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1、.模块一特种加工及其发展概述【学习目标】：1. 了解特种加工在制造业中的发展过程及应用2、掌握特种加工的原理、特点及分类【知识点】：项目一特种加工概述一、特种加工的发展背景：特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、
2、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。 对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即 将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去
3、除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。二、特种加工的特点：1、不用机械能 ，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 2、非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。 3、微细加工 ，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细
4、进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。 4、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变， 可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。 5、两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工 ，其综合加工效果明显，且便于推广使用。 6、特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。 7、特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分 随着特种加工技术的发展，一方面计算机技术、信息技术、自动化技术等在特种加工中已获得广泛应用，逐步实现了加工工艺及加工过程的系统化集成；另一方面，特种加工能充分体现学科的
5、综合性，学科(声、光、电、热、化学等)和专业之间不断渗透、交叉、融合，因此，特种加工技术本身同样趋于系统化集成的发展方向。这二方面说明，特种加工技术已成为先进制造技术的重要组成部分。一些发达国家也非常重视特种加工技术的发展，如日本把特种加工技术和数控技术作为跨世纪发展先进制造技术的二大支柱。特种加工技术已成为衡量一个国家先进制造技术水平和能力的重要标志。这是特点之一。 8、特种加工具有独特的加工机理 特种加工不是依靠刀具、磨具等进行加工，而主要依靠电能、热能、光能、声能、磁能、化学能及液动力能等进行加工，其加工机理与金属切削机床完全不同。能量的发生与转换、使能过程的控制是特种加工高新技术的重要
6、部分。这是特点之二。 9、 增材加工是特种加工的重要发展方向 金属切削机床、特种加工机床一大部分是减材加工。我国从二十世纪八十年代末发展起来的快速成形(RP)加工技术是属于特种加工技术的一种增材加工的新领域。它利用分层制造原理(离散堆积)及分层处理软件，理论上可以制造任意复杂形状的零、部件，能适应高科技、个性化、小批量生产的需要，增材加工的RP加工技术已成为特种加工的特点之三。 10、 特种加工可以进行二种或二种以上能量的复合加工 一般来说，“组合加工”是指在一台机床上二种不同加工形式(能量)在加工过程中交替使用的加工方式；“复合加工”是指在一台机床上实现二种或二种以上能量(形式)在加工过程中
7、同时作用的加工方式，例如，电能和声能、化学能和电能、光能和化学能、化学能和电能及机械能等复合，以获得高效或精密加工的效果，这是特点之四。 11、特种加工技术应用领域的重要性和特殊性 特种加工适用于各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、微细等金属和非金属材料的加工，以及各种新型、特殊材料的加工，在航空航天、军工、汽车、模具、冶金、机械、电子、轻纺、交通等工业中解决了大量传统机械加工难于解决的关键、特殊的加工难题。所以在国民经济的众多关键制造工业中发挥着极其重要的不可替代的作用。例如，在航空航天工业中各类复杂深小孔加工、发动机蜂窝环、叶片、整体叶轮加工、特殊材料的切割加工、钛合金加工等等。在军事工业
8、中，例如核武器及高新技术武器几乎全是特殊材料和高新技术材料，各种零件的成形加工、各种孔加工、精密薄材加工等特种加工发挥着特殊重要的作用。这是特点之五。 12、 特种加工机床产量世界第一 由于特种加工机床应用领域的广泛性和重要性，在我国已形成由生产企业、大专院校、研究院所200多个单位组成的特种加工机床行业，其电火花加工机床的年产量就约达30000台之多，其产量为世界第一。是名副其实的生产大国(但不是生产强国)这是特点之六。项目二 特种加工设备的分类一、特种加工的基本分类：特种加工机床范围较广，有几十个门类。其中主要有：1. 电火花加工（EDM）；2. 电化学加工（ECM）；3. 电解磨削加工（
9、ECG）；4. 化学加工（CHM）；5. 电弧加工（EAM）；6. 激光加工（LBM）；7；超声加工（USM）；8. 离子束加工（IBM）；9. 电子束加工（EBM）；10. 等离子弧加工（PAM）；11. 快速成型加工（RPM）；12；磨料射流加工（AJM）等等。特种加工机床原属金属切削加工机床范畴，但由于特种加工机床与金属切削加工机床机理完全不同，机床功能部件的性能不同，以及它在国民经济中重要地位和作用等原因，2003年国家标准化管理委员会明确为与金切机床并行的独立的机床体系。与其他先进制造技术一样，特种加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的发展潜力和应用前景。依据加工能量的来源及作
10、用形式列举各种常用的特种加工方法。 项目三 特种加工的基本原理一、电火花加工（1）.电火花加工基本原理电火花加工又称放电加工，也有称为电脉冲加工的，它是一种直接利用热能和电能进行加工的工艺。电火花加工与金属切削加工的原理完全不同，在加工过程中，工具和工件不接触，而是靠工具和工件之间的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉。由于放电过程可见到火花，所以称为电火花加工。工件与工具电极分别连接到脉冲电源的两个不同极性的电极上。当两电极间加上脉冲电压后，当工件和电极间保持适当的间隙，就会把工件与工具电极之间的工作液介质击穿，形成放电通道。放电通道中产生瞬时高温，使工件表面材料熔化甚至
11、气化，同时也使工作液介质气化，在放电间隙处迅速热膨胀并产生爆炸，工件表面一小部分材料被蚀除抛，形成微小的电蚀坑。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，使工作液恢复绝缘。脉冲电压反复作用在工件和工具电极上，上述过程不断重复进行，工件材料就逐渐被蚀除掉。伺服系统不断地调整工具电极与工件的相对位置，自动进给，保证脉冲放电正常进行。即加工原理为：两极之间 + 火花放电 + 电腐蚀 + 去除材料 创造条件：（1）.工具与工件之间保持适当间隙（自动进给调节系统）。（2）.火花放电必须是脉冲性放电（采用脉冲电源）。（3）.在有一定绝缘性能的介质中放电（液体绝缘介质）。1工件2脉冲电源3自动进给调节系统 4工具5
12、工作液 6过滤器 7工作液泵图C1-1 电火花加工原理示意图加工条件：（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）.放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行；（3）.脉冲波形基本是单向的；（4）.有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或气化。（2）.电火花加工过程 （1）、放电通道的形成。极间介质的电离、击穿，形成放电通道；（2）、能量的转换和传递。介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀； （3）、电蚀屑的抛出。电极材料的抛出；（4）、间隙介质的消电离。极间介质的电离消除。 （3）. 电火花加工工艺方法分类（见下表）表C1-1类别工艺方法特 点用 途备
13、 注1穿孔成形加工工具为成形电极主要一个进给运动型腔加工、冲模挤压模、异形孔约占电机床总数30%2电火花线切割加工工具为线状电极两个进给运动冲模、直纹面、窄缝、下料占总数60%3内孔、外圆成形磨相对旋转运动、径向轴向进给运动精密小孔、外圆小模数滚刀占总数3%4同步共轭回转加工均作旋转运动且纵横进给精密螺纹、异形齿轮、回转表面占总数1%5高速小孔加工细管电极旋转、穿孔速度极高深小孔、喷嘴、穿丝孔占总数2%6表面强化、刻字工具在工件上振动工具相对工件移动工具刃口强化、刻字占总数2%3%（4）.电火花加工的特点：（1）、适合于用传统机械加工方法难以加工的材料 加工，表现出“以柔克刚”的特点。（2）、
14、可加工特殊及复杂形状的零件。（3）、可实现加工过程自动化。（4）、可以改进结构设计，改善结构的工艺性。（5）、可以改变零件的工艺路线。（5）.电火花加工的局限性（1）、主要用于金属材料的加工。即导电体（2）、加工效率比较低。（3）、加工精度受限制。（4）、加工表面有变质层甚至微裂纹。（5）、最小角部半径的限制。（6）、外部加工条件的限制。（7）、加工表面的“光泽”问题。（6）.电火花加工机床电火花加工机床可分为：线切割机床、电火花成型机机床（如图C1-2、图C1-3所示）。图C1-2线切割机床 图C1-3电火花成型机机床（7）.线切割机床作品展示（如图C1-4所示）：图C1-4 线切割机床作品
15、（8）.电火花成型机机床作品展示（如图C1-5所示）：图C1-5 电火花成型机机床作品展示二、超声加工超声加工（USM，Ultrasonic Machining）是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。 早期的超声加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的。但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。 近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以10005000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用
