特种加工

特种加工

第一节 特种加工综述

一、特种加工产生背景

随着工业生产及科学技术的发展，工业产品向高精度、高速度、高温、高压等方向发展，使用的材料越来越难于加工，零件形状更加复杂，零件尺寸精度要求愈来愈高，粗糙度值要求愈来愈小。因此，仅仅依靠传统的切削加工方法，就很难满足要求。为了解决各种难加工材料的加工问题，如对硬质合金、钛合金、不锈钢的加工；为了解决特殊、复杂表面和精密细小零件的加工，如汽轮机叶片、立体成型表面的锻模、细小孔的喷丝头等的加工；为了解决对表面质量、精度等有特殊要求的零件加工问题，特种加工新工艺逐步发展起来。

二、特种加工的特点

特种加工是指切削加工以外的一些新的加工方法。它与传统的机械加工方法相比，有以下特点：

（一）特种加工不是依靠机械能，而是利用电能、声能、光能或化学能来除去工件上多余材料。

（二）机械加工用的工具硬度是不能低于加工材料的，但特种加工用的工具硬度却可以低于被加工材料的硬度，实现了“以柔克刚”。

（三）特种加工中工具与工件间不存在显著的机械切削力，不产生宏观切屑，不产生强烈的弹、塑性变形，故可获得很低的表面粗糙度Ra值。

三、各种特种加工方法的比较

表7-1就各种特种加工方法的工艺能力和经济性、适用的工件形状和材料进行了综合比较。

本章就电火花加工、电解加工、激光加工的工作原理、特点及应用场合作简单介绍。

表7-1 特种加工的适应性

特种加工方法 电解 电火花 激光

被加工材料 金属 铝 △ △ △

钢 ○ ○ △

超耐热合金 ○ ○ △

钛合金 △ ○ △

耐热合金 △ ○ ×

非金属 陶瓷 × × ○

塑料 × × △

玻璃 × × △

加工形状 圆孔 极微小孔D<0.025mm × × ○

微小孔D>0.025mm × △ ○

浅孔(L/D<20) ○ ○ ×

深孔(L/D>20) ○ △ ×

冲模 精密 △ ○ ×

普通 ○ ○ ×

锻模 浅 ○ ○ ×

深 ○ ○ ×

表面成形 双曲面 ○ △ ×

回转面 △ × ×

成形切断 薄 ○ ○ ○

厚 ○ △ △

注：○最适合 △适合 ×不适合 第二节 电火花加工

一、电火花加工的基本原理

电火花加工是基于在工具与工件之间形成脉冲火花放电时产生的电腐蚀来除去多余金属，以达到加工目的。图7-1为电火花加工装置原理图，脉冲发生器1的两极分别接在工具电极2与工件3上，当两极在工作液4中靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电，在放电通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度（10000℃），使表面局部金属熔化甚至气化而被蚀除，形成一个微小的凹坑。多次放电的结果，电极和工件的表面由无数极小凹坑所组成，如图7-2所示。电极不断下降，工具电极的轮廓形状便复印在工件上，这样便完成了工件的加工。

图7-1 电火花加工装置原理图 图7-2 加工表面放大图

二、电火花加工的特点和应用

电火花加工不同于机械加工，其主要特点有：

1、所用的工具电极硬度不需要比工件材料的硬度高，不像切削加工那样刀具的硬度必须高于工件。因此，它对于那些用机械加工方法难以加工的特殊材料，如淬火钢、硬质合金等，以及对任何硬、脆、韧、高熔点的导电材料均可以加工。

2、加工时工具电极与工件不接触，是一种“无切削力”的加工。因此，可用作小孔、深孔、窄孔、窄槽等加工，不致因工具或工件的刚度太低而无法进行；用于各种一次成型、复杂形状的型孔、立体曲面型腔加工时，不必担心加工面积过大而引起切削力过大等问题。

3、脉冲参数可以任意调节，可以在一台机床上连续进行粗、精加工。粗加工时精度为0.01mm，表面粗糙度可达Ra0.8μm；精加工时精度可达0.002~0.004mm，表面粗糙度可达Ra0.1~0。05μm。

电火花加工的应用范围很广，它可以用来加工各种型孔、小孔，如冲孔凹模、拉丝模孔、喷丝孔等；可以加工立体曲面型腔，如锻模、压铸模、塑料模等；可以用来进行切断和切割；可以用来进行电火花磨削以及表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。如图7-3所示为电火花加工的短型喷嘴小孔。

图7-3

电火花加工的喷嘴小孔

三、电火花线切割

电火花线切割加工原理与电火花穿孔加工的原理基本相同，它是利用连续移动的金属丝作为工具电极，与工件间产生脉冲放电时形成的电腐蚀切割零件的加工方法。线切割用的电极丝是直径非常小（0.04~0.2mm）的钼丝、钨丝或铜丝，加工精度可达±0.01~0.005mm。粗糙度可达Ra3.2~1.6μm，可加工精密、狭窄、复杂的型孔，可用于模具、样板或成型刀具等加工。

图7-4为一电火花线切割加工装置示意图。贮丝筒7作正反方向交替的转动，使电极丝4沿导向轮5穿过工件2型孔连续不断的移动，脉冲电源3供给加工能量，安放工件的工作台可在X、Y轴两坐标方向各自移动，从而合成各种运动轨迹，把工件加工成所需要的形状。

图7-4

电火花线切割加工装置示意图

第三节 电解加工

一、电解加工的基本原理

电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的电化学反应原理，将金属材料加工成型的一种方法。其原理见图7-5。在工件与工具电极之间接上低电压（6~24V）、大电流（500~2000A）

的稳压直流电源，工件接正极（阳极），工具接负极（阴极），两者之间保持较小的间隙（通常为0.02~0.7mm），在间隙中间通过高速流动的导电的电解液。在工件和工具之间施加一定的电压时，工件表面的金属就不断地产生阳极溶解，溶解的产物被高速流动的电解质不断冲走，使阳极溶解能够不断进行。

电解加工开始时，工件的形状与工具阴极形状不同，工件上各点距工具表面的距离不相等，因而各点的电流密度不一样。距离近的地主电流密度大，阳极溶解的速度快；距离远的地方电流密度小，阳极溶解的速度慢。这样，当工具不断进给时，工件表面上各点就以不同的溶解速度进溶解，工件的型面就逐渐接近于工具阴极的型面，加工完毕时，即得到与工具型面相似的工件。

图7-5

电解加工原理

二、电解加工的特点与应用

电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5~10倍以上，加工精度可达0.05~0.20mm，表面粗糙度Ra0.8~0.2μm。它能以简单的进给运动，一次完成形状复杂型面或型腔的加工，如叶片型面加工（见图7-6），也用于高硬度、高强度和高韧性等难切削金属材料，如淬硬钢，高温合金、钛合金等的加工。电解加工时无机械切削力和切削热的影响，因此适宜易变形或薄壁零件的加工。此外，在加工各种花键孔、深孔、内齿轮以及去毛刺、刻印等方面也获得广泛应用。

图7-6 电解加工的叶片型面

第四节 激光加工

一、激光加工的基本原理

激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，通过光学系统可以聚集成为一个极小光束（微米极）。激光加工时，把光束聚集在工件的表面上，由于区域很低小，亮度高，其焦点处的功率密度可达108~1010W/cm2，温度可达10000℃。在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧熔化和蒸发，并产生很强的冲击波，使熔化物质爆炸式地喷射去除。激光加工就是利用这种原理进行打孔、切割，如图7-7所示

图7-6 电解加工的叶片型面

二、激光加工的特点与应用

几乎对所有的金属材料和非金属材料都可以用激光来加工。其加工速度极高，打一个孔只需0.001s，切割20mm厚的不锈钢板，切割速度可达1.27m/min；可以在工件移动中加工，速度快、效率高，便于实现自动化；属于非接触式加工，不需用刀具，几乎没有切削力，无机械加工变形；激光切割的切缝窄，切割边缘质量好。

目前，激光加工用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、航空发动机叶片的小孔、硬质合金及不锈钢等金属材料陶瓷及玻璃等非金属材料的小孔加工，以及多种金属材料和非金属材料的切割，如图7-8所示。特别适用于对坚硬材料进行细微小孔加工，孔的直径一般为0.01~1mm，最小孔径可达0.001m，孔的深径比可达50~100，也可以加工异形孔。切割厚度，对金属材料可达10mm以上，非金属材料可以达几十毫米，切缝宽度一般为0.1~0.5mm。还可应用激光来作热处理、焊接等加工。

图7-8激光切割

9．2 特种加工

所谓特种加工，就是利用电能、化学能、光能及声能等能量对工程材料进行加工的工艺方法。在特种加工过程中，刀具与工件不需直接接触，也就不存在切削力及工件材料硬而难加工的问题，因此特种加工也称之为无切削力加工。其刀具材料的硬度也可以低于被加工工件的硬度。

常见的特种加工方法有：电火花加工、电解加工、电解磨削、激光加工及电火花线切割等。

9．2．1 电火花及线切割加工

1）电火花加工

电火花加工是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用对工件进行加工的方法。

（1）电火花加工原理与设备的组成

①电火花加工原理

电火花加工是一种利用电能及热能之能量进行加工的。它是基于脉冲放电的腐蚀原理产生的，所以也有称之为放电加工或电蚀加工。

当工具阴极（）

②

③

④

⑤

⑥

⑦