机械制造技术：特种加工技术

机械制造技术：特种加工技术1．概述特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆盖等的非传统加工方法统称为特种加工。2．电火花加工电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。⑴电火花加工的原理电火花加工的原理是在进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入绝缘工作液中，或将绝缘工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。综上所述，要进行电火花加工必须具备以下条件①放电间隙②脉冲电源③绝缘工作液⑵电火花加工的表面质量电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分。①表面粗糙度电火花加工表面由无数个小坑和硬凸边所组成，有利于保存润滑油；而机械加工表面质量则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。两者相比，在相同表面粗糙度和有润滑油的情况下，电火花加工表面的润滑性能和耐磨性能均比机械加工的好。②表面变质层电火花加工过程中，电火花将煤油中碳微粒分解出来渗入工件表层，同时又受到工作液的快速冷切的作用，工件的表面层发生了很大的变化，形成了熔化凝固层和热影响层。a、融化凝固层位于攻坚表面最上层，是放电时高温熔化的金属未被去除的小部分，是工作液快速冷却而凝固的一薄层，一般不超过0.1mm，其硬度在1000HV乃至1000HV以上，凝固层于基体金属不同，并且与内层的结合也不甚牢靠。b、热影响层热影响层介于熔化层与基体之间，它虽然受到高温的影响，但金属材料并没有熔化和基体材料之间也没有明显的界限。由于热影响层中靠近凝固层部分受到高温作用而迅速冷却，形成淬火区，其厚度与条件无关。一般电源脉冲宽度越宽，向内传的热量就越多，热影响层越厚。c、显微裂纹由于电火花加工表面受到瞬间高温作用并迅速冷却而产生内应力，在表面出现显微裂纹。一般裂纹仅出现在热熔化层，只有在脉冲能量很大的情况下才有可能扩展到热影响层，脉冲能量越大，显微裂纹越宽、越深，脉冲能量很小时一般不出现显微裂纹。不同工件材料产生裂纹的敏感性不同，硬脆材料容易产生表面显微裂纹。在含钨、铬、钼、钒等合金元素的冷轧模具钢、高速钢、耐热钢中较易产生，在低碳钢和低合金钢中不产生。因为淬火材料脆硬，原始应力也较大，容易产生裂纹。③表面力学性能a、显微硬度及耐磨性电火花加工表面一般在最外面有一层硬度比较高，耐磨性好的薄层。但由于它和基体的结合不牢固，容易剥落，因此需要根据使用情况来决定其利用还是研磨掉。b、残余应力电火花加工表面由于电火花对金属的先热膨胀后冷缩作用，表面层一般有残余拉应力。残余应力的大小和分布，主要与材料的热处理状态和加工的脉冲能量有关。c、耐疲劳性能电火花加工表面存在着较大的拉应力和显微裂纹，其耐疲劳性能降低很多。采用回火、喷丸等处理方法，降低残余应力，或者电火花精加工，可提高金属表面耐疲劳性能。⑶电火花加工的特点①电火花加工的电极较软，但可以加工硬度极高的材料。电极可以用石墨、紫铜及钢材制成。被加工材料可以是钢材，也可以是超硬的聚晶金刚石。②可以较容易地加工出很复杂的零件形状。③加工过程中没有机械切削力、电极运动的动力需要较小，火花放电时产生的局部瞬时爆炸力很小，工件也不会因此而产生受力变形。也不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷。④电极与工件之间保持一个充满液体的放电间隙，相互之间无直接接触，而且强制循环的液体有利于工件的冷却。⑷电火花加工的适用范围电火花加工的适用范围较广，可以说：与材料的软硬无关，形状复杂不怕，异型微孔擅长。①可以加工各种难加工的金属材料和其他导电材料。②可以加工形状复杂的表面③加工中电极与工件之间作用力微小，有利于加工薄壁、弹性、低刚度和有微细小孔、异形小孔、微小深孔等的零件。⑸电火花线切割加工技术电火花线切割加工也是靠电火花放电对工件进行加工，因为电极为线状，故称为电火花线切割。它应用广泛，以成为电加工机床的主体。电火花线切割主要特点①电极为丝状，结构简单。可切割淬火钢、硬质合金等各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料。②可以加工微细导型孔、窄缝和复杂形状的工件。③能加工各种冲模、凸轮、样本等外廓复杂的柱形精密零件，尺寸精度可达0.02～0.01mm，表面粗糙度Ra值可达1.6μm。也可切割带斜度的模具或工件。④切割缝窄，节省材料。⑤自动化程度高，操作方便，劳动强度低。⑥加工周期短，成本低。电火花线切割分类①按控制方式可分为数字程序控制及微机控制的等。②按脉冲电源形式可分为晶体管电源、分组脉冲电源及适应控制电源等。③按加工特点可分为大、中、小型，以及普通直壁切割型与锥度切割型等。④按走丝速度可分为低速走丝方式和高度走丝方式。电火花线切割应用范围①应用最广泛的是加工各类模具。②各种导电材料和半导体材料以及稀有、贵重技术内的切断。③价格微细槽，任意曲线窄缝切割。④加工各种直纹曲面的零件。3．电解加工和电解磨削电解加工和电解磨削均属电化学加工方法，前者是利用电化学阳极熔解来进行加工，后者是利用电化学加工与机械加工相结合的复合加工工艺。⑴电解加工电解加工是继电火花加工以后，发展较快、较广泛的一种特种加工方法。目前在国内外已成功地应用于国防工业的各个部门，在模具制造中也得到了广泛的应用。在机械制造业中，它已成为一种不可缺少的工艺方法。①电解加工过程及成型原理电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理去除工件上多余材料的一种加工方法。电解加工开始时，工件阳极与工具阴极的形状不同，工件表面上各点至工具表面的距离不等，因而各点的电流密度不同。距离较近处通过的电流密度大，电解液的流速也常常较高，阳极溶液的速度较快；反之，距离较远处通过的电流密度小，阳极溶液的速度较慢。当工具不断进给时，工件表面上各点就以不同的溶液速度进行溶解，工件的形状就逐渐接近于工具的形状，直到把工具的形状“复映”在工件上，得到所需要的形状为止。②加工间隙加工间隙是影响电解加工精度的主要因素之一，也是设计工具阴极和选择工艺参数的主要依据。③电解液电解液的主要作用是：作为导电介质传递电流；在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起更新与冷却作用。因此，电解液的基本要求应具有以下几点：具有良好的加工特性，能使工件材料高速均匀地溶解，尽量避免形成难溶的钝化膜；溶液中的金属阳离子不得在工具阴极的表面沉积，以保持工具阴极型面的正确形状；具有较高的电导率和比热容；较低的粘度，以减小由于电解液的电阻所造成的电能损耗及发热量，并使加工间隙中的电解液具有足够的流速；安全、无毒、腐蚀性小；成分稳定，易于维护，价格低。电解加工的工艺特点及应用与传统的切削加工相比，电解加工工具有以下优点：可以加工具有各种力学性能的金属材料，加工范围十分广泛；可以加工各种形状复杂的型孔、型面和型腔，并可以在一次进给中成形，具有较高的生产率；由于加工过程中无切削力和切削热的作用，所以不会产生由此而引起的变形和残余应力、冷作硬化、金相组织的变化，以及毛刺、刀痕和飞边等；加工表面粗糙度一般为Ra0.8～0.2μm。工具阴极在加工过程中基本无损耗，可以长期使用。但电解加工也存在一些缺点和局限性，这主要是：加工精度不太高，最高精度不超过±0.03mm。难以加工很细的窄缝、小孔及清棱清角的工件。电解液对设备和环境有腐蚀作用。加工复杂型面的工具电极，设计和制造都比较麻烦。电解加工应用有：a、具有型面的零件电解加工在这方面的应用较多，如加工涡轮叶片、花键孔及其它异形孔、深孔、模具型面等。b、各种不同性能的材料电解加工可用于碳钢、淬火及未淬火的合金钢、高温合金、钛合金的加工，也可用于铝合金、铜合金、硬质合金及半导体材料等的加工。c、多种不同的工艺内容和加工方式电解加工可用于零件的扩孔、套料、开槽、内孔抛光、零件倒棱、去毛刺、微孔加工、切割及刻印。⑵电解磨削电解加工的生产率较高，但由于它是靠化学阳极溶解去除材料的，因而加工精度和表面粗糙度不易达到精加工的要求。为提高加工精度，在电解加工的基础上发展了电化学机械加工。电解磨削就是其中一种。电解磨削与机械磨削相比，具有如下特点：磨削效率一般高于机械磨削，而磨轮的损耗远比机械磨削小；可以提高加工精度及表面质量。表面粗糙度可小于Ra0.16μm。同时由于磨削压力和磨削热都很小，磨削表面不产生残余应力、变形、烧伤、裂纹和毛刺等缺陷；所需的辅助设备较多，从而增加了投资费用；电解液具有腐蚀性，机床、夹具等应具有有效的防护措施；加工中有刺激性气体和电解液雾沫产生，污染环境、需配置防护、吸气、排气等装置。4．激光加工激光加工的原理,它是利用某些材料经受激辐射产生的加强光，再通过聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，将光能的能量密度提高到10～10W/㎝左右，照射在工件表面上，形成温度高达10000℃以上的光斑区，使材料熔化甚至气化，对材料进行的一种加工。激光加工器按其产生激光的工作物质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器及半导体激光器等四大类。在机械加工中，由于固体激光器体积小，所以调整方便，应用较广泛。激光是一种单色光，其基本性质与普通光完全相同，也具有反射、折射、绕射及光波干涉等特性，但激光与普通光比较也有自身的特点：高亮度，一台红宝石巨脉冲激光器的亮度比太阳表面的亮度高200多亿倍；高单色性；高方向性。⑴激光加工的特点和作用①激光加工能量密度高，可达10～10W/㎝，可以加工各种金属材料和非金属材料。②激光加工的机械力小，不存在工具损耗，加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。③激光可透过玻璃等材料对工件进行加工，如对真空管内的器件进行焊接。④激光斑可以聚焦成微米级，又可以调节输出功率大小，因此可以实现精密微细加工。⑤平均加工精度可达0.01mm，最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度Ra值也可达到0.4～0.1μm。⑥激光可以进行表面热处理、焊接、切割、打孔、雕刻及微细加工等多种加工。⑵激光加工的应用①激光打孔②激光切割③激光焊接④激光表面处理5.电子束加工技术和离子束加工技术⑴电子束加工原理在真空条件下，利用能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走，从而达到加工的目的。⑵电子束加工的特点①电子束能够聚焦到焦点直径只有0.1微米，加工面积小，是一种精密微细的加工方法。②电子束能量密度很高。材料被照射时的温度超过其熔化和气化温度，因而瞬时蒸发。③电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。④对电子束的精度、位置、聚焦等可以进行直接控制，整个加工过程便于实现自动化。⑤由于加工在真空中进行，污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工要求极高的半导体材料、易氧化的技术内及合金材料。⑥电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定的局限性。⑶电子束加工的应用①电子束打孔电子束打孔已在生产中广泛应用，最小直径可达φ0.003mm左右，用于喷气发动机套上的冷却孔，机翼吸附屏上的孔。电子束打孔时，不仅孔数可达数百万个，而且有时还可以改变孔径、可在工件运动中进行。电子束打孔速度极高，例如在0.1mm厚的不锈钢上每秒可打3000个直径为φ0.2mm的孔。②刻蚀微电子器件的发展，需要在陶瓷或半导体上刻出许多微细沟槽和孔，如在硅片上刻出宽2.5μm、深0.25μm的细槽；在混合电路电阻的金属镀层上刻40μm宽的线条，均可发挥电子束加工的特长。③焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。其能量密度高，焊接速度快，所以焊接深而窄，热影响区小，变形小，加工中不用焊条，焊接过程在真空中进行，焊接纯净，焊接接头的强度高。④热处理电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。电子束设备的功率一般比激光功率大，可以有更广泛的应用前景。⑤光刻采用电子束加工，可在几毫米见方的硅片上安排