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1、第二十章第二十章 特种加工与数控加工特种加工与数控加工本章知识点本章知识点先导案例先导案例第一节第一节 特种加工特种加工第二节第二节 数控加工数控加工先导案例解决先导案例解决本章小结本章小结思考题思考题本章知识点本章知识点1 1、了解电火花加工的原理和特点。、了解电火花加工的原理和特点。2 2、了解电解加工的原理和特点。、了解电解加工的原理和特点。3 3、了解激光加工的原理和特点。、了解激光加工的原理和特点。4 4、了解超声波加工的原理和特点。、了解超声波加工的原理和特点。返回先导案例先导案例请想想如何对一些传统切削难以加工的材料进行加工，如高请想想如何对一些传统切削难以加工的材料进行加工，如
2、高硬度，高韧性材料的加工硬度，高韧性材料的加工返回第一节第一节 特种加工特种加工 随着现代制造业的发展，加工中许多高强度、高硬度、高韧随着现代制造业的发展，加工中许多高强度、高硬度、高韧性、高脆性、高熔点等难切削材料不断出现，各种复杂结构性、高脆性、高熔点等难切削材料不断出现，各种复杂结构与特殊工艺要求的零件也越来越多，采用传统的切削加工方与特殊工艺要求的零件也越来越多，采用传统的切削加工方法己难以胜任，于是出现了特种加工方法。法己难以胜任，于是出现了特种加工方法。 特种加工亦称特种加工亦称“非传统加工非传统加工”或或“现代加工方法现代加工方法”，泛指，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能
3、、声能及特殊机械用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。它的种类很多，常用的去除、变形、改变性能或被镀覆等。它的种类很多，常用的特种加工方法有电火花加工、电解加工、激光加工、超声波特种加工方法有电火花加工、电解加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、等离子加工和水喷射加工等。加工、电子束加工、等离子加工和水喷射加工等。 特种加工与传统的切削加工相比有如下特点。特种加工与传统的切削加工相比有如下特点。 (l) (l)加工范围不受材料物理、机械性能的限
4、制，能加工任何加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 （2)2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。 （3)3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。热影响区等均比较小。 （4)4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。 特种加工技术在国际上被称为特种加工技术在国际
5、上被称为2121世纪的技术，对新型武器世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。随着新型武器装装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其他作战平台都要求降低结构质量，提高明机、导弹，还是其他作战平台都要求降低结构质量，提高明示速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构示速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、
6、轻量化结构、先进冷却结构等新型结都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工构，以及钦合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新构，以及钦合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造材料。为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用在以下领域。的主要应用在以下领域。(1)(1)难加工材料，如钦合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、难加工材料，如钦合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材
7、料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。高强度、高熔点材料。（2)2)难加工零件，如复杂零件二维型腔、型孔、群孔和窄缝难加工零件，如复杂零件二维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。等的加工。（3)3)低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。（4)4)以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。改性、刻蚀和精细加工。 上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工一、电火花加工一、电火花
8、加工 1.1.电火花加工原理电火花加工原理 电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢? ?这一过程大致分为以下几个阶段，如图这一过程大致分为以下几个阶段，如图20-120-1所示。所示。 （1)1)极间介质的电离、击穿，形成放电
9、通道，极间介质的电离、击穿，形成放电通道，如图如图20-120-1（a)a)所示。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，所示。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的近的A, BA, B处电场强度最大。处电场强度最大。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，
10、形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效一个强烈的冲击波向四周传播
11、。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工（2)2)电极材料的熔化、气化热膨胀，如图电极材料的熔化、气化热膨胀，如图20-120-1（b) ,b) ,（c)c)所所示。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负示。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相匀电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相匀_ _撞撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道
12、高温首先使工作液气化，进而气化，然后高温向四周扩散，使温首先使工作液气化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。并听到轻微的爆炸声。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 （3)3)电极材料的抛出，如图电极材料的抛出，如图20-120-1（d)d)所示。正负电
13、极间产生所示。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到橘红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎看到橘红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。屑。 （4)4)极间介质的消电离，如图极间介质的
14、消电离，如图20-120-1（e e）所示。加工液流入所示。加工液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在烧坏电极。因此，为了保
15、证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。 上述步骤（上述步骤（1)1)一步骤（一步骤（4)4)在一秒内约数千次甚至数万次地往在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔( (即脉冲即脉冲间隔间隔) )使工作液恢复绝缘后，第一个脉冲又作用到工具电极和使工作液恢复绝缘后，第一个脉冲又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱
16、处击工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，蚀出另一个小四坑。这样以相当高的频率连续不断穿放电，蚀出另一个小四坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相匀匀_ _重叠的小四坑组成。所以电火花加工是大量的微小放电痕重叠的小四坑组成。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。上一页 下一页返回第一节第一节 特种加工特种加工 2.2.电火花加工的特点电火花加工的特点 （1)1)可以加工任何硬、脆、软、韧、高熔点的导电材料。可以加工任何硬、脆、软、韧、高熔点的导电材料。 （2)2)两电极不接触，无明显切削力，故不会产生由此而引两电极不接触，无明显切削力，故不会产生由此而引起的残余应力或变形，有利于窄槽、小孔、薄壁以及各种复起的残余应力或变形，有利于窄槽、小孔、薄壁以及各种复杂形状型孔、型腔的加工，特别有利于低刚度零件和精密、杂形状型孔、型腔的加工，特别有利于低刚度零件和精密、细微表面的加工。细微表面的加工。 （3)3)由于
