第10章 先进加工技术.doc

第10章 先进加工技术简介第10章 先进加工技术简介10.1 特种加工技术传统的金属切削加工方法是指车、铣、钻、镗、刨、磨、拉，齿形加工等，主要依靠机械能进行切削加工特种加工技术也称“非传统加工”（Non-Traditional Machining），泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能等能量达到去除或增加材料的加工方法特种加工技术的主要应用领域是：l 难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料l 难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工 l 低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工 l 以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工10.1.1 数控电火花与线切割加工10.1.1.1 数控电火花加工 1、电火花加工基本原理图10-1 电火花加工基本原理电火花（放电）加工英文简称EDM（Electrical Discharge Machining），其基本工作原理是利用工具和工件 ( 正、负电极 ) 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、形状及表面质量预定的加工要求。

如图10-1所示电火花加工需要四个基本工作条件：工具电极与工件电极保持一个微小间隙；脉冲电源；放电区域电流密度足够强；绝缘液态介质其微观机理（物理、化学过程）包含四个基本工作阶段：（1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道图10-1.b）（2）介质热分解，电极材料溶化气化膨胀，局部微爆炸；（图10-1.c）（3）电极颗粒抛出；（图10-1.d）（4）极间介质的消电离，放电结束，介质消除电离，恢复绝缘图10-1.e）2、电火花加工数控设备电火花加工从数显发展到数控，已能实现工具电极和工件之间的多种相对运动，用来加工多种较复杂的型腔目前，绝大部分电火花数控机床采用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等图10-2 数控电火花成型加工机床组成数控电火花加工机床主要由机床本体、脉冲电源、伺服进给系统、工作液供给系统、数控系统等组成如图10-2所示3、工具电极工具电极材料必须具有导电性能良好、电腐蚀困难、电极损耗小，并且具有足够的机械强度、加工稳定、效率高、材料来源丰富、价格便宜等特点常用的电极材料有紫铜、石墨、黄铜、 钢、铸铁等4、零件加工实例零件毛坯为钢块，要求在毛坯表面的中心位置打出一个 10 × 10 × 2 的方型腔。

加工设备：CJ-340 数控电火花成型加工机床加工以前完成相关准备工作，包括工艺分析及工艺路线设计、电极选择、加工工艺参数选择、程序编制等 图10-3 数控线切割加工原理1、 脉冲电源 2、控制装置 3、工作液 4、走丝机构 5和6、伺服电机 7、工件 8和9、工作台 10、喷嘴11、电极丝导向器 12、电源进电柱操作基本步骤：（1）开机，各坐标轴回零；（2）零件装夹找正；（3）电极装夹找正，把电极装在主轴上，把百分表放在工作台上，使百分表的触针压在电极上，然后使用手动盒上下移动主轴头，看指针的摆动来调整电极的位置； （4）设定编程坐标系的原点；（5）程序输入；（6）调用程序并执行；（7）关闭磁力吸盘的开关（ON → OFF），取出工件，用深度尺和游标卡尺测量；（8）关机 10.1.1.2 数控线切割加工1、数控线切割加工基本原理 数控电火花线切割是在电火花成形加工基础上发展起来的，简称数控线切割如图 10-3 所示为其基本工作原理工件装夹在机床的坐标工作台上，接脉冲电源的正极；采用细金属丝作为工具电极，称为电极丝，接入负极在两电极间施加脉冲电压，不断喷注具有一定绝缘性能的水质工作液，并由伺服电机驱动坐标工作台按预先编制的数控加工程序沿 x 、 y 两个坐标方向移动，当两电极间的距离小到一定程度时，工作液被脉冲电压击穿，引发火花放电，蚀除工件材料，逐步将工件切割加工成型。

2、数控电火花线切割机床数控电火花线切割机床简称线切割机床，适合加工各种模具，切割微细精密及形状复杂的零件、样板，切割钨片、硅片等线切割机床按电极丝的走丝速度分为快走丝、慢走丝两大类（DK77**为快走丝系列；DK76**为慢走丝系列）如表10-1所示为快走丝线切割机床系列线切割机床组成如图10-4所示表10-1 线切割机床型号表型 号DK7725 系列DK7732 系列DK7740 系列工作台面尺寸640 mm×460 mm880 mm×540 mm900 mm×550 mm工作台行程320 mm×250 mm420 mm×320 mm480 mm×400 mm最大切割厚度普通可调线架为 300 mm ，锥度可调线架为 250 mm最大切割锥度6 °最大切割速度>120mm2/min加工表面粗糙度Ra≤2.5μm(20mm2/min)电极丝直径φ0.10 mm–φ0.19mm保护功能断线自动关断走丝电机工作电源单相 220V 50Hz功耗< 1 KW机床尺寸1400mm×1150mm×1600mm1400 mm×1300 mm×1600 mm图10-4 线切割机床组成3、电极丝材料 电极丝材料应具有良好的导电性、较大的抗拉强度和良好的耐电腐蚀性能，且电极丝的质量应该均匀，直线性好，无弯折和打结现象，便于穿丝。

快走丝线切割机床上用的电极丝主要是钼丝和钨钼合金丝，尤以钼丝的抗拉强度较高，韧性好，不易断丝，因而应用广泛；钨钼合金丝的加工效果比钼丝好，但抗拉强度较差，价格较贵，仅在特殊情况下使用 电极丝材料不同，其直径范围也不同，一般钼丝为Φ0.06～0 .25mm ，钨钼合金丝为Φ 0.03～0 .35mm 电极丝直径小，有利于加工出窄缝和内尖角的工件，但线径太细，能够加工的工件厚度也将受限电极丝直径的大小应根据切缝宽窄、工件厚度及凹角尺寸大小等要求进行确定，快走丝线切割加工中一般使用 Φ 0.12～0 .20mm 4、线切割加工操作步骤（1）开机，检查各部分是否正常，包括高频电源、工作液泵、储丝筒等的运行情况； （2）装夹工件，根据工件厚度调整 Z 轴至适当位置并锁紧； （3）进行储丝筒绕丝、穿丝和电极丝位置校正等操作； （4）移动 X 、 Y 轴坐标确立电极丝切割起始坐标位置； （5）开启工作液泵，调节喷嘴流量； （6）输入或调用加工程序并存盘后装入内存； （7）确认程序无误后，进行自动加工； （8）加工结束，取下工件，将工作台移至各轴中间位置； （10）清理加工现场； （11）关机图10-5电化学反应工作原理10.1.2 电解加工与电铸加工电化学加工（Electrochemical Machining）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（电铸）加工两个基本大类。

电化学反应工作原理如图10-5所示，两根铜棒浸入CuCl2溶液中，连接导线和电源，在通直流电的条件下，溶液中原本自由运动的Cu2+发生定向移动，Cu2+在阴极得到电子还原为铜而沉积于铜棒上，阳极铜棒失去电子而生成Cu2+进入溶液这里实际上存在两种电化学加工形式：阳极为电解蚀除；阴极为电镀沉积10.1.2.1 电解加工1、基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”使工件成型在工件（阳极）与工具（阴极）之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙（0.1~0.8mm），流动的电解液通过间隙工件阳极表面在电化学反应的作用下金属不断溶解，工具阴极得到电子后金属被还原，溶解产物被电解液不断冲走，工件表面逐渐被加工成近似于工具电极的图10-6 电解加工示意图表面形状　如图10-6所示为电解加工示意图2、电解加工特点电解加工与其他加工方法比较，有如下特点：（1）能加工各种硬度和强度的金属；（2）加工表面质量较好；（3）生产效率比电火花加工高；（4）理论上阴极工具可做到不损耗电解加工的主要缺点是加工尺寸精度较难控制，电解液对设备有腐蚀作用，等3、电解加工设备电解加工的基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。

1）电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源2）电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类4、电解加工应用目前电解加工主要应用于深孔加工、叶片（型面）加工、锻模（型腔）加工、管件内孔抛光、各种型孔倒圆和去毛刺、整体叶轮加工等10.1.2.2 电铸（快速电镀）加工1、电铸原理电铸的原理与电解的原理是一致的电铸时一般都是用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液；把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极；用镀层金属作为阳极，与直流电源正极相连通入低压直流电，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，这些离子在阴极获得电子被还原成金属，覆盖在需要电镀的金属制品上如图10-7所示为电铸成型工作原理图2、电铸工作特点（1）能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路；（2）能获得尺寸精度高、表面粗糙度小的复制品；（3）母模材料不限于金属；（4）电铸可获得高纯度的金属制品电铸加工的主要缺点是金属沉积速度慢，制造周期长；电铸层厚度不易均匀，电铸层一般都具有较大应力，所以大型电铸件都易变形，不能承受冲击载荷图10-8 超声波加工原理图图10-7 电铸成型工作原理3、电铸设备电铸设备包括电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。

4、电铸的应用电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能，在航空航天、仪器仪表、精密机械、模具制造等领域发挥重要作用目前电化学加工逐渐发展为与机械加工等结合使用的电化学机械复合加工方法，包括电解磨削、电解研磨、电解珩磨、电化学机械抛光，以及电化学超声加工等等先进加工工艺方法，使加工范围越来越大、加工精度和加工表面质量越来越好、加工成本越来越低，成为重要的特种加工方法10.1.3 超声波加工人耳听力范围16~16000Hz，如果声波频率>16000Hz，则为超声波（Ultrasonic Machining）超声波加工是利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形方法超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬而脆的金属材料，而且更适合于不导电的非金属硬脆材料的精密加工和成形加工，还可以用于清洗、探伤和焊接等工作，在农业、国防、医疗等方面用途非常广泛1、加工原理超声波加工原理如图10-8，超声波电源产生1.6万Hz以上的高频脉冲，输送给换能器，产生超声波振动，并借助变幅杆将振幅放大到0.05~0.1mm左右，使金刚砂磨头产生强烈振动，悬浮工作液也产生强烈振动，不断撞击、空化、抛磨工件表面，直至达到加工要求。

2、加工特点（1）非常适合加工各种脆硬的材料，特别是电加工方法所无法加工的非金属材料（如玻璃、陶瓷、半导体、人造宝石等）（2）易于加工形状复杂型孔，使之与工具形状一致；（3）工件加工过程中受力小，对于加工薄壁、窄缝等低刚度工件非常有利；（4）加工精度高、表面粗糙度小，加工表面无组织烧伤、残余应力等出现但是超声波加工金属材料时，生产效率比电加工方法低图10-9 旋转超声加工机床3、加工设备超声波加工设备包括超声波发生器、超声振动系统、磨料悬浮工作液循环系统、机床本休。