《机械制造基础》 自考 课件 第15章 特种加工与先进制造技术

第15章特种加工与先进制造技术本章要点115.1特种加工技术15.2先进制造技术

15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术215.1.1电火花加工工作时，工具电极和工件电极均浸泡在工作液中，工具电极缓缓下降与工件电极保持一定的放电间隙。电火花加工是电力、热力、磁力和流体力等综合作用的过程，一般可以分成四个连续的加工阶段。1）介质电离、击穿、形成放电通道。2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀。3）抛出蚀除物。4）间隙介质消电离。1.电火花加工原理电火花加工是利用工具电极与工件电极之间脉冲性的火花放电，产生瞬时高温将金属蚀除的一种加工方法。又称为放电加工、电蚀加工、电脉冲加工。电火花加工原理图1-床身2-立柱3-工作台4-工件电极5-工具电极6-进给机构及间隙调节器7-工作液8-脉冲电源9-工作液箱15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术315.1.1电火花加工（1）加工任何硬、脆、软、韧、高熔点的导电材料，如淬火钢、硬质合金、不锈钢、工业纯铁等。（2）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，有利于窄槽、小孔、薄壁以及各种复杂形状型孔、型腔的加工，特别有利于低刚度零件和精密、细微表面的加工。（3）由于脉冲放电持续时间很短，工件加工表面几乎不受热影响，不会产生热变形，故尤其有利于加工热敏性材料。（4）由于脉冲参数可以任意调节，故可在同一台机床上通过改变电压、电流、脉宽和脉间等参数，连续进行粗、半精和精加工。一般电火花加工的尺寸精度可达0.01mm，表面粗糙度为Ra0.8μm。（5）直接用电加工，便于实现自动化。（6）加工速度较慢。要保证加工质量则速度很慢，要提高加工速度则质量较差。（7）工具电极有损耗，影响成型精度，型腔最小角部半径不能太小。2.电火花加工的特点15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术415.1.1电火花加工（1）电火花穿孔。（2）电火花型腔加工。（3）电火花线切割加工。（4）回转共轭加工。（5）电火花回转加工。（6）金属表面强化。（7）打印标记、仿形刻字。3.电火花加工的应用15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术515.1.2电解加工加工时工件接直流电源的正极，工具接负极，两工极间保持约0.1~0.8mm的小间隙。电解加工时，在工件和工具电极之间接入直流电源，当电解液以一定的压力和速度在两电极间的狭小间隙内通过时，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。随着工件表面材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形面，如此直至将工具的形面完全复印到工件上。1.电解加工原理电解加工是利用电化学能进行加工的方法。电解加工原理图1-工具阴极2-工件阳极3-泵4-电解液5-直流电源15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术615.1.2电解加工（1）不受材料硬度、强度和韧性的限制，只要是导电的材料，均可加工。（2）可加工复杂的型面，效率比电火花加工高5~10倍。（3）工具电极理论上无损耗，可保持其精度长期使用。（4）加工过程中无切削力和切削热的作用，不会产生残余应力以及刀痕、毛刺和飞边，

表面粗糙度Ra值一般为0.8~0.2μm，一般尺寸精度为±0.1mm。（5）电解液对设备和环境有腐蚀作用，设备需有防护措施，投资较大，耗电量大。2.电解加工的特点15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术715.1.2电解加工（1）电解穿孔。加工形状复杂、尺寸较小的型孔（四方孔、六方孔、椭圆、半圆等

形状的通孔和不通孔），如枪筒、炮筒的膛线以及花键孔等型孔加工。（2）电解成形。电解加工可以使用成形阴极（工具）对复杂的工件型腔一次成形，生成率高，表面粗糙度值小，目前多应用于锻模模腔加工，如汽车和拖拉机的连杆、曲轴、十字轴、凸轮轴等零件以及汽轮机和发动机的叶片、链轮以及摆线齿轮等复杂零件的加工。（3）电解磨削、电解抛光、电解珩磨等。3.电解加工的应用15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术815.1.3激光加工激光是一种受激辐射光，是强度非常高、方向性非常好的单色光，通过光学系统可以使它聚焦成一个极小的光斑（直径为几微米到几十微米），从而获得极高的能量密度和高温。当激光聚焦在被加工表面时，光能被表面吸收并转化成热能，使工件材料在千分之几秒时间内熔化和气化或改变物质性能，以达到加工或使材料局部改性的目的。1.激光加工原理激光加工是利用光能进行加工的方法。激光加工机示意图。激光加工机包括激光器、电源、光学系统和机械系统等四个部分，其中激光器是最主要的部件。激光器按照所用的工作物质性质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术915.1.3激光加工（1）加工精度高。激光束斑直径可达1μm以下，可进行微细加工，它又是非接触方式，力、热变形小。（2）加工材料范围广。激光加工可加工陶瓷、玻璃、宝石、金刚石、硬质合金、石英等各种金属和非金属材料，特别是难加工材料。（3）加工性能好。工件可放置在加工设备外进行加工，可透过透明材料加工，不需要真空。可进行打孔、切割、微调、表面改性、焊接等多种加工。（4）加工速度快、效率高。2.激光加工的特点15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1015.1.3激光加工（1）激光打孔。速度快、效率高，可打很小的孔和在超硬材料上打孔。应用于柴油机喷油嘴、化学纤维喷丝头、钟表钻石轴承、仪表宝石轴承以及金刚石拉丝模上打孔等。（2）激光切割。可以切割各种金属、陶瓷、玻璃、半导体材料、布、纸、橡胶、木材等材料，切割效率很高，切缝很窄，并可十分方便地切割出各种曲线形状。（3）激光雕刻。激光雕刻所需能量密度较低，可在平板上蚀除出所需图样，用于印染行业及美术作品等。（4）激光焊接。激光焊接时间短、生产率高、没有焊渣、被焊材料不易氧化、热影响小。激光焊接既没有焊渣，也没有氧化膜，适合于精密仪表中的焊接。不仅能焊接同种材料，而且可以焊接异种材料，甚至可焊接金属与非金属材料。（5）激光表面处理。用大功率激光器对金属表面扫描，使工件表面在极短时间内加热到相变温度，并由于热量迅速向工件内部传导而使表面冷却，使工件表层材料相变硬化。还可用激光在普通金属表层熔入其他元素，使它具有优良合金的性能。3.激光加工的应用15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1115.1.4超声波加工加工时，工具以一定的力压在工件上，由于工具的超声振动，使悬浮磨粒以很大的速度、加速度和超声频率打击工件，工件表面受击处产生破碎、裂纹，脱离而成颗粒，这是磨粒撞击和抛磨作用。磨料悬浮液受工具端部的超声振动作用产生液压冲击和空化现象，促使液体渗入被加工材料的裂纹处，加强了机械破坏作用，液压冲击也使工件表面损坏而蚀除，这是空化作用。工具连续向下进给，冲击磨削继续进行，工具的形状便复映到工件上，直至达到要求的尺寸。1.超声波加工原理超声波加工是利用声能进行加工的方法。超声波加工原理1-工件2-工作液3-工具4-振幅扩大棒5-超声换能器6-冷却水7-超声波发生器15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1215.1.4超声波加工（1）适用于各种工件材料。如高韧性的合金、淬硬钢和硬质合金等硬材料，塑料、石墨等软材料，不导电的非金属硬脆材料（玻璃、陶瓷、宝石、金刚石、半导体材料）等。（2）被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，表面粗糙度值较小。（3）加工过程受力小、热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件，各种复杂形状的型孔、型腔和型面，还可进行套料、切割和雕刻。（4）生产率较低。2.超声波加工的特点15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1315.1.4超声波加工（1）超声材料去除加工。包括：1）超声切削加工：超声车削，超声钻削，超声镗削，超声插齿，超声剃齿，超声滚齿，

超声攻螺纹，超声锯料，超声铣削，超声刨削，超声振动铰孔。2）超声磨削加工：超声修整砂轮，超声清洗砂轮，超声磨削，超声磨齿。

3）磨料冲击加工：超声打孔，超声切割，超声套料，超声雕刻。（2）超声表面光整加工：超声抛光，超声珩磨，超声砂带抛光，超声压光，超声珩齿。（3）超声焊接和其他应用：超声焊接，超声电镀，超声清洗，超声处理。（4）超声塑性加工：超声拉丝，超声拉管，超声冲裁，超声轧制，超声弯管，超声挤压，超声铆墩。（5）超声清洗。在清洗的溶剂如煤油、汽油、四氯化碳中引入超声波，可强化清洗喷油嘴、喷丝板、微型轴承和手表机心等。（6）超声复合加工：超声电火花复合加工，超声电解复合加工。3.超声波加工的应用15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1415.1.5复合加工复合加工是把两种或两种以上的能量形式合理的组合在一起发展成的一种加工方法，它能成倍的提高加工效率和进一步改善加工质量，是特种加工的发展方向。

电解磨削原理示意图1-导电砂轮2-绝缘套3-导流环4-直流电源5-工作台6-工件7-电解液电解磨削就是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法。15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1515.1.6其他特种加工方法电子束和离子束加工都是在真空条件下利用极高速度运动的电子束或离子束的冲击动能，使被冲击的金属迅速局部熔化和气化，以在工件上形成窄缝、小孔，或把工件割开。由于离子的质量要比电子大千万倍，离子束加工比电子束加工能量更大，生产率更高，因此也用得更多。离子束加工可切割3~100mm厚的铝板、不锈钢板等，切割速度为50~6000mm/min。1.电子束和离子束加工15.1特种加工技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1615.1.6其他特种加工技术采用带有添加剂的水，以高达3倍声速的速度冲击工件进行加工或切削，水由水泵抽出，通过增压器增压。液体流束直径为0.05~0.38mm，可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，如加工铜、铝、铅、塑料、木材、橡胶、纸等多种材料。切缝较窄，故可节约材料和降低加工成本。加工温度较低，可以加工木板和纸品，还能在一些化学制品的保护层表面上画线等。2.液体喷射加工水射流加工是利用高速水流对工件的冲击来侵蚀材料的15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1715.2.1增材制造和材料快速原型制造根据零件分层几何信息，用数控激光器在铺上的一层箔材上切出本层轮廓，并将该层非零件图样部分切成小块，以便以后去除；再铺上一层箔材，用加热滚辗压，以固化粘接剂，使新铺上的一层箔材牢固地粘接在成形体上，再切割新层轮廓，如此反复直至加工完毕。箔材通常为一种特殊的纸，也可用金属箔等。1.分层实体制造增材制造是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。分层实体制造示意图1-激光器2-热压辊3-计算机4-供纸卷5-收纸卷6-块体7-层框和碎小纸块8-透镜系统15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1815.2.1增材制造和材料快速原型制造又称为激光立体光刻、立体印制。液槽中盛有紫外激光固化液态树脂，开始成形时，工作台台面在液面下一层高度，聚焦的紫外激光光束在液面上按该层图样进行扫描，被照射的地方就被固化，未被照射的地方仍然是液态树脂。然后升降台带动工作台下降一层高度，第二层上布满了液态树脂，再按第二层图样进行扫描，新固化的一层被牢固地粘接在前一层上，如此重复直至零件成形完毕。2.光固化立体造型光固化立体造型示意图1-成形零件2-紫外激光器3-环氧或丙烯酸光敏树脂4-液面5-升降台15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术1915.2.1增材制造和材料快速原型制造选区内的金属或合金粉末利用激光束进行熔化和堆积，成形为金属零件，特点：结构复杂、组织致密、冶金结合。用途：加工高温合金、不锈钢和钛合金等难加工材料，但零件的内应力和性能稳定性却难以控制。3.激光选区熔化激光选区熔化示意图15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术2015.2.1增材制造和材料快速原型制造加工时将丝状热熔性材料，通过一个熔化器加热，由一个喷头挤压出丝，按层面图样要求沉积出一个层面，然后用同样的方法生成下一个层面，并与前一个层面熔接在一起，这样层层扫描堆成一个三维零件。特点：设备简单，成本较低，其热熔性材料也比较广泛，如工业用蜡、尼龙、塑料等高分子材料，以及低熔点合金等。用途：大型、薄壁、薄壳成形件，可节省大量的填充过程。关键技术：要控制好从喷头挤出的熔丝温度，使其处于半流动状态，既可形成层面，又能与前一层层面熔结。还需控制层厚。4.熔融沉积成形熔融沉积快速成型制造原理图15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术2115.2.2高速切削技术（1）单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，切削效率提高3~5倍，加工成本可降低20%~40%。（2）在高速切削加工范围内，随切削速度的提高，切削力可减少30%以上，减少了工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。（3）切屑以很高的速度排出，切削热大部分被切屑带走，切削速度提高越大，带走的热量越多，传给工件的热量大幅度减少，工件整体温升较低，工件的热变形相对较小。有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度，适合于热敏感材料的加工。（4）转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高1~2个等级。（5）高速切削可加工硬度为45~65HRC的淬硬钢铁件，例如，高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。1.高速切削的特点以比常规高数倍的切削速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等。15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术2215.2.2高速切削技术具有生产效率高、切削力较小、加工精度和表面质量提高、生产成本降低并且可加工高硬度材料等许多优点。在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。高速切削可加工的工件材料包括钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。2.高速切削的应用15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术2315.2.3精密加工和超精密加工（1）微量切除（极薄切削）。超精密加工时，背吃刀量极小，属于微量切除和超微量切除，因此对刀具刃磨、砂轮修整和机床精度均有很高要求。（2）综合制造工艺系统。精密加工和超精密加工是一门多学科交叉的综合性的高技术，要达到高精度和高表面质量，涉及被加工材料的结构及质量（如材料结构中的微缺陷等）、恒温、净化、防振的工作环境，以及人的技艺等诸多因素，因此精密加工和超精密加工是一个系统工程，不仅复杂，而且难度很大。（3）精密特种加工和复合加工方法。在精密加工和超精密加工方法中，不仅有传统的加工方法，如超精密车削、铣削和磨削等，而且有精密特种加工方法，如精密电火花加工、激光加工、离子束加工等，还有一些精密复合加工方法。（4）自动化技术。精密加工和超精密加工应用计算机技术、在线检测和误差补偿、适应控制和信息技术等，使整个系统工作自动化。（5）加工检测一体化。精密加工和超精密加工中，不仅要进行离线检测，而且有时要采用在位检测、在线检测和误差补偿，以提高检测精度。1.精密加工和超精密加工的特点精密加工通常是指加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度Ra值小于0.01~0.1μm的加工技术；超精密加工是指加工精度高于0.1μm、表面粗糙度Ra值小于0.025μm的加工技术。15.2先进制造技术机械制造基础第15章特种加工与先进制造技术2415.2.3精密加工和超精密加工根据加工方法的机理和特点，精密加工和超精密加工方法可分为刀具切削加工、磨料磨削加工、特种加工和复合加工