特种加工1.doc

第一章 概论1特种加工又称非传统加工（NTM）或非常规机械加工（NCM）2特种加工与切削加工的不同点：不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（电、光、声、热、化学）去处金属材料；工具硬度可以低于被加工材料硬度；加工过程中工具与工件之间不存在显著的机械切削力。3特种加工的分类缩写：电火花加工：电火花成形加工EDM;电火花线切割加工WEDM； 电化学加工：电解加工ECM；电解磨削EGM；电解研磨ECH;电铸EFM；涂镀EPM。 激光加工:激光切割、打孔LBM；激光打标记LBM；激光处理、表面改性LBT。 电子束加工：切割焊接打孔EBM 离子束加工：蚀刻、镀覆、注入IBM。 等离子弧加工：切割（喷镀）PAM 超声加工：切割打孔雕刻USM 化学加工：化学铣削CHM；化学抛光CHP；光刻PCM 快速成形：液相固化法SL；粉末烧结法SLS；纸片叠层法LOM；熔丝堆积法FDM4特种加工对材料可加工性和结构工艺性的影响： 1提高了材料的可加工性；2改变了零件的典型工艺路线；3改变了试制新产品的模式；4对产品零件的结构设计带来很大影响；5对传统结构工艺性好坏需要重新衡量；6已经成为微细加工和纳米加工的主要手段。第二章 电火花加工一：定义：EDM，又称放电加工。它是在加工过程中，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蚀除下来。二：原理：在一定介质（煤油或水）基于工具和工件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、形状和表面质量预定的加工要求。三：电火花加工的条件：必须使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0.020.1mm；火花放电必须是瞬时的脉冲性放电；火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化液或去离子水。四：优点1适合于任何难切削导电材料的加工2可以加工特殊及复杂形状的表面和零件 局限性1主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料2一般加工速度较慢3存在电极损耗五：电火花加工的机理：1极间介质的电离、击穿，形成放电通道2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀（5000度以上）3电极材料的抛出（通道中心的压力最高）4极间介质的消电离六：影响材料放电腐蚀的主要因素1极性效应：在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。即使是相同材料，正负极的电蚀量也是不同的。这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。如果两电极材料不同，则极性效应更加复杂。在生产过程中，我国常把工件接脉冲电源的正极（工具电极接负极）时，称正极性加工，反之称为负极性加工或反极性加工。短脉冲时，采用正极性；长脉冲时，采用负极性。从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好，一般采用单向脉冲直流电源，不能用交流电源。2电参数对电蚀量的影响：提高电蚀量和生产率的途径：提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量。但是如果脉冲间隔时间过短，将产生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度也随之增大3金属材料热学常数对电蚀量的影响：当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容等越高，电蚀量将越少，越难加工。4工作液对电蚀量的影响：介质性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，但粘度大难于电蚀产物的排出，影响正常放电。目前，粗加工用机油，中、精加工用粘度小、渗透性好的煤油。现在还用水基工作液，粗加工可代替油类。七：电火花加工的加工速度和工具的损耗速度：单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，即生产率。八：降低工具电极的损耗的途径：正确选择极性和脉宽；利用吸附效应；利用传热效应；选用合适的电极工具材料（石墨、铜碳、铜钨等合金）九：影响加工精度的主要因素：1放电间隙的大小及其一致性2工具电极的损耗及其稳定性3二次放电。尽量缩小放电间隙，不但可以提高仿形精度，而且放电间隙愈小，可能产生的间隙变化量也愈小。二次放电：指侧面已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝方面。（形成喇叭口）。另外，电火花加工时，工具的尖角或凹角很难精确的复制在工件上，尖角变成圆角。十：电火花加工的表面质量：表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能。1对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量，能量越大，每次的蚀除量大，表面粗糙度恶化。2表面变质层分为熔化凝固层和热影响层。3表面力学性能：显微硬度及耐磨性、残余应力、耐疲劳性能。残余应力一般为拉应力，疲劳强度远远低于机械加工表面。十一：常用的电火花加工脉冲电源（单向脉冲）：RC线路脉冲电源（张弛式脉冲电源）、晶体管式脉冲电源、各种派生脉冲电源（1.高低压复合脉冲电源、2多回路脉冲电源、等脉冲电源、高频分组脉冲和梳形波脉冲电源、节能型脉冲电源） 十二：电火花加工的自动进给调节系统：1具体见书30页，还有图要理解，已经理解好了。2.对自动进给调节系统的一般要求：有较广的速度调节跟踪范围；有足够的灵敏度和快速性；有必要的稳定性；体积小、结构简单可靠及维修方便。十三：自动进给调节系统的基本组成部分：测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行环节（伺服电动机）、调节对象（工具和工件间的放电间隙（0.10.01mm）十四：五种放电状态：空载、火花、短路、稳定电弧、不稳定电弧。图见书就好。第三章 点火花线切割加工一：定义电火花线切割加工（WEDM）是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，有时简称线切割。二：加工原理：电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属导线（钼丝或铜丝）做电极，利用数控技术对工件进行脉冲火花放电、“以不变应万变”切割成形，可切割成形各种二维、三维多维表面。根据电极丝的运行方向和速度，电火花线切割机床分为两大类：往复高速走丝（快走丝）电火花线切割机床，走丝速度为8-10m/s；单向低速走丝（慢走丝）电火花线切割机床，速度低于0.2m/s。三：线切割加工的特点（与电火花加工的不同）：1.属中、精正极性电火花加工，工件常接脉冲电源正极2采用水或水基工作液，容易实现安全无人运转3一般没有稳定电弧放电状态4电极与工件之间存在着“疏松接触”式轻压放电现象5省掉了成形的工具电极，大大降低了设计制造成本，缩短了生产准备周期，对大批生产也增加了快速性和柔性6电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件7采用移动的长电极丝进行加工，对加工精度的影响小。四：加工应用范围：加工模具、切割电火花成形加工用的电极、加工零件五：机床本体：床身、坐标工作台、锥度切割装置走丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具。六：影响线切割工艺指标的因素 问问田辉 见书69页第四章 电化学加工 一：电化学加工（ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆、电铸加工两大类。二：在阳阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。以这种电化学作用为基础对金属进行加工的方法称为电化学加工。三：1电解质溶液：凡溶于水后能导电的物质叫做电解质。电解质与水形成的溶液称为电解质溶液。2电极电位：对化学性能比较活泼的金属，其表面带负电，溶液带正电，形成一层极薄的“双电层”，金属愈活泼，这种倾向越大。由于双电层的存在，在正、负电层之间，也就是金属和电解液之间形成电位差。产生在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极电位，又称平衡电极电位。相反，金属愈不活泼，此种倾向也愈大。3电极的极化：当有电流通过电极时，电极电位的平衡状态遭到破坏，使阳极的电极电位向正移、阴极的电极电位向负移，这种现象称为极化。极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位，随着电流密度的增加，超电位也增加。4电解加工时在阳极和阴极都存在着离子的扩散、迁移和电化学反应两种过程。在电极极化过程中由离子的扩散、迁移步骤缓慢而引起电极极化称浓差极化，由于电化学反应缓慢而引起的电极极化称为电化学极化。5浓差极化：在外电场的作用下，如果阳极表面液层中的金属离子的扩散迁移速度比较慢，来不及扩散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起了电位值增大（即阳极电位向正移），这就是浓差极化。6电化学极化：电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不及转移给电解液中的H+离子，因而在阴极上积累过多的电子，使阴极电位向负移，形成了电化学极化。但当阳极上产生析氧反应时，就会产生相当严重的电化学极化。7金属的钝化和活化：电解过程中电流密度增加到一定值后，金属的溶解速度在大电流密度下持续一段时间后反而急剧下降，使金属成稳定状态不再溶解。钝化产生的原因有两种理论：成相理论和吸附理论。活化：使金属钝化膜破坏的过程。四：电化学加工的分类：1利用电化学阳极溶解来进行加工（电解加工、电解抛光）2利用电化学阴极沉积、涂覆进行加工，主要有电镀、涂覆、电铸等3利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺（电解磨削 ）五：电解加工（ECM）：电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，将工件加工成形的。是在电解抛光的基础上发展起来的。其加工优点：1加工反围广，不受金属材料本身的力学性能的限制，可加工硬质合金、淬火刚、不锈钢等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等各种复杂型面2电解加工的生产率高，生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制3可以达到较好的表面粗糙度和平均加工精度4加工过程没有机械切削力，不会产生由切削力引起的残余应力和变形，没有飞边毛刺。5加工过程中阴极工具理论上不会损耗，可长期使用。加工缺点和局限性：1不易达到较高的加工精度和加工稳定性2电极工具的设计和修正比较麻烦，很难适用于单件生气3电解加工的附属设备比较多，占地面积比较大，机床造价高4电解产物需进行妥善处理，否则会污染环境。六：电解液-三种常见的电解液：中性盐溶液、酸性溶液、碱性溶液。中性溶液应用最普遍，常见的有NaCl NaNO3 、NaClO3 三种电解液。七：切断间隙和电流密度：NaNO3电解液是一种钝化型电解液。当侧面间隙达0.78mm时，侧面即被保护起来，此临界间隙称为“切断间隙”，此时的电流密度称为“切断电流密度”。NaNO3和NaClO3电解液之所以具有“切断间隙”的特性，是由于它们是钝化型电解液，在阳极表面形成钝化膜，虽有电流通过，但阳极不溶解，此时的电流效为0.只有当加工间隙小于“切断间隙”时，也即电流密度大于“切断电流密度”时，钝化膜才被破坏而工件被蚀除。还有图见书89页八：电解液的流速和流向：电解液必须具有足够的流速，以便把氢气、金属氢氧化物等电解产物冲走，把加工区的大量热量带走，流速一般为10m/s左右。当电流密度增大时，流速也要增大。靠调节电解液泵的出水压力来实现的。有三种流向：1正向流动：从阴极工具中心流入，经加工间隙后，从四周流出。优点：密封装置比较简单，缺点:加工型孔时，电解液流经侧面间隙时已含有大量氢气和氢氧化物，加工精度和表面粗糙度较大。2反向流动从型孔周边流入，而后经电极工具中心流出，优缺点相反与正向流动。3横向流动：指电解液从侧面流入，从另一侧面流出。一般用于发动机、汽轮机叶片的加工，以及一些较浅的型腔模具的修复。九：电解加工的基本规律：电流效率：实际金属蚀除量与理论计算蚀除量的比值。电流效率越大越好。十：精度成形规律：1端面平衡间隙2法向平衡间隙3侧面间隙十一：表面质量：电解加工的表面质量，包括表面粗糙度和表面的物理化学性质的改变两个方面。正常的电解加工不会在加工表面发生塑性变形，不存在残余应力、冷作硬化或烧伤退火层等缺陷。影响表面质量的因素主要有：工件材料的合金成分、金相组织及热处理状态；工艺参数；阴极表面条纹、刻痕等都会相应地复印到工件表面十二：应用在各种膛线、花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等方面。十三：电铸加工特点：1能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路2能获得尺寸精度、表面粗糙度小于0.1um的复制品3借助石膏、石蜡等原膜材料，可把复杂零件的内表面复制为外表面，外表面复制为内表面，然后电铸复制，适应性广泛第五章 激光加工 1. 粒子数反转：某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级（亚稳态）原子（或粒子）数目大于处于低能级（基态）的原子数目，这种现象成为粒子数反转。当在E2和E1之间实现粒子数反转时，当有频率v=(E2-E1)/h的光子去照射刺激它时，就可以产生从能级E2到E1的受激辐射跃迁，出现雪崩式连锁反应，发出频率v的单色性好的光，这就是激光。2. 激光的特性：强度高、单色性好、相干性好、方向性好。加工特点：能加工硬脆等难加工材料、精密微细加工、非接触加工，没有明显的机械力，没有工具损耗、加工速度快，热影响区小，容易实现加工过程自动化、装置比较简单。3常用激光器：（一）固体激光器：包括红宝石激光器、钕玻璃激光器（二）气体激光器：二氧化碳激光器、氩离子激光器4激光加工工艺及应用：激光打孔、切割、焊接、存储、快速成形、热处理第六章 电子束和离子束加工1.电子束加工的原理：在真空条件下，利用聚焦后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。只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；使材料熔化和气化，就可进行打孔和切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，可进行电子束光刻加工。2.电子束加工的特点：加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法；非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，被加工材料范围广；生产率很高；过程便于实现自动化；加工污染少，适用于加工容易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料；价格贵，生产应用有一定的局限性。3.电子束加工装置由电子枪、真空系统、控制系统和电源组成。应用：高速打孔、加工型孔及特殊表面、刻蚀、焊接、热处理、电子束光刻。4离子束加工原理：与电子束加工相似，在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面，不同的是，离子质量比电子大数千数万倍，离子束加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。3. 离子束加工的物理基础：离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。4. 离子束加工分类：离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀、离子注入。5. 离子束加工的特点：离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础；在高真空中进行，所以污染少；加工应力、热变形等极小，加工质量高，；加工设备费用高，成本高，加工效率低。6. 离子束加工的应用：刻蚀加工、镀膜加工、离子注入加工第七章 超声加工1超声加工的原理：超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成形方法。装置组成：工具、工件、磨料悬浮液、变幅杆、换能器、超声波发生器。空化作用：当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。 由此可见：超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。2.超声加工的特点：适合于各种硬脆材料加工，特别是不导电的非金属材料；机床结构比较简单；工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度好，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。第八章 快速成形技术 （是一种增材制造方式）常用快速成形技术的定义和原理