特种加工工艺
- 格式：doc
- 大小：249.50 KB
- 文档页数：29
特种加工工艺
第一节 概述
随着科学技术、工业生产的发展及各种新兴产业的涌现，工业产品内涵和外延都在扩大；正向着高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化、环保（绿色）化及人本化方向发展，制造技术本身也应适应这些新的要求而发展，传统机械制造技术和工艺方法面临着更多、更新、更难的问题。体现在：
1）新型材料及传统的难加工材料，如碳素纤维增强复合材料、工业陶瓷、硬质合金、钛合金、耐热钢、镍合金、钨钼合金、不锈钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、耐高温的金属或非金属材料的加工；
2）各种特殊复杂表面，如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣和锻压模的立体成型表面，各种冲模冷拔模上特殊断面的异型孔，炮管内膛线，喷油嘴、棚网、喷丝头上的小孔、窄缝、特殊用途的弯孔等的加工；
3）各种超精、光整或具有特殊要求的零件，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、弹性组件等低刚度零件的加工。
上述工艺问题仅仅依靠传统的切削加工方法很难、甚至根本无法解决。特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。特种加工与传统切削加工的不同点是：
1）主要依靠机械能以外的能量(如电、化学、光、声、热等)去除材料；多数属于“熔溶加工”的范畴。
2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；
3）加工过程中工具和工件之间不存在显着的机械切削力；
4）主运动的速度一般都较低；理论上，某些方法可能成为“纳米加工”的重要手段；
5）加工后的表面边缘无毛刺残留。微观形貌“圆滑”；
特种加工又被称为非传统或非常规加工，英译：Non-traditional（conventional） Machining，简写：NTM或NCM。特种加工方法种类很多，而且还在继续研究和发展。目前在生产中应用的特种加工方法很多，它们的基本原理、特性及适用范围见表7-1。本章着重讲述其中几种。
表7－1 常用特种加工方法
（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月表5-9）
第二节 电火花加工
电火花加工又称放电加工、电蚀加工(E1ectro－ Discharge Machining，简称EDM)，是一种利用脉冲放电产生的热能进行加工的方法。其加工过程为：使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属熔解、气化而蚀除材料。放电过程可见到火花，故称之为电火花加工，日本、英、美称之为放电加工，其发明国家—原苏联称电蚀特种加工方法 加工所用能量 可加工的材料 工具损耗率
(％) 金属去除率/mm3min-1 尺寸精度/mm 表面粗糙度Ra/µm 特殊要求 主要适用范围
最低／平均 平均／最高 平均／最高 平均／最高
电火花加工 电热能
任何导电的金属材，如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢等 1／50 30／3000 0.05／0.005 10／0.16 各种冲、压、锻模及三维成型曲面的加工
电火花线切割 电热能 极小(可补偿) 5／20 0.02／0.005 5／0.63 各种冲模及二维曲面的成型截割
电化学加工 电、化学能 无 100／10000 0.I／0.03 2.5／0.16 机床、夹具、工件需采取防锈防蚀措施 锻模及各种二维、三维成型表面加工
电化学机械 电、化、机械能 1／50 1／100 0..02／0.001 1.25／0.04 硬质合金等难加工材料的磨削
超声加工 声、机械能 任何脆硬的金属及非金属材料 0.1／10 1／50 0.03／0.005 0. 63／0.16 石英、玻璃、锗、
硅、硬质合金等脆硬材料的加工、研磨
快速成形 光、热、化学 树脂、塑料、陶瓷、金属、纸张、ABS 无 增材制造 制造各种模型
激光加工 光、热能
任何材料 不损耗 瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高 0.0I／0.001 10／1.25 加工精密小孔、小缝及薄板材成型切割、刻蚀 电子束加工 电、热能 需在真空中加工 离于束加工 电、热能 很低 ／0.01µm 0.01 表面超精、超微量加工、抛光、刻蚀、材料改性、镀覆 加工。
一、电火花加工基本原理、装置及特点
1．电火花加工的基本原理与装置
电火花加工的原理是基于工具和工件（正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的加工要求。图7-1所示是电火花加工系统图。工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。自动进给调节装置3(此处为液压缸及活塞)使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙。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，如图7-2所示。其中图a表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图b表示多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间(即脉冲间隔t0)，工作液恢复绝缘，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。整个加工表面是由无数个小凹坑所组成。
（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-43）
图7-1 电火花加工原理与设备组成
1.工件 2.脉冲电源 .进给调节装置 4.工具 5.工作液 6.过滤器 7.工作液泵
（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-44）
图7－2 电火花加工表面局部
a) 单个脉冲放电 b) 多个脉冲放电
要达到上述加工目的，设备装置必需以下三个条件：
1）工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙（通常约为几微米至几百微米）。间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。间隙过小，会形成短路，不能产生火花放电，而且会烧伤电极。 2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7~10-3s。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内；否则，象持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。图7-3为脉冲电源的电压波形，图中ti为脉冲宽度，t0为脉冲间隔，tp为脉冲周期，ui为脉冲峰值电压或空载电压。
（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-45）
图7－3 脉冲电源电压波形
3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度(103~107Ω·cm)以有利于产生脉冲性的火花放电，同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。
2．电火花加工的特点
⑴ 电火花加工的优点：
1）适合于难切削材料的加工 可以突破传统切削加工对刀具的限制，实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工象聚晶金刚石、立方氮化硼一类超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。
2）可以加工特殊及复杂形状的零件 由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。数控技术电火花加工可以简单形状的电极加工复杂形状零件。
3）主要用于加工金属等导电材料，一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。
4）加工表面微观形貌圆滑，工件的棱边、尖角处无毛刺、塌边；
5）工艺灵活性大，本身有“正极性加工”（工件接电源正极）和“负极性加工”（工件接电源负极）加工之分；还可与其他工艺结合，形成复合加工，如与电解加工复合；
⑵ 电火花加工的局限性
1）一般加工速度较慢 安排工艺时可采用机械加工去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率。最近新的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率甚至高于切削加工。
2）存在电极损耗和二次放电 电极损耗多集中在尖角或底面，最近的机床产品已能将电极相对损耗比降至0.1％，甚至更小；电蚀产物在排除过程中与工具电极距离太小时会引起二次放电，形成加工斜度，影响成型精度，图7-4。二次放电甚至会使得加工无法继续。
图7－4 电火花加工的加工斜度和圆角现象
3）最小角部半径有限制 一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙（通常为0.02~0.3mm），若电极有损耗或采用平动、摇动加工则角部半径还要增大。
二、影响电火花加工精度和表面质量的主要因素
与传统的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到电火花加工的精度。另外，与电火花加工工艺有关的主要因素是放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定等。电火花加工时工具电极与工件之间放电间隙大小实际上是变化的，电参数对放电间隙的影响非常显着，精加工放电间隙一般只有0.01mm（单面），而粗加工时则可达0.5mm以上。目前，电火花加工的精度为0.01~0.05mm。
影响表面粗糙度的因素主要有：脉冲能量越大，加工速度越高，Ra值越大；工件材料越硬、熔点越高，Ra值越小；工具电极的表面粗糙度越大，工件的Ra值越大；
三、电火花加工的工艺方法分类及其应用
按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、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六大类，它们的特点及用途如表7-2所示。
四、电火花线切割加工
电火花线切割加工(Wire Cut EDM，简称WEDM)是在电火花加工基础上，50年代末在原苏联发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极(钼丝或铜丝)靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，有时简称线切割。它已获得广泛的应用，目前国内外线切割机床已占电加工机床的60％以上。 表7-2 电火花加工工艺方法分类
（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月表5-10）
1．线切割加工的工作原理与装置
图7-5a、b为高速走丝电火花线切割工艺及装置的示意图。利用细钼丝或铜丝4作工具电极进行切割，贮丝简7使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源3供给。在电极丝和工类别 工艺 特 点 用 途 示意图
I 电火花穿孔成型加工 1.工具和工件问主要只有一个相对的伺服进给运动
2.工具为成型电极，与被加工表面有相同的截面或形状 1.型腔加工：加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件
2.穿孔加工：加工各种冲模，挤压模、粉末
冶金模、各种异形孔及微孔等。约占电火花机床床有D7125，D7140等电火花穿孔成型机床
II 电火花线切割加工 1.工具电极为顺电极丝轴线移动着的线状电极
