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第11章特种加工设备11 1概述特种加工方法也称为现代加工方法 是指采用除机械能以外的电能 化学能 声能 光能 磁能等进行加工的方法 这种加工方法在加工过程中 不使用普通刀具来切削工件材料 而是直接利用能量来进行加工 特种加工的特点是 1 切除材料的能量不单纯依靠机械能 主要依靠电能 化学能 声能 光能等 2 有的使用工具 有的则不使用工具 在加工过程中 工具和工件之间不存在显著的机械切削力 工具材料的硬度可低于工件材料的硬度 特种加工方法的分类见表11 1所示 表11 1特种加工方法的分类 11 2数控电火花线切割机床11 2 1概述1 电火花线切割加工的基本原理 如图11 1所示 图11 1电火花线切割原理1 绝缘底板2 工件3 脉冲电源4 钼丝5 导向轮6 支架7 贮丝筒 基本工作原理 电火花线切割 WireCutEDM 简称WEDM 的基本原理是利用连续移动的细金属丝 铜丝或钼丝 作为工具电极 并在金属丝与工件之间通以脉冲电流 工具 线 电极与电源的负极相接 工件与电源的正极相接 利用它们之间的脉冲火花放电效应 使金属熔化或气化 并通过电极丝与工件的相对运动 对工件进行切割成型 电火花线切割也简称为线切割 2 数控线切割机床的分类根据电极丝的运行速度和运转方式 数控线切割机床可分为以下三类 高速走丝线切割机床 WEDM HS 这类机床的电极丝作高速往复运动 也称为往复走丝或快走丝线切割机 一般走丝速度为8 10m s 为我国独创 也是我国生产和使用的主要机种 低速走丝线切割机床 WEDM LS 这类机床的电极丝作低速单向运动 故也称为单向走丝或慢走丝线切割机 一般走丝速度低于0 2m s 这是国外生产和使用的主要机种 自旋转式数控线切割机床这类机床的电极丝在作直线运动 20 120mm s 的同时绕自身轴线做高速旋转运动 1000 3000r min 为我国首创 11 2 2数控线切割机床的组成如图11 2和图11 3所示 数控线切割机床主要由机床本体 脉冲电源 工作液循环系统 数控系统和机床附件等组成 图11 2高速走丝线切割装置示意图1 脉冲电源 2 喷嘴 3 8 步进电动机 4 电极丝 5 导轮 6 储丝筒 7 坐标数控装置 9 工件 10 绝缘板 11 工作液箱 12 泵 图11 3低速走丝线切割装置示意图1 脉冲电源 2 工件 3 工作液箱 4 去离子水 5 泵 6 放丝筒 7 坐标工作台 8 X轴电动机 9 数控装置 10 Y轴电动机 11 收丝筒 1 机床本体机床本体由床身 坐标工作台 走丝机构 丝架 工作液箱 附件和夹具等组成 1 床身床身是坐标工作台 储丝机构及丝架的支承和固定基础 应具有足够的强度和刚度 一般采用箱式结构的铸件 床身内部可安置电源及工作液箱 2 坐标工作台坐标工作台用来安置工件 并根据控制要求 对电极丝做预定的相对运动 它包括拖板 导轨 丝杆运动副及驱动装置等 3 走丝机构走丝机构的作用是使电极丝保持一定的张力 以一定的速度平稳运行 并使电极丝整齐地缠绕在储丝筒上 低速走丝机构如图11 4所示 低速走丝是单方向一次用丝 电极丝从放丝筒出丝 经导向滑轮 张紧装置 导向装置 穿过工件等到达卷丝筒 在卷丝筒的转动下以一定的张力 2 25N 和较低的速度 通常在0 2m s以下 平稳移动 1 放丝筒 2 5 6 11 18 导向滑轮 3 制动轮 4 12 断丝检测微动开关 7 卷丝筒 8 放丝筒 9 压紧轮 10 抬丝轮 13 17 引电板 14 16 导向器 15 工件图11 4低速走丝机构示意图 为了减小电极丝的振动 通常在工件的上 下装有可上下调节 适应厚度的变化 的蓝宝石V形导向器或圆孔金刚石模导向器 其附近装有引电板 工作液一般通过引电区和导向器再进入加工区 可使电极丝的通电部分全部冷却 有的机床上还装有自动穿丝机构 能使电极丝经过导向器穿过工件上的穿丝孔被送到另一个导向器 并在必要时能自动切断 为了使工作可靠 走丝机构中通常装有断丝检测微动开关 断丝时能自动停车并报警 快走丝机构快走丝机构通过电动机传动储丝筒做高速正 反转 使电极丝保持一定的张力 以较高的速度 8 10m s 平稳运行 并通过丝杠螺母传动推板随同储丝筒的正 反转而做往复移动 使电极丝整齐 均匀地缠绕在储丝筒上 走丝机构与床身 工作台必须保持良好的绝缘 4 丝架丝架的作用是通过丝架上的两个导轮对电极丝进行支承和导向 并且能使电极丝的工作部分与工作台保持一定的角度 以便实现锥度切割 双坐标联动丝架是在丝架上增加了u v两个驱动电动机 通过程序控制来实现锥度切割 2 脉冲电源脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流 以供给工件和电极丝放电间隙所需的电能来蚀除金属 脉冲电源的性能直接影响加工速度 表面质量 加工精度及电极丝的损耗等 正极性加工受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制 线切割加工电源的脉宽较窄 2 60 s 单个脉冲能量 脉冲峰值电流较小 一般为15 35A 所以线切割加工总是采用正极性加工 即工件接正极 因采用窄脉宽时 电子质量小 惯性小 易加速 且冲向正极表面 所以电能 动能转化为热量而蚀除金属 负极性加工若采用负极性加工 因采用的脉宽窄 且离子质量较大 惯性较大 起动加速较慢 有一大部分离子尚未到达工件 负极 表面 脉冲就结束了 所以蚀除金属速度低 因此 负极性加工只适于长脉冲粗加工 常用的脉冲电源脉冲电源的品种很多 常用的有晶体管矩形波脉冲电源 高频分组脉冲电源 并联电容型脉冲电源和低损耗脉冲电源等 3 工作液工作液在加工时起绝缘 洗涤 排屑 冷却作用 对切割速度 表面粗糙度 加工精度等工艺指标影响很大 因此 对工作液的性能有以下要求 1 具有一定的绝缘性火花放电必须在工作液中进行 要求放电间隙击穿时即能压缩放电通道 形成瞬时 局部高温 熔化 气化金属 又能在放电后迅速恢复放电间隙为绝缘状态 绝缘性太低 将产生电解而不能形成火花放电 绝缘性太高 则放电间隙将减小 排屑困难 使切割速度降低 一般要求工作液的电阻率为103 104 cm 2 具有较好的洗涤性能与工件材料有较大的亲和附着力 渗透性强 去油污能力强 排屑效果好 使切割后的表面光亮清洁 3 冷却性能好 4 对环境无污染 对人体无危害 5 价格低 稳定性好 使用存储安全方便 寿命长等 低走丝线切割机床的工作液大多采用去离子水 只有在特殊精加工时才采用绝缘性较高的煤油 高走丝线切割机床的工作液采用乳化液 4 数控系统数控系统的主要作用是在电火花线切割加工过程中 按加工程序要求自动控制电极丝与工件的相对运动轨迹和进给速度 实现自动加工 数控系统的主要功能 1 轨迹控制功能通过插补运算 驱动步进电动机实现工作进给 精确控制电极丝与工件的相对运动轨迹 切割出符合形状 尺寸要求的零件 2 加工控制功能主要包括对伺服进给速度 电源装置 走丝机构 工作液循环系统以及其他操作的控制 进给控制根据加工间隙的平均电压或放电状态的变化 通过取样 变频电路 不定期地向计算机发出中断申请 自动调整伺服进给速度 保持某一平均放电间隙 使加工稳定 并提高切割速度和加工精度 短路退回经常记忆电极丝的经过路线 发生短路时 改变加工条件并使电极丝沿原路快速后退 消除短路 防止断丝 间隙补偿由于加工程序是按电极丝中心的移动轨迹来进行编制的 因此 必须补偿电极丝的半径和放电间隙 加工凸模时 电极丝中心轨迹应向原图形之外偏移 进行 间隙补偿 加工凹模时 电极丝中心轨迹应向原图形内偏移 进行 间隙补偿 图形的缩放 旋转和平移利用图形的任意缩放功能可以加工出任意比例的相似图形 利用任意角度的旋转功能可大大简化如齿轮 电动机定子和转子等旋转对称类零件的编程 利用平移功能则可大大简化复杂模具的编程 适应控制在工件厚度变化时 改变规准之后 能自动改变预置进给速度或电参数 包括加工电流 脉冲宽度和间隔 不用人工调节就能自动进行高效率 高精度的加工 自动找中心可使工件孔中的电极丝自动进行中心找正 并停止在中心处 信息显示可动态显示程序号 计数长度等轨迹参数 采用CRT还可显示电规准参数和切割轨迹图形等 自诊断功能等 11 3 1电火花成型加工原理如图11 5所示 在工具电极4和工件1之间接一脉冲电源2 利用自动进给调节装置3使工具电极与工件始终保持一很小的放电间隙 在脉冲电流的作用下 产生火花放电 11 3数控电火花成型机床 图11 5电火花成型加工原理1 工件 2 脉冲电源 3 自动进给调节装置 4 工具电极 5 工作液 6 过滤器 7 工作液泵 在工件和电极表面上的凸峰处电流密度大 产生局部高温 因此凸峰将首先被熔化 气化 形成微小的凹坑 这又会形成新的凸峰 下次脉冲放电时 又会在新的凸峰处蚀除金属 熔化的金属以粉末状散布于工作液中被带走并过滤掉 这样不断的脉冲放电 就可将工具电极的形状复制在工件上 实现成型加工 11 3 2数控电火花成型加工机床数控电火花成型加工机床是一种高精度的自动化加工机床 如图11 6所示 它由机床本体 脉冲电源 数控系统 工作液循环系统等组成 图11 6数控电火花成型加工机床示意图 机床主轴上装有工具电极 正极 工件 负极 固定在工作台上 在CNC系统控制下 Z向伺服电动机通过滚珠丝杠带动主轴上 下运动 使工具电极与工件之间保持稳定的放电间隙 实现电蚀加工过程 X Y两坐标工作台由伺服电动机通过滚珠丝杠实现X Y向进给运动 完成指定的轨迹加工 ATC是电极的自动更换装置 可根据需要更换不同形状的电极 以加工所需形状的 11 4激光切割机 11 4 1概述1 光的物理概念电磁学说认为 光是一种在一定波长范围内的电磁波 波长 频率 光速c具有下列关系 c 可见光 可见的红 橙 黄 绿 蓝 青 紫光的波长范围为0 4 0 76 m 紫外光 波长小于0 4 m的光称为紫外光或紫外线 红外光 波长大于0 76 m的光称为红外光或红外线 量子学说认为 光是一种以光速运动且具有一定能量的粒子流 这种具有一定能量的粒子称为光子 光子的能量E与光的频率成正比 即 E h 式中 h为普朗克常数 因此 光是一种具有波粒二相性的物质 即光既具有波动性 又具有粒子性 2 原子发光的两种形式 1 自发辐射原子内部的电子 可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状态 对于每一种运动状态 原子内部都有某一确定的能量值 即能级 习惯上把能量值大的叫高能级 把能量值小的叫低能级 最小的能级叫基态 一般 能级越高 电子的数目就越少 如图11 7所示为氢原子的能级示意图 其中 处于E2 E3 E8等高能级的电子很不稳定 总是力图回到较低的能级 因此 高能级的电子为激发态 图11 7氢原子的能级示意图 电子从高能级向低能级运动的过程称为跃迁 当电子从高能级跃迁到低能级或基态时 常以发出光子的形式辐射出能量 这种发光过程称为自发辐射 如日光灯 氙灯等光源都是自发辐射发光 自发辐射发光时的频率 与跃迁能量差En E1 普朗克常数h遵循下列关系 En E1 h由于各个受激原子自发跃迁返回基态时 辐射时间不一致 跃迁的能级多 因此 频率 波长不同 故这类光源强度低 单色性差 2 受激辐射当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中时 若这束光的频率与该系统中电子跃迁所发光的频率 En E1 h很接近 则该系统中大量处于激发态的原子在这束光的激发下会向低能级跃迁 同时发出一束光 这束光与入射光有着完全相同的特性 频率 相位 传播方向等都相同 相当于把入射光放大了 这种发光过程称为受激辐射 3 激光及其产生激光 Laser 即LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写 意思是利用受激辐射而得到的加强光 激光的特点 具有强度高 单色性好 相干性好和方向性好的基本特性 例如人工晶体红宝石基本成分是氧化铝 其中掺杂0 05 质量分数 的氧化铬 铬离子就可以发射激光 当用脉冲氙灯照射红宝石时 处于低能级E1 基态 的铬离子被大量激发到高能级En 激发态 由于En状态不稳定 寿命很短 大量En状态的铬离子又很快跃迁到寿命较长的亚稳态E2 这时当用频率为 E2 E1 h的光源去 刺激 照射 它时 就可以产生从高能级E2到低能级E1的受激辐射跃迁 发出相同频率 的光子 而这些光子又会继续 刺激 别的亚稳态离子发出光来 这样互为因果 连锁反应 在极短的时间内可以使受激原子的能量以同一频率 的单色光辐射出来 形成能量密度很高的激光 4 激光的加工原理由于激光的强度高 方向性好 颜色单纯 可以通过一系列的光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑 直径仅有几微米到几十微米 获得108 1010W mm2的能量密度和10000 以上的高温 从而能在千分之几秒甚至更短的时间内 使各种物质熔化和气化 以达到蚀除被加工工件材料的目的 5 激光的加工特点及应用激光加工大多数基于光对非透明体材料的作用过程 其特点如下 1 激光的光斑小 能进行非常细微的加工 2 激光的能量密度高 适用于用其他方法难加工的材料 3 激光加工时 激光枪体与工件不接触 加工变形小 热变形也小 4 激光能穿过透明体进行加工 5 激光加工与电子束加工相比 不需要真空 也不需要对X射线进行防护 因此激光装置简单 工作性能良好 目前激光已用于各种加工领域 例如 1 打孔金刚石模具 钟表轴承 陶瓷 橡胶 塑料等非金属以及硬质合金 不锈钢等金属材料 2 激光刻录光盘在盘面上打一系列随信号变化的凹坑 3 切断各种金属材料 纸张 布料 皮革 陶瓷 塑料等非金属 4 划线半导体材料 陶瓷等 5 微调薄膜和厚膜电路的电阻 石英振子和音叉的频率 以及钟表摆轮 微型电动机 汽轮机的动平衡 6 焊接金属箔 板 丝 玻璃 硬质合金等 7 表面处理表面淬火等 6 激光的种类及加工用激光器激光根据其所用的发光材料不同 可分为固体激光 气体激光 液体激光和半导体激光等 表11 2常见加工用激光器 11 4 2CO2激光切割机目前工业生产中用于大量切割加工的激光切割机 大多采用CO2气体激光器 而各种细微 精密零件的切割加工则大多采用YAG固体激光器 CO2激光切割机利用输出激光束的割炬与工件的相对运动来实现工件的切割 如图11 8所示 它主要由