机械制造基础(第三版)第10章特种加工

机械制造基础1第10章特种加工2特种加工去除材料的原理完全不同于常规的切削方法。它是直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。特种加工方法很多，本章介绍常用的电火花加工、电火花线切割加工以及电解加工、超声加工等的基本原理、工艺特点及其应用。。

310.1概述

传统的切削加工方法都是采用比工件材料硬的刀具，依靠机械力进行加工的。20世纪40年代发明的电火花加工，开始出现了用硬度低于工件的工具，不靠机械力来加工硬工件的方法。50年代后又先后出现了电子束加工、等离子弧加工、激光加工等等，逐步形成了特种加工的新领域。它们是直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。

4表10.1.1常用特种加工方法分类表特种加工方法能量来源及形式作用原理英文缩写电火花加工电火花成形加工电能、热能熔化、气化EDM电火花线切割加工电能、热能熔化、气化WEDM电化学加工电解加工电化学能金属离子阳极溶解ECM（ELM）电解磨削电化学、机械能阳极溶解、磨削EGM（ECG）电解研磨电化学、机械能阳极溶解、研磨ECH电铸电化学能金属离子阴极沉积EFM涂镀电化学能金属离子阴极沉积EPM激光加工激光切割、打孔光能、热能熔化、气化LBM激光打标记光能、热能熔化、气化LBM激光处理、表面改性光能、热能熔化、相变LBT电子束加工切割、打孔、焊接电能、热能熔化、气化EBM离子束加工蚀刻、镀覆、注入电能、动能原子撞击IBM等离子弧加工切割（喷镀）电能、热能熔化、气化（涂覆）PAM超声加工切割、打孔、雕刻声能、机械能磨料高频撞击USM化学加工化学铣削化学能腐蚀CHM化学抛光化学能腐蚀CHP光刻光、化学能光化学腐蚀PCM510.2电火花加工10.2.1电火花加工原理

电火花加工是利用两电极之间脉冲放电时产生的电蚀现象对工件材料进行加工的方法。如图10.2.1所示。

加工时工具和工件分别作为两个电极浸入绝缘介质（如煤油等）中。将脉冲电压加至两电极，并使工具电极逐渐向工件电极靠拢。当两电极间达到一定距离时，极间电压将在相对最接近点处使绝缘介质发生雪崩式的电离击穿。两极间的绝缘状态在很短时间内（10-7～10-5s）发展为低阻值的放电通道。6

放电电流随即急剧上升，极间电压也相应降至放电维持电压（见图10.2.2）。放电通道的截面积很小，使得通道中的电流密度高达105～106A/cm2，即形成脉冲放电。

通道中，正负带电粒子在极间电场作用下高速运动，发生剧烈碰撞，并产生大量热量，使通道的温度很高，其通道中心温度最高达10000℃以上，同时工具电极及工件表面分别受电子流和离子流的高速轰击，也产生大量热量，使放电点周围的金属迅速熔化和气化，并产生爆炸力，将熔化的金属屑抛离工件表面，这就是放电腐蚀。

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被抛离的金属屑由工作液带走，于是在工件的表面就形成一个微小带凸边的凹坑，如图9.2.3和9.2.4所示。由此，完成了一次脉冲放电。

在脉冲间隔期间，介质恢复绝缘，等待下一个脉冲到来,称为消电离。如此不断地进行放电腐蚀，工具电极持续向工件进给，只要维持一定的放电间隙，就会在工件表面上腐蚀出无数微小的圆形凹坑，从而使工具电极的轮廓形状复印在工件上。810.2.2电火花加工设备

电火花加工的设备主要由四大部分组成。如图10.2.1所示：脉冲电源、自动进给调节装置、工具电极和液体介质（如煤油）。⒈脉冲电源

小功率精加工时，常采用RC线路脉冲电源。它由两个回路组成：一个是充电回路，一个是放电回路，如图10.2.5所示。

92.自动进给调节装置

伺服电动机自动进给调节装置原理如图9.2.6a)所示。它直接利用电桥式测量环节送来的电压和电流两个信号带动执行电机M，使其调速及换向。图9.2.6b)是它的等效电路，

103.工具电极

衡量某工具电极是否耐损耗，不仅要看工具损耗率Vd的大小，同时还应看所能达到的加工生产率Vk,也即应知道每蚀除单位工件金属量时工具相对损耗了多少。因此，常用“相对损耗比”或“相对损耗率”υ作为衡量工具耐损耗的指标，即υ=—×100%VdVk

一般常用黄铜或紫铜作为工具材料，但如果要求尽可能减少电极的蚀耗，那么最好采用铜基石墨或碳化钨。

114.液体介质电火花加工中，放电必须在具有一定绝缘强度的液体介质（如煤油）中进行。(1)液体介质的作用1)保证两电极之间的绝缘，以创造火花放电的条件2）能把电火花加工后的金属微屑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去。3）加工中对两电极起冷却作用，防止热变形。⑵对液体介质的要求1)汽化热要高，即热容量要大，以保证在两电极之间小缝隙内的液体蒸发，而其它部分仍处于液体状态，从而保证两电极及其它部分的冷却。2)液体介质粘度要低，易于流动，以便冷却并带走金属颗粒。3)液体介质消电离作用要快，即恢复绝缘强度要快，以减少放电后的残留离子，避免电弧放电。1210.2.3电火花加工特点⒈加工特点⑴两电极不接触，无明显切削力，故不会产生由此而引起的残余应力或变形。⑵可以加工任何难切削的硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料。⑶直接利用电能加工，便于实现自动化。⑷脉冲参数可以调节，可在一台机床上连续进行粗、半精、精加工。⒉加工质量⑴加工精度1)穿孔加工尺寸精度可达0.05～0.01mm，型腔加工可达0.1mm。2）有圆柱度误差。其原因是孔上半部分在加工过程中产生附加放电的机会多，受电蚀的时间长，故尺寸变大，产生了锥度。133）得不到清棱清角。如图10.2.7所示，导致工件尖角变圆的原因是：①工件和工具尖角处都存在蚀除量大的问题；②放电间隙的等距性，使工件上只能被加工出以δ为半径的圆弧。目前采用了前沿很陡的高频短脉冲进行加工，已对复制尖角精度有所提高，可获得圆角半径为0.1mm的尖棱。14⑵表面质量1)粗加工时的表面粗糙度在Ra0.8μm左右，精加工时可达Ra1.6～0.8μm。若表面粗糙度值要求在Ra0.8μm以下，则生产率会成十倍地下降，此时一般应采用人工研磨或电解修磨以获得较小的表面粗糙度。2）电火花加工后的表面易存留润滑油，因而在相同表面粗糙度时，其润滑效果和耐磨性均优于机械加工的表面。15

10.2.4电火花加工的应用

电火花加工可用于导电材料的各种型腔面的加工、各种异形孔的加工、小孔加工，尤其适用于模具和难加工材料的加工。目前已成功地用于成形及穿孔加工、线切割加工、电火花磨削和镗削加工、电火花同步回转共轭加工、表面强化和雕刻加工等。电火花加工参数常用值见表10.2.1。1610.2.5电火花线切割加工

电火花线切割加工利用一根运动着的金属丝（直径为0.02～0.03mm的钼丝或黄铜丝）作为工具电极，在工具电极和工件电极之间通以脉冲电流，使之产生放电腐蚀。控制工作台按一定的轨迹运动，工件就被切割成所需要的形状，如图10.2.8所示。17

电火花线切割加工适合于加工各种形状的冲裁模、拉丝模、冷拔模和粉未冶金模等。图10.2.9为电机转子冲裁模。厚度为5mm,采用线切割加工可一次成形。线切割加工还可加工各种微细孔、槽、窄缝及曲线图形。

图10.2.10所示固体电路冲裁模即为一例。在试制某些新产品时，可应用线切割加工直接在板料上切割零件，省去了制作模具的过程，如图10.2.11所示。1810.3电解加工10.3.1电解加工原理

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应，将工件加工成形的一种方法。其加工原理如图10.3.1所示。

电解加工时，在工件（阳极）和工具电极（阴极）之间接入低电压、大电流的直流电源（6～24V、500～2000A），在两电极间的狭小间隙（0.1～0.8mm）内有高速电解液通过,这时工件就会不断溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，金属（阳极）去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢，如图10.3.2所示。

191－直流电源2－工具（阴极）

3－工件（阳极）4－泵5－电解液电解加工成形过程电解加工中的电化学反应是随加工条件而改变的。以NaCl电解液加工钢件为例，分析其化学反应：水溶液中：H2OH+

＋[OH]－

NaClNa+＋

Cl－阳极反应：FeFe2+＋2e

FeFe3+＋3e

Fe2+＋2[OH]－Fe（OH）2↓Fe（OH）2沉淀为墨绿色的絮状物，随着电解液的流动而被带走。Fe（OH）2又逐渐为电解液中及空气中的氧氧化为Fe（OH）3204Fe（OH）2＋2H2O＋O2

4Fe（OH）3↓

Fe（OH）3为黄褐色沉淀（铁锈）。阴极反应：2H+＋2eH2↑21⒈能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和形腔。生产率比电火花加工高5～10倍。⒉可加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料（如淬火钢、高温合金、钛合金等）。⒊加工中无切削力，适合于薄壁零件的加工。⒋工具电极在理论上不会损耗，可长期使用。⒌加工后零件表面无残余应力、无毛刺，表面粗糙度达Ra0.2～0.8μm。10.3.2电解加工特点2210.4超声波加工10.4.1超声波加工原理超声波加工是利用振动频率超过16kHz的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行成形加工的一种方法，其加工原理如图10.4.1所示。

图10.4.1超声波加工的原理2310.4.2超声波加工装置

超声波加工装置如图10.4.2所示。一般包括：高频发生器、超声波换能器、变幅杆、工具头和磨料悬浮液等。24⒈适于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如宝石、陶瓷、玻璃及各种半导体材料等。⒉工件只受磨料瞬时局部冲击力的作用，没有横向摩擦力，故受力很小，这对薄壁或刚性差的工件加工很有利。⒊加工精度较高，尺寸精度可达0.02mm,表面粗糙度可达Ra0.1μm，工件表面无残余应力，不发生组织改变和烧伤等。⒋通过选择不同的工具端部形状和不同的运动方法可进行各种微细加工，如图9.4.3所示。⒌加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。⒍生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。超声波不但可以完成图10.4.3所示的各种加工，还可与抛光、电火花、激光、塑性成形、焊接、去毛刺、清洗、电镀等各种加工方式结合起来使用。10.4.3超声波加工特点252610.5激光加工

10.5.1激光加工原理

激光加工是一种利用光能进行加工的方法。激光是一种能量密度高、方向性强、单色性好的相干光。激光加工原理如图10.5.1所示。

当激光工作物质2（如红宝石、钕玻璃等具有亚稳态能级结构的物质）受到光泵3（脉冲激励光源）的激发后，便产生受激辐射跃迁，形成光放大，再经过由全反射镜1和部分反射镜2组成的谐振腔产生振荡后，成为单向平行光束，由腔的一端输出，通过透镜5将激光束聚焦到工件待加工表面6。工件材料就在高温熔融和冲击波的同时作用下蚀除了部分物质，于是可进行打孔、切割等各种加工。

27⒈激光加工不需要工具，故不存在工具损耗、更换调整工具等问题，因此适于自动化连续操作。⒉不受切削力的影响，易于保证加工精度。⒊几乎能加工所有的金属和非金属材料。如果是透明材料，可采取色化或打毛措施后再加工。⒋加工速度快，效率高，热影响区小。⒌能进行微细加工，例如深的微孔（直径小至几微米，长径比达几十至上百）及小至几微米的窄缝。⒍可透过玻璃等透明介质对工件进行加工，这在某些情况下是非常便利的（如工件需要在真空中加工等）⒎无加工污染，在大气中无能量损失。10.5.2激光加工特点2810.5.3激光加工的应用⒈激光打孔适于金刚石、红宝石、陶瓷、橡胶、塑料以及硬质合金、不锈钢等各种材料。⒉激光切割只要工件与激光束之间有相对移动，就可实现激光切割。当切割直线时，还可借助于柱面透镜将激光束聚焦成线，以提高切割速度。采用氧气喷嘴与激光器连用的方法，一边吹氧一边切割，可大大提高切割效率。图10.5.2表示了用激光切割加工的几种化纤喷丝头的形孔。2910.6电子束加工

电子束加工装置的基本结构如图10.6.1所示。它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。10.6.1电子束加工原理3010.6.3电子束加工特点⒈能量密度高（在直径为0.025mm的焦点处的能量密度可达1.55×108W/cm2）。用于加工微孔或窄缝时，生产率比电火花加工高几十倍。高能量的电子能透入表面层深至十几微米，并以热的形式向周围传输。⒉加工中工件受到的力极小，因此所产生的应