第一章特种加工概述

1、 特种加工特种加工Non-traditional Machining 6 62 24 43 3 3 33 3 1 13 3 5 5目录目录第一章第一章 概论概论第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类第三节第三节 特种加工对材料的可加工性特种加工对材料的可加工性和和 结构工艺性的影响结构工艺性的影响第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展第一节第一节 特种加工的产生及发展n传统机械加工传统机械加工:在二战前的在二战前的150150年里一直是机械切削加工。年里一直是机械切削加工。二战后，尤其二战后，尤其2020世纪世纪5050

2、年代，随着生产的发展年代，随着生产的发展和科学实验的需要对机械制造和科学实验的需要对机械制造提出了新的要求提出了新的要求，尤其是尤其是国防工业国防工业部门。部门。对机械制造提出的要求对机械制造提出的要求（1）n1. 解决各种难加工材料的加工问题解决各种难加工材料的加工问题n如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅淬火钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属与非金属材料的加工。的金属与非金属材料的加工。对机械制造提出的要求对机械制造提出的要求（2）n2. 解决

3、各种特殊复杂表面的加工问题解决各种特殊复杂表面的加工问题n喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模、注射模的锻压模、注射模的立体成型表面立体成型表面n各种冲模、冷拔模上的各种冲模、冷拔模上的特殊截面的型孔特殊截面的型孔n炮管内膛线、喷油嘴、栅网、喷丝头上的小炮管内膛线、喷油嘴、栅网、喷丝头上的小孔、窄缝等孔、窄缝等特殊零件特殊零件燃气涡轮燃气涡轮对机械制造提出的要求对机械制造提出的要求（3）n3. 3. 解决各种超精、光整或具有特殊要求解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题的零件的加工问题n航天、航空陀螺仪、伺服阀等航天、航空陀螺仪、伺服阀等

4、表面质量和表面质量和精度要求较高的零件精度要求较高的零件n细长轴、薄壁零件、弹性零件等细长轴、薄壁零件、弹性零件等低刚度零低刚度零件件传统加工的本质和特点1 1 依靠刀具材料比工件材料硬依靠刀具材料比工件材料硬2 2 靠机械能把工件上多余的金属材料切除。靠机械能把工件上多余的金属材料切除。 第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展特种加工产生和发展的外因：特种加工产生和发展的外因： 传统机械加工手段不能满足社会生产力发展的传统机械加工手段不能满足社会生产力发展的要求，随着社会的生产力的发展人们发现了新的特要求，随着社会的生产力的发展人们发现了新的特殊的材料加工和成形手段。殊的材料

5、加工和成形手段。特种加工的产生 20 20世纪世纪4040年代，前苏联拉扎林柯夫妇研究年代，前苏联拉扎林柯夫妇研究开开关触点腐蚀的原因关触点腐蚀的原因时发现时发现: :利用利用工具工具和和工件工件之间之间不断的脉冲性火花放电不断的脉冲性火花放电产生的局部、瞬时的高温产生的局部、瞬时的高温把金属蚀除下来。由于加工过程中可以看到火花，把金属蚀除下来。由于加工过程中可以看到火花，故称电火花加工故称电火花加工电火花加工电火花加工Electrical Discharge Machining (EDM)Electrical Discharge Machining (EDM)又称放电加工（日本又称放电加工（

6、日本/ /英国英国/ /美国等）美国等）又称电蚀加工（前苏联及俄罗斯）又称电蚀加工（前苏联及俄罗斯）电火花加工产生的意义电火花加工产生的意义n拉扎林柯夫妇用拉扎林柯夫妇用铜丝铜丝在在淬火钢淬火钢上加工出上加工出小孔。小孔。n意义：意义：n摆脱了传统加工方法的束缚摆脱了传统加工方法的束缚n用软的工具加工任何硬度的金属材料用软的工具加工任何硬度的金属材料n利用电能热能来去除金属利用电能热能来去除金属n为其他加工方法提供了新的思路为其他加工方法提供了新的思路特种加工概念特种加工概念定义定义 所谓特种加工是指不采用常规的刀具或磨具对所谓特种加工是指不采用常规的刀具或磨具对工件进行加工，而是工件进行加工

7、，而是直接利用电能、电化学能、声直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量，能或光能等能量，或选择或选择几种能量的复合几种能量的复合形式对材形式对材料进行加工的工艺方法。又称为非传统加工（料进行加工的工艺方法。又称为非传统加工（NTM, Non-Traditional Machining）或非常规机械加工）或非常规机械加工（NCM, Non-Conventional Machining）特种加工的本质1.不是主要依靠机械能，而是用其他能量不是主要依靠机械能，而是用其他能量来去除金属材料；来去除金属材料；2.工具硬度可以低于被加工材料的硬度；工具硬度可以低于被加工材料的硬度；3.加工过程中工具和工

8、件之间不存在显著加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。的机械切削力。第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展 特种加工的优点：特种加工的优点：1 1、加工范围广；、加工范围广；2 2、易于加工复杂型面、易于加工复杂型面、微细表面微细表面以及以及柔性、低刚度零件柔性、低刚度零件。3 3、能获得良好的加工表面质量；、能获得良好的加工表面质量；4 4、各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用、各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展 特种加工方法可以用于解决以下工艺难题：特种加工方法可以用于解决以下工艺难题：

9、1 1、解决各种难加工材料的加工问题，、解决各种难加工材料的加工问题，如耐热钢、不锈钢、钛如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石以及锗和硅合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石以及锗和硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工。和非金属的加工。第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展2 2、解决各种复杂零件表面的加工问题、解决各种复杂零件表面的加工问题。如各种热锻模、冲裁。如各种热锻模、冲裁模和冷拔模的模腔和型孔、整体蜗轮、喷气蜗轮叶片、炮管内模和冷拔模的模腔和型孔、整体蜗轮

10、、喷气蜗轮叶片、炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小孔的加工问题。腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小孔的加工问题。1第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展3 3、解决各种精密的、有特殊要求的零件的加工问题。、解决各种精密的、有特殊要求的零件的加工问题。如航空航天、国防工业中表面质量和精度要求都很高的陀螺仪、如航空航天、国防工业中表面质量和精度要求都很高的陀螺仪、伺服阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工。伺服阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工。第一节第一节 特种加工的产生及发展特种加工的产生及发展 由于特种加工具有上述特点并可以解决生产中上由于特种加工具有上述特点并

11、可以解决生产中上述工艺难题，因此，在现代制造、科学研究和国防事述工艺难题，因此，在现代制造、科学研究和国防事业中获得日益广泛的应用。而生产和科学研究中提出业中获得日益广泛的应用。而生产和科学研究中提出来的新问题又促进了特种加工方法的迅速发展。来的新问题又促进了特种加工方法的迅速发展。我国特种加工的发展n2020世纪世纪5050年代中期，我国已研制出电火花穿孔年代中期，我国已研制出电火花穿孔机床、电火花表面强化机，并建立电加工研究机床、电火花表面强化机，并建立电加工研究室。室。n2020世纪世纪5050年代末期，开始批量生产电火花成型年代末期，开始批量生产电火花成型机和电火花表面强化机机和电火花

12、表面强化机n2020世纪世纪6060年代初，仿形电火花线切割机。年代初，仿形电火花线切割机。n2020世纪世纪6060年代末，高速走丝电火花线切割机，年代末，高速走丝电火花线切割机，及其数控系统。及其数控系统。n2020世纪世纪5050年代末，电解加工和超声加工也相继年代末，电解加工和超声加工也相继应用。应用。原兵器工业部，采用电解方法加工炮管膛线、原兵器工业部，采用电解方法加工炮管膛线、喷气发动机叶片等。喷气发动机叶片等。n2020世纪世纪6060年代末到年代末到9090年代，是特种加工技术快年代，是特种加工技术快速发展时期，主要体现在如下几个方面：速发展时期，主要体现在如下几个方面：1.1

13、.特种加工方法和机理特种加工方法和机理2.2.特种加工工艺特种加工工艺3.3.特种加工设备特种加工设备4.4.特种加工智能化、自动化特种加工智能化、自动化5.5.实际应用实际应用最近特种加工的发展n自动化、柔性化自动化、柔性化n高效率高效率n精密化精密化n进一步开拓特种加工技术进一步开拓特种加工技术n自动化、柔性化自动化、柔性化 充分利用计算机技术对特种加工设备的控充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化制系统、电源系统进行优化, , 加大对特种加工加大对特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度性等深入研究的

14、力度, , 建立综合工艺参数自适建立综合工艺参数自适应控制装置、数据库等应控制装置、数据库等( ( 如超声、激光等加如超声、激光等加工工) , ) , 进而建立特种加工的进而建立特种加工的CAD/CAMCAD/CAM与与FMS FMS 系系统统, , 使加工设备向自动化、柔性化方向发展使加工设备向自动化、柔性化方向发展, , 这是当前特种加工技术的主要发展方向。这是当前特种加工技术的主要发展方向。n精密化精密化 高新技术的发展促使高新技术产品向超精高新技术的发展促使高新技术产品向超精密化与小型化方向发展密化与小型化方向发展, , 对产品零件的精度与对产品零件的精度与表面粗糙度提出更严格的要求。

15、为适应这一发表面粗糙度提出更严格的要求。为适应这一发展趋势展趋势, , 特种加工的精密化研究已引起人们的特种加工的精密化研究已引起人们的高度重视高度重视, , 因此因此, , 大力开发用于大力开发用于超精加工超精加工的特的特种加工技术已成为重要的发展方向。种加工技术已成为重要的发展方向。n高效率高效率 对特种加工的基本原理、加工机理、工艺对特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度，力求规律、加工稳定性等深入研究的力度，力求高高效率、低损耗效率、低损耗。n新工艺方法及复合工艺新工艺方法及复合工艺 为适应产品的高技术性能要求与新型材料为适应产品的高技术性能要求与新型材料的

16、加工要求的加工要求, , 需要不断开发新工艺方法需要不断开发新工艺方法, , 包括包括微细加工和复合加工微细加工和复合加工, , 尤其是质量高、效率高、尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工经济型的复合加工, , 如工程陶瓷、复合材料以如工程陶瓷、复合材料以及聚晶金钢石等。及聚晶金钢石等。n进一步开拓特种加工技术进一步开拓特种加工技术 以多种能量同时作用以多种能量同时作用, , 相互取长补短的复相互取长补短的复合加工技术合加工技术, , 如电解磨削、电火花磨削、电解如电解磨削、电火花磨削、电解放电加工、超声电火花加工等。需要不断发展。放电加工、超声电火花加工等。需要不断发展。第二节第二节 特种

17、加工的分类特种加工的分类一般按能量来源及形式和作用原理分类一般按能量来源及形式和作用原理分类u电能与热能作用方式电能与热能作用方式电火花电火花EDM、线切割、线切割WEDM、电子束、电子束EBM、等离、等离子束子束PAMu电能与化学能作用方式电能与化学能作用方式电解电解ECM、电铸、电刷镀、电铸、电刷镀u电化学能与机械能作用方式电化学能与机械能作用方式电解磨削电解磨削ECG、电解研磨、电解研磨ECHu声能与机械作用能作用方式：超声波加工声能与机械作用能作用方式：超声波加工USMu光能与热能作用方式：激光加工光能与热能作用方式：激光加工LBMu电能与机械作用能作用方式：离子束加工电能与机械作用能

18、作用方式：离子束加工IM第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类1 1、电火花加工、电火花加工 靠工具与工件间不断产生的脉冲性火花放电，利用放靠工具与工件间不断产生的脉冲性火花放电，利用放电时产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除下来电时产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除下来。1.电火花成形加工电火花成形加工适用于各种孔、槽模具，还可加工适用于各种孔、槽模具，还可加工各类腔模及各种复杂型腔零件；各类腔模及各种复杂型腔零件；2.电火花线切割加工电火花线切割加工适用于切割各种冲模和具有直纹适用于切割各种冲模和具有直纹面的零件，下料、截割和窄缝加工面的零件，下料、截割和窄缝加工。 第二节第二节

19、 特种加工的分类特种加工的分类q电火花加工电火花加工电火花成形加工电火花成形加工电火花加工的零件电火花加工的零件电火花加工叶片侧面冷却窄缝电火花加工叶片侧面冷却窄缝电火花成型加工电火花成型加工第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q电火花加工电火花加工电火花线切割加工电火花线切割加工电火花线切割工作原理图电火花线切割工作原理图电火花线切割加工的零件电火花线切割加工的零件电火花线切割加工的零件电火花线切割加工的零件电机凹凸冲模电机凹凸冲模上下异形面凸凹样件上下异形面凸凹样件第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q2 2、电化学加工、电化学加工 是通过电化学反应去除工件材料或是通过电化学反

20、应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的加工方法。在其上镀覆金属材料等的加工方法。1.1.电解加工电解加工 适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。去毛刺、抛光等。2.2.电铸加工电铸加工 适用于形状复杂、精度高的空心零件，适用于形状复杂、精度高的空心零件，如波导管；注塑用的模具、薄壁零件；复制精密的如波导管；注塑用的模具、薄壁零件；复制精密的表面轮廓；表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。表面轮廓；表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。3.3.涂覆加工涂覆加工 可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂覆以恢复尺寸；对尺寸超

21、差产品进行涂覆补救。行涂覆以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂覆补救。对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐腐层，以改善表面性能。腐层，以改善表面性能。 第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q电化学加工电化学加工图图1 电解电解(电镀电镀)液中的电化学反应液中的电化学反应ieei211阳极；2阴极OHClHCu2图图2 电解加工原理图电解加工原理图12345VA1直流电源；2工具电极；3工件阳极；4电解液泵；5电解液电解加工的零件电解加工的零件电解刻蚀电解刻蚀电解刻字电解刻字电解套料电解套料加工加工电解加工电解加工炮管膛线炮管膛线电解加工的零

22、件电解加工的零件第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q电化学加工电化学加工图图3 电铸成型的原理电铸成型的原理45636 V789101231镀槽；2阳极；3蒸馏水瓶；4直流电源；5加热管；6恒温装置；7温度计；8母模；9电铸层；10玻璃管第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q高能束加工高能束加工是利用能量密度很高的是利用能量密度很高的激光束激光束、电子束电子束或或离离子束子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。等去除工件材料的特种加工方法的总称。1.1.激光束加工激光束加工 主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强化、微调和存储等。激光强

23、化、微调和存储等。2.2.电子束加工电子束加工 利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的点进行加工，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工；或利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄微细加工；或利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工等。层等微细加工等。3.3.离子束加工离子束加工 主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q激光加工激光加工图图1 激光加工示意图激光加工示意图1234561激光器；2激光束；3全反

24、射棱镜；4聚焦物镜；5工件；6工作台第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q 电子束加工电子束加工图图4 电子束加工原理电子束加工原理电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q超声加工超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛光、液介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛光、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及超声振动使工件相互结合的加工方法。适用于超声振动使工件相互结合的加工方法。适用于成成形加工、切割加工、焊接加工和超

25、声清洗。形加工、切割加工、焊接加工和超声清洗。 第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类q超声加工超声加工图图1 超声波加工原理图超声波加工原理图加工力工具工件振动方向磨料工作液工具振幅第二节第二节 特种加工的分类特种加工的分类1.1.一些特种加工的机理（如超声、激光等加工）一些特种加工的机理（如超声、激光等加工）还不十分清楚，其工艺参数选择、加工过程的还不十分清楚，其工艺参数选择、加工过程的稳定性均需进一步提高。稳定性均需进一步提高。 2.2.有些特种加工（如电化学加工）加工过程中的有些特种加工（如电化学加工）加工过程中的废渣、废气若排放不当，会产生环境污染，影废渣、废气若排放不当，会产生

26、环境污染，影响工人健康。响工人健康。3.3.有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）的加工精度及生产率有待提高。的加工精度及生产率有待提高。 4.4.有些特种加工（如激光加工）所需设备投资大、有些特种加工（如激光加工）所需设备投资大、使用维修费高，亦有待进一步解决。使用维修费高，亦有待进一步解决。特种加工存在的问题：特种加工存在的问题：第三节第三节 特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响（1 1）提高了材料的可加工性）提高了材料的可加工性对切削加工而言，淬火钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化对切削加工而言，淬火钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石一直被认为是难切削材料。而现在已较广泛硼和金刚石一直被认为是难切削材料。而现在已较广泛使用的由陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石制成的刀使用的由陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石制成的刀具、工具和拉丝模等，都可以采用电火花、电解、超声具、工具