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1、机械制造基础,第十二章 特种加工,随着工业生产和科学技术的发展,具有高强度、高硬度、高韧性的新材料不断出现,具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件也越来越多,依靠传统的机械加工方法难以达到技术要求,有的甚至无法进行加工。这就需要探索新的加工方法。特种加工就是在这种情况下产生和发展起来的。 所谓特种加工,就是直接利用电能、化学能、声能、光能、热能等,或它们与机械能的组合等形式去除坯料或工件上多余的材料,以获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的加工方法。它与切削加工的不同点是:,1)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,或将电能转为化学能、声能、光能或热能
2、来进行加工的。 2)加工用的工具硬度不必大于被加工材料的硬度。 3)加工过程中,工具和工件之间不存在明显的机械切削力。,特种加工按其能源和工作原理的不同可分为以下几类: 1)电热原理。包括电火花加工:电子束加工、离子束加工、等离子束加工。 2)电化学原理。包括电解加工:电解磨削、阳极机械磨削等。 3)声机械原理。超声波加工。 4)光、热原理。激光加工。 5)水射流原理。水射流加工。 6)光化学原理。光化学加工。,第一节 电火花线切割加工,一、电火花线切割加工的工作原理及机床,图1-12-1 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,第一节
3、 电火花线切割加工,(一)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。其切割工艺及装置示意图如图1-12-1所示。,第一节 电火花线切割加工,(二)电火花线切割机床 1.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、脉冲电源和控制系统组成。而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、储丝机构、丝架机构和导轮组合。表1-12-1所列为线切割机型及其性
4、能。,表1-12-1 线切割机型及其性能,第一节 电火花线切割加工,2.电火花线切割机床型号 按GB/T 79252005电火花线切割机(往复走丝型)参数规定,电火花线切割机床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,其型号表示为:,例如,DK7732表示横向行程为320mm的高速走丝电火花数控线切割机床。,第一节 电火花线切割加工,3.电火花线切割机床数控系统 数控系统是电火花线切割机床的重要组成部分,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。数控系统有NC系统与CNC系统两类。目前采用的基本上都是CNC系统。 四
5、轴联动锥度切割装置示意图如图1-12-2所示。图中的上导向器能作U、V方向的移动,与工作台的X轴、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。,第一节 电火花线切割加工,二、电火花线切割加工的工艺特点与应用 (1)加工对象 除普通金属、超硬合金材料外,已能加工人造聚晶金刚石、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。例如要求尺寸精度达2m的半导体集成电路引线框架模具的加工。还可以加工大尺寸工件,如汽车零件等。,图1-12-2 四轴联动锥度切割装置示意图,第一节 电火花线切割加工,(3)加工形状 不仅是二维轮廓的加工,而且能加工各种锥度、变
6、锥度以及上下面形状不同的三维直纹曲面。 (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,对加工精度的影响小。 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。,第一节 电火花线切割加工,(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加工各种由直线组成的直纹曲面以及各种二维曲面。,第一节 电火花线切割加工,三、电火花线切割加工的编程与示例 这里主要介绍我国高速
7、走丝线切割机床应用较广的3B程序格式的编程要点。 1.程序格式 我国数控线切割机床采用统一的五指令3B程序格式,即BxByBJGZ 其中: B分隔符,用它来区分、隔离x、y和J等,B后的数字如为零,则此零可以不写。 x、y直线终点或圆弧起点坐标的值,编程时均取绝对值,以m为单位。 J计数长度,也以m为单位。 G计数方向,分Gx或Gy,即可按X方向或Y方向计数。工作台在该方向每走1m,则计数累减1。当累减到计数长度J=0时,这段程序即加工完毕。 Z加工指令,分为直线L与圆弧R两大类。,第一节 电火花线切割加工,2.直线的编程 1)把直线的起点作为坐标原点。 2)终点坐标作为x、y,均取绝对值,单
8、位为m。也可用公约数将x、y缩小整数倍。 3)计数长度J,按计数方向Gx或Gy取该直线在X轴和Y轴上的投影值。决定计数长度时,要和选计数方向一并考虑。 4)应取程序最后一步的轴向为计数方向,对直线而言,取x、y中较大的绝对值和轴向作为计数长度J和计数方向。 5)加工指令按直线走向和终点所在象限不同而分为L1、L2、L3、L4,其中与+X轴重合的直线算作L1,与+Y轴重合的算作L2,与-X轴重合的算作L3,与-Y轴重合的算作L4。而与X、Y轴重合的直线,编程时X、Y均可作0,且在B后可不写。,第一节 电火花线切割加工,3.圆弧的编程 1)把圆弧的圆心作为坐标原点。 2)把圆弧的起点坐标值作为x、
9、y,均取绝对值,单位为m。 3)计数长度J按计数方向取X轴或Y轴上的投影值,以m为单位。如圆弧较长,跨越两个以上象限,则分别取计数方向X轴(或Y轴)上各个象限投影值的绝对值相累加,作为该方向总的计数长度,也要和选计数方向一并考虑。 4)计数方向也取与该圆弧终点时走向较平行的轴作为计数方向,以减少编程和加工误差。对圆弧来说,取终点坐标中绝对值较小的轴向作为计数方向(与直线相反)。最好也取最后一步的轴向作为计数方向。 5)加工指令对圆弧而言,按其第一步所进入的象限可分为R1、R2、R3、R4;按切割走向又可分为顺圆和逆圆,于是共有8种指令即SR1、SR2、SR3、SR4、NR1、NR2、NR3、N
10、R4。,第一节 电火花线切割加工,4.工件的编程示例,图1-12-3 线切割工件,第一节 电火花线切割加工,从图1-12-3中可以看出,该图形由三条直线和一条圆弧组成,故分四段程序编制。 1)加工直线AB:坐标原点取A点,AB与X轴重合。故程序为: BBB40000GxL1(或B40000BB40000GxL1) 2)加工斜线BC:坐标原点取B点,终点C的坐标是(10000,90000)。故程序为: B1B9B90000GyL1 3)加工圆弧CD:坐标原点O,起点C的坐标是(30000,40000)。故程序为: B30000B40000B60000GxNR1 4)加工斜线DA:坐标原点取D点,
11、终点A的坐标为(10000,90000)。故程序为: B1B9B90000GyL4,第一节 电火花线切割加工,5.注意事项 1)手工编程容易出错,所以编好的程序一定要仔细检查。 2)在实际进行线切割加工和编程时,要考虑钼丝半径r和单面放电间隙S的影响。对于切割孔和凹体时,应将编程轨迹减小(r+S)距离;对于凸体,则应增大(r+S)距离。,第二节 光化学加工,光化学加工(PCM)是将曝光制板技术与化学腐蚀技术结合起来加工复杂精细图形的一种工艺方法。它主要用于对壁厚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。,第二节 光化学加工,一、光化学加工原理 光化学加工的基本原理是利
12、用辐射线曝光技术,把复制模板(Mask,又称为掩模)的图形精确地复制到涂有光敏胶(又称为光致抗蚀剂)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本质变化,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。光化学加工主要有两种类型:腐蚀法和电成形法。它们之间的主要区别在于:前者直接对工件材料未被保护的部位腐蚀加工成形,而后者是将抗蚀层制作在导电的衬底上,将零件材料电铸到衬底上,再把零件材料与衬底分离而获得所需的零件(图1-12-4)。在集
13、成电路制造中,衬底一般是硅片。,第二节 光化学加工,图1-12-4 光化学加工成形示意图 a)腐蚀法 b)电成形法,第二节 光化学加工,二、光化学加工工艺过程 光化学加工的工艺过程是非常复杂的,图1-12-5所示为光化学加工的主要工艺过程,图1-12-5 光化学加工的主要工艺过程,第二节 光化学加工,1.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,即可以将模板加工好。,第二节 光化学加工,2.衬底加工和涂光敏胶 (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
14、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黏附力。 (2)涂光敏胶 无论是光化学加工的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。一个厚度相差明显、严重凹凸不平的胶面甚至连曝光、显影的条件都难以掌握,当然不会有好的加工结果。因此,光敏胶的涂覆方法是一个非常重要的环节,必须引起足够的重视。,第二节 光化学加工,光敏胶可按以下方法分类: 1)按曝光辐射源分。紫外线光敏胶;电子束光敏胶
15、;X射线光敏胶;离子束光敏胶。 2)按物理性能分。液体光敏胶湿法;干膜光敏胶干法。 光敏胶涂覆方法可分为干法和湿法。 1)湿法的涂覆方法。液体光敏胶的涂覆方法有浸涂法、喷涂法、离心法和滚涂法。,图1-12-6 干膜光敏胶结构 1聚酯层 2抗蚀层 3聚乙烯层,第二节 光化学加工,2)干法的涂覆方法。干膜光敏胶由于工艺简单、操作方便、不污染环境,故发展比较迅速。目前,广泛应用在高精度印制电路板和机构、薄壁件的加工。干膜光敏胶是由聚酯层、抗蚀层、聚乙烯层组成的,其结构如图1-12-6所示。 光化学加工中,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。其涂覆方式比较简单,采用贴
16、膜的方式,具体过程如图1-12-7所示。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,以增强黏附力,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,所以分辨率不太高。,第二节 光化学加工,图1-12-7 干膜光敏胶制作掩模工艺过程,第二节 光化学加工,3.曝光 用紫外线等光波透过掩模板,对已涂覆光敏胶的薄膜进行选择性照射,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,一般采用紫外线。对于要求1m以下最细的刻痕,紫外线不能满足要求,需采用电子束、离子束或X射线等曝光技术。电子束曝光可以刻出宽度为0.25m的窄槽。曝光时间一般在几十秒至几分钟的范围内。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,如图1-12-8所示。,第二节 光化学加工,图1-12-8 光化学加工的紫外线曝光方式
