第二章 特种加工工艺基础.ppt

1、第二章是特种加工技术的基础。什么是特殊加工的“特殊”？“特殊”在于它不使用传统的工具或磨料来切割工件，而是直接使用电能、电化学能、声能或光能，或者选择几种能量的复合形式来加工材料。特殊加工的特点：(1)刀具材料的硬度比工件材料的硬度低得多；(2)可以利用电能、电化学能、声能或光能直接加工材料；(3)加工过程中的机械力不明显；(4)各种加工方法可以有选择地组合成一种新的加工方法，使生产效率成倍提高，加工精度也相应提高；(5)几乎每次产生新的能源，它都可能导致新的特殊处理方法。(1)解决各种难切削材料的加工问题，如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石、锗和硅等高强度、高硬度

2、、高韧性、高脆性和高纯度的金属和非金属。(2)解决各种复杂零件表面的加工问题，如各种热锻模、落料模、冷拉模、整体涡轮、喷气涡轮叶片、炮管内腔线、燃料喷嘴和喷丝头微小异形孔的加工问题。(3)解决航空航天和国防工业中各种有特殊要求的精密零件加工问题，如加工陀螺仪、伺服阀、低刚度细长轴、薄壁圆筒和表面质量高、精度要求高的弹性元件。根据能量形式和作用原理对特殊加工方法进行了分类：(1)电能和热能的作用方式为电火花加工、WEDM加工、电子束加工和等离子加工。(2)电能和化学能的作用方式有电化学加工、电铸加工和电刷镀加工。(3)电化学能量和机械能的作用方式为：电解磨削和电解珩磨(ECH)。(4)声能和机械

3、能的作用方式为：超声加工；(5)光能和热能的作用方式为：激光加工(LBM)。(6)电能和机械能的作用方式是离子束加工。(7)液流能和机械能的作用方式为：挤压珩磨(AFH)和水射流切割(WJC)。特种加工对机械制造技术的影响：(1)改变了对材料可加工性的认识；(2)重新评价了设计结构可制造性的优缺点；(3)给零件的结构设计带来了巨大的变化；(4)进一步优化了零件的加工工艺。在第二部分中，电火花加工在一定的液体介质中，利用脉冲放电腐蚀导电材料以去除材料，从而形成零件的尺寸、形状和表面。电火花加工的原理是，加工时，脉冲电源的一极与工具电极相连，另一极与工件电极相连。两个电极都浸在具有一定绝缘度的液体

4、介质(煤油或矿物油)中。工具电极由自动进给调节装置控制，以确保在正常加工过程中工具和工件之间保持小的放电间隙。当在两个电极之间施加脉冲电压时，电极之间最近点的液体介质将被分解，并且将形成放电通道。通道的横截面积小，放电时间极短，导致能量高度集中。放电区域产生的瞬时高温足以熔化甚至蒸发材料，导致形成小凹坑。以这种方式，工具电极被连续地供给到工件，并且其形状最终被复制到工件上以形成所需的加工表面。同时，总能量的一小部分被释放到工具电极，导致工具损耗。电火花加工必须满足以下三个条件：(1)必须使用脉冲电源形成瞬时脉冲放电。每次脉冲放电持续一段时间后，需要停止一段时间(图23)。这样，能量可以集中在一

5、个很小的区域，而不会扩散到邻近的物质。确保零件的尺寸和表面质量。(2)必须采用自动进料调节装置，以保持较小的出料流量如果间隙太大，极间电压很难突破极间液体介质，不能产生火花放电。如果间隙太小，很容易产生短路和火花放电。电气参数对放电间隙有很大影响。单边间隙在精加工时只有0.0毫米，但在粗加工时可以达到0.5毫米甚至更大。(3)火花放电必须在具有一定绝缘强度(103107厘米)的液体介质中进行。常用的绝缘液体介质包括煤油、皂化液和去离子水。液体介质，又称工作流体，不仅有利于产生脉冲火花放电，而且有利于消除放电过程中产生的电偶腐蚀产物，冷却电极和工件表面。电火花加工的特点：(1)可以加工任何高强度

6、、高硬度、高韧性、高脆性和高纯度的导电材料。如不锈钢、钛合金、工业纯铁、淬火钢、硬质合金、导电陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石。(2)加工时没有明显的机械力，适用于加工低刚度工件和精细结构。由于工具电极的形状可以简单地复制在工件上，再加上数控技术的应用，它特别适用于复杂的孔和腔的加工。即使是简单的工具电极也可以用来加工复杂形状的零件。(3)可根据需要调整脉冲参数，因此可在同一机床上进行粗加工、半精加工和精加工。(4)一般来说，生产效率低于切割。为了提高生产率，加工通常用于粗加工，然后是电火花加工。目前，电火花高速加工小孔的生产率已经明显高于钻孔。(5)在放电过程中，工具电极会消耗一些能量，导致

7、电极损耗，影响成形精度。广泛应用于机械制造、航空航天、仪器仪表和电子设备行业。其次，电火花加工的基本工艺规则，与切削相比，其工艺过程和所涉及的工艺参数要复杂得多。从最终结果来看，主要体现在四个方面：加工速度、刀具损耗、表面质量和加工精度。单位时间内工件的蚀刻量称为加工速度(即生产率)；单位时间内工具的腐蚀量称为损失率。然而，被加工工件的蚀刻表面存在表面质量和加工精度的问题。(1)增加单个脉冲的能量WM，这主要通过增加脉冲电流和脉冲宽度来实现。然而，任何事物都具有两重性，单脉冲能量的增加不仅会提高加工速度，还会降低表面质量和加工精度。因此，它只适用于粗加工和半精加工。(2)增加脉冲频率要增加脉冲

8、频率，必须缩短脉冲间隔时间。如果脉冲间隔过小，可能会使工作区域内的工作流体没有时间恢复其绝缘性能，从而导致破坏性的电弧放电，使加工过程无法正常进行。因此，脉冲频率只能在一定范围内增加。(3)提高过程系数p，合理选择电极材料、放电参数和工作流体，进一步改善工作流体的循环过滤方式，从而提高脉冲利用率，达到提高过程系数的目的。(4)工件极性的正确选择在电火花加工中，工件的正负电极都不同程度地被电加热腐蚀。即使工具电极和工件的材料相同，例如，钢是由钢加工而成的，正电极和负电极的蚀刻量也是不同的。这种由不同极性引起的不一致的电蚀现象称为极性效应。在生产中，当使用窄脉冲时(如用紫铜电极加工钢，ti10s)

9、，一般采用正极性加工(即工件与脉冲电源的正极相连)；当用宽脉冲加工时(如用紫铜电极加工钢时用ti80s)，应采用负加工(工件与脉冲电源的负电极相连)。这时，工件可以获得更快的蚀刻速度。有一些方法可以减少工具电极的相对损耗。(1)北极星如果采用正极性处理，电极损耗一般大于12。(2)利用覆盖效应当使用煤油和其他碳氢化合物作为工作流体时，放电产生的高温会使工作流体分解成碳化物并附着在电极表面，形成可持续放电的保护层。这种现象被称为覆盖效应或吸附效应。工具电极上的这种碳化物黑色薄膜在电火花加工过程中始终处于“形成和去除”的动态平衡，就像切削过程中的切屑堆积一样。它可以保护和补偿工具电极，有助于实现“

10、低损耗”加工。因为黑色膜只能形成在正电极的表面上，所以必须采用负电极处理来利用覆盖效应。(3)选择合适的工具电极材料工具电极材料的选择对损耗有很大的影响。常用的材料有铜、石墨、钨、铜钨合金和银钨合金。虽然铜的熔点低，但它的导热性好，所以它的损耗小。此外，铜具有良好的可加工性，易于制成各种精密复杂的电极，常用作制造中小腔体的工具电极。石墨不仅易于加工，而且具有良好的热性能，在长脉冲加工过程中还能吸收游离碳以补偿电极损耗，广泛用于制造各种加工腔体的电极。钨、钼、铜钨合金、银钨合金等材料熔点高、导热性好、电极损耗小，但价格昂贵、加工困难，因此一般用于精密电火花加工。在高速WEDM，钼被广泛用于制造线

11、电极。对于导热性好的工具电极，还可以利用材料的传热效应来降低其损耗。表面质量及影响因素，(1)表面粗糙度。电火花加工表面由许多无方向性的凹坑和硬凸边组成。在相同条件下，表面的润滑性和耐磨性优于定向切削和磨削加工。单脉冲能量对表面粗糙度Ra的影响最大。单脉冲能量越大，加工表面越粗糙。工件材料也对表面粗糙度有影响。高熔点材料，如硬质合金，其表面粗糙度Ra小于低熔点材料，如钢。由于电火花加工中的复制效应，工具电极的表面粗糙度也直接影响加工表面的表面粗糙度。极地表面应该是光滑平坦的。此外，它还受到加工方法的影响。(2)表面变质层，(1)熔化凝固层位于工件表层的最上层。它是一个薄层，在放电过程中瞬间高温

12、熔化后，被液体介质迅速冷却和固化。2)热影响层位于熔化层和基底之间。尽管受到瞬时放电高温的影响，它并没有熔化。高温改变了其金相组织，但与基体材料没有明显的界限。热影响层主要是淬火区，其厚度一般为最大微粗糙度的23倍。3)由于瞬时高温和淬火，电火花加工表面容易出现微裂纹。脉冲能量越大，微裂纹越深。当脉冲能量小到一定程度时，裂纹一般不再出现。由于硬脆材料的原始内应力较大，在电火花加工过程中容易产生裂纹。(3)表面力学性能。电火花加工表面层主要影响材料的显微硬度、耐磨性、残余应力和抗疲劳性。1)对显微硬度和耐磨性的影响表层硬度较高，表面耐磨性对滑动摩擦较好。交变载荷下的滚动摩擦，特别是干摩擦，容易引

13、起剥落和磨损。2)对残余应力的影响是瞬时高温和快速冷却交替频繁进行，容易在材料表面产生以拉应力为主的残余应力。为了降低残余应力，对于表面质量要求高的工件，必须选择较小的脉冲能量和适当的热处理。3)对耐疲劳性的影响电火花加工表面层的耐疲劳性远低于如果排除机床的制造误差、工件和工具电极的定位和安装误差，影响加工精度的主要因素包括放电间隙的大小和一致性、工具电极的损耗以及加工过程中的“二次放电”。具体如下：(1)放电间隙的大小和一致性。电火花加工时，如果放电间隙保持不变，可以获得较高的加工精度。为了减少加工误差，经常使用较小的放电参数来提高复制精度。(2)工具电极损失，影响尺寸精度和形状精度。粗加工

14、通常是分开进行的。除了使用较小的放电参数外，还更换了新的电极或使用平移方法来提高加工精度。(3)二次放电。“二次放电”是指由于未能及时清除腐蚀产物而导致的加工表面异常放电。由于二次放电，工件加工深度方向会出现倾斜，加工的棱角容易变圆。电火花加工的类型，如电火花成形、WEDM、电火花磨削、电火花成形、非金属电火花加工和电火花表面强化等。电火花加工是通过相对于工件进给工具电极，在工件上复制工件电极的形状和尺寸，从而加工出所需的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工。(1)电火花加工型腔，包括三维型腔和表面加工，也包括电火花雕刻。主要用于加工各种热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和酚醛模的型腔。这些腔体大

15、多为盲孔，内部形状复杂，深度不同，加工难度大。为了便于移除加工产品和冷却，并提高加工的稳定性，有时会在工具电极的中间打开油冲洗孔。(2)电火花加工，主要用于加工异形孔(圆孔、方孔、多边形孔、异形孔)、曲面孔(曲面孔、螺旋孔)、小孔和微孔。近年来，电火花加工技术发展了高速小孔加工，解决了小孔加工中电极截面小、易变形、孔深径比大、排屑困难的问题，取得了良好的社会效益和经济效益。加工时，通常使用管状电极，并向其中引入高压工作流体。工具电极在旋转时进行轴向进给运动。这种方法适用于0.33毫米的孔。加工速度可达60毫米，远高于小直径麻花钻，避免了小直径麻花钻容易折断的问题。该方法也可用于在斜坡和曲面上打

16、孔，孔的尺寸精度和形状精度高。细孔，直径小于0.2毫米的孔称为细孔。目前国外已经加工出深径比为5、直径为0.015的微孔。在我国，深径比为10、直径为0.05的微孔可以稳定加工。在微孔加工过程中，除了刀具电极制备困难外，排屑状态极其恶劣，需要特殊的脉冲电源来控制单个脉冲的放电能量，这对伺服进给系统也有更严格的要求。由于微孔加工孔径小，电极相对损耗较大，应选用杂质少、损耗小、刚性好、加工稳定性好的钨丝。然而，市场上购买的钨丝的尺寸和形状不能满足加工要求。常用的电火花仿形加工方法是加工精密工具电极的有效方法。如下图所示，反向复制方法有两种：一种是使用固定在工作台上的长方形铜钨合金作为反向复制电极(图210(a)，另一种是使用线电极电火花磨削方法(图210(b)。使用后一种方法，甚至可以加工直径为0.0毫米的细轴。当然，这个细轴的长度应该满足加工深度。WEDM使用移动的细金属丝作为工具电极，按照预定的轨迹进行脉冲放电切割。根据电极丝的运动速度，可分为高速WEDM和低速WEDM。高速WEDM在中国被广泛使用，而低速WEDM近年来正在发展。线电极为高强度钼丝，在高速走丝时直径为0.02-0.3。钼丝的往复速度为810毫秒。低速时，通常使用铜线，线电极以低于0.2毫秒的低速向一个方向移动。WEDM原理如图2-11所示。工作时，脉冲电源