特种加工整理版同济大学.doc

第一章 概论
1 特种加工的产生
特种加工的本质和特点
1. 不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除金属材料
2. 工具硬度可以低于被加工材料的硬度
3. 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力
2 特种加工的分类
能量形式
加工技术名称
电
电火花加工（EDM）
电化学
电解加工（ECM）
光
激光加工（LBM）
声
超声加工（USM）
化学能
化学加工（CHM）
高能束流
电子束加工、离子束加工
第二章 电火花加工EDM
第一节 基本原理及其分类
实现电火花加工的必要条件：
1.工具电极与工件保持一定的放电间隙
2.火花放电必须是瞬时的脉冲性放电；
3.火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。
二、电火花加工的特点
1．优点
(1) 适合于加工难切削材料
材料的可加工性主要取决于材料导电性及热学特性。
(2) 适合于加工特殊及复杂形状的工件
无宏观作用切削力，适宜加工低刚度工件及进行微细加工。
2.局限性
(1) 主要限于加工金属类导电材料；
第二节 机理
一、极间介质的电离、击穿，形成放电通道
电场强度畸变最大、介电强度最薄弱处产生雪崩式电离过程，导致介质击穿。
放电通道建立，高电流密度、带电粒子高速运动，通道中心产生高温、高压。
二、介质热分解，电极材料熔化、汽化、热膨胀
电子流与离子流，电能→动能→热能。
三、电极材料的抛出
材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力综合作用的结果。
四、极间介质的消电离
消电离过程破坏极间稳定电弧放电，促使放电通道转移。
第三节 一些基本规律
• 一、影响材料放电腐蚀的主要因素
• 1．极性效应
• 极性：工件或工具电极接入电源回路的极性。
• 极性效应：由极性引起的电蚀量不同。
• 我国对极性的规定：以工件所接为准。
• 2．电参数对电蚀量的影响
• 对矩形电流波形，，单个放电脉冲能量主要由放电电流幅值和放电时间决定。
• t时间内的放电能量：
• t时间内蚀除量：
• 加工速度为：
• 3．金属材料热学常数对电蚀量的影响
• 热学常数：
• 熔点、汽化点、导热系数、比热容、熔化热、气化热等。见表2—2。
• 4．工作液对电蚀量的影响
• 工作液的主要作用：
• ◆形成火花击穿通道，放电结束后恢复间隙绝缘；
• ◆压缩放电通道；
• ◆参与电蚀产物的抛出及排除；
• ◆对工件、电极冷却。
• 工作液对电蚀量的影响：
• 介电性能好、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，但粘度大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。
• 5．其他影响因素
• 加工稳定性；
• 面积效应；
• 电极（材料）对；
• 黑膜与镀复。
• 二、加工速度和工具电极的损耗速度
• 1．加工速度
• 体积加工速度，mm3/min ；
• 质量加工速度，g/min 。
• 2．工具相对损耗
• 工具损耗速度， ；
• 加工速度， ；。
• 工具相对损耗 ，
• ◆降低电极损耗的措施
• （1）正确选择极性；
• （2）利用吸附效应；
• （3）利用传热效应；
• （4）选择恰当的电极材料。
• 三、影响加工精度的主要因素
• 放电间隙的大小及一致性；
• 工具电极的损耗及稳定程度；
• 二次放电、边角损耗。
• 四、电火花加工的表面质量
• 1．表面粗糙度
• 表面粗糙度与脉冲能量之间的关系：
• ，式中 为常数，铜加工钢时取2.3
• 2．表面变质层
• 加工表面；
• 熔化凝固层；
• 热影响层；
• 基体金属。
• ◆显微裂纹一般仅出现在熔化层
• 3．表面机械性能
• （1）显微硬度及耐磨性；
• （2）残余应力；
• （3）耐疲劳性能。
• ◆常用的后置处理手段：
• 手工抛磨；电抛磨；超声抛光；磨料喷射加工；磨料流动加工；化学抛光。
第四节 脉冲电源
第五节 自动进给调节系统
二、自动进给调节系统的组成
（1）测量环节
加工间隙（及变化）的不可测
间隙间接测量方法:
◆平均间隙电压测量法；
◆峰值信号测量法（击穿电压；击穿延时；放电波形）；
◆放电状态检测法（开路、正常放电、异常放电，常称拉弧放电、短路。由电压、电流波形可以加以区分）。
•
• （2）比较环节
• （3）放大驱动环节
• （4）执行环节
第六节 机床
第七节 其他电火花加工
第三章 电火花线切割加工WEDM
第一节 加工原理、特点及应用范围
1．与电火花成形加工相似的特点
1）放电电压、电流波形相似；单个脉 冲也有多种放电状态
2）加工机理、生产率、表面粗糙度相似；
3）材料的可加工性相似。
2．与电火花成形加工不同之处(7点)
1) 脉冲宽度、平均电流不能太大，属中、精正极性电火花加工；
2) 采用水基工作液，易实现无人化运行；
3) 一般不存在稳定电弧放电；
4) 电极丝与工件之间存在“疏松接触式”轻压放电现象；
5) 省去了成形工具电极；
6) 有利于微细加工，如微细异形孔、窄缝等；
7) 电极丝损耗对加工精度影响非常小。
第二节 加工设备
第三节 控制系统和编程技术
第四节 影响线切割工艺指标的因素
第五节 线切割加工工艺及其扩展应用
第四章 电化学加工
第一节 加工原理及分类
一． 基本原理
（一） 电化学加工过程
在阴、阳极电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。
利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法叫电化学加工
（二） 电解质溶液
凡溶于水后能导电的物质叫做电解质，其水溶液称为电解液。
电解质与水形成的溶液简称为电解液。
电解液的重要参数：
浓度；电离；pH值。
…….
（三） 电极电位
◆金属的电极电位：
在金属和其盐溶液之间的电位差。
◆平衡电极电位：
当金属溶解和沉积互相平衡时的电极电位。
（四） 电极的极化
极化 当有电流通过时，电极的平衡状态被破坏，使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。
◆超电位 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位（或称为过电位）。
1. 浓差极化
a．浓差极化
电极过程中如由于离子的扩散、迁移步骤缓慢而导致的电极极化称为浓差极化。
◆电解加工中减少浓差极化的主要措施：
提高电解液的流速；
升高电解液温度。
b．电化学极化
由于电化学反应缓慢而引起的电极极化称为电化学极化。
2. 电化学极化
金属的钝化和活化
二． 分类
按作用原理可分三大类：
一：利用电化学阳极溶解来进行加工，如电解加工、电解抛光等
二：利用电化学阴极沉积、涂覆进行加工，如电镀、涂镀、电铸等
三：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，目前主要是与机械加工相结合，如电解磨削、电化学阳极机械加工（还包含有电火花作用）
第二节 电解加工
一． 过程及其特点
电解加工的主要优点：
1） 加工范围广
2） 生产效率高
3） 粗糙度较好，平均加工精度可达0.1mm
4） 不产生残余应力和变形
5） 阴极工具理论上不会耗损，可长期使用
电解加工的局限性：
1）难以获得高加工精度及高加工稳定性；
2）阴极设计和修正比较困难；
3）设备投资较多；
4）电解产物可能产生污染，有待处理。
二． 电极反应
（一） 钢在nacl水溶液中电解的电极反应
（1） 阳极反应
1.。。。铁离子
2.。。。析出氧气
3.。。。析出氯气
（2） 阴极反应
（二） 电解时加工过程中的电能利用
三． 电解液
电解液主要作用：
1. 作为导电介质传递电流
2. 在电场作用下进行电化学反应，是阳极溶解能顺利而有控制地进行
3. 及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起更新与冷却作用
（一） 对电解液基本要求
(1) 具有足够的蚀除速度
(2) 具有较高的加工精度
(3) 阳极反应的最终产物应是不溶性化合物
(4) 注意绿色制造、环境保护等
(5) 性能稳定，操作安全，对设备的腐蚀性小及加工便宜等
（二） 三种常用电解液
1. NaCl电解液
2. NaNO3电解液
3. NaClO3电解液
（三） 电解液参数对加工过程的影响
（四） 电解液的流速及流向
（五） 电解液出水口的布局
四． 基本规律
（一） 生产率及其影响因素
1. 金属的电化学当量和生产率的关系
2. 电流密度和生产率的关系
（二） 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
4. 平衡间隙理论的应用
5. 影响加工间隙的其他因素
（三） 表面质量
包括表面粗糙度和表面物理化学性质的改变
影响表面质量的因素：
1）工件材料的合金成分、金相组织及热处理状态对表面粗糙度的影响很大
2）工艺参数对表面质量也有很大影响
3）阴极表面要注意加工；阴极上喷液口的设计和布局也是极其重要的。
五． 提高电解加工精度的途径
（一） 脉冲电流电解加工
1） 消除加工间隙内电解液导率的不均匀化
2） 脉冲电流电解加工使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的，呈脉冲状
（二） 小间隙电解加工
（三） 改进电解液
（四） 混气电解加工
1. 混气电解加工原理及优缺点
电解液中混入气体后，将会起到下述作用：
（1） 增加了电解液的电阻率，减少了杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转换
（2） 降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场
2. 气液混合比
六． 基本设备
（一） 直流电源
（二） 机床
对机床要求：
（1） 机床刚性
（2） 进给速度的稳定性
（3） 防腐绝缘
（4） 安全措施
（三） 电解液系统
七． 工艺及其应用
1. 深孔扩孔加工
2. 型孔加工
3. 型腔加工
4. 套料加工
5. 叶片加工
6. 电解倒棱去毛刺
7. 电解刻字
8. 电解抛光
影响因素：
（1） 电解液的成分、比例对抛光质量有着决定性影响
（2） 电参数
（3） 电解液温度及其搅拌情况
（4） 金属的金相组织与原始表面状况
9. 数控展成电解加工
第三节 电解磨削
电解磨削原理
电解磨削是由电解作用和机械磨削作用相结合而进行加工的，比电解加工具有较好的加工精度和表面粗糙度，比机械磨削有更高的生产率。
金属的去除：电解作用；
去除钝化膜、整平：砂轮磨削。
特点：
（1）加工范围广泛，生产效率高；
（2）提高了加工精度及表面质量；
（3）降低了砂轮损耗。
二、电解磨削的应用
（1）硬质合金刀具的电解刃磨；
（2）硬质合金轧辊的电解磨削；
（3）电解珩磨孔类工件；
（4）电解研磨。
第四节 电铸、电镀及复合镀加工
一、电铸加工（Electroforming）
（一）电铸加工的原理、特点及应用
电铸加工的特点：
1）准确、精密地复制复杂型面；
2）一原模多复制件一致性极好；
3）内、外型面转换较便利，适应范围广泛。
电铸加工的应用：
1）模具型腔成形；
2）电火花成形加工电极制造；
3）空心或薄壁零件制造；
4）异形零件制造。
（二）电铸的基本设备
（1）电铸槽；
（2）电源；
（3）电铸液循环、过滤、搅拌系统；
（4）电铸液温度控制装置。
第五章 激光加工(IBM)
第一节 原理和特点
一． 激光产生原理
（一） 光的物理概念和原子的发光过程
（二） 激光的产生
二． 激光特性
（一） 强度高
（二） 单色性好
（三） 相干性好
（四） 方向性好
三． 激光加工的原理和特点
（1） 功率密度大
（2） 聚焦微小，输出功率可调整；
（3） 无明显机械作用力，无工具损耗。 加工速度快，热影响区域很小；
（4） 加工装置简单
（5） 重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验；有些材料必须预处理
（6） 加工产生废气、废物，必须及时排除。操作人员应有一定安全防护要求。
第二节 基本设备
一． 激光加工机的组成部分
激光器、电源、光学系统、机械系统
二． 常用的激光加工机
（一） 固体激光器
1. 红宝石激光器
2. 钕（nv）玻璃激光器
3. 渗钕钇（yi）铝石榴石（YAG）激光器
（二） 气体激光器
1. 二氧化碳激光器
2. 氩离子激光器
第三节 工艺及应用
一． 激光打孔
激光打孔的特点：
1.速度快，效率高，尤其高密度群孔加工
2. 大深径比，激光在碳钢上加工0.25mm的小孔深径比达65:1
3. 可加工硬脆软材料
4. 可在难加工材料上加工斜孔
二． 激光切割
特点：
1. 切缝窄、工件变形小
2. 非接触
3. 与计算机配合高速加工
4. 可以切割非金属材料
5. 可在难加工材料上加工斜孔
三． 激光刻蚀打标记
用途：
1.便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类
2. 便于使用、防止假冒 激光标记特点
3. 可标记条形码、数字符号图案
四． 激光焊接
激光焊接的优势：
1. 速度快、效率高、深度大、变形小
2. 大深宽比，5：1，最大10：1
3. 可焊接难熔材料
4. 可进行微型焊接
五． 激光热处理
特点:
1. 高速加热，高速自冷
2. 硬度高，比常规高5-20%
3. 淬火应力与变形小
第六章 电子束（EBM）和离子束(IBM)加工
第一节 电子束加工
一． 电子束加工的原理和特点
（一） 原理
电子束加工是在真空条件下，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，大部分动能转变为热能，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。
（二） 特点
（1） 可以精密微细加工
（2） 加工范围广
（3） 生产效率高
（4） 便于实现自动化
（5） 污染少
（6） 设备昂贵
二． 电子束加工装置
（一） 电子枪
（二） 真空系统
（三） 控制系统和电源
三． 电子束加工的应用
（一） 高速打孔
（二） 加工型孔及特殊表面
（三） 刻蚀
（四） 焊接
（五） 热处理
（六） 电子束光刻
第二节 离子束加工
一． 加工原理、分类和特点
（一） 原理和物理基础
（二） 加工分类
（1） 离子刻蚀
（2） 离子溅射沉积
（3） 离子镀（也称离子溅射辅助沉积）
（4） 离子注入
（三） 加工特点
（1） 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
（2） 污染少
（3） 加工应力、热变形等极小，加工质量高
（4） 设备费用高，成本高，加工效率低
二． 加工装置
（一） 考夫曼型离子源
（二） 双等离子体型离子源
三． 应用
（一） 刻蚀加工
（二） 镀膜加工
（三） 离子注入加工