机械制造装备学3.2

1、制造装 备 学 机械制造装备设计、制造与控制机械制造装备设计、制造与控制金金 属属 切切 削削 机机 床床特特 种种 加加 工工 机机 床床工工 业业 机机 器器 人人 设设 备备成成 型型 加加 工工 机机 床床第三章 加 工 装 备3.23.2特特 种种 加加 工工 机机 床床 EDM EDM（电火花加工）机床（电火花加工）机床 激激 光光 加加 工工 机机 床床基基 本本 原原 理理电器开关的触点在闭合或断开时，往往伴随着噼电器开关的触点在闭合或断开时，往往伴随着噼啪声响的蓝白火花。啪声响的蓝白火花。这种现象称为火花放电，其结果是金属表面被腐这种现象称为火花放电，其结果是金属表面被腐蚀成

2、许多细小的凹坑，人们称之为电腐蚀。蚀成许多细小的凹坑，人们称之为电腐蚀。显然，电腐蚀现象对于电器是有害的，然而从另显然，电腐蚀现象对于电器是有害的，然而从另一个角度却给人们以启示，导致了一种新的金属一个角度却给人们以启示，导致了一种新的金属去除方法的产生，这就是应用到工业生产中的电去除方法的产生，这就是应用到工业生产中的电火花加工火花加工电火花加工机床电火花加工机床电火花加工机床电火花加工机床1-自动进给2-工具3-工件4-煤油5-脉冲电源 电火花加工是在一定的介质中，通过工具电极与工电火花加工是在一定的介质中，通过工具电极与工件电极之间脉冲放电的电腐蚀作用，对工件进行去除材件电极之间脉冲放电

3、的电腐蚀作用，对工件进行去除材料加工的方法。要将电腐蚀现象用于金属材料的尺寸加料加工的方法。要将电腐蚀现象用于金属材料的尺寸加工，必须具备以下条件。工，必须具备以下条件。电火花加工机床电火花加工机床 （1 1）火花放电必须具有足够的）火花放电必须具有足够的放电强度放电强度，使放电，使放电点处金属熔化和汽化。放电点处电流密度须满足。点处金属熔化和汽化。放电点处电流密度须满足。 （2 2）火花放电必须是）火花放电必须是短促的脉冲放电短促的脉冲放电，使火花放，使火花放电产生的热量来不及扩散到工件内部。电产生的热量来不及扩散到工件内部。 （3 3）相邻两次火花放电之间，要有）相邻两次火花放电之间，要有

4、足够的间隔时足够的间隔时间间，使极间工作介质恢复介电性能，防止产生电弧放电。，使极间工作介质恢复介电性能，防止产生电弧放电。（4 4）工件与工具之间始终维持一定间隙。）工件与工具之间始终维持一定间隙。 （5 5）在流动的绝缘液体介质中进行（煤油或去离）在流动的绝缘液体介质中进行（煤油或去离子水），使电蚀产物及时排出加工区域。子水），使电蚀产物及时排出加工区域。电火花加工机床电火花加工机床电火花加工典型机床型号及分类电火花加工典型机床型号及分类我国国标规定电火花成型机床均用我国国标规定电火花成型机床均用D71加上加上机床工作台面宽度的机床工作台面宽度的1/10表示。表示。例如例如D7132中，中

5、，D表示表示电加工电加工成型机床成型机床(若该若该机床为数控电加工机床，则在机床为数控电加工机床，则在D后加后加K，即，即DK)；71表示表示电火花电火花成型机床；成型机床；32表示机床工作台表示机床工作台的宽度为的宽度为320mm。电火花加工机床电火花加工机床电火花加工典型机床型号及分类电火花加工典型机床型号及分类电火花加工机床按其大小可分为小型电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下以下)、中型中型(D7125D7163)和大型和大型(D7163以上以上)；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步，国外已经大批生产随着科

6、学技术的进步，国外已经大批生产三坐标数三坐标数控电火花机床控电火花机床，以及带有，以及带有工具电极库工具电极库、能按程序、能按程序自自动更换电极动更换电极的的电火花加工中心电火花加工中心，我国的大部分电加，我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。加工机床。电火花加工机床电火花加工机床机床结构机床结构由机床本体、脉冲电源、自动进给调由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成控系统等部分组成电火花加工机床电火花加工机床平平 动动 头头电火花加工时粗加工的电

7、火花放电间隙比半精加工的电火花加工时粗加工的电火花放电间隙比半精加工的放电间隙要大，而半精加工的电火花放电间隙（即距放电间隙要大，而半精加工的电火花放电间隙（即距离）比精加工的放电间隙又要大一些。离）比精加工的放电间隙又要大一些。当用一个电极进行粗加工时，将工件的大部分余量蚀当用一个电极进行粗加工时，将工件的大部分余量蚀除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得转换规准逐挡进行修整。将其修光，就得转换规准逐挡进行修整。但由于半精、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的但由于半精、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的放电间隙小，若不采取措

8、施则四周侧壁就无法修光了。放电间隙小，若不采取措施则四周侧壁就无法修光了。平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。的。电火花加工机床电火花加工机床平平 动动 头头平动头平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的械补偿动作的工艺附件工艺附件。当用单电极加工型腔时，使用当用单电极加工型腔时，使用平动头平动头可以可以补偿补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电放电间隙差。间隙差。电火花加工机床电火花加工机床平平 动动 头头 的的 原原 理理利用偏心机构将伺服电机

9、的旋转运动通过平动轨迹保持机构利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线面积就形成加工横截平面小圆周运动，许多小圆的外包络线面积就形成加工横截面积，面积，如图，其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量，其大小如图，其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量，其大小可以由零逐渐调大，以补偿粗、中、精加工的电火花放电间可以由零逐渐调大，以补偿粗、中、精加工的电火花放电间隙隙d之差，从而达到修光型腔的目的之差，从而达到修光型腔的目的电火花加工机床电火花加工机床

10、平平 动动 头头 的的 原原 理理机床上安装的平动头有机床上安装的平动头有机械式平动头机械式平动头和和数控平动头数控平动头机械式平动头机械式平动头由于有平动轨迹半径的存在，它无法加工有清由于有平动轨迹半径的存在，它无法加工有清角要求的型腔；角要求的型腔；而而数控平动头数控平动头可以两轴联动，能加工出清棱、清角的型孔和可以两轴联动，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。型腔。电火花加工机床电火花加工机床平平 动动 头头 特特 点点与一般电火花加工工艺相比较，采用平动头电火花加工有如下特与一般电火花加工工艺相比较，采用平动头电火花加工有如下特点：点：1）可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸

11、加工）可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放电间隙的限制。不再受放电间隙的限制。2）同一尺寸的工具电极，通过间隙的改变，可以实现由粗至精直）同一尺寸的工具电极，通过间隙的改变，可以实现由粗至精直接加工出一副型腔。接加工出一副型腔。3）在加工过程中，工具电极的轴线与工件的轴线相偏移，除开工）在加工过程中，工具电极的轴线与工件的轴线相偏移，除开工作区域外，工具电极与工件之间的其他部分间隙都大于放电间隙，作区域外，工具电极与工件之间的其他部分间隙都大于放电间隙，实际上减小了同时放电的面积，这有利于电蚀产物的排除，提高实际上减小了同时放电的面积，这有利于电蚀产物的排除，提高加工

12、稳定性。加工稳定性。4）工具电极移动方式的改变，可使加工的表面粗糙度大有改善，）工具电极移动方式的改变，可使加工的表面粗糙度大有改善，特别是底平面处。特别是底平面处。双头火花机双头火花机火花机加工火花机加工火花机加工火花机加工 EDMEDM（电火花加工）机床（电火花加工）机床 激激 光光 加加 工工 机机 床床激光是激光是20世纪世纪60年代发展起来的一项重大科技成果，它年代发展起来的一项重大科技成果，它的出现深化了人们对光的认识，扩展了光为人类服务的的出现深化了人们对光的认识，扩展了光为人类服务的领域。领域。目前，激光加工已较为广泛地应用于目前，激光加工已较为广泛地应用于切割、打孔、焊接、切

13、割、打孔、焊接、表面处理、切削加工、快速成形、基板划片半导体加工表面处理、切削加工、快速成形、基板划片半导体加工等领域中。等领域中。激光加工几乎可以加工任何材料，加工热影响区小，光激光加工几乎可以加工任何材料，加工热影响区小，光束方向性好，其光束斑点可以聚焦到波长级，可以进行束方向性好，其光束斑点可以聚焦到波长级，可以进行选择性加工、精密加工，这是激光加工的特点和优越性。选择性加工、精密加工，这是激光加工的特点和优越性。激激 光光 加加 工工 机机 床床 (a)三维三维切割切割 (b)平面平面切割切割 (c)表面热处理表面热处理 (e) 钻微孔钻微孔 (f) 焊接焊接 (g) 打标打标 激光加

14、工技术应用激光加工技术应用 激光切割的基本原理激激 光光 加加 工工 机机 床床经聚焦聚焦的高功率密度激光高功率密度激光束照射工件，并以活性气束照射工件，并以活性气体辅助切割过程，由此引体辅助切割过程，由此引起照射点材料的溶化或气起照射点材料的溶化或气化，形成孔洞；化，形成孔洞；光束在工件上移动，便可光束在工件上移动，便可形成切缝，切缝处的熔渣形成切缝，切缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹被一定压力的辅助气体吹除除，完成了切割加工完成了切割加工 激光是一种激光是一种亮度高、方向性好亮度高、方向性好（激光光束的发散角极小）。（激光光束的发散角极小）。单色性好（波长或频率单一）、相干性好的单色性好（

15、波长或频率单一）、相干性好的光。光。 由于激光的上述四大特点，通过光学系统可以使它聚焦成一个极由于激光的上述四大特点，通过光学系统可以使它聚焦成一个极小的光斑（直径仅为几微米至几十微米），小的光斑（直径仅为几微米至几十微米）， 从而获得极高的能量密度从而获得极高的能量密度（1071010W/Cm2）和极高的温度（）和极高的温度（10000以上）。以上）。 在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧被熔化和气化，在工在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧被熔化和气化，在工件表面形成凹坑，件表面形成凹坑， 同时熔化物被气化所产生的金属蒸气压力推动。以很高的速度喷同时熔化物被气化所产生的金属蒸气压力推动

16、。以很高的速度喷射出来。射出来。 激光加工就是利用这种原理蚀除材料的。激光加工就是利用这种原理蚀除材料的。 为了帮助蚀除物的排除，还需对加工区吹氧（加工金属用），为了帮助蚀除物的排除，还需对加工区吹氧（加工金属用），或吹保护性气体，如二氧化碳、氮等（加工可燃物质时使用）。或吹保护性气体，如二氧化碳、氮等（加工可燃物质时使用）。 激光激光加工过程加工过程受以下主要因素影响受以下主要因素影响（1）输出功率与照射时间输出功率与照射时间 激光输出功率大，照射时间长，工件所获激激光输出功率大，照射时间长，工件所获激光能量大，加工出来的孔径就大而深，且锥度小。光能量大，加工出来的孔径就大而深，且锥度小。

17、激光照射时间应适当，过长会使热量扩散。太短则使能量密度过高，使蚀除材激光照射时间应适当，过长会使热量扩散。太短则使能量密度过高，使蚀除材料气化。两者都会使激光能量效率降低。料气化。两者都会使激光能量效率降低。（2）焦距、发散角与焦点位置焦距、发散角与焦点位置 采用短焦距物镜（焦距为采用短焦距物镜（焦距为20mm左右），左右），减小激光束的发散角，可获得更小的光斑及更高的能量密度，因而可使打出的孔减小激光束的发散角，可获得更小的光斑及更高的能量密度，因而可使打出的孔小而深，且锥度小。小而深，且锥度小。 激光的实焦点应位于工件的激光的实焦点应位于工件的表面上或略低于表面上或略低于工件表面。工件表面

18、。 若焦点位置过低，则透过工件表面的光斑面积大，容易使孔形成喇叭形，而若焦点位置过低，则透过工件表面的光斑面积大，容易使孔形成喇叭形，而且由于能量密度减小而影响加工深度；且由于能量密度减小而影响加工深度； 若焦点位置过高则会造成工件表面的光斑很大，使打出的孔孔径大、深度浅。若焦点位置过高则会造成工件表面的光斑很大，使打出的孔孔径大、深度浅。 激光激光加工过程加工过程受以下主要因素影响受以下主要因素影响 （3）照射次数照射次数 照射次数多可使孔深大大增加，锥度减小。用激光束每照射照射次数多可使孔深大大增加，锥度减小。用激光束每照射一次，加工的孔深约为直径的一次，加工的孔深约为直径的5倍。倍。 如

19、果用激光多次照射，由于激光束具有很小的发散角，所以光如果用激光多次照射，由于激光束具有很小的发散角，所以光能在光壁上反射向下深入孔内，使加工出的孔深度大大增加而孔能在光壁上反射向下深入孔内，使加工出的孔深度大大增加而孔径基本不变。但加工到一定深度后（约照射径基本不变。但加工到一定深度后（约照射2030次），由于孔次），由于孔内壁反射。透射以及激光的散射和吸收等，使抛出力减小、排屑内壁反射。透射以及激光的散射和吸收等，使抛出力减小、排屑困难，造成激光束能量密度不断下降，以致不能继续加工。困难，造成激光束能量密度不断下降，以致不能继续加工。（4）工件材料工件材料 激光束的光能通过工件材料的吸收而转

20、换为热能，故生产率激光束的光能通过工件材料的吸收而转换为热能，故生产率与吸收率有关。工件材料不同，对不同波长激光的吸收率亦不同、与吸收率有关。工件材料不同，对不同波长激光的吸收率亦不同、因此必须根据工件的材料性质来选用合理的激光器。因此必须根据工件的材料性质来选用合理的激光器。 激光加工具有如下特点：激光加工具有如下特点：（1）不需要不需要加工加工工具工具，故不存在工具磨损问题，同时也不存在，故不存在工具磨损问题，同时也不存在断屑、排屑的麻烦。这对高度自动化生产系统非常有利，断屑、排屑的麻烦。这对高度自动化生产系统非常有利， 目前激光加工机床已用于柔性制造系统之中。目前激光加工机床已用于柔性制

21、造系统之中。（2）激光束的）激光束的功率密度很高功率密度很高，几乎对任何难加工的金属和非金，几乎对任何难加工的金属和非金属材料（如高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆属材料（如高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料）都可以加工。材料）都可以加工。（3）激光加工）激光加工是非接触加工是非接触加工，工件无受力变形。，工件无受力变形。（4）激光打孔、切割的）激光打孔、切割的速度很高速度很高（打一个孔只需（打一个孔只需0.001s；切割；切割20mm厚的不锈钢板，切割速度可厚的不锈钢板，切割速度可1.27m/min），加工部位周围的），加工部位周围的材料几乎不受热影响，工件热变形

22、很小。激光切割的切缝窄，切材料几乎不受热影响，工件热变形很小。激光切割的切缝窄，切割边缘质量好。割边缘质量好。 目前，激光加工目前，激光加工已已广泛用于广泛用于 金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、发金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、发散式气冷冲片的多孔蒙皮、发动机喷油散式气冷冲片的多孔蒙皮、发动机喷油咀、航空发动机叶片等的咀、航空发动机叶片等的小孔加工小孔加工，以以及多种金属材料和非金属材料的及多种金属材料和非金属材料的切割加切割加工工。孔的直径一般为。孔的直径一般为 0.011mm,最小孔最小孔径可达径可达 0.001mm，孔的深径比可达，孔的深径比可达 50100切割厚度，对于金属材料可达切割厚度，对

23、于金属材料可达10mm以上，对于非金属材料可达几十毫以上，对于非金属材料可达几十毫米，切缝宽度一般为米，切缝宽度一般为0.l0.5mm。 激光还可以用于激光还可以用于焊接热处理焊接热处理等加工。等加工。 随着激光技术与电子计算机数控技术的密随着激光技术与电子计算机数控技术的密切结合，激光加工技术的应用将会得到更迅速、切结合，激光加工技术的应用将会得到更迅速、更广泛的发展，并在生产中占有越来越重要的更广泛的发展，并在生产中占有越来越重要的地位。地位。 当前激光加工存在的主要问题是：设备价当前激光加工存在的主要问题是：设备价格高，更大功率的激光器尚在试验研究阶段；格高，更大功率的激光器尚在试验研究

24、阶段；不论是激光器本身的性能质量，还是使用者的不论是激光器本身的性能质量，还是使用者的操作技术水平都有待于进一步提高。操作技术水平都有待于进一步提高。 (1)(1)工件二座标移动式工件二座标移动式 这类机床多为单纯用这类机床多为单纯用于切割的二、三座标机床，于切割的二、三座标机床，其激光切割头悬臂伸出，其激光切割头悬臂伸出，在水平面内无移动在水平面内无移动(见图见图2); 而工件则以而工件则以X,Y两个方向两个方向运动，运动，这类机床这类机床结构简单结构简单最小规格最小规格400 X 600 (mm X mm)，最大，最大2000 X 1500 (mm又又mm)。 激光加工装备激光加工装备1

25、1。激光加工机的分类。激光加工机的分类工件二座标移动式又可分工件二座标移动式又可分为为十字工作台式十字工作台式 一为工件及夹具一为工件及夹具X座标座标移动移动图图3(c)， 其规格尺寸都比龙门式其规格尺寸都比龙门式小，在五座标机床很少见。小，在五座标机床很少见。 激光加工装备激光加工装备1 1。激光加工机的分类。激光加工机的分类(3)(3)工件不移动式工件不移动式 工件不移动式结构又称为工件不移动式结构又称为飞行光路飞行光路，这类机床因，这类机床因为工作时工作台不移动，而由激光头、横梁移动，因为工作时工作台不移动，而由激光头、横梁移动，因此运动部件质量相对较小，而工作台的刚性较好，机此运动部件

26、质量相对较小，而工作台的刚性较好，机床占地面积小，床占地面积小， 故特别适用于故特别适用于大规格厚板大规格厚板的切割和的切割和大型零件大型零件的焊的焊接、涂覆和热处理，接、涂覆和热处理， 其缺点是其缺点是:外光路太长，环节太多，调整困难，功外光路太长，环节太多，调整困难，功率损失较大。率损失较大。 在在以上三大类机床中，以工件以上三大类机床中，以工件X座标移动为最多，以工件二座标座标移动为最多，以工件二座标移动为最少，各种机床中，又以龙门式最多。移动为最少，各种机床中，又以龙门式最多。 飞行光路结构有三种类型飞行光路结构有三种类型: :一般式一般式 图图4(a) 框架行车式框架行车式 图图4(b) 悬臂式悬臂式 图图4(c) 一般式一般式 飞行光路结构有横梁移动的，也有立柱移动的，在平面激光飞行光路结构有横梁移动的，也有立柱移动的，在平面激光切割机、激光打标机、绘图机、等离子体切割机中比较常见切割机、激光打标机、绘图机、等离子体切割机中比较常见; 框架行车式框架行车式 有很高的框架支撑着导轨，激光头及横梁在其上运动与有很高的框架支撑