,表面粗糙度、表面
11、变质层、表面机械性能,单个脉冲能量 加工速度,熔化凝固层 热影响层 显微裂纹,显微硬度及耐磨性 残余应力 耐疲劳性能,2-4.电火花加工用脉冲电源,脉冲电源的作用：将工频交流电流转换一定频率的单向脉冲电流，以供火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程稳定性、工具电极损耗有很大影响。一.电火花加工脉冲电源分类,二.RC线路脉冲电源主要工作原理：利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出形成火花放电来蚀除金属。它有二个回路，.充电回路：ERC组成.放电回路：C工具电极放电间隙工件组成。,电源接通，电容二端电压按指数 曲线逐步上升，Vc=Vg.继续上升
12、 ，间隙被击穿，电阻变的很小，C 上储存能量瞬间放出，形成较大的 脉冲电流Ie。,当电容的能量释放后,电压瞬时下降到接近零,间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态,电流也为零。,RC线路脉冲电源的最大优点：.结构简单、成本低、可靠.可获窄脉冲、小脉冲能量.瞬时放电有很大峰值电流 主要缺点： .放电速度快，无法获大脉宽 .脉冲间歇系数大，生产率低 .工艺参数不稳定,主要应用于小功率的精微加工或简易电火花加工机床,三.RLC线路脉冲电源 方法：把充电电阻一分为二，其中一部分用于限流电阻，另一部分用电感代替，组成RLC线路脉冲电源。,单纯的电感对直流电阻力很小,对交流或脉冲电流却具有感抗阻力,起限流作用。
13、 主要优点： 1.缩短充电、脉冲间歇时间、提高频率 2.电压可充至电源电压，提高单脉冲能量 *RCL线路，当短路后断开，电感产生过电压 *并联数个CL回路，可增大脉宽,R,C,L,工件,RLC线路脉冲电源,四：晶闸管式、晶体管式脉冲电源 1.晶闸管式脉冲电源的原理： 晶闸管（可控硅）式脉冲电源是利用晶闸管作为开关元件而获得单向脉冲。 特点：一经触发导通，就不会自行截止，要截止需要外加反向电压或使其小于维持电流。 为适应加工精度要求，可控硅的脉冲电源还必须具有精加工高频特性，一般采用高频可控硅通过倍频的办法提高脉冲频率。,2.晶体管式脉冲电源的原理：利用大功率晶体管作为开关元件，而获得单向脉冲。
14、 主振级Z为一个不对称多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间矩形脉冲信号，后经F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。末级晶体管起着开关的作用。 为保证放电间隙短路时不至于损坏晶体管，每只管子均串联一个限流电阻，同时起到在各管子之间均流作用。,五：各种派生脉冲电源 .高低压复合脉冲电源.高压脉冲回路.低压脉冲回路 2.多回路脉冲电源多回路电源总的生产率并不与回路数目完全成正比增加 3.等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。每次的脉冲电流宽度都相等，但电压宽度则不一定相等。 4.高频分组和梳形波脉冲电源 5.自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源,2-5.电火花加工自
15、动进给调节系统,一.自动进给调节系统的作用、技术要求和分类由于火花放电间隙s很小，而且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等有关，因此很难靠人工进给，必须采用自动进给调节系统。 系统的主要任务：通过改变调节进给速度，使进给速度接近和等于蚀除速度，以维持一定的放电间隙s，保证电火花加工正常而稳定的进行。实际火花加工时，整个系统力图自动趋向处于两条曲线的交点。,对自动进给调节系统的一般要求：1.有较广的速度调节跟踪范围2.有足够的灵敏度和快速性3.有必要的稳定性目前电火花加工用的自动进给调节系统的种类很多，按执行元件大致可分为：.电液压式（喷嘴挡板式）.步进电机式 .宽调速力矩电机式 .直流伺服电机
16、式 .交流伺服电机式。虽然这些类型、构造有很大差别，但其基本组成环节是一致的,二.自动进给调节系统的基本组成部分,调节对象测量环节 基本组成环节 比较环节放大驱动器执行环节,平均间隙电压测量法 峰值电压检测法,三.电液自动进给调节系统,电液式自动进给调节系统以油缸、活塞为执行机构。分为喷嘴挡板式和伺服阀式。,液体的不可压缩性,活塞与油缸 间摩擦很小,系统的不灵敏区很小,四.电机械式自动调节系统,电机械式自动进给调节系统经常采用的形式是步进电机和力矩式电机,2-6.电火花加工机床,电火花加工机床设备类型较多,按工艺过程、工具与工件相对运动的特点与用途划分，一般分为： 1.电火花成形机.整体式.分离式 .油缸固定 .活塞固定 2.电火花线切割.快速走丝 .慢速走丝 3.电火花磨削、电火花螺纹加工机床,
