特种加工技术教案教学内容

特种加工技术

一、特种加工就是当传统切削加工方法对产品（或材料）无法实施或保证不了规定的精度要求时而应用物理的（力、热、声、光、电）或化学的方法进行加工的手段。

二、特种加工与传统切削加工方法在原理上的主要区别：

1）用机械能以外的其他能量去除工件上多余的材料，以达到图样上全部技术要求。

2）打破传统的硬刀具加工软材料的规律，刀具硬度可低于被加工材料的硬度，可谓“以柔克刚”。

3）在切削加工中，工具与工件不受切削力的作用。

三、特种加工的分类：

1）电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工、电火花线切割加工、电子束加工和等

离子束加工。

2）电能与化学能作用方式有：电解加工、电铸加工和刷镀加工。

3）化学能与机械能作用方式有：电解磨削、电解珩磨。

4）声能与机械能作用方式有：超声波加工

5）光能与热能作用方式有：激光加工。

6）电能与机械能作用方式有：离子束加工。

7）液流能与机械能作用方式有：挤压珩磨和水射流切割。

第一节电火花加工

一、电火花加工的原理

1、电火花加工（放电加工或电蚀加工）：

利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀材料。工具和工件与电源的两极相接，均浸在有一定绝缘度的流体介质（通常用煤油或矿物油）中。脉冲电压加到两极之间，在工具电极向工件电极运动中，将极间最近点的液体介质击穿，形成火花放电。由于放电通道截面积很小，通道中的瞬时高温使材料熔化和气化。单个脉冲能使工件表面形成微小凹坑，而无数个脉冲的积累将工件上的高点逐渐熔蚀。随着工具电极不断地向工件作进给运动，工具电极的形状便被复制在工件上。加工过程中所产生的金属微粒，则被流动的工作液流带走。同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上形成一定的工具损耗。

1-工件2-脉冲电源3-自动进给调节装置

4-工具 5-工作液 6-过滤器

7-工作液泵 8-被蚀除的材料

2、电火花加工应具备如下条件：

1）、工具电极和工件电极之间必须保持一定的间隙。

这可由自动进给调节装置调节。间隙可在几微米至几百微米之间，间隙过大极间电压不能击穿两极间介质而不能产生火花放电，间隙过小则会引起拉弧烧伤或短路。

由于工件不断被蚀除，工具电极也有一定的损耗，间隙将不断扩大。这就要求工具不但要随着工件材料的不断蚀除而进给，形成工件要求的尺寸和形状，而且还要不断地调节进给速度，有时甚至要停止进给或回退以保持恰当的放电间隙。

由于放电间隙很小，且位于工作液中无法观察和直接测量，因此必须要有自动进给调节系统来保持恰当的放电间隙。

2）、必须采用脉冲电源。

因火花放电必须是瞬时的脉冲放电，放电延续一段时间（通常10-7～10-8s ）后，需停歇一段时间。

3）、必须在有一定绝缘性能的流动的工作液中进行火花放电.

这有利于产生脉冲性火花放电，并排除放电间隙中的电蚀物，以免间隙中电蚀产物过多而引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度，还可以对电极及工件表面起较好的冷却作用。

二、电火花加工的特点

（１）可加工难切削加工的导电材料，如淬火钢、硬质合金、不锈钢、工业纯铁等。 （２）工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。

（３）加工时无显著机械切削力，有利于小孔、窄槽、型孔、曲线孔及薄壁零件加工，也适合于精密细微加工。

（４）脉冲参数可任意调节，加工中只要更换工具电极或采用阶梯形工具电极就可以在同一机床上连续进行粗、半精和精加工。

（５）通常效率低于切削加工，可先用切削加工粗加工，再用电火花精加工。

（６）放电过程中有一部分能量消耗于工具电极而导致工具电极消耗，对成形精度有一定影响。

三、电火花加工的基本工艺规律

1、加工速度和工具损耗速度

加工速度：单位时间内工件的电蚀量，即生产率；

损耗速度：单位时间内工具的电蚀量

1） 加工速度

q p --正极的总蚀除量；

k p --工艺系数（与电极材料、脉冲参数和工作液有关）；

w M --单个脉冲能量；

f --脉冲频率；

t --加工时间；

v p --正极蚀除速度。

φ——有效脉冲利用率，%；

?

f w k t q v M P P P ==/

提高加工速度途径

１）提高脉冲频率：缩小脉冲停歇时间或压窄脉冲宽度。

２）增加单个脉冲能量：加大脉冲电流或增加脉冲宽度，但会影响表面质量和加工精度，

通常只用于粗、半精加工之中。

３）提高工艺参数：如合理选用电极材料、工作液及放电参数，改善工作液循环过滤方

式等，来有效地提高脉冲利用率，以达到提高工艺参数的目的。

４）正确选择工件的极性：窄脉冲加工选用正极性加工（工件接脉冲电源的正极），而采

用宽脉冲加工时，采用负极性加工（工件接电源的负极）。

2）工具的相对损耗

● 加工中衡量工具电极是否耐损耗，不仅要看工具损耗速度，还要看同时能达到的加工速

度，所以采用相对损耗（损耗比）作为衡量工具电极耐损耗之指标。

● 降低工具电极的相对损耗途径：

１）极性效应

２）覆盖效应：黑膜只能在正极表面形成，因此须采用负极性加工

３）传热效应

4）沉积效应

5）选择合适的工具电极材料

● 工具电极材料

铜：制成各种精密复杂电极，可用于中小型腔加工

钨、钼：熔点和沸点较高、损耗少，但其机械加工性能不好，价格较贵，一般仅用于线 切割。

石墨：用于型腔加工

铜碳、铜钨和银钨合金等合金材料：导热性好，熔点高，电极损耗少，价格较贵、制造成型困难，通常只用于精密电火花加工。

2、影响加工精度的主要因素

（１）放电间隙的大小和一致性

（２）工具电极的损耗及“二次放电”

● 二次放电是指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。 ● 二次放电主要是在加工深度方向的侧面产生斜度和使加工棱角边变钝。

?=v v N /θ100%

图3-4 加工斜度的产生

a)工具损耗产生加工斜度b)轮廓对比图

1-工具电极无损耗时的轮廓线

2-工具电极有损耗但不考虑二次放电时的工件轮廓线

1`-工具电极有损耗时的轮廓线

2`-工具电极有损耗且产生二次放电时的工件轮廓线

3-工件4-工具电极

另外，工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件的表面上。

图3-5 尖角变圆现象

a)加工外表面b)加工内表面

1-工件电极2-工具电极

3．影响表面质量的因素

（１）表面粗糙度：单个脉冲能量、工具电极的表面粗糙度、加工速度。

（２）表面变质层：熔化凝固层、热影响层及显微裂纹。

（３）表面力学性能：表面最外层硬度与耐磨性、残余应力、耐疲劳性能

四、电火花加工的应用

电火花加工应用在穿孔加工、型腔加工、电火花磨削与镗磨加工、电火花展成加工、表面强化、非金属电火花加工或用于打印标记、刻字、跑合齿轮啮合件、取出折断在零件中的丝锥或钻头等方面。

1、穿孔加工

常指贯通的等截面或变截面的二维型孔（圆孔、方孔、多边孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔、微孔等加工的电火花加工。

1）穿孔加工的尺寸精度主要取决于工具电极的尺寸和放电间隙。

2）工具电极的截面轮廓尺寸要比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一个加工间隙，其尺寸精度要比工件高一级，表面粗糙度应比工件的小。

3）一般电火花加工后尺寸公差可达IT7级，表面粗糙度Ra值1.25。

4）电火花加工较大孔时，一般先预制孔，留合适余量（单边余量为0.5～1mm左右），余量太大，生产率低，电火花加工时不好定位。

5）细微孔：直径小于0.2mm的孔。

6）国外目前可加工出深径比为5，直径为0.015mm的细微孔。在我国一般可加工出深径比为10，直径为0.05mm的细微孔。

7）但加工细微孔的效率较低，因为工具电极制造困难，排屑也困难，单个脉冲的放电能量须有特殊的脉冲电源控制，对伺服进给系统要求更严。

8）电火花主要应用在直径为0.3～3mm的高速小孔的加工，可避免小直径钻头（d≤1mm）易折断问题。

9）还适用于斜面和曲面上加工小孔，并可达较高尺寸精度和形状精度。

10）在加工时可采用管状电极，内通高压工作液，工具电极在回转的同时又作轴向进给运动，速度可达60mm/min。

２．电火花型腔加工

1）一般指三维型腔和型面加工，如挤压模、压铸模、塑料模及胶木模等型腔的加工及整体式叶轮、叶片等曲面零件的加工。

2）型腔多为盲孔加工，且形状复杂，致使工作液难以循环，排出蚀除渣困难，因此比穿孔加工困难。为了改善加工条件，有时在工具电极中间开有冲油孔，以便冷却和排出加工产物。

第二节电火花线切割加工

在电火花加工的基础上用线状电极（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，简称线切割。

一、电火花线切割加工原理

利用上下高速移动的金属导线（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。

提问：电火花放电过程中如此高的温度钼丝为何没有熔断？

钼丝不易溶化的原因：

1. 高速的上下移动使之迅速离开高温

2. 工作液不断地冲洗也达到了降温的作用

3.这属于正极性，钼丝接负极不易被腐蚀

二、线切割加工的应用

（1）适用于各种形状的冲模。

（2）可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。

（3）加工样板和成型刀具。

（4）加工粉末冶金模、镶拼型腔模、拉丝模、波纹板成型模。

（5）加工硬质材料、切割薄片，切割贵重金属材料。

（6）加工凸轮、特殊的齿轮。

（7）适用于小批量、多品种零件的加工。

三、线切割加工必须具备条件

1）钼丝与工件的被加工表面之间必须保持一定间隙, 间隙的宽度由工作电压、加工量等加工条件而定。

2）电火花线切割加工时,必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行,如煤油、皂化油、去离子等。

3）必须采用脉冲电源,即火花放电必须是脉冲性、间歇性。

二、线切割加工机床

●线切割加工机床的型号及含义

●线切割加工机床的组成及作用

●线切割机床的分类

●数控线切割技术的发展趋势

1、型号及含义

D K 7 7 40

40 主参数代号：表示工作台横向X轴行程的1/10，即400mm

7 型别代号：表示中走丝线切割机

7 组别代号：表示电火花加工机床

K 通用特性代号：表示数字程序控制

D 机床类别代号：电加工机床

2、DK7740机床的组成及作用

DK7740型线切割机床主要技术指标：

工作台横向行程400 mm

工作台纵向行程500 mm

加工最大锥度±30-±150

工作台最大承载重量320 Kg

工作台台面宽度460 mm

工作台台面长度690 mm

加工最大厚度I400 mm （可调）

加工表面粗糙度Ra ≤2.5um

电极丝直径范围Ф0.16-0.20 mm

电极丝速度11 m/s

最高材料去出率≥100mm2/min

工作液DX-1、DX-4、南光-1

供电电源380V, 三相, 50Hz

功耗< 2 KW

3、线切割机床的分类

1）按走丝速度分：高速走丝和低速走丝

高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS）的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为6-11m/s，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式。

低速走丝电火花线切割机床（WEDM-LS）的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于2.5m/s，这是国外生产和使用的主要机种。

2）按控制方式分

由靠模仿形控制、光电跟踪控制、数字程序控制以及微机控制等，前两种方法现已很少采用。

3）按脉冲电源形式分

有RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源以及自适应控制电源等，RC电源现已基本不用。

4）按加工特点分

有大、中、小型，以及普通直壁切割型与锥度切割型等。

4、数控线切割技术的发展趋势

1）切割速度、加工精度、表面粗糙度、复杂度的进一步提高；

低速目前最高切割速度：300

高速目前最高切割速度：260

2）线切割机床逐步形成产品的系列化、标准化和通用化，向大型、精密、高效率、多功能及自动化等方向发展。

三、DK7740型线切割机床操作系统介绍

概述：HF线切割数控自动编程软件，是一个高智能化的图形交互式软件系统。通过简单直观的绘图工具，将所要进行切割的零件形状描绘出来，按照工艺的要求，将描绘出来的

图形进行编排等处理。再通过系统处理成一定格式的加工程序。

1、全绘编程——主界面

2、功能选择框1

3、功能选择框2

4、加工——界面

5、异面合成功能

第三节激光加工技术

主要内容

1 激光的产生及其特性

2 激光加工的基本原理及特点

3 激光加工的基本设备

4 激光加工技术的应用

一、激光的产生

光的产生与光源内部原子运动状态有关,原子内的原子核和核外电子间存在着吸引和排斥的矛盾，电子按一定的半径的轨道围绕原子核运动。当原子接受一定的外来能量或向外释放一字的能量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，即产生能级变化，这就是发光的原理。

激光是通过入射光子影响处于亚稳态高能纺的原子、离子或分子跃迁到低能能而完成受激辐射时发出的光，简言之，激光就是受激辐射得到的加强光。

二、激光的基本原理及特点

1、激光的发生原理

普通光源激光光源

亮度电灯：约470sb

太阳：约1.65X105 sb

红宝石激光器，约1.65X1015sb

功率1000MW/cm2

激励还原激励还原

電極

電極

激光熱

3、激光加工的基本原理

激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特性，通过一系列的光学系统聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米至几十微米），获得极高的能量密度（108~1010W/cm2）照射到材料上，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到加热和去除材料的目的。

激光加工的特点

1）适应性强激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料，如各种金属、陶

瓷、石英、金刚石、橡胶等。

2）加工精度高激光束可聚焦成微米级的光斑（理论上直径可小于1um）适合

精密微细加工。

3）加工质量好激光加工能量密度高,热作用时间很短,整个加工区几乎不受热的

影响,工件热变形极小，故可加工对热冲击敏感的材料。

4）加工速度快效率高激光打孔只需0.01s，切割比常规方法提高效率8~20倍，激光

焊接可提高效率30倍，微调薄膜电阻可提高1000倍，提高精

度1~2数量级。

5）容易实现自化加工激光束传输方便，易于控制，便于与机器人、自动检测、计算

机数字控制等先进技术相结合。

6）通用性强用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理各种形状和尺寸

的工件。也可以选择适当的加工条件，用同一台装置进行切割、

打孔、焊接和表面处理等多种加工。

7）节能节材激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍，激光切

割可以节省材料15%~30%。

不足点激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素多。

因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此

外对具有高热传导率材料的加工较困难。

三、激光加工基本设备

1）激光器激光器是激光加工的核心设备，通过它可以把电能转化成光能，获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。按材料分：固体激光器、气体激光器、

液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器。按工作方式分：连续激光

器和脉冲激光器。

2）激光器电源激光电源根据加工工艺的要求，为激光提供所需的能量及控制功能。由于激光器的工作特点不同，对供电电源的要求也不同。

3）光学系统光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。聚焦系统的作用是把激光引向聚

焦物镜，并聚焦在加工工件上；为了使激光束准确地聚焦在加工位置，要

有焦点位置调节以及观察描准系统。

4）机械系统机械系统主要包括床身、工作台和机电控制系统。

四、激光加工技术的应用

慨述：激光加工应范围很广，其原因是其输出功率较大，既可脉冲输出，也可连续输出；激光束既可以聚焦成小的光斑，也可聚焦成直线或其他开状；功率密度可调范围大；激光可以在不同的环境下工作；同时也能很方便地用在其他方法不易加工的地方。

材料加热温度的高低主要取决于激光辐射功率密度。功率在103~104/cm2时只能加热材料，在105~106/cm2时，材料开始熔化；到106~107/cm2以上时材料则产生蒸发。激光辐射在加工材料上引起的作用不仅与辐射的功率密度有关，还与辐射的延续时间有关，调节这两个参数，便可以得到不同的工艺规范，进行加工。

主要的应用有：打孔、切割、焊接、热处理、雕刻、微调和快速成型。

1、激光打孔

●激光打孔特点：

1）可加工精度高、深径比大的微小孔

2）能加工小至几微米的小孔

3）可加工异型孔

4）能在所有金属和非金属材料上打孔

5）容易实现自动化，加工效率高

●提高打孔精度的措施:

1）投影法打孔

2）光柱法打孔

3）激光脉冲的调制

4）喷气加工

2、激光切割特性:

1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料

2）切割精度高

3）非接触切割

4）切割速度高

5）切割的深宽比高

6）切割质量优良

7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工

3、激光焊接特性

1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速

2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属

3）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利

4）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀

5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接

4、激光热处理的特性

1）处理速度快

2）变形小

3）效率高

5、激光微调

6、激光雕刻

7、快速成型

第四节其他加工技术

一、液体喷射加工技术

液体喷射加工是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵及增压器产生高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的目的。可加工薄、软的金属及非金属材料，去除腔体零件内部毛刺、使金属表面产生塑性变形。

磨料喷射加工适用于去毛刺加工、表面清理、切割加工、雕刻、落料及打孔等。

二、化学加工技术

化学加工使利用化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件形状、尺寸的加工方法。用于去除材料表层，以减重；有选择地加工较浅或较深的空腔及凹槽；对板材、片材、成形零件及挤压成形零件进行锥孔加工。

三、电子束和离子束加工

电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用于精细加工领域，尤其是微电子领域。

1、电子束加工的原理

2. 电子束加工的特点

1）电子束加工属于精细加工；

2）加工范围广，加工质量好；

3）生产率高；

4）加工过程易于实现自动化。

3.离子束加工原理和特点

离子束加工的物理基础是，当离子束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。

离子束加工装置中的主要系统是离子源，如图8-8是其中一种，称为考夫曼型离子源。

4.离子束加工应用

1）刻蚀加工；

2）镀膜加工；

3）离子注入加工。

四、特种加工技术存在问题

1、不少特种加工的机理（如超声、激光等加工）还不十分清楚，其工艺参数选择、加工

过程的稳定性均需进一步提高。

2、有些特种加工（如电化学加工）加工过程中的废渣、废气若排房不当，会产生环境污

染，影响工人健康。

3、有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）的加工精度及生产率有待提高。

4、有些特种加工（如激光加工）所需设备投资大使用维修费高，亦有待进一步解决。