精密加工与特种加工简介.ppt

第9章精密加工与特种加工简介,9.1精密加工和超精密加工9.2特种加工,9.1精密加工和超精密加工,9.1.1 基本概念9.1.2 特点 9.1.3 方法,9.1.1 基本概念,精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。精密加工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技进步精密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。例如在19世纪，加工工件尺寸公差为1m的加工被称为超精密加工，而现在超精密加工一般是指工件的尺寸公差为0.1m-0.01m数量级的加工方法。,精密加工和超精密加工的特点,1.加工方法目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类：切削加工：精密切削、微量切削和超精密切削等；磨削加工：精密磨削、微量磨削和超精密磨削等；特种加工：电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等；复合加工：将几种加工方法复合在一起，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光等。在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多。2.加工原则一般加工时，机床的精度总是高于这被加工零件的精度，这一规律被称为“蜕化”原则。而对于精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。这种方法称为进化加工。3.加工设备加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采用液体静压或空气静压元件。定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。,4.切削性能当精密切削的切深在1um以下时，切深可能小于工件材料晶粒的尺寸，因此切削就在晶粒内进行，这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，于是具上的剪切应力就变得非常大，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大的剪切应力和由此产生的很大的热量，这对于一般的刀具或磨粒材料是无法承受的。这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。5.加工环境精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净三个方面对环境提出的要求。6.工件材料用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。7.加工与检测一体化精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的测量技术，就无法判断被加工件的精度。在精密和超精密加工中广泛采用精密光栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量仪器。,9.1.3 精密加工和超精密加工方法,1.金刚石精密切削(1)概念金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为0.1m数量级和表面粗糙度Ra值为0.01m数量的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。(2)金刚石精密切削的机理金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在0.1m以下，切削常在晶粒内进行，要求切削力大于原子、分子间和结合力，剪切应力高达 13000Pa。由于切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。而金刚石刀具不仅有很好的高温强度和高温硬度，而且因其材料本身质地细密，刀刃可以刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径可达0.02m，因而可加工 出粗糙度值很小的表面。又金刚石超精密切削速度很高，工件变形小，表层高温不会波及工件内层，因而可获得高的加工精度。,(3)影响金刚石超精密切削的主要因素1)加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能地。2)金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研磨，研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刀口圆角半径尽可能小。理论上，金刚石刀具的刃口圆角半径可达1nm，实际仅到5nm。3)由于金刚石精密切削的切深很小，因此要求被加工材料组织均匀，无微观缺陷。4)工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。(4)金刚石精密切削的应用目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金片基，表面粗糙度Ra可达0.003m，平面度可达0.2m。切削铁金属时，由于碳元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工质量。,2砂带磨削砂带磨削是用砂带作为工具，根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的一种方法。2）闭式磨削方式采用环形砂带，通过张紧轮，由电机通过接触轮带动砂带高速运动。工件作回转或移动，砂带架作纵向及横向进给，从而实现对工件的加工。（2）砂带砂带由磨料，基底和粘结剂等组成。由粘结剂利用静电吸附原理将磨料粘结在布质基底上，将砂带烘干后再涂上一定厚度的粘结胶。磨料大多是精选出来的针状磨粒,（1）砂带磨削方式砂带磨削方式可分为开式和闭式两种（见图61）。1）开式砂带磨削：采用成卷的砂带，有电动机经减速机构通过卷带轮带动砂带作缓慢的移动，砂带绕过接触轮外圆以一定的工作压力与工件被加工表面接触，工件回转或移动，砂带头架或工作台作纵向及横向进给，从而实现对工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削区域不断出现新砂粒，因此磨削质量好,图 61,（3）砂带磨削的特点及应用1）砂带与工件表面是柔性接触，磨削的工件，其表面变形强化程度和残余应力均大低于砂轮磨削。2）砂带磨削效率高，磨削热量少，散热条件好，有效地减少了工件表面的烧伤。3）砂带制造工艺比砂轮的简单，价格便宜4）适宜加工大，中型尺寸的外圆，内圆很平面5）砂带磨削多在砂带磨床上进行，亦可在卧式车床，立式车床上利用砂带磨头和砂带轮磨头进行。6）可加工各种金属和非金属3.油石抛光油石抛光是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法。它是利用低发泡氨基甲酸(乙)酯和磨料混合制成的油石对工件表面进行抛光，能够加工出比较理想的镜面，这是一种固定磨料的抛光方法。油石一般都是细粒度磨料。材料有氧化铝、碳化硅、金刚石粉等，其加工表面粗糙度可达Rz0.005um。它的加工机理是微切削作用，当加工压力增加时，油石与加工表面的接触面积增加，参加微切削的磨粒也增加，但压力增加不能太大，否则被加工表面易产生划痕，甚至产生微裂纹。抛光时，油石与被加工表面之间可加润滑液,油石抛光的工作原理如图6-2所示。加工时油石以较低的压力和切削速度对工件表面进行精密加工。工件和油石共有三个无能运动，即工件低速回转运动、磨头轴向进给运动油石高速往复振动。这三种运动的合成使磨粒在工件表面上形成不重覆的轨迹。如果不考虑磨头的轴向进给运动，则磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线，如图6-2所示。图中：A油石振幅，约为1mm5mm。f油石振动频率，约为10Hz25Hz。p油石在工件上的压强，约为15104Pa。v油石往复振动速度，=Af cos/1000。,图 62,4.珩磨珩磨是用装有磨条(油石)的珩磨头对孔进行光整加工的方法。珩磨时，工件固定不动，装有几个磨条的珩磨头插入被加工孔中，并使磨条以一定的压力(0.4Mpa-2MPa)与孔壁接触。珩磨头由机床主轴带动旋转，同时沿轴向作往复运动，使磨条从孔壁上切除极薄的一层金属。由于磨条在工件表面上的切削轨迹是均匀而不重复的交叉网纹，因此可获得很高的精度和很小的表面粗糙度。珩磨时，为了及时排出切削，降低切削温度和减小表面粗糙度，需要大量的切削液。珩磨铸铁和钢件时，常用煤油加少量机油作切削液。珩磨后工件圆度和圆柱度一般可控制在0.003mm-0.005mm；尺寸精度可达IT5-IT6；表面粗糙度Ra值0.2m-0.025m。珩磨一般在专门的珩磨机上进行。有时也将普通车床或立式钻床进行适当的改装，来完成珩磨加工。图6-3为珩磨加工示意图。,图 63,5.游离磨料抛光游离磨料抛光是利用一个抛光工具作为参考表面，与被加工表面形成一定大小的间隙，并用一定粒度的磨料和抛光液来加工工件表面。如果加工设备精度较高，加工工具运用行当，则加工精度可达0.01m，表面粗糙度Rz可达0.005m，平面度可达0.1m。游离磨料抛光加工方法有弹性发射加工、液体动力抛光、机械化学抛光、化学机械抛光等，如图6-4所示超精密游离磨料抛光的机理是微切削和微塑性流动作用，抛光工具要与被加工表面形成一定大小的间隙，它不但提高被加工表面的质量，而且能提高其几何精度。,图 64,9.2特种加工,9.2.1 电火花加工9.2.2 电解加工9.2.3 超声波加工9.2.4 激光加工,9.2.1 电火花加工,1.电火花加工的基本原理电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法，其加工原理是使工件和工具之间产生周期性的、瞬间的脉冲放电，依靠电火花产生的高温将金属熔蚀，并在工件上形成与工具电极截面形状相同的精确形状，而工具电极的形状保持原有的形状。电火花加工是基于脉冲放电的腐蚀原理，故也称放电加工或电蚀加工。电火花加工原理如图65所示。,图 6 5,如图6.1-1所示，在充满液体介质的工具电极和工件之间的很小间隙上，施加脉冲电压，当两极间隙达到一定值时，其间的液体绝缘介质最先被击穿而电离成电子和正离子，形成放电通道。在电场力作用下，电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，产生火花放电。工具电极由电液伺服系统2控制进给。放电通道中电子、正离子受到磁场力和周围液体介质的压缩，致使通道截面积很小而电流密度很大(104107Acm2)，放电能量高度集中。此外，由于放电时间很短(约为106s108s)，且发生在放电区的小点上，所以能量高度集中，使放电区的温度高达1000012000，于是工件上这一小部分金属材料被迅速熔化或气化，并具有爆炸性质。爆炸力将熔化或气化了的金属微粒迅速抛出，并在液体介质中很快冷却和凝固成细小的金属颗粒被循环的液体介质带走。每次放电后在工件表面上形成一个微小凹坑，放电过程多次重复进行，大量微小凹坑重叠在工件上，既可把工具电极的轮廓形状相当精确地复制在工件上，达到加工的目的。在电火花加工时，不仅工件电极被蚀除，工具电极也同样遭到蚀除，但两极的蚀除量是不一样的。为减少工具损耗和提高生产率，加工中应使工具电极的电蚀程度比工件小得多，因此应根据加工要求，正确选择极性，将工具接到蚀除量小的一极。般，当直流脉冲电源为高频时，工件接在电源正极；电源为低频时，工件接在电源负极；当用钢作工具电极时，工件一般接负极。电火花加工在专用的电火花加工机床上进行。常用的工作液有煤油、去离子水、乳化液等。,2.电火花加工的工艺特点(1)电火花可加工任何硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料，在一定条件下，还可加工半导体材料和非导电材料。(2)加工时无切削力，有利于小孔、薄壁、空槽以及各种复杂截面的型孔、曲线孔和型腔等零件的加工，也适于精密细微加工。(3)当脉冲宽度不大时，对整个工件而言，几乎不受热影响，可提高加工质量，适于加工热敏感性强的材料。(4)脉冲参数可任意调节，能在同一台机床上连续进行粗、半精、精加工。精加工时精度为0.005mm,表面粗糙度Ra值为1.60.8m，尺寸精度；精微加工时精度可达0.002mm0.001mm，表面粗糙度Ra值为0.050.01m。(5)直接使用电能加工，易于实现自动化。,3.电火花加工的应用目前电火花加工主要有两种类型，即电火花成形加工和电火花线切割。(1)穿孔加工 加工型孔(圆孔、方孔、多边形孔和异形孔)、曲线孔(弯孔、螺纹孔)、小孔、微孔，例如落料模、复合模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。(2)型腔加工 锻模、压铸模、挤压模、塑料模，以及整体叶轮、叶片等各种典型零件的加工。(3)线切割加工 进行线电极切割，例如切断、切割各类复杂型孔(例如冲裁模)。(4)电火花切割加工按走丝速度可分为快走丝和慢走丝两种类型。快走丝速度一般为10m/s左右，电极丝可往复移动，并可以循环反复使用。慢走丝速度通常为28m/min，为单向运动，电极丝为一次性使用。慢走丝线切割走丝平稳，无振动，电极丝损耗小，加工精度高，是发展方向。电火花加工主要适用于单件小批生产。,9.2.2 电解加工,1.电解加工的基本原理电解加工就是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学腐蚀原理对工件进行成形加工的一种方法(也称电化学加工)。图66为电解加工原理图。工件接阳极，工具(铜或不锈钢)接阴极，两极间加(624v)r的直流电压，工具阴极连续缓慢均匀向工件进给，极间保持0.11mm间隙。具有一定压力0.52MPa)的电解液(1020%的食盐水)从两极间隙中高速(560 m/s)流过。阳极工件表面的金属逐渐按阴极型面的形状溶解电解产物被高速电解液带走，于是在工件表面上加工出与阳极型面基本相似的形状。,图 66,2.电解加工的工艺特点(1)电解加工能以简单的进给运动，一次加工出形状复杂的型面和型腔(如锻模、叶片等)；(2)可加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、高温合金等；(3)加工型面和型腔的效率比电火花加工高510倍；(4)加工中无机械切削力或切削热，加工面质量好、无残余应力和毛刺；(5)加工中阴极损耗小，一般可加工上千个零件；(6)因影响电解加工的因素很多，故难于实现高精度的稳定加工。尺寸精度低于电火花加工，且不易控制，一般型孔加工为：0.030.05mm，型腔加工为0.050.2mm；(7)电解液对机床有腐蚀作用，设备费用高，电解产物的处理和回收较困难，污染较严重。3.电解加工应用 电解加工主要用于加工各种型腔模具，各种型孔、花键孔、深孔、小孔等复杂型面(如汽轮机、航空发动机的叶片)以及套料、膛线(炮管、枪管的来复线等)等。此外还有电解抛光、倒棱、去毛刺、切割和刻印等。电解加工适于成批和大量生产，多用于粗加工和半精加工。,9.2.3 超声波加工,1.超声波加工原理超声波比声波能量大得多，它对其传播方向上的障碍物产生很大的压力，能量强度可达几十瓦到几百瓦每平方厘米，因此用超声波可进行机械加工。超声波加工正是利用超声振动(16kHz-30kHz)的工具冲击磨料对工件进行加工的一种方法，其加工原理如图67 所示。,起声波发生器1产生超声频电振荡，由能量转换器3将其转变为超声频机械振动。机械振动的振幅很小，不能用来进行机械加工，需要再通过振幅扩大棒4将振幅扩大。加工时，工具8固定在振幅扩大棒端头，获得超声频机械振动，在工具与工件之间不断地注入悬浮液9，当工具与工件接触时，由于工具高速冲击悬浮液，使悬浮液中的液体分子及固体磨粒以极高的速度冲击工件被加工面，冲击加速度可达重力加速度的一万倍左右，在加工面上产生很大的瞬间压力，通过磨料的作用使工件局部材料破碎成粉末被打击下来。与此同时，由于悬浮液的扰动，磨料还以很高的速度和频率抛光研磨工件的加工面。悬浮液的循环流动，可使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒，工具逐渐向工件伸入，工具形状就可复制在工件上。工具材料常用不淬火的45钢。工具的形状和尺寸应比被加工面的形状和尺寸相差一个“加工间隙”。磨料常用碳化硼、碳化硅、氧化铝或金刚石粉等。工具振动频率一般选择在1625kHz，工具端部的振幅一般是2080m。,图 67,2.超声波加工的特点和应用(1)超声波加工主要适于加工各种硬脆材料，特别是不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等。对于难以切削加工的高硬度、高强度的金属材料，如淬火钢、硬质合金等，也可加工，但效率较低。因为超声波加工主要是靠磨粒的冲击作用，材料越硬、越脆加工效率越高，对于韧性好的材料，由于缓冲作用大则不易加工；(2)易于加工各种形状复杂的型孔、型腔和成形表面，也可进行套料、切割和雕刻等；(3)对工件的宏观作用力小、热影响小，可加工某些不能承受较大切削力的薄壁、薄片等零件；(4)工具材料的硬度可低于工件硬度；(5)超声波加工能获得较好的加工质量。尺寸精度可达0.010.05mm，表面粗糙度Ra值为0.40.1m。因此，一些高精度的硬质合金冲压模、拉丝模等，常先用电火花粗加工和半精加工，后用超声波精加工。目前，超声波主要用于硬脆材料的孔加工、套料、切割、雕刻以及研磨金刚石拉丝模等。,9.2.4 激光加工,1.激光加工的基本原理激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达1071011wcm2，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去，这就是激光加工的工作原理。图68是利用固体激光器加工的原理示意图。当激光工作物质(如红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等)受到光泵(即激励脉冲氙灯)的激发后，吸收特定波长的光，在一定条件下可形成工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态，这种现象称为粒子数反转。此时，一旦有少数激发粒子自发辐射发出光子，即可感应所有其它激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大。并通过谐振腔的反馈作用产生振荡，由谐振腔一端输出激光。通过透镜将激光束聚焦到待加工表面上，即可对工件进行加工。,图681全反射镜2工作物质 3光泵 4部分反射镜 5透镜 6 工作,2.激光加工的特点和应用(1)加工材料范围广，激光几乎对所有的金屈材料和非金属材料都可进行加工。特别适于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。(2)激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，加工精度。(3)工件可离开加工机进行加工，并可通过空气、惰性气体或光学透明介质进行加工。例如，激光能透过玻璃在真空管内进行焊接，这是普通焊接方法不能作到的(4)可进行微细加工。激光聚焦后可实现直径0.01mm的小孔加工和窄缝切割。在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片。(5)加工速度 快，加工效率高。如在宝石上打孔，加工时间仅为机械加工方法的1%.(6)不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。(7)可控性好，易于实现自动化。此外，激光还可用于动平衡校正、划线、薄膜蒸发等工作。,