特种加工5.doc

一、特种加工
定义：用软的工具加工硬的材料，不仅用机械能而且偶尔还采用电、化学、光、声等能量来进行加工。
它与切削加工的不同本质特点：
(1) 不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料。
(2) 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。
(3) 各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM) 就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。
（4）工件硬度可以低于被加工材料的硬度，如激光、电子束等加工时甚至没有形成的工具。
对机械部门提出的新的要求是：
1、解决各种难切削材料的加工问题
2、解决各种特殊复杂表面的加工问题
3、解决各种超精、光整或具体特殊要求的零件的加工问题
特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响：
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、特种加工改变了试制新产品的模式
4、特种加工对零件的结构设计带来很大的影响
5、对传统的结构工艺性的好与坏，需要重新衡量
6、特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段
二、电火花加工
必须创造的条件：
1、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
2、火花放电必须使瞬时的脉冲放电性放电
3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行
电火花加工的原理：基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。
可以分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。
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，无论正极还是负极（即：工具和工件），都会受到不同程度的电蚀，且电蚀量不相等。仅因正负极性不同而彼此电蚀量不等的现象叫做极性效应。
正极性加工：工件接正极，工具接负极
短脉冲加工时，采用正极性加工
负极性加工：与正极性加工反之，亦称反极性加工
长脉冲加工时，采用负极性加工
2. 电参数对电蚀量的影响
电参数：指电压脉宽，电流脉宽，脉冲间隔，脉冲频率，峰值电压，峰值电流和极性等。
在电火花加工过程中，无论正极、负极，都存在着单脉冲的蚀除量与单脉冲能量在一定范围内成正比的关系。
正电极蚀除量：qa=KaWMfφt
负电极蚀除量：qc=KcWMfφt
正电极蚀除速度：va= qa / t =KaWMfφ
负电极蚀除速度： vc= qc / t =KcWMfφ
单脉冲释放能量：WM =∫te0u(t)i(t)dt
提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量WM，或者说增加平均放电电流ie（对矩形脉冲即为峰值电流）和脉冲宽度，减小脉间，设法提高系数K a、Kc。

3. 金属材料热学常数对电蚀量的影响
热学常数：指熔点，沸点（气化点）, 热导率及比热容，熔化热，气化热等。
当脉冲放电能量相同时 ——
金属的熔点，沸点，比热容，熔化热，气化热越高,该材料的电蚀量越小，越难加工；
金属的热导率越大，散失热量越多，会减小电蚀量;
且，当脉冲放电能量相同时 ——
脉冲电流幅值越小，则脉冲宽度越长，从而散热量也越多，电蚀量会减小；
加工速度:电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，亦即生产率。
体积加工速度vw — 单位时间内被加工掉的工件体积
vw=V/t (mm3/min)
质量加工速度vw — 单位时间内被加工掉的工件质量
vm=G/t (g/min)
减少工具损耗应注意三个效应
极性效应 —— 正确选择极性和脉宽
短脉冲精加工采用正极性加工
长脉冲粗加工采用负极性加工
吸附效应 —— 保护电极

碳的熔点和气化点很高，可对电极起保护和补偿作用（必须是负极性加工）。
传热效应 —— 减少散热量
材料的导热性越好，散热越快，电极表面的温度会降低，损耗自然会减少。
工具电极材料的导热性应比工件材料的导热性好。并采用大脉宽小电流。
电火花加工用脉冲电源
电火花加工中的火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，而电火花加工用脉冲电源的作用就是：把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流
对脉冲电源的要求
1、所产生的脉冲应该是单向的，以充分利用极性效应，提高生产率，减少工具电极的损耗；
2、脉冲电压的波形前后沿应较陡，以减少其他因素对脉冲放电宽度等参数的影响；
3、脉冲的主要参数应宽范围可调，以满足不同的加工要求；
4、工作稳定可靠，成本低，节省电能，寿命长，操作维修方便；
电火花加工的自动进给调节系统
1. 作用
电火花加工属于“不接触加工”，正常加工时，工具电极与工件之间有一个放电间隙S。在
加工过程中，工件以vw 的速度不断被蚀除，而工具电极必须以速度vd 补偿进给（vd ≈vw ，为动态），才能维持
放电间隙。
2、 对自动进给调节系统的技术要求
有较宽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
3、 自动进给调节系统的种类
电液压式（喷嘴—挡板式）
步进电机
直流伺服电机
交流伺服电机
宽调速力矩电机
电规准的选择及转换
电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准。
冲模加工中，常选择粗、中、精三种规准。
（1）粗规准
主要用于粗加工。对粗规准的要求是：
生产率高；工具电极的损耗小。
转换到中规准之前的表面粗糙度应小于Ra10μm，否则将增加中精加工中的加工余量与加工时间。
加工过程要稳定。
所以，粗规准主要采用较大的电流，较长的脉宽（ 50～500μs ），采用铜电极时电极相对损耗应低于1％。
（2）中规准
粗、精加工间过渡加工采用的电规准，用以减小精加工余量，促使加工稳定和提高加工速度。
中规准采用的脉宽一般为10～100μs。
（3）精规准
用于精加工。
用来保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度、刃口斜度等质量指标。
应采用小电流，高频率、短脉宽（一般为2～6μs）。
三、电火花线切割加工
电火花线切割加工的特点
1．电火花线切割加工与电火花成形加工的共性表现（相同之处） ——
电压、电流的波形基本相似（矩形脉冲）；
加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律，材料的可加工性等也基本相似；可以加工硬质合金等一切导电材料。
2．电火花线切割加工与电火花成形加工的不同特点（不同之处） ——
工具电极为细丝，直径小，截面积小，故脉冲宽度、平均电流均不能太大，工艺参数相当于中、精规准加工，常采用正极性加工；
采用水或水基工作液（一般不用煤油），不会引燃起火，较安全；
一般没有稳定的电弧放电状态；
电极与工件之间常为“疏松接触”式轻压放电；
工具电极为细丝，不用制成各种形状；
可加工细微异形孔、窄缝和复杂形状的工件，且金属去除量少，材料利用率高；
电极丝始终移动，损耗少，加工精度较好；
线切割加工的应用范围
1．加工模具
适用于各种形状的冲模。加工精度通常都能达到：0.01~0.02mm（快走丝）和 0.002~0.005mm（慢走丝）还可加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等，也可加工锥度的模具
2．切割电火花线成形加工用的电极
穿孔加工用和带锥度型腔加工用的电极；铜钨 、银钨合金电极；微细复杂形状电极；（上述电极用线切割加工尤为经济）
3 ．加工零件
试切新产品零件，修改设计和变更加工程序方便，无需制模，周期短成本低；可将多片薄件叠成整体加工；多品种少批量零件、难加工材料零件、材料试验样件、各种型孔、型面、特殊齿轮、凸轮、样板、成型刀具；“天圆地方”等上下异型面的零件；能进行微细加工。
3B编程：P66
四、电化学加工
电极电位：未通电时，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。
电极的极化：当有电流通过时，电极的平衡状态遭到破坏，阳极的电极电位向正移（代数值增大），阴极的电极电位向负移（代数值减小），这种现象称为极化。极化后的电极电位称为超电位。
电解液
电解质溶液：凡溶于水后能导电的物资，称为电解质，电解质与水形成的溶液则为电解质溶液。
电解液的作用
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的进行；
把产生的电解产物与热量带走；
对电解液的基本要求
电解质在溶液中有较高的溶解度和离解度，具有很高的导电率；
电解液所含的阴离子应具有较正的标准电位，所含的阳离子应具有较负的标准电位；
阳极反应的最终产物应是不溶性化合物；
电解加工的过程及其特点
电解加工时，工件接直流电源的正极，工具接电源的负极。工具向工件缓慢进给，两极之间保持 0.1～1mm 的间隙。具有一定压力的NaCl电解液（0.5～2MPa）从间隙中流过。阳极金属（工件）被逐渐电解腐蚀，而电解液则将电解产物带走。

开始加工时，两极距离近的地方，通过的电流密度较大（距离远的地方，则电流密度较
小）。电流密度大的部位阳极溶解的速度也较快。随着工具不断进给，工件表面距离工具近
的部位越来越多，工件表面不断溶解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作面基本相似的形状为止。

电解液的流速及流向
流速：电解液应具有足够的流速，以便将H2↑及金属氢氧化物等电解产物冲走，把加工区热量带走。（流速一般约为10m/s左右）
流向：
＊正向流动：电解液从阴极工具中心流入，从四周流出；
＊反向流动：电解液从周边间隙流入，从阴极工具中心流出；
＊横向流动：电解液从一侧流入，从另一侧流

五、激光加工
工作原理：激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠
光热效应对零件进行加工的。
激光加工的原理：由于激光的特点，通过光学系统可以使其聚焦成一个极小的光斑，而能量密度极高，温度也极高（可达10000℃左右）。在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时被熔化和汽化，在工件表面形成凹坑，同时，熔化物被汽化所产生的金属蒸气压力推动，高速喷出，（即：材料的蚀除）。
激光的产生： 具有亚稳态能级结构的原子，在粒子数反转的状态下，只要有一个光子（其能量恰好是这两个能级相对应的能量差）引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射（跃迁），实现了光的放大；就这样，出现雪崩式连锁反应，形成了传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。
六、电子束和离子束加工
电子束加工
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。
电子束加工的特点：
1、 由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能够聚焦到0.1微米，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。
2、 电子束的能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。被加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可以加工。
3、 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。
4、 可以通过磁场和电厂对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。
5、 由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不会不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及其合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。
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。
离子束加工
加工原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，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。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，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，二不是靠动能转化为热能来加工的。
离子束加工的基础是离子束射到想、材料的表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。
束加工分类：利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀，离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。
离子刻蚀是用能量为0.5~5kev的氩离子倾斜轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。其实质是一种原子尺寸的切削加工，所以又称离子铣削
离子注入是采用5~500kev的离子束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层。工件表面含住注入离子后，就改变了工件表面层的物理、力学和化学性能。
离子束加工的应用：刻蚀加工、镀膜加工。
七、 超声加工
声波是人耳能感受到得一种纵波，它的频率范围在16~16000Hz范围内。当频率超过16000Hz超出一般人耳听觉范围，就称为超声波。
超声加工的原理：加工时，在工件和工具之间加入液体和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力 F 轻轻压在工件上； 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的
超声频电振荡；换能器再将超声频电振荡转变为超声频机械振动；然后，变幅杆将振幅扩大若干倍（一般约10～100 倍），固定在变幅杆端头的工具受 迫振动，并迫使工作液中的
磨粒高速撞击、抛磨被加工表面，打击、粉碎并去除该区域的材料。
加工速度及其影响因素
加工速度——单位时间内所去除的材料
影响因素：
1、工具的振幅和频率的影响
2、进给压力的影响
3、磨料的种类和粒度的影响
4、磨粒悬浮液浓度的影响
5、被加工材料的影响
加工精度及其影响因素
1. 磨料的粒度
磨料颗粒越大，加工精度越差；
磨料颗粒越细小，加工精度越好；
2. 工具的精度及其磨损情况
工具精度越好，加工精度就越好；
工具圆周磨损或轴向磨损，会影响被加工孔的圆度和锥度；
3. 工具的横向振动
工具横向振动会影响被加工孔（圆孔）的圆度。