机械制造工程原理(第九章)2014

1、第九章 特种加工 特种加工是指那些不属于传统加工工艺（切削、磨削）范畴的加工方法。泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能等能量达到去除材料的加工方法。参考书： 刘晋春、赵家齐、赵万生 主编. 特种加工（第四版）. 2005，1 刘晋春、白基成、郭永丰 主编. 特种加工（第五版）. 2008，7 其它相关书籍第一节 概论 一、特种加工的产生及发展 特种加工的提出目的：难切削材料的加工复杂表面的加工1.超精、光整或有特殊要求的零件加工切削加工的本质和特点：刀具材料比工件硬靠机械能把工件上多余的材料切除特种加工的特点：主要依靠其它能量（如电、化学、光、声、热等）去除材料工具硬度可低于被加工材

2、料硬度A. 加工过程中工具和工件间不存在明显的机械切削力 二、特种加工的分类 三、特种加工对材料可加工性和结构工艺性的影响 提高了材料的可加工性零件结构工艺性衡量标准有影响某些特种加工方法已成为微细加工和纳米加工的主要手段。例如，电子束加工、离子束加工 第二节 激光加工 一、激光加工的原理和特点 （一）激光 激光是一种能量密度大的单色光。（二）激光特性强度高。比太阳表面亮度高二百多亿倍。单色性好。谱线宽=10-8nm相干性好。激光相干长度可达几十公里，而单色性很强的氪灯所发出的光，相干长度只有78cm。1.方向性好。 （三）激光加工的原理和特点聚焦后，激光加工的功率密度可达1081010W/c

3、m2，几乎可以熔化、汽化任何材料。可进行精密微细加工。工具为激光束，是非接触加工。没有机械力，没有工具磨损，易于实现自动化。重复精度和表面粗糙度不易保证。1.加工中产生的气体及飞溅物，要注意通风抽走。 二、激光加工设备 大恒激光切割、雕刻机床（一）激光加工机床的组成激光器、激光器电源、光学系统、机械系统（二）激光加工常用激光器按激活介质种类分：固体激光器、气体激光器按工作方式分：连续激光器、脉冲激光器 二氧化碳激光器二氧化碳激光器：二氧化碳为工作介质连续输出功率可达万瓦。是目前连续输出功率最高的气体激光器。效率为20以上。谱线：10.6m红外线 三、激光加工工艺和应用 （一）激光打孔打微小孔：

4、化学纤维喷丝模孔，钟表及仪表宝石轴承孔。直径可小到0.01mm，深径比可达50：1。焦点位置：一般激光实际焦点在工件表面或略微低于工件表面为宜。4、激光多次照射激光照射一次，加工深度大约是孔径的5倍，而且锥度较大。多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔打深（光管效应） 。 （二）激光切割切削原理与打孔一样。不同之处是，工件与激光束之间要相对移动。 第三节 快速成型技术 RP：Rapid Prototyping国外：80年代后期发展起来国内：90年代初开始发展制造理念：增材加工法，面积成体 世界上首部3D打印汽车Urbee 2一、光敏树脂液相固化成形 SL: Stereolithography又称：

5、光固化立体造型、立体光刻1、成形原理液态光敏树脂在激光（波长325nm、30mW）照射下，迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料从液态变成固态。单层高度：0.1mm 2、特点和成形材料特点：技术成熟；精度高、表面质量好；原材料利用率近100；能制造形状复杂、特别精细的零件。成形材料：自由基光敏树脂、阳离子光敏树脂、混杂型光敏树脂（多用）3、成形设备和应用华中科技大学：HRPL-1型；清华大学：CPS-250型；西安交通大学：LPS-600型、LPS-350型 二、选择性激光粉末烧结成形 SLS: Selected Laser Sintering由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dec

6、hard 于1989年研制成功。1、成形工艺原理利用粉末材料在激光照射下烧结成形，在计算机控制下层层堆积成形。 2、特点和成形材料特点：材料适应面广，无需支撑。 3、设备和应用北京隆源公司、华中科技大学、清华大学 北京隆源快速成形设备AFS-320AFS-450三、 薄片分层叠加成形 LOM: Laminated Object Manufacturing又称叠层实体制造或分层实体制造由美国Helisys公司于1986年研制成功1、工艺原理 2、特点和成形材料特点：易于制造大型、实体零件，无需支撑成形材料：纸、塑料薄膜、薄钢板3、设备 华中科技大学四、熔丝堆积成形 FDM: Fused Depo

7、sition Modeling由美国学者1988年研制成功，由美国Stratasys公司推出商品化机器。1、工艺原理利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。 2、特点和成形材料特点：不用激光，因此使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。用ABS工程塑料制造的零件原型具有较高强度，而在产品设计、测试、评估等方面广泛应用。成形材料支撑材料美国Stratasys公司 FDM Dimension SST第四节 电火花成型加工 一、电火花加工基本原理及其分类（一）电火花加工原理和设备组成原理：工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电形成电腐蚀，来蚀除多余金

8、属，以达到对零件尺寸、形状、表面质量预定的加工要求。 电腐蚀除金属材料的条件：工件被加工表面、工具电极表面间有合适的放电间隙：几微米间隙：几微米几百微米几百微米火花放电必须是瞬时脉冲放电，放电延续时间：11000sI.火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如电火花液、煤油等（二）电火花加工的特点及其应用优点：l适于任何难切削加工材料l可以加工特殊及复杂形状的表面和零件不足：l主要用于加工金属材料l加工速度慢l存在电极损耗二、影响材料放电腐蚀的主要因素1、极性效应 由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。 正极性工件接正极 负极性工件接负极 2、电参数对电蚀量的影响 电参

9、数：电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、峰值电流、峰值电压、极性等。 提供电蚀量和生产率的途径：提供脉冲频率；增加单个脉冲能量；间隙脉冲间隔。 3、工作液对电蚀量的影响 工作液作用：形成火花穿放通道；帮助电蚀产物的排除；冷却。4、其它因素 加工钢：应选铜电极，钢电极不好。 三、电火花机床 机床结构： 第五节 电火花线切割加工 Wire Cut Electrical Discharge Machining 简称WEDM 一、工作原理、特点和应用范围（一）线切割加工原理利用移动的细金属丝（钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。根据电极丝的运动速度，电火花线切割机床分为：高速走

10、丝机床和低速走丝（慢走丝）机床两种。 (1) 高速走丝机床：810 m/s，我国生产、使用 (2) 低速走丝机床：低于0.2 m/s，国外生产、使用 电极丝直径电极丝直径高速走丝：0.060.20mm钼丝低速走丝：0.3mm镀锌黄铜丝，精加工用0.03mm钼丝（二）特点与电火花成形加工共性特点：电压、电流波形相似加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律，材料可加工性等相似与电火花成形加工不同特点：脉冲宽度、平均电流不能太大，工件接电源正极。采用水或水基工作液。一般没有稳定的放电状态。电极与工件间存在“疏松接触”式轻压放电现象。无成形工件电极材料利用率高 电极损耗对加工精度影响小（三）应用 加工模

11、具 加工精度：快走丝0.010.02mm； 慢走丝0.0020.005mm 加工电火花成形加工用电极 加工零件 二、加工设备 机床组成：床身、工作台、运丝机构、丝架、工作液箱、附件、夹具等 三、线切割加工工艺扩展 （一）加工工艺就工艺可能性而言，分为三类：切割直壁二维型面等锥角三维曲面切割可变锥度、上下异形面切割 （二）扩展应用 第六节 超声加工 一、超声加工的基本原理和特点 1、超声波及其特性人耳可感受的声波频率范围：20Hz20kHz超声波：20kHz超声波和声波一样，可在气体、液体、固体介质中纵向传播。铁中传播速度c=5850m/sfc2、超声波加工基本原理 3、超声波加工特点适于加工各

12、种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料。机床结构简单，只一个方向进给，操作、维修简单。切削力小、切削热很小，表面粗糙度好。二、超声加工设备 （一）超声发生器（超声电源） （二）声学振动系统作用：把高频电能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅振动，以进行加工。包括：换能器、变幅杆、工具1、换能器(1) 压电效应超声波换能器压电效应超声波换能器 压电效应：机械变形电荷，电荷（电压）电荷（电压）机械变形机械变形(2) 磁致伸缩效应超声波换能器磁致伸缩效应超声波换能器镍、铁、钴及其合金的长度能随其所处磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应。其中，镍在磁场中缩短，铁在磁场中伸长。 2、变幅杆（振幅扩大棒）压电或磁致伸缩的变形量很小：0.0050.01mm超声波加工需要振幅：0.010.1mm 为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度L等于超声波振动的半波长或其整倍数。式中，超声波波长；c超声波在介质中的传播速度（在钢中c5050m/s）f超声波频率，1600025000Hz 由此计算出超声波在钢中传播的波长为0.20.31m，故钢变幅杆的长度应为100160mm。 fcL2123、工具工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状和尺寸，它们相差一个“加工间隙”（稍