精密和超精密加工技术.ppt
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1、特种加工,本章内容,特种加工技术概述电火花加工电解加工高能束加工,非传统加工又称特种加工,通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。非传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决:1)难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求,使新材料不断涌现。2)复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上,从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。,特种加工技术概述,主要不是依靠机械能,而是用其它能量(如电能、光能、声能、热能、化学能等)去除材料。工
2、具不受显著切削力的作用,对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一般不会产生加工硬化现象。加工变形小,发热少(或仅局限于工件表层加工部位很小区域内),工件热变形小,加工应力小,易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制,有利于保证加工精度和提高加工效率。材料去除速度一般低于常规加工方法,这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。,特种加工方法特点,机械过程:利用机械力,使材料产生剪切、断裂,以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。热学过程:通过电、光、化学能等产生瞬时高温,熔化并去除材料,如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。电化学过程:利用电能转换为化学能对材料进
3、行加工,如电解加工、电铸加工(金属离子沉积)等。化学过程:利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解,去除材料,如化学蚀刻、化学铣削等。,特种加工分类(加工机理和采用的能源分),复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用,去除材料。常见的复合形式有:机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。,机械热能复合如加热切削、低温切削等。热能化学能复合如电解电火花加工等。其它复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光等。,特种加工分类,拓宽现有非传统加工方法的应用领域。探索新的加工方法,研究和开发新的元器件。优化工艺参数,完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。,采用数控、自适应控制、CAD/CAM、
4、专家系统等技术,提高加工过程自动化、柔性化程度。,特种加工技术发展趋势,几种代表性特种加工方法,电火花加工的原理示意图,原理:利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电,产生瞬时高温,工件材料被熔化和气化。同时,该处绝缘液体也被局部加热,急速气化,体积发生膨胀,随之产生很高的压力。在这种高压作用下,已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去,电火花加工,4个阶段:介质电离、击穿,形成放电通道;火花放电产生熔化、气化、热膨胀;抛出蚀除物;间隙介质消电离(恢复绝缘状态)。,电火花加工,电火花加工机床,电极材料要求导电,损耗小,易加工;常用材料:紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等,石墨最常用。工作液主要功
5、能压缩放电通道区域,提高放电能量密度,加速蚀物排出;常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙,在加工过程中,需采用自动调节器控制机床进给系统,并带动工具电极缓慢向工件进给。,电火花加工工作要素,脉冲宽度与间隔影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短,则每个脉冲去除金属量少,表面粗糙度值小,但加工速度低。通常放电持续时间在2s至2ms范围内,各个脉冲的能量2mJ到20J(电流为400A时)之间。,电火花加工工作要素,电火花加工类型,电火花线切割原理图,电火花成形加工:主要指孔加工,型腔加工等电火花线
6、切割,电火花线切割加工:用连续移动的钼丝(或铜丝)作工具阴极,工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动,可切割出二维图形。同时,丝架可作小角度摆动,可切割出斜面。,电火花线切割,加工过程显示,电火花线切割机床,不受加工材料硬度限制,可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。加工时无显著切削力,发热小,适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等,且加工质量较好。脉冲参数调整方便,可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。,电火花加工特点,电火花成形加工:电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工,以及叶轮、叶片等曲面加工。
7、电火花线切割:广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。,电火花加工应用,工作原理:工件接阳极,工具(铜或不锈钢)接阴极,两极间加直流电压624V,极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液,形成极间导电通路,工件表面材料不断溶解,溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给,保持极间间隙。,电解加工,电解加工,特点 不受材料硬度限制,能加工高硬度、高韧性的导电材料,能以简单进给运动一次加工出形状复杂的面和型腔。效率率高(比EDM高5-10倍)。采用振动进给和脉冲电流等新技术,可进一步提高生产效率和加工精度。阴极在加工中损耗小。加工
8、表面质量好,无毛刺、残余应力和变形层。设备投资大,有污染,需防护。电解加工应用 模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔,电解抛光、倒棱、去毛刺等。,电解加工特点及应用,电解加工整体叶轮,电解倒棱去毛刺,机加工中去毛刺工作量很大,电解去毛刺效率高,节省费用。原理是尖角处电流密度最高去毛刺时间与加工电压、加工间隙及电解液参数有关,工件与磨轮保持一定接触压力,突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时,工件产生阳极溶解,表面生成一层氧化膜,其硬度远比金属本身低,易被刮除,露出新金属表面,继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行,实现加工。,电解磨削,电解磨削
9、效率比机械磨削高,磨轮损耗远比机械磨削小,特别是磨削硬质合金时效果更明显。,电解磨削,把磁性磨料放工件与磁极间的入磁场中,磁性磨料在延磁力线方向有序排列成具有一定柔性的磁力刷。加工时工件旋转,并作相对磁极轴向振动;磁性磨料使工件表面上极薄的金属层及毛边去除,将表面逐步整平以达良好的研磨效果,磁力抛光,磁力抛光,工件,磁力线,高能束加工,激光加工,激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征:强度高,亮度大 波长频率确定,单色性好 相干性好,相干长度长 方向性好,几乎是一束平行光,激光加工工作原理,当激光束照射到工件表面时,光能被吸收,转化成热能,使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑,
10、由于热扩散,使斑点周围金属熔化,小坑内金属蒸气迅速膨胀,产生微型爆炸,将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波,于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。,普通灯光与激光的比较,激光产生过程及特性,自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并释放光子。,固体激光器YAG(钇、铝和石榴石构成)激光器,红宝石激光器特点:器件小、坚固、使用方便、输出功率大,气体激光器CO2激光器,氦氖激光器结构简单、造价低;操作方便;工作介质均匀,光束质量好;能长时间较稳定地连续工作(市场达60左右
11、),激光器,半导体激光器砷化镓激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,液体激光器染料激光器原理复杂,输出波长连续可调,且覆盖面宽,混合气体:氦约80%,氮约15%,CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m,为不可见光能量效率5%15%,CO2气体激光器,加工材料范围广,适用各种金属/非金属材料,高熔点材料,耐热合金及陶瓷、金刚石等硬脆材料。加工性能好,工件可离开加工机进行加工,可透过透明材料加工,可在不易达到的狭小空间加工。非接触加工方式,热变形小,加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦直径理论上可至1m以下,实际可实现0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快,效率高。激
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