机械制造基础第3版 宋昭祥第三篇第7章特种加工

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1、第三篇第七章 特种加工 ,第七章 特种加工 教学要点： 1.电火花线切割 2.光化学加工 3.电火花加工 4.其他特种加工,第三篇第七章 特种加工 ,所谓特种加工，是直接利用电能、化学能、声能、光能、热能等，或它们与机械能的组合等形式将坯料或工件上多余的材料去除，获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的加工方法。,第三篇第七章 特种加工 ,特种加工与切削加工的不同点是： 切削加工是利用机械能或机械力把工件上多余材料切除下来，特种加工是直接利用电能、化学能、声能、光能或热能来进行加工的。 加工用的工具硬度不必大于被加工材料的硬度。 加工过程中，工具和工件之间不存在明显的机械切削力。,第三篇第七

2、章 特种加工 ,第一节 电火花线切割 一、电火花线切割工作原理及机床 1. 工作原理 电火花线切割加工是通过线状工具电极与工件间规定的相对运动，对工件进行脉冲放电加工。脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝。电极丝以一定的速度移动，它不断地进入和离开放电区域。只要有效地控制电极丝相对于工件的运动轨迹和速度，就能切割出一定形状和尺寸的工件。,第三篇第七章 特种加工 ,3.7-1电火花线切割工艺及装置示意图 1-钼丝 2-导向轮 3-工件 4-传动轴 5-支架 6-脉冲电源 7-绝缘底板,第三篇第七章 特种加工 ,2. 电火花线切割机床 电火花线切割机床的组成及性能 电火花线切割机床，一般由机床主机、

3、脉冲电源和控制系统组成。 机床主机的主要部件结构为:工作台导轨组合、工作台传动丝杠副、贮丝机构、丝架机构和导轮组合。,第三篇第七章 特种加工 ,电火花线切割机床型号 机床型号 按GB7925-87规定，电火花线切割机的主参数为工作台的横向行程，第二主参数为工作台的纵向行程，其型号系列表示为： 例如DK7732表示横向行程为320mm的快走丝电火花数控线切割机床。,第三篇第七章 特种加工 ,电火花线切割机数控系统 数控系统是电火花线切割机的重要组成部分，对电火花线切割加工的质量水平起重要作用。它是属于轮廓控制系统，能同时控制两个或两个以上的轴，并有插补功能。目前采用的基本上都是CNC系统。 四轴

4、联动锥度切割装置如图所示。图中的上导向器能作U、V方向的移动，与工作台的X、Y轴方向一起移动构成四轴联动控制，实现上下异形截面形状的加工。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-2 四轴联动锥度切割装置图,第三篇第七章 特种加工 ,电火花线切割（影音文件）,第三篇第七章 特种加工 ,二、电火花线切割的加工工艺特点及应用 1加工对象 除普通金属、超硬合金材料外，已能加工人造金刚石、导电陶瓷等。 2加工范围 除了一般的精密加工外，已开始涉及精密微细加工领域。还可以加工大尺寸工件。 3加工形状 不仅仅是二维轮廓的加工，而且能加工各种锥度、变锥度以及上下面形状不同的三维直纹曲面。,第三篇第七章 特种加工

5、 ,4工艺特点 (1)用非成形工具电极即可实现复杂形状工件的加工； (2)适合微孔、窄缝等精细零件的加工； (3)电极丝损耗少，对加工精度影响小； (4)自动化程度高； (5)成本低，能实现大厚度、高效率的切割加工。,第三篇第七章 特种加工 ,5电火花线切割的应用 (1)加工各种模具； (2)加工成形工具； (3)加工微细孔、槽、窄缝； (4)各种稀有、贵重金属材料和难加工金属材料的加工和切割； (5)从几何角度来看，电火花线切割加工方法适宜于加工各种由直线组成的直纹曲面以及各种二维曲面。,第三篇第七章 特种加工 ,第二节 光化学加工 光化学加工（PCM）是利用曝光制板技术与化学腐蚀技术结合起

6、来加工复杂精细图形的一种工艺方法。主要用于对壁厚2.4mm以下复杂的薄壁零件及亚微米级深度以上的零件表面进行刻蚀。,第三篇第七章 特种加工 ,一、光化学加工原理 利用辐射线曝光技术，把复制模板（掩模）的图形精确地复制到涂有光敏胶（光致抗蚀剂）的工件表面，只有未被复制模板遮住的光敏胶才能受到光线的照射，光敏胶吸收光能发生光化学反应，致使光敏胶的溶解性发生了本质性的变化，在特定的显影液中从不溶解改变成完全溶解。显影后，再利用光敏胶的耐腐蚀特性，对未被保护的工件表面进行化学腐蚀，从而获得所需形状和尺寸精度的零件。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-4 光化学加工成形示意图,第三篇第七章 特种加工

7、,二、光化学加工工艺过程,第三篇第七章 特种加工 ,（一）原图与复制模板 通过计算机绘图，将原图变成一个个计算机数据文件，将原图文件直接输入到光绘机中，通过激光头的运动，在涂有卤化银的底片上将图形直接打印，然后经过显影等工作，即可以将模板就加工好。,第三篇第七章 特种加工 ,(二)衬底加工、涂光敏胶 1衬底加工主要是指对工件材料进行前期预处理，使用化学或物理的方法，完成除油，除氧化皮、粗化等工作。其目的在于提高光敏胶与工件表面的粘附力。,第三篇第七章 特种加工 ,2涂光敏胶 无论是腐蚀法还是电成形法，光敏胶的制作方法基本相同，所不同的是前者的光敏胶直接涂覆在工件欲加工表面上，而后者的光敏胶是制

8、作在导电的支撑体上，工件的成形是通过电铸法间接获得的。涂覆胶膜厚度的均匀性与一致性直接影响加工图形的分辨率和精度。,第三篇第七章 特种加工 ,国内外广泛使用的干膜光敏胶是无污染的水溶剂型，其贴膜厚度在40m以下。涂覆方式比较简单，采用贴膜的方式。首先将干膜光敏胶的聚乙烯层撕开，使光敏层直接贴附在工件的表面，同时用滚筒以0.81m/min的速度，0.080.35MPa 的压力滚压，以增强粘附力，在曝光之后才撕去聚酯层。曝光时由于存在25m左右的聚酯隔离层，分辨率不太高。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-7 干膜抗蚀剂制作掩模工艺过程,第三篇第七章 特种加工 ,（三）曝光 用紫外线等光波透过掩

9、模板，对己涂覆光敏胶的薄膜进行选择性的照射，使照射的部分充分完成光化学反应，从而改变照射部分的光敏胶在显影液中的溶解度。曝光光源的波长应与光敏胶感光范围相适应，一般采用紫外光。对于要求最细的刻痕为1m以下时，紫外光不能满足要求，需采用电子束、离子束或x射线等曝光技术。 常用的曝光方式有：接触式曝光、接近式曝光、光学投影式曝光、电子束曝光、离子束曝光及X射线曝光。,第三篇第七章 特种加工 ,（四）显影 显影是在显影液中进行，目的在于利用曝光后的光敏胶在显影液中溶解度的不同除去不需要保护的光敏胶薄膜、保留保护表面的光敏胶薄膜的工艺过程。 显影后，非保护表面不应有残留的光敏胶，保护表面的光敏胶薄膜在

10、加工过程中不应脱落。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-8 光化学加工的紫外线曝光方式,第三篇第七章 特种加工 ,（五）坚膜 坚膜（后烘）就是将显影液漂洗后的工件在一定的温度下进行烘焙。目的是为了去除残余的溶剂，改善溶剂浸泡造成的聚合物软化和膨胀情况，使胶膜致密坚固，并通过胶联作用，提高光敏胶薄膜与工件表面的粘结力，从而减少腐蚀加工过程中产生钻蚀、针孔等缺陷。,第三篇第七章 特种加工 ,（六）腐蚀 腐蚀就是把工件表面无光敏胶薄膜保护的加工表面腐蚀掉，使有光敏胶薄膜掩蔽的区域保存下来。这是完成光化学加工复制模板的图像向工件材料转移的过程，是光化学加工的另一个重要环节。基本要求是，图形边缘整齐，

11、对光敏胶薄膜及其保护表面无损伤和钻蚀。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-9腐蚀原理图,第三篇第七章 特种加工 ,（七）去胶 在腐蚀加工完成之后，去除工件表面的光敏胶薄膜的过程叫去胶。最常用的是化学法，包括湿法去胶和干法去胶。,第三篇第七章 特种加工 ,三、光化学加工的工艺特点 光化学加工不受工件材料、机械性能的限制，特别适合加工脆、硬材料，加工精度与加工深度有关，一般尺寸加工精度可达到0.010.005m，表面无硬化层或再铸层，不会产生残余应力，是半导体、集成电路和微型机械制造中的关键技术之一。由于径向腐蚀的同时，存在侧向腐蚀，导致保护层下金属也有腐蚀，使得光化学加工只能用于加工厚度小于2

12、.4mm的材料。,第三篇第七章 特种加工 ,四、光化学加工的应用 光化学加工已在印刷工业、电子工业、机械工业及航空航天工业中得到了广泛的应用。 1荫罩群孔加工 2有关磁性材料的应用 3印刷电路板的制造,第三篇第七章 特种加工 ,第三节 其他常用的特种加工 一、电火花加工 （一）电火花加工的工作原理 电火花加工是通过工具电极（简称工具）和工件电极（简称工件）之间脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工的方法，所以又称放电加工或电蚀加工。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-10 电火花加工原理示意图,第三篇第七章 特种加工 ,电火花加工时，被施加脉冲电压的工件和工具（纯铜或石墨）分别作为正、负电极。两

13、者在绝缘工作液（煤油或矿物油）中彼此靠近时，极间电压将在两极间相对最近点击穿，形成脉冲放电。在放电通道中产生的高温使金属熔化和气化，并在放电爆炸力的作用下将熔化金属抛出，由绝缘工作液带走。由于极性效应（即两极的蚀除量不相等的现象），工件电极的电蚀速度比工具电极的电蚀速度大得多。这样，在电蚀过程中，若不断地使工具电极向工件作进给运动，就能按工具的形状准确地完成对工件的加工。,第三篇第七章 特种加工 ,电火花加工（影音文件）,第三篇第七章 特种加工 ,（二）电火花加工工艺特点 1可以加工任何硬、脆、韧和高熔点的导电材料。如硬质合金、淬火钢和不锈钢等； 2 “无切削力”有利于加工小孔、薄壁及各种复杂

14、截面的型孔、型腔等零件； 3加工精度可达0.01mm，表面粗糙度Ra值为0.8m，微精加工时，可达0.0020.004mm，Ra值为0.1m。,第三篇第七章 特种加工 ,（三）电火花应用 1加工各种截面形状型孔、小孔； 2加工各种锻模、挤压模、压铸模等型腔体及整体叶轮、叶片等各种曲面零件，表面强化和刻字； 3进行电火花线切割加工。,第三篇第七章 特种加工 ,二、电解加工 （一）电解加工的工作原理 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应的原理，对工件进行成形加工的方法。加工时，工件接正极，工具电极接负，工件和工具电极之间通以低压大电流。在两极之间的狭小间隙内，注入高速流动的电解液。

15、 由于金属在电解液中的阳极溶解作用，当工具电极向工件不断进给时，工件材料就会按工具型面的形状不断地溶解，且被高速流动的电解液带走其电解产物，在工件上就加工出和工具型面相应的形状来。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-11 电解加工原理示意图 1-直流电源 2工具阴极 3-工件阳极 4-电解液泵 5-电解液,第三篇第七章 特种加工 ,（二）电解加工工艺特点 l可以加工高硬度、高强度和高韧性的导电材料，如淬火钢、硬质合金和不锈钢，生产率高； 2加工时无切削力和切削热，适于加工易变形零件(如薄壁零件)； 3加工精度0.030.2mm，Ra=0.80.2m，无残余应力，但成型精度不很高； 4工具电极

16、使用寿命较长； 5电解液对机床有腐蚀作用，电解产物处理回收困难。,第三篇第七章 特种加工 ,（三）电解应用 广泛应用于深孔、扩孔、花键孔，形状复杂、尺寸较小的型孔，精度要求较低的型腔模具，异形零件的套料加工和电解倒棱，去毛刺。 （四）电解设备及其组成 1稳压电源； 2. 电解液系统 (包括液压泵、储液池)； 3. 机床主体，用来安装工件及一套工具进给装置,第三篇第七章 特种加工 ,三、超声波加工 （一）超声波加工的工作原理 超声波加工是利用工具作高频振动，并通过磨料对工件进行加工的方法。,第三篇第七章 特种加工 ,图3.7-12 超声波加工原理示意图 1-超声波发生器 2-换能器 3-振幅扩大器4-工具 5-工件 6-磨料悬浮液,第三篇