精密和超精密加工技术.ppt
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1、 特种加工特种加工本章内容I.I.特种加工技术概述特种加工技术概述II.II.电火花加工电火花加工III.III.电解加工电解加工IV.IV.高能束加工高能束加工 非非非非传传传传统统统统加加加加工工工工又又又又称称称称特特特特种种种种加加加加工工工工,通通通通常常常常被被被被理理理理解解解解为为为为别别别别于于于于传传传传统统统统切切切切削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。非非非非传传传传统统统统加加加加工工工工方方方方法法法法 产产产产生生生生于于于于二二二二次次次次大大大大战战战战后后后后。两两两两方方方方面面面面问问问问题题题
2、题传传传传统统统统机械加工方法难于解决:机械加工方法难于解决:机械加工方法难于解决:机械加工方法难于解决:1 1 1 1)难难难难加加加加工工工工材材材材料料料料的的的的加加加加工工工工问问问问题题题题。宇宇宇宇航航航航工工工工业业业业等等等等对对对对材材材材料料料料高高高高强强强强度度度度、高高高高硬硬硬硬度度度度、高高高高韧韧韧韧性性性性、耐耐耐耐高高高高温温温温、耐耐耐耐高高高高压压压压、耐耐耐耐低低低低温温温温等等等等的的的的要要要要求求求求,使使使使新材料不断涌现。新材料不断涌现。新材料不断涌现。新材料不断涌现。2 2 2 2)复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。)复杂形面、薄
3、壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。)复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。)复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。非非非非传传传传统统统统加加加加工工工工方方方方法法法法将将将将电电电电、磁磁磁磁、声声声声、光光光光等等等等物物物物理理理理量量量量及及及及化化化化学学学学能能能能量量量量或或或或其其其其组组组组合合合合直直直直接接接接施施施施加加加加在在在在工工工工件件件件被被被被加加加加工工工工的的的的部部部部位位位位上上上上,从从从从而而而而使使使使材材材材料料料料被被被被去除、累加、变形或改变性能等。去除、累加、变形或改变性能等。去除、累加、变形或改变性能等。去除、累加、变形或改变性
4、能等。特种加工技术概述特种加工技术概述主主要要不不是是依依靠靠机机械械能能,而而是是用用其其它它能能量量(如如电电能能、光光能能、声能、热能、化学能等)去除材料。声能、热能、化学能等)去除材料。工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用,对对工工具具和和工工件件的的强强度度、硬硬度和刚度均没有严格要求。度和刚度均没有严格要求。一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。加加工工变变形形小小,发发热热少少(或或仅仅局局限限于于工工件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内),工工件件热热变变形形小,加工应力小,易于获得好的加工质量。小,加工应力小,易于获得好的加工质量。加加工工
5、中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制,有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提高加工效率。提高加工效率。材材料料去去除除速速度度一一般般低低于于常常规规加加工工方方法法,这这也也是是目目前前常常规规加工方法仍占主导地位的主要原因。加工方法仍占主导地位的主要原因。特种加工特种加工方法特点方法特点 机机械械过过程程:利利用用机机械械力力,使使材材料料产产生生剪剪切切、断断裂裂,以以去去除除材材料料。如如超超声声波波加加工工、水水喷喷射射加加工工、磨料流加工等。磨料流加工等。热学过程:热学过程:通过电、光、化学能等产生瞬时高通过电、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
6、加温,熔化并去除材料,如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。工、热力去毛刺等。电化学过程:电化学过程:利用电能转换为化学能对材料进利用电能转换为化学能对材料进行加工,如电解加工、电铸加工行加工,如电解加工、电铸加工(金属离子沉积)(金属离子沉积)等。等。化学过程:化学过程:利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解,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。去除材料,如化学蚀刻、化学铣削等。特种加工特种加工分类分类(加工机理和采用的能源分加工机理和采用的能源分)复合过程复合过程 利利利利用用用用机机机机械械械械、热热热热、化化化化学学学学、电电电电化化化化学学学学的的的的复复复复
7、合合合合作作作作用用用用,去去去去除除除除材料。常见的复合形式有:材料。常见的复合形式有:材料。常见的复合形式有:材料。常见的复合形式有:机机机机械械械械化化化化学学学学复复复复合合合合如如如如机机机机械械械械化化化化学学学学抛抛抛抛光光光光、电电电电解解解解磨磨磨磨削削削削、电电电电镀镀镀镀珩磨等。珩磨等。珩磨等。珩磨等。机械热能复合机械热能复合机械热能复合机械热能复合如加热切削、低温切削等。如加热切削、低温切削等。如加热切削、低温切削等。如加热切削、低温切削等。热能化学能复合热能化学能复合热能化学能复合热能化学能复合如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。如电解电火花加
8、工等。其其其其它它它它复复复复合合合合过过过过程程程程如如如如超超超超声声声声切切切切削削削削、超超超超声声声声电电电电解解解解磨磨磨磨削削削削、磁磁磁磁力力力力抛抛抛抛光等。光等。光等。光等。特种加工特种加工分类分类 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。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。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。优化工艺参数,完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。向微型化、精密化发展。采采用用数数控控、自自适适应应控控制制、CAD/CAMCAD/CAM、专专家家系系统统等等技技术术,提提高高加加工工过过
9、程程自动化、柔性化程度。自动化、柔性化程度。EI 收录文章数比较收录文章数比较70年代年代80年代年代90年代年代20841104232142244424214441321252353316激光加工激光加工 电火花加工电火花加工 超声加工超声加工 电化学加工电化学加工特种加工技术特种加工技术发展趋势发展趋势几种代表性特种加几种代表性特种加工方法工方法电火花加工的原理示意图电火花加工的原理示意图q原原理理:利利用用工工具具电电极极与与工工件件电电极极之之间间脉脉冲冲性性火火花花放放电电,产产生生瞬瞬时时高高温温,工工件件材材料料被被熔熔化化和和气气化化。同同时时,该该处处绝绝缘缘液液体体也也被被
10、局局部部加加热热,急急速速气气化化,体体积积发发生生膨膨胀胀,随随之之产产生生很很高高的的压压力力。在在这这种种高高压压作作用用下下,已已经经熔熔化化、气气化化的材料就从工件的表面迅速被除去的材料就从工件的表面迅速被除去 电火花加工电火花加工进给进给系统系统放电间隙放电间隙工具电极工具电极工件电极工件电极直流直流脉冲脉冲电源电源工作液工作液 4个阶段:1.介质电离、击穿,形成放电通道;2.火花放电产生熔化、气化、热膨胀;3.抛出蚀除物;4.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火花加工机床 电电极极材材料料要要求求导导电电,损损耗耗小小,易易加加工工;常常用用材材料料:紫紫
11、铜铜、石石墨墨、铸铸铁铁、钢钢、黄黄铜铜等等,石石墨最常用。墨最常用。工工作作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域,提提高高放放电电能能量量密密度度,加加速速蚀蚀物物排排出出;常常用用工工作作液液有有煤油、机油、去离子水、乳化液等。煤油、机油、去离子水、乳化液等。放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙,在在加加工工过过程程中中,需需采采用用自自动动调调节节器器控控制制机机床床进进给给系系统统,并并带带动工具电极缓慢向工件进给。动工具电极缓慢向工件进给。电火花加工工作要素电火花加工工作要素脉脉
12、冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短,则则每每个个脉脉冲冲去去除除金金属属量量少少,表表面面粗粗糙糙度度值值小小,但但加加工工速速度度低低。通通常常放放电电持持续续时时间间在在2s2s至至2ms2ms范范围围内内,各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J(电流为(电流为400A400A时)之间。时)之间。电火花加工工作要素电火花加工工作要素电火花加工类型电火花加工类型电火花线切割原理图X XY Y储丝筒储丝筒导轮导轮电极丝电极丝工件工件电火花成形加工:主要指孔
13、加工,型腔加工等电火花成形加工:主要指孔加工,型腔加工等电火花线切割电火花线切割电电火火花花线线切切割割加加工工:用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝(或或铜铜丝丝)作作工工具具阴阴极极,工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动,可可切切割割出出二二维维图图形形。同同时时,丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动,可切割出斜面。动,可切割出斜面。电火花线切割电火花线切割加工过程显示电火花线切割机床电火花线切割机床不不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制,可可加加工工任任何何硬硬、脆脆、韧、软的导电材料。韧、软的导电材料。加加工工时时无无显
14、显著著切切削削力力,发发热热小小,适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄窄槽槽、形形面面、型型腔腔及及曲曲线线孔孔等等,且且加加工质量较好。工质量较好。脉脉冲冲参参数数调调整整方方便便,可可一一次次装装夹夹完完成成粗粗、精精加工。加工。易于实现数控加工。易于实现数控加工。电火花加工特点电火花加工特点 电电火火花花成成形形加加工工:电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模模、塑塑料料模模等等型型腔腔加加工工,以及叶轮、叶片等曲面加工。以及叶轮、叶片等曲面加工。电电火火花花线线切切割割
15、:广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲冲模模、样样板板、各各种种形形状状复复杂杂的的板板类类零件、窄缝、栅网等。零件、窄缝、栅网等。电火花加工应用电火花加工应用工工作作原原理理:工工件件接接阳阳极极,工工具具(铜铜或或不不锈锈钢钢)接接阴阴极极,两两极极间间加加直直流流电电压压6 624V24V,极极间间保保持持0.10.11mm1mm间间隙隙。在在间间隙隙处处通通以以 6 660m60m/S S高高速速流流动动电电解解液液,形形成成极极间间导导电电通通路路,工工件件表表面面材材料料不不断断溶溶解解,溶溶解解物物及及时时被被电电解解液液冲冲走走。工工具具阴阴极
16、不断进给,保持极间间隙。极不断进给,保持极间间隙。电解加工电解加工电解加工原理图电解加工原理图电解液电解液直流电源直流电源泵泵工件阳极工件阳极阴极进给阴极进给工具阴极工具阴极电解加工电解加工p特点特点 不不受受材材料料硬硬度度限限制制,能能加加工工高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料,能以简单进给运动一次加工出形状复杂的面和型腔。能以简单进给运动一次加工出形状复杂的面和型腔。效效率率率率高高(比比EDMEDM高高5-105-10倍倍)。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等新技术,可进一步提高生产效率和加工精度。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。阴
17、极在加工中损耗小。加工表面质量好,无毛刺、残余应力和变形层。加工表面质量好,无毛刺、残余应力和变形层。设备投资大,有污染,需防护。设备投资大,有污染,需防护。p电解加工应用电解加工应用 模模具具型型腔腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小而深的孔,电解抛光、倒棱、去毛刺等。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特点及应用电解加工整体叶轮电解倒棱去毛刺电解倒棱去毛刺机加工中去毛刺工作机加工中去毛刺工作量很大,电解去毛刺量很大,电解去毛刺效率高,节省费用。效率高,节省费用。原理是尖角处电流密原理是尖角处电流密度最高度最高去毛刺时间与加工
18、电去毛刺时间与加工电压、加工间隙及电解压、加工间隙及电解液参数有关液参数有关 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力,突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从中中流流过过时时,工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解,表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜,其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低,易易被被刮刮除除,露露出出新新金金属属表表面面,继继续续进进行行电电解解。电电解解作用与磨削作用交替进行,实现加工。作用与磨削作用交替进行,实现加工。电解磨削电解磨削 电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高,磨磨轮轮
19、损损耗耗远远比比机机械磨削小,特别是磨削硬质合金时效果更明显。械磨削小,特别是磨削硬质合金时效果更明显。电解磨削电解磨削导电磨轮导电磨轮电解液电解液电刷电刷工作台工作台工件工件绝缘板绝缘板导电基体导电基体磨料磨料阳极膜阳极膜 把把磁磁性性磨磨料料放放工工件件与与磁磁极极间间的的入入磁磁场场中中,磁磁性性磨磨料料在在延延磁磁力力线线方方向向有有序序排排列列成成具具有有一一定定柔柔性性的的磁磁力力刷刷。加加工工时时工工件件旋旋转转,并并作作相相对对磁磁极极轴轴向向振振动动;磁磁性性磨磨料料使使工工件件表表面面上上极极薄薄的的金金属属层层及及毛毛边边去去除除,将将表表面面逐逐步步整整平平以以达达良良
20、好好的的研磨效果研磨效果磁力抛光磁力抛光工件工件(陶瓷滚柱)(陶瓷滚柱)磁性材料磁性材料磁极磁极振动运振动运动动NS磁力抛光磁力抛光研磨前研磨前研磨后研磨后工件工件磁力线磁力线高能束加工高能束加工激光加工激光加工激光器激光器激光器激光器工件工件工作台工作台激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源电源 激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征:激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征:激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征:激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征:强度高,亮度大强度高,亮度大强度高,亮度大强度高,亮度大 波长频率确定,单色性好波长频率确
21、定,单色性好波长频率确定,单色性好波长频率确定,单色性好 相干性好,相干长度长相干性好,相干长度长相干性好,相干长度长相干性好,相干长度长 方向性好,几乎是一束平行光方向性好,几乎是一束平行光方向性好,几乎是一束平行光方向性好,几乎是一束平行光 激光加工工作原理激光加工工作原理当当当当激激激激光光光光束束束束照照照照射射射射到到到到工工工工件件件件表表表表面面面面时时时时,光光光光能能能能被被被被吸吸吸吸收收收收,转转转转化化化化成成成成热热热热能能能能,使使使使照照照照射射射射斑斑斑斑点点点点处处处处温温温温度度度度迅迅迅迅速速速速升升升升高高高高、熔熔熔熔化化化化、气气气气化化化化而而而而
22、形形形形成成成成小小小小坑坑坑坑,由由由由于于于于热热热热扩扩扩扩散散散散,使使使使斑斑斑斑点点点点周周周周围围围围金金金金属属属属熔熔熔熔化化化化,小小小小坑坑坑坑内内内内金金金金属属属属蒸蒸蒸蒸气气气气迅迅迅迅速速速速膨膨膨膨胀胀胀胀,产产产产生生生生微微微微型型型型爆爆爆爆炸炸炸炸,将将将将熔熔熔熔融融融融物物物物高高高高速速速速喷喷喷喷出出出出并并并并产产产产生生生生一一一一个个个个方方方方向向向向性性性性很很很很强强强强的的的的反反反反冲冲冲冲击击击击波波波波,于于于于是是是是在在在在被被被被加加加加工工工工表表表表面上打出一个上大下小的孔。面上打出一个上大下小的孔。面上打出一个上大
23、下小的孔。面上打出一个上大下小的孔。普通灯光与激光的比较普通灯光与激光的比较 激光产生过程及特性激光产生过程及特性自发吸收自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 自发辐射自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶较低能阶 受激辐射受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低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。能阶,并释放光子。固体激光器固体激光器固体激光器固体激光器YAGYAGYAGYAG(钇、铝和石榴石构成)激光器钇、铝和石榴石构成)激光器钇、铝和石榴石构成)激光器钇、铝和石榴石构
24、成)激光器,红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器特点特点特点特点:器件小、坚固、使用方便、输出功率大器件小、坚固、使用方便、输出功率大器件小、坚固、使用方便、输出功率大器件小、坚固、使用方便、输出功率大 气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器COCOCOCO2 2 2 2激光器激光器激光器激光器,氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器结结结结构构构构简简简简单单单单、造造造造价价价价低低低低;操操操操作作作作方方方方便便便便;工工工工作作作作介介介介质质质质均均均均匀匀匀匀,光光光光束束束束质质质质量量量量好好好好;能长时间较稳定地连续工作能长时间较稳定地连续工作能长时间较稳定
25、地连续工作能长时间较稳定地连续工作(市场达市场达市场达市场达60606060左右左右左右左右)激光器激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器砷化镓激光器砷化镓激光器砷化镓激光器砷化镓激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固液体激光器液体激光器液体激光器液体激光器染料激光器染料激光器染料激光器染料激光器原理复杂原理复杂原理复杂原理复杂,输出波长连续可调,且覆盖面宽输出波长连续可调,且覆盖面宽输出波长连续可调,且覆盖面宽输出波长连续可调,且覆盖面宽混合气体:氦约混合气
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