数控机床教学课件第七章

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1、第7章 特种加工数控机床,课时安排：6课时,7.1 数控电火花成型机床,电火花加工技术是机电一体化技术，是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综合运用；是先进生产制造技术中的一个重要组成部分，是机械制造业中最广泛采用的金属切削和磨削加工的重要补充和发展。,电火花成型机床的特点,其最大特点是：工具与工件之间为非接触加工，加工中没有宏观的切削力，因而可以用软的铜、石墨等材料加工任何硬度和强度的南加工金属材料；可以加工非常复杂的立体成型表面；可以加工低刚度、薄壁、深孔、微细孔等特殊精密零件。在制造业中得到了日益广泛的应用，现已发展成一个专门化的产业。,7.1.1 数控电

2、火花成型机床的类型与特点,一、电火花成型机床的类型 1、按控制方式分 （1）普通数显电火花成型机床 （2）单轴数控电火花成型机床 （3）多轴数控电火花成型机床,2、按机床结构分 （1）固定立柱式数控电火花成型机床 （2）滑枕式数控电火花成型机床 （3）龙门式数控电火花成型机床,3、按电极交换方式分 （1）手动式 （2）自动式,二、电火花成型机床特点,1、电火花成型机床加工的优点 （1）脉冲放电的能量密度高，便于加工特殊材料和复杂形状的工件。不受材料的硬度的影响，不受热处理状况的影响。 （2）脉冲放电时间极短，放电时产生的热量传导范围小，材料受热处理影响范围小。 （3）加工时，工具电极和材料不接

3、触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需要比工件材料硬度高。 （4）直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化。,2、电火花成型机床加工的局限性 1）只能加工金属等导电材料。但最近研究表明，在一定条件下也可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。 （2）加工速度一般较慢。 （3）存在电极损耗。由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会在受损耗，影响加工精度。 （4）最小角部半径有限制。,3、电火花成型加工的基本条件 （1）实现工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离，即相应于脉冲电压和相应于介质的绝缘强度的距离。若两电极距离过大，则脉冲电压不能击穿介质，不能产生火花放电，若两极短路，则在

4、两电极间没有脉冲能量消耗，也不能实现电腐蚀加工。 （2）两极间必须入介质。电火花成型加工通常使用煤油或去离子水做为工作液。 （3）输送到两极间的脉冲能量密度应足够大。一般为105106A/cm2。能量密度足够大，才可以使被加工材料局部熔化或者气化，被加工材料表面形成一个腐蚀痕，从而实现电火花加工。 （4）放电必须是短时间的脉冲放电。一般放电时间为1s1ms。这样才能使放电时产生的热量来不及在被加工材料内部扩散，从而把能量作用局限在很小的范围内，保持火花放电的冷极特性。 （5）脉冲放电须重复多次进行，并且多次脉冲放电 在时间和空间是分散的。 （6）脉冲放电后的电蚀产物应能及时排放至放电间隙之外，

5、使重复性放电顺利进行。,7.1.2 电火花成型机床的结构与原理,一、电火花成型机床的结构,1床身 2主轴 3立柱 4数控电源柜 5工作液箱,二、电火花成型机床加工原理,1自动进给调节装置 2脉冲电源 3工具电极 4工作液 5工件 6工作台 7过滤器 8工作液泵,7.1.3 电火花成型机床的加工对象,1、适合于用传统机械加工方法难于加工的材料加工 2、可加工特殊及复杂形状的零件 3、直接利用电能加工，便于实现过程的自动化 4、利用数控功能可显著扩大应用范围,7.1.4 工具电极,电火花成型加工常用的工具电极材料有钢、铸铁、石墨、黄铜、紫铜、铜钨合金、银钨合金等。电极设计的主要内容是选择电极材料，

6、确定结构形式和尺寸等。目前，型腔电火花加工中应用最广泛的材料是石墨和紫铜。石墨电极加工容易，密度小，重量轻，但力学强度较差，在采用宽脉冲大电流加工时容易起弧烧伤。,7.2 数控电火花线切割机床,数控电火花线切割技术作为电火花加工技术的一种，在我国工业技术飞速发展的新形势下，已成为一个专门化产业，是先进生产制造技术中的一个重要组成部分。,7.2.1 电火花线切割机床的类型与特点,一、电火花线切割机床的类型 按控制方式可分为靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制及微机控制等；按电源形式可分为RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源等；按加工特点可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度

7、切割型等；按走丝速度可分为慢走丝方式和快走丝方式两种，其中，快速走丝电火花线切割机床丝速在512m/s，慢速走丝电火花线切割机床丝速在0.10.5m/s。,二、电火花线切割机床的特点 1、快速走丝电火花线切割机床 （1）不需要制造成型电极，工件材料预加工量少； （2）由于采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝损耗较少，对加工精度影响小； （3）电极丝材料不必比材料硬，可以加工难切削的材料，如淬火钢、硬质合金，而非导电材料无法加工；,（4）由于电极丝很细，能够方便加工复杂形状、微细异型孔、窄缝等零件，又由于切缝很窄，零件切除量少，材料损耗少，可节省贵重材料，成本低； （5）由于加工过程中，电

8、极丝不直接接触工件，故工件几乎不受切削力，适宜加工低刚度工件和细小零件； （6）直接利用电、热能加工，可以方便地对影响加工精度的参数（脉冲宽度、间隔、电流等）进行调整。有利于加工精度的提高，操作方便，加工周期短。便于实现加工过程中的自动化。,2、慢速走丝电火花线切割机床 （1）不需要制造成型电极，工件材料预加工量少； （2）电极丝张力均匀恒定，运行平稳，重复定位精度高，可进行二次或多次切削，从而提高加工效率、表面粗糙度降低、尺寸精度大为提高； （3）可使用多种规格的金属丝进行切削加工，尤其是贵重金属切割加工，采用直径较细的电极丝，可节约金属；,（4）采用去离子水冷却，避免火灾隐患，有利于实现无

9、人加工； （5）配用的脉冲电源峰值电流很大，特别适用于微细超精密工件的切割加工； （6）有自动穿丝、自动切断电极丝运行功能，利于实现无人加工； （7）单向运丝使得电极丝损耗对加工精度几乎无影响； （8）加工精度稳定性高，切割锥度表面平整、光滑。,7.2.2 电火花线切割机床的结构与原理,一、电火花线切割机床的结构,1床身 2 工作台3丝架 4储丝筒 5紧丝电动机 6数控柜 7工作液循环系统,2、慢速走丝电火花线切割机床,1主机 2工作液循环系统3脉冲电源 4数控系统,慢速走丝电火花线切割机床的运丝系统 1卷丝轮 2 电极丝自动卷绕电极 3拉丝模 4预张力电动机 5电极丝张力调节轴 6退火装置

10、7导向器 8工件,二、电火花线切割机床加工原理,1、快速走丝电火花线切割,图7-6 快速电火花线切割加工原理图,2、慢速走丝电火花线切割,图7-9慢速走丝电火花线切割加工原理图 1脉冲电源 2工件 3工作液箱 4去离子水 5泵 6储丝筒 7工作台 8X轴电机 9数控装置 10 Y轴电机11收丝筒,7.2.3 电火花线切割机床的加工对象,1、加工模具 2、加工电火花成形加工用的电极 3、加工零件,7.2.4 电极丝,电极丝应具有良好的导电性和抗电蚀性,抗拉强度高、材质均匀。常用电极丝有钼丝、钨丝、黄铜丝和包芯丝等。钨丝抗拉强度高，直径在(0.030.1mm)范围内，一般用于各种窄缝的精加工，但价

11、格昂贵。黄铜丝适合于慢速加工，加工表面粗糙度和平直度较好，蚀屑附着少，但抗拉强度差，损耗大，直径在0.10.3mm范围内，一般用于慢速单向走丝加工。钼丝抗拉强度高，适于快速走丝加工，所以我国快速走丝机床大都选用钼丝作电极丝，直径在0.080.2mm范围内。,7.3 数控电子、离子、激光加工机床,7.3.1 数控电子加工机床原理与特点 一、电子加工的原理 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/cm）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化或气化。,

12、二、电子加工的特点,1、由于电子束能够极其微细地聚焦，如电流为110mA时，能聚焦到10100m，电流1nA时，能聚焦到0.1m。所以加工面积可以很小，能加工微孔、窄缝、半导体集成电路等，是一种精密微细的加工方法。 2、由于电子束能量密度横，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发。又由于电子束加工是非接触式加工，工件不受机械力作用，不易产生宏观应力和变形，所以加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。 3、可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，有利于实现加工过程的自动化。特别是在电子束爆光中，从加工位置定位到加工图形的扫描

13、，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异型孔，实现曲面弧形切割等。 4、由于电子束加工是在真空中进行的，因而产生污染少，加工表面在高温时不易氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。 5、电子束加工设备相对较为昂贵，故生产应用有一定局限性。,7.3.2 数控离子加工机床原理与特点,一、离子加工的原理 离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，粒子束比电子束具有更大

14、的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。,二、离子加工的特点 1、易于精确控制 2、加工时产生污染少 3、应力小，变形极小，对材料适应性强,7.3.3 数控激光加工机床原理与特点,一、数控激光加工的原理 激光加工是把光能转变为热能使零件表层快速加热，快速冷却或快速融化在不引起材料基体发生变化的同时使工件表层的组织结构和机械性能发生明显变化，达到提高零件机械性能的一种高新技术。,二、激光加工特点 （1）几乎对所有金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、高熔点材料、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金和复合材料等都可加工。 （2）加工效率高，可实现高速切割和打孔，也易于实现加工自

15、动化和柔性加工。 （3）加工作用时间短，除加工部位外，几乎有受热影响和不产生热变形。 （4）非接触加上，工件不受机械切削力，无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。 （5）由于激光束易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。 （6）不存在工具磨损和交换问题。 （7）在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单，不像电子束加工需要真空室。 （8）可以通过空气、惰性气体或光学透明介质，故可对隔离室或真空室内工件进行加工。 （9）加工时不产生振动和机械噪声。,7.3.4 超声波加工机床原理与特点,超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶

16、击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，英文简称为USM。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。,一、超声波简介 二、超声加工的基本原理,图7-10 超声加工方法示意图 1一冷却水入口 2一换能器 3一激励线圈 4一银钎料接缝 5一换能器锥体 6一谐振支座 7一冷却水出口 8一工具锥 9一工具头 10一磨料粒子 11一工件 12一工件材料碎粒 13一磨料悬浮液 14一变幅杆 15一磨料射流,三、超声加工的特点,1、适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、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。 2、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，表面粗糙度也较低，可达Ra0.630.08m，尺寸精度可达正负0.03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度