第四章精密加工和特种加工

第四章精密加工和特种加工第一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

精密加工是指在精车、精镗、精铰、精磨的基础上，旨在获得比普通磨削更高精度（IT6~IT5或更高）和更小的表面粗糙度（Ra0.1~0.01μm）的研磨、珩磨、超级光磨和抛光等加工，从广义上讲，它还包括刮削、宽刀细刨和金刚石刀具切削等。精密加工第二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五精密加工：加工精度为1um，Ra0.1以下包括：精整加工、光整加工精整加工：切除很薄的材料层，提高加工精度，减小Ra包括：研磨、珩磨光整加工：不切除或切除极薄的材料层，减小Ra包括：超级光磨，抛光

第三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五用刮刀刮除工件表面薄层的加工方法在普通精刨和精铣基础上由手工操作刮削余量为0.05~.4mm平面刮削的直线度可达0.0lmm/m

刮研

第四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五利用研磨工具和研磨剂，从工件表面磨去一层极薄的工件材料的精整加工方法研磨是在良好的预加工基础上对工件进行微量切削的，尺寸误差和形状误差可达0.1-0.3μm，Ra为0.025μm以下。研磨剂由磨料、研磨液及辅料调配而成研磨余量一般为0.01~0.03mm研磨第五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五研磨第六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五研磨设备简单可提高尺寸精度和形状精度，但不能提高位置精度。生产效率低，加工余量0.01~0.03mm研磨剂易飞溅，污染环境平面、圆柱面、圆锥面、螺纹、齿面、配合面精密零件的终加工，如量块、钢球、光学元件、半导体晶体

工艺特点应用第九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作相对旋转和直线往复运动，磨除工件表面极小余量的一种精整加工方法多在精磨或精镗的基础上在珩磨机上进行，单件小批量生产也可在立式钻床上进行多用于加工圆柱孔珩磨余量一般为0.02~0.15mm（铸铁）或0.005~0.08mm（钢件）。磨削轨迹应成均匀而不重复的交叉网纹珩磨

第十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五珩磨方法第十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五油石是由磨料制成的，相当砂轮，磨料更微细。

珩磨头与主轴浮动连接，可沿孔壁自动导向。

原理

第十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五生产效率高，加工余量比研磨大尺寸精度和形状精度高，Ra0.2~0.05um不能提高位置精度

珩磨表面耐磨珩磨头结构复杂主要用于大孔、深孔的精整加工大批大量生产和单件小批生产中都有应用

工艺特点

应用第十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五是指用极细磨粒的油石，以恒定压力（5~20Mpa）和复杂相对运动对工件进行微量磨削，以降低表面粗糙度为主要目的的光整方法。外圆超精加工时，注入光磨液，形成油膜。工件以较低的速度（v=6~30m/min）旋转，油石一方面以5~50Hz的频率、1~6mm的振幅作往复振动，另一方面以0.1~0.15mm/r的进给量纵向进给；油石对工件表面的压力，靠调节上面的压力弹簧来实现。

超级光磨第十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五只能切除微观凸锋，一般不留或只留很小的加工余量（0.003~0.01mm）。加工Ra可小于0.012μm，表面质量高。加工余量小，生产率高。常用于大批大量生产中加工曲轴、凸轮轴的轴颈外圆、飞轮、离合器盘的端平面以及滚动轴承的滚道等。

第十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五用涂有抛光膏的软轮（即抛光轮）高速旋转对工件进行微弱切削，从而降低工件表面粗糙度，提高光亮度的一种光整加工方法软轮用皮革、毛毡、帆布等材料叠制而成，具有一定的弹性，以便工作时能按工件表面形状变形，增大抛光面积或加工曲面。抛光膏由较软的磨料（氧化铁、氧化铬等）和油脂（油酸、硬脂酸、石蜡、煤油等）调制而成抛光

第十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五抛光时线速度一般为30~50m/s。软轮与工件之间应有一定压力一般在磨削或精车、精铣、精刨的基础上进行，不留加工余量抛光后Ra可达0.1~0.012μm，并可明显地增加光亮度不能提高尺寸精度、形状精度和位置精度容易对曲面进行加工，多用于表面的修饰加工及电镀前的预加工。第十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五比较抛光超级光磨研磨珩磨加工质量提高光亮程度降低Ra既降低Ra，又提高尺寸、形状精度应用范围加工各种表面孔工具设备简单稍复杂复杂生产效率高低较高第十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五特种加工解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钦合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。解决各种特殊复杂表面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、冷拔模上特殊断面的型孔．炮管内膛线，喷油嘴．喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。第二十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五特种加工与机械加工利用能源：电能、电化学能、光能及声能等；工具材料：硬度可以比工件材料的硬度低；切削力：加工时一般没有明显的切削力；切削速度：加工去除工件材料速度比切削加工低。

机械切削加工的本质和特点：一是靠刀具材料比工件更硬：二是靠机械能把工件上多余的材料切除。第二十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电火花加工（EDM）ElectricalDischargeMachining第二十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电火花加工又称放电加工、电蚀加工，是一种基于工具和工件之间不断脉冲放电产生的局部、瞬时的高温将金属蚀除掉的加工方法

当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，形成一个小凹坑

电火花加工的基本原理电火花加工基本原理特点及应用

第二十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电火花加工原理电火花加工表面局部放大电火花加工第二十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

电火花加工的条件工具电极和工件电极之间必须始终保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米

火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间（一般为10-7~10-3s）后，需停歇一段时间火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行

第二十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电火花加工的过程电火花腐蚀是一个物理微观过程，这一微观过程是电场力、磁力、热力、液体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程这一过程大致分为四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；第二十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工表面微观形貌圆滑、无刀痕沟纹等缺陷

适合于任何难切削材料的加工

电火花加工的特点可以加工特殊及复杂形状的零件

没有机械切削力，工件不会产生受力变形

直接利用电能加工，便于实现自动化控制

工艺适应面宽、灵活性大，可与其他工艺结合

加工速度较慢；存在电极损耗和二次放电；主要加工金属等导电材料

局限性第二十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电火花加工样品返回第二十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电火花加工的工艺方法电火花穿孔成型电火花线切割电火花磨削与镗削电火花同步共轭回转加工电火花高速小孔加工电火花表面强化与刻字第二十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五线切割加工的工作原理利用移动的细金属导线（钼丝或铜丝）作电极，靠脉冲火花放电对工件进行切割

高速走丝电火花线切割机床

线切割加工的装置低速走丝电火花线切割机床

线切割机床都已采用不同水平的微机数控系统电火花线切割第三十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五储丝筒导轮电极丝工件电火花线切割原理图XY第三十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五高速走丝线切割机床慢速走丝线切割机床第三十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五由于电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件由于采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗少，从而对加工精度的影响较小采用水或水基工作液不会引燃起火，容易实现安全无人运转在实体部分开始切割时，需加工穿丝用的预孔第三十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五穿丝孔穿丝孔直径大小的选择，应便于钻孔或镗孔加工，不宜过大或过小，一般在3-10mm范围内选择，并取整数直径。由于穿丝孔常用作加工基准，因此，穿丝孔的加工一般在具有较高精度的机床上进行，也可采用电火花穿孔，以保证穿丝孔的位置、尺寸精度。第三十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五高速小孔加工工艺

管状电极回转并沿轴向进给，1～5MPa高压工作液（去离子水、乳化液等）排屑,加工速度达60mm/min左右，孔深径比可超过100。国外公司样品直径为3mm,深度达330mm。第三十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工各类模具各类材料的切断试制新产品加工薄片零件、特殊难加工材料零件加工电火花成型加工用的电极线切割加工的应用范围第三十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五３．线切割机床的主要应用A．微细结构和复杂形状第三十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

第三十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第三十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五３B．高硬度导电材料成型加工第四十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五C．模具形面及型腔加工第四十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五C．模具形面及型腔加工第四十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电解加工electrochemicalmachining第四十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五利用电极在电解液中发生的电化学作用对金属材料进行成形加工的一种工艺

电解加工的基本原理当两金属片接上电源并插入任何导电的溶液（如水中加入少许CuCl2）中，即形成通路，导线和溶液中均有电流流过

如果所接的是直流电源，则溶液中的离子将作定向移动，正离子移向阴极，在阴极上得到正离子而进行还原反应。负离子移向阳极，在阳极表面失掉正离子而进行氧化反应

电解加工概述第四十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电解液中的电化学反应在阴、阳电极表面发生得失电子的化学反应称之为电化学反应

利用这种电化学作用对金属进行加工（包括电解和镀覆）的方法即电化学加工

第四十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五1.利用阳极金属的溶解作用去除金属材料

电解加工的分类主要有电解加工、电解抛光、电解研磨、电解倒棱、电解去毛刺等2.利用阴极金属的沉积作用进行镀覆加工

主要有电铸、电镀、电刷镀、涂镀、复合电镀等

3.电解加工与其他加工方法结合完成的电化学复合加工

主要有电解磨削、电解电火花复合加工、电化学阳极机械加工等

第四十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五适应范围广，凡是能够导电的材料都可以加工，并且不受材料力学性能的限制

电解加工的特点加工质量高，在加工过程中没有机械切削力的存在，工件表面无变质层、无残余应力，也无毛刺及棱角

加工过程不需要划分阶段，可以同时进行大面积加工，生产效率高但电化学加工对环境有一定程度的污染，必须对电化学加工废弃物进行处理，以免对自然环境造成污染和对人类健康进行危害

第四十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五利用金属在电解液中的电化学阳极溶解将工件加工成形

电解加工的基本原理电解加工

第四十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制电解加工的特点生产效率高可以达到较好的表面粗糙度和±0.1mm左右的平均加工精度加工过程不存在机械切削力阴极工具在理论上不会耗损

优点第四十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五不易达到较高的加工精度，加工稳定性也较差附属设备多，占地面积大，机床要抗腐蚀，造价高加工复杂型腔和型面时，工具电极的设计和修正比较麻烦电解产物易造成环境污染局限性第五十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

电解加工的应用用于难加工材料用于加工批量大的零件用于相对复杂形状的零件选用电解加工工艺的三原则第五十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

电解加工的应用深孔扩孔加工数控电解加工型孔加工型腔加工套料加工电解抛光电解蚀刻电解倒棱去毛刺叶片加工第五十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五电解整体叶轮齿轮电解去毛刺第五十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属工件表面进行加工的复合工艺技术

电化学机械复合加工的原理主要是靠电化学的作用来去除金属，机械作用只是为了更好地加速这一过程

包括电解磨削、电解珩磨、电解研磨、电化学机械抛光、电化学机械加工等加工工艺

电化学机械复合加工第五十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五附加一个中间电极，工件接正极，砂轮不导电，只起刮除钝化膜的作用，电解作用在中间电极和工件之间进行，从而大大增加导电面积

中极法电解磨削中极法电解磨削电解磨削原理示意图第五十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五常用的电化学机械复合加工方式，除电解磨削外，对于高硬、脆性、韧性材料的内孔、深孔、薄壁套筒，可以采用电解珩磨工艺方法，进行珩磨或抛光

常见电化学机械复合加工方式简介第五十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五对于不锈钢、钛合金等难加工材料的大平面精密磨削和抛光，可采用电解研磨方案。磨料既可固定于研磨材料（无纺布、羊毛毡）上，也可游离于研磨材料与加工表面之间，在阴极的带动下，磨粒在工件表面运动，去除钝化膜，同时形成网纹，达到较低的表面粗糙度

电解研磨加工第五十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五超声波加工第五十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五频率超过16000Hz的声波称为超声波超声波能传递很强的能量当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象，从而引起固体物质分散、破碎等效应通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象超声波加工的原理第五十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五超声波的特性在液体介质中传播时，在界面上产生液压冲击空化现象形成真空，产生气泡空泡闭合，形成压力高频上下运动：f

＞16kHz第六十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五利用超声波的特性进行加工的工艺称为超声加工超声加工是利用工具端面作超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的超声加工是基于局部撞击作用，因此越是脆硬的材料，越易进行超声加工。而选择工具材料时则应使之既能撞击磨拉，又不致使自身受到破坏第六十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

超声加工原理图第六十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工精度高、表面粗糙度小、加工质量好工具和工件无需复杂的相对运动，超声加工机床结构简单工件表面宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形和烧伤适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料

超声波加工的特点工具可用软材料第六十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五超声加工设备包括超声发生器、超声振动系统、机床本体、磨料、工作液循环系统超声加工机床超声波加工装置的构成及关键部件第六十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五超声波发生器作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量基本要求：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能；还要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等有电子管式、晶体管式第六十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五作用高频电振荡→机械能换能器长度=kλ/2种类压电效应式磁致伸缩式超声换能器第六十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五

换能器将高频电能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅的振动以进行加工

压电陶瓷换能器第六十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五磁致伸缩换能器——镍棒长度应等于超声波半波长或其整数倍，使之处于共振状态（20kHz的换能器，其长度为125mm）第六十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五几种变幅杆声学头的固定——选择振幅为零的波节点工具：45＃钢等韧性材料第六十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五磨料工作液及其循环系统磨料可以靠人工输送和更换，也可利用小型离心泵注入工作液常用的是水；为了提高表面质量，有时也用煤油或机油磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等第七十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工型孔、型腔主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等

加工圆孔、加工型腔超声波加工的应用

第七十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工异形孔、套料加工、加工微细孔第七十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五切割加工用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难，采用超声切割较为有效超声切割单晶硅片软钢刃刀片，厚度0.127mm，间距1.14mm第七十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五成批切槽刀具切割成的陶瓷模块第七十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五复合加工用超声加工与其它加工方法相结合进行复合加工，以提高加工速度和表面质量超声电解复合加工小孔第七十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五手携式电解超声复合抛光原理图超声振动切削加工第七十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第七十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五超声波焊接利用高频振动产生的撞击能量，去除工件表面的氧化膜杂质，露出新鲜的本体，在两个被焊工件表面分子的撞击下，亲和、熔化并粘接在一起

焊尼龙、塑料制品，表面易产生氧化层的难焊接金属材料，如铝制品等；利用超声波化学镀工艺还可以在陶瓷等金属表面挂锡、挂银及涂覆熔化的金属薄层

第七十八页，共九十六页，编辑于2023年，星期五超声波清洗主要基于超声振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用清洗喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表机芯、印刷电路板、集成电路微电子器件等超声清洗装置第七十九页，共九十六页，编辑于2023年，星期五高能束加工第八十页，共九十六页，编辑于2023年，星期五激光也是一种光，它具有一般光的共性，也有它独有的特性，它具有单色性好、相干性好、方向性好以及亮度高、强度高等特性

激光束加工的工作原理其工作原理就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应，使被照射工件的加工区域达数千度甚至上万度的高温，将材料瞬时熔化、汽化，在热冲击波作用下蚀除物被抛射出去，达到相应的加工效果

激光束加工

激光束加工第八十一页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第八十二页，共九十六页，编辑于2023年，星期五功率密度高达108—1010W/cm2，几乎可加工任何材料激光束加工的特点激光光斑可聚焦到微米级，输出功率可调节，可用于精密微细加工所用工具为激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗；加工速度快，热影响区小加工装置简单，不需要复杂的真空装置还可进行焊接、热处理、表面强化或涂覆第八十三页，共九十六页，编辑于2023年，星期五激光束加工的应用激光打孔利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝扳打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等

激光打孔适合于自动化连续打孔激光打孔由于能量在时空内高度集中，加工能力强、效率高，几乎可用于所有材料打孔；打孔孔径范围大，还可打斜孔，且不需抽真空第八十四页，共九十六页，编辑于2023年，星期五激光切割激光切割原理与激光打孔原理基本相同，所不同的是，激光切割工件，激光束要相对移动

激光切割可切割各种二维图形的工件。激光切割可用于切割各种各样的材料，如，金属，非金属；无机物，皮革；激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬脆的材料。激光光斑小、切缝窄，便于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。

第八十五页，共九十六页，编辑于2023年，星期五切割速度快，热影响区小，因而热变形小割缝窄，割缝质量好，切口边缘平滑，无塌边、无切割残渣切边无机械应力，工件变形极小。激光切割的特点无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需要更换刀具，切割过程易于实现自动控制

激光束聚集后功率密度高，能切割各种材料

可在大气层中或任何气体环境中进行切割，无需真空装置

第八十六页，共九十六页，编辑于2023年，星期五第八十七页，共九十六页，编辑于2023年，星期五加工原理在真空条件下，利用聚集后能量密度极高的电子束，以极高的速度（当加速电压为50V时，电子