特種加工課件第一章

1、第1章概述 第第1章概述章概述 1.1特種加工的產(chǎn)生原因特種加工的產(chǎn)生原因 1.2特種加工的定義及分類特種加工的定義及分類 1.3特種加工對制造業(yè)的影響特種加工對制造業(yè)的影響 1.4特種加工的發(fā)展趨勢特種加工的發(fā)展趨勢 第1章概述 1.1特種加工的產(chǎn)生原因特種加工的產(chǎn)生原因推動人類社會進(jìn)步的兩個工具是語言和勞動工具。勞動工具經(jīng)歷了石器時代、青銅器時代后進(jìn)入了機(jī)器化時代，而機(jī)械加工則是伴隨著時代的進(jìn)步而發(fā)展的。傳統(tǒng)的機(jī)械加工已有非常悠久的歷史，它對人類的生產(chǎn)活動和物質(zhì)文明起到了極大的推動作用。例如，18世紀(jì)70年代就發(fā)明了蒸汽機(jī)，但苦于制造不出高精度的蒸汽機(jī)汽缸而無法推廣應(yīng)用。直到后來有人創(chuàng)造出

2、和改進(jìn)了汽缸鏜床，解決了蒸汽機(jī)主要部件的加工工藝，才使得蒸汽機(jī)獲得廣泛應(yīng)用，引起了世界性的第一次產(chǎn)業(yè)革命。這一事實(shí)充分說明了加工方法對新產(chǎn)品的研制、推廣和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等起著重大的作用。 第1章概述 但是，從第一次產(chǎn)業(yè)革命直到第二次世界大戰(zhàn)之前，在這段長達(dá)150多年靠機(jī)械切削加工的漫長年代里，并沒有產(chǎn)生特種加工的迫切要求，也沒有發(fā)展特種加工的充分條件，人們的思想一直局限在自古以來傳統(tǒng)的用機(jī)械能量或熱能所提供的切削力來除去多余的金屬，以達(dá)到加工要求的方式。 第1章概述 隨著社會生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家拉扎連柯夫婦在研究開關(guān)觸點(diǎn)遭受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時，

3、發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時高溫可使局部的金屬熔化、汽化而被蝕除掉，從而開創(chuàng)和發(fā)明了變有害的電蝕為有用的電火花加工的方法。他們用銅桿在淬火鋼上加工出小孔的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用軟的工具可加工任何硬度的金屬材料這一事實(shí)，首次擺脫了傳統(tǒng)的切削加工方法，直接利用電能和熱能來去除金屬，獲得了“以柔克剛”的效果。 第1章概述 進(jìn)入20世紀(jì)50年代以來，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、國防工業(yè)等蓬勃發(fā)展，尤其是國防工業(yè)部門，要求尖端科學(xué)技術(shù)產(chǎn)品向高精度、高速度、大功率、小型化方向發(fā)展，以及能在高溫、高壓、重載荷或腐蝕環(huán)境下長期可靠地工作。為了適應(yīng)這些要求，各種新結(jié)構(gòu)、新材料和復(fù)

4、雜形狀的精密零件大量出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜，材料越來越強(qiáng)韌，對精度要求越來越高，對加工表面粗糙度和完整性要求越來越嚴(yán)格，使機(jī)械制造面臨著一系列嚴(yán)峻的任務(wù)：（1）解決各種難切削材料的加工問題。如硬質(zhì)合金、鈦合金、高溫合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬火鋼、金剛石、石英以及鍺、硅等各種高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性的金屬及非金屬材料的加工。 第1章概述 （2）解決各種特殊復(fù)雜型面的加工問題。如噴氣渦輪機(jī)葉片、整體渦輪、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、鍛壓模和注塑模等的立體成型表面，各種沖模、冷拔模等特殊斷面的型孔，炮管內(nèi)膛線、噴油嘴、噴絲頭上的小孔、異形孔、窄縫等的加工。（3）解決各種超精密、光整零件的加工問題。如對表面

5、質(zhì)量和精度要求很高的航天用儀器、航空陀螺儀、精密光學(xué)透鏡、激光核聚變用的曲面鏡、高靈敏度的紅外傳感器等的精細(xì)表面加工，形狀和尺寸精度要求在0.1m以上，表面粗糙度要求在0.01m以上。 第1章概述 （4）特殊零件的加工問題。如大規(guī)模集成電路、光盤基片、復(fù)印機(jī)和打印機(jī)的感光鼓、微型機(jī)械、微型醫(yī)療器械和機(jī)器人零件、細(xì)長軸、薄壁零件、彈性元件等低剛度零件的加工。要解決上述一系列問題，僅僅依靠傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工方法很難實(shí)現(xiàn)，有些根本無法實(shí)現(xiàn)。在生產(chǎn)的迫切需求下，人們通過各種渠道，借助于多種能量形式，不斷研究和探索新的加工方法。特種加工技術(shù)就是在這種環(huán)境和條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。目前，特種加工已經(jīng)成為制

6、造領(lǐng)域不可缺少的重要方面，在難切削材料、復(fù)雜型面、精細(xì)零件、低剛度零件、模具加工、快速原形制造以及大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。 第1章概述 1.2特種加工的定義及分類特種加工的定義及分類傳統(tǒng)切削加工的本質(zhì)和特點(diǎn)：一是所用刀具材料比工件更硬；二是利用機(jī)械能把工件上多余的材料切除。借助于除機(jī)械能以外的其他能量形式去除工件多余材料的新加工方法，統(tǒng)稱為“特種加工”，國外稱為“非傳統(tǒng)加工”或“非常規(guī)機(jī)械加工”。 特種加工是指利用光、電、聲、熱、化學(xué)、磁、原子能等能源或其組合施加到工件被加工的部位上，從而實(shí)現(xiàn)材料去除的加工方法，也稱為非傳統(tǒng)加工方法(NTM，NonTraditionalMa

7、chining)。 第1章概述 特種加工的特點(diǎn)和與傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別主要有：(1)主要依靠機(jī)械能以外的其他能量(如電能、熱能、光能、聲能以及化學(xué)能或其組合等)來去除工件材料。（2）工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，在某些情況下，如在激光加工、電子束加工、離子束加工等加工過程中，根本不需要使用任何工具。（3）在加工過程中，工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械切削力作用，工件不承受機(jī)械力，特別適合于精密加工低剛度零件。 第1章概述 （4）特種加工技術(shù)不僅可以采取單獨(dú)的加工方法，更可以采用復(fù)合的加工方法。近年來，復(fù)合特種加工方法發(fā)展迅速，應(yīng)用十分廣泛。由于具有上述特點(diǎn)，因此總體而言，特種加工技術(shù)可以

8、加工任何硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性的金屬材料、非金屬材料或復(fù)合材料，而且特別適合于加工復(fù)雜、微細(xì)表面和低剛度的零件，同時，有些方法還可以用于進(jìn)行超精密加工、鏡面加工、光整加工以及納米級(原子級)的加工。 第1章概述 表11常用特種加工方法分類表 加 工 方 法 主要能量形式 作用形式 符號 電火花成型加工 電能、 熱能 熔化、 氣化 EDM 電火花加工 電火花線切割加工 電能、 熱能 熔化、 氣化 WEDM 電解加工 電化學(xué)能 金屬離子陽極溶解 ECM(ELM) 電解磨削 電化學(xué)能、 機(jī)械能 陽極溶解、 磨削 EGM(ECG) 電解研磨 電化學(xué)能、 機(jī)械能 陽極溶解、 研磨 ECH 電鑄 電化學(xué)能

9、 金屬離子陰極沉積 EFM 電化學(xué)加工 涂鍍 電化學(xué)能 金屬離子陰極沉積 EPM 激光束加工 光能、 熱能 熔化、 氣化 LBM 電子束加工 光能、 熱能 熔化、 氣化 EBM 離子束加工 電能、 機(jī)械能 切蝕 IBM 高能束加工 等離子弧加工 電能、 熱能 熔化、 氣化 PAM 超聲加工 聲能、 機(jī)械能 切蝕 USM 磨料流加工 機(jī)械能 切蝕 AFM 物料切蝕 加工 液體噴射加工 機(jī)械能 切蝕 HDM 化學(xué)銑削 化學(xué)能 腐蝕 CHM 化學(xué)拋光 化學(xué)能 腐蝕 CHP 化學(xué)加工 光刻 光能、 化學(xué)能 光化學(xué)腐蝕 PCM 電化學(xué)電弧加工 電化學(xué)能 熔化、 氣化腐蝕 ECAM 復(fù)合加工 電解電化學(xué)機(jī)

10、械磨削 電能、 熱能 離子溶解、 熔化、 切割 MEEC 第1章概述 盡管特種加工優(yōu)點(diǎn)突出，應(yīng)用日益廣泛，但是各種特種加工的能量來源、作用形式、工藝特點(diǎn)不盡相同，其加工特點(diǎn)與應(yīng)用范圍自然也不一樣，而且各自還具有一定的局限性，因此為了更好地應(yīng)用和發(fā)揮各種特種加工的最佳功能及效果，必須依據(jù)工件材料、尺寸、形狀、精度、生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性等情況作具體分析，區(qū)別對待，合理選擇特種加工方法。幾種常見的特種加工方法性能和效果綜合比較如表12所示。 第1章概述 表表12幾種常用特種加工方法的綜合比較幾種常用特種加工方法的綜合比較 加工方法 可加工材料 工具損耗率/% (最低/平均) 材料去除率/ (mm3/min

11、) (平均/最高) 可達(dá)到尺寸 精度/mm (平均/最高) 可達(dá)到表 面粗糙度 Ra/m (平均/最高) 主要適用范圍 電火花 成型加工 0.1/10 30/3000 0.03/0.003 10/0.04 從數(shù)微米的孔、 槽到數(shù)米的超大型模具、 工件等， 如各種類型的孔、 各種類型的模具， 還可刻字、 表面強(qiáng)化等加工 電火花線 切割加工 較小(可補(bǔ)償) 20/500 (mm2/min) 0.02/0.002 5/0.04 切割各種 二維及三維直紋面組成的模具及零件， 可直接切割樣板等， 也常用于鉬、 鎢、 半導(dǎo)體材料或貴重金屬切削 電解加工 不損耗 100/10000 0.1/0.01 1.2

12、5/0.16 從微小零件到超大型工件、 模具的加工， 如型孔、 型腔、 拋光、 去毛刺等 電解磨削 任何導(dǎo)電金屬材料， 如硬質(zhì)合金鋼 、 耐熱鋼 、 不銹鋼 、 淬火鋼、 鈦合金等 1/50 1/100 0.02/0.001 1.25/0.04 硬質(zhì)合金 鋼等難加工材料的磨削， 如硬質(zhì)合金刀具、 量具、 軋輥、 小孔研磨、 珩磨等 第1章概述 表表12幾種常用特種加工方法的綜合比較幾種常用特種加工方法的綜合比較 超聲波 加 工 任何脆性 材料 0.1/10 1/50 0.03/0.005 0.63/0.16 加工、 切割脆硬材料， 如玻璃、 石英、 寶石、 金剛石、 硅等， 可加工型孔、 型腔

13、、 小孔等 激光加工 10/1.25 精密加工小孔、 窄縫及成型切割、 蝕刻， 如金剛石拉絲模、 鐘表寶石軸承等 電子束 加 工 瞬時 去 除率很高， 受功 率限制 ， 平 均去除 率不高 0.01/0.001 1.25/0.2 在各種難 加工材料上打微小孔、 切縫、 蝕刻、 焊接等， 常用于制造大、 中規(guī)模集成電路微電子器件 離子束 加 工 任何材料 不 損 耗 ( 三種加工沒有成型用的工具) 很低 /0.01 m /0.01 對零件表 面進(jìn)行超精密、 超微量加工、 拋光、 刻蝕、 摻雜、 鍍覆等 水射流切割 鋼鐵、 石材 無損耗 300 0.2/0.1 20/5 下料、 成形切割、 剪裁

14、快速成形 增加材料方法加工， 無可比性 0.3/0.1 10/5 快速制作樣件、 模具 第1章概述 1.3特種加工對制造業(yè)的影響特種加工對制造業(yè)的影響（1）提高了材料的可加工性。一般情況下，認(rèn)為金剛石、硬質(zhì)合金、淬火鋼、石英、玻璃、陶瓷等是很難加工的，但是現(xiàn)在已經(jīng)廣泛采用的利用金剛石、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼等制造的刀具、工具、拉絲模具等都可以采用電火花、電解、激光等多種方法來加工，也即工件材料的可加工性不再與其硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性等有直接的關(guān)系。對于電火花、線切割等加工技術(shù)而言，淬火鋼比未淬火鋼更容易加工。特種加工方法使材料的可加工范圍從普通材料發(fā)展到硬質(zhì)合金、超硬材料和特殊材料。第1章

15、概述 （2）改變了零件的典型工藝路線。在傳統(tǒng)的加工領(lǐng)域，除磨削加工以外，其他的切削加工、成型加工等都必須安排在淬火熱處理工序之前，這是工藝人員不可違反的工藝準(zhǔn)則。特種加工技術(shù)的出現(xiàn)，改變了這種一成不變的程序格式。由于特種加工基本上不受工件材料硬度的影響，而且為了免除加工后再淬火引起熱處理變形，一般都是先淬火處理而后加工。最為典型的是，電火花線切割加工、電火花成型加工、電解加工等都必須先進(jìn)行淬火處理后再加工。 第1章概述 特種加工的出現(xiàn)還對以往工藝路線的“工序分散”和“工序集中”產(chǎn)生了影響。以加工齒輪、連桿等型腔鍛模為例，由于特種加工過程中沒有顯著的機(jī)械作用力，因此機(jī)床、夾具、工具的強(qiáng)度、剛度不

16、是主要矛盾，即使是較大的、復(fù)雜的加工表面，往往使用一個復(fù)雜工具、簡單的運(yùn)動軌跡，經(jīng)過一次安裝、一道工序就可以加工出來，工序比較集中。 第1章概述 （3）大大縮短了新產(chǎn)品的試制周期。以往試制新產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件時，必須先設(shè)計、制造相應(yīng)的刀、夾、量具和模具以及二次工裝，現(xiàn)在試制新產(chǎn)品時，采用精密與特種加工技術(shù)就可以直接加工出各種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，微型電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子硅鋼片，各種變壓器鐵芯，各種特殊及復(fù)雜的二次曲面體零件，可以不用設(shè)計和制造相應(yīng)的刀具、夾具、量具、模具以及二次工裝，大大縮短了新產(chǎn)品的試制周期。而快速成型技術(shù)更是試制新產(chǎn)品的必要手段，改變了過去傳統(tǒng)的產(chǎn)品試制模式。 第1章概述 （4）對

17、產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響。 例如，為了減少應(yīng)力集中，花鍵孔、軸以及槍炮膛線的齒根部分最好做成小圓角，但拉削加工時刀齒做成圓角對排屑不利，容易磨損，因此刀齒只能設(shè)計與制造成無棱角的齒根，而采用電解加工技術(shù)時，由于存在尖角變圓的現(xiàn)象，因此必須采用小圓角的齒根。各種復(fù)雜沖模，如山形硅鋼片沖模，以往由于難以制造，經(jīng)常采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在采用電火花、線切割加工技術(shù)后，即使是硬質(zhì)合金的模具或刀具，也可以制成整體式結(jié)構(gòu)。噴氣發(fā)動機(jī)渦輪也由于電解加工技術(shù)的出現(xiàn)而可以采用整體式結(jié)構(gòu)。 第1章概述 （5）對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工藝性好與壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了重要影響。以往普遍認(rèn)為方孔、小孔、彎孔、窄縫等是工藝性差的典

18、型，是設(shè)計人員和工藝人員非?！凹芍M”的，有的甚至是機(jī)械結(jié)構(gòu)的“禁區(qū)”。而對于電火花穿孔加工、電火花線切割加工來說，加工方孔和加工圓孔的難易程度是一樣的。噴油嘴小孔，噴絲頭小異形孔，渦輪葉片上大量的小冷卻深孔、窄縫，靜壓軸承和靜壓導(dǎo)軌的內(nèi)油囊型腔等的加工，在采用電火花加工技術(shù)以后都變難為易了。過去，若淬火處理以前忘了鉆定位銷孔、銑槽等工藝，那么淬火處理后這種工件只能報廢，現(xiàn)在則可以用電火花打孔、切槽等進(jìn)行補(bǔ)救。相反，現(xiàn)在有時為了避免淬火處理產(chǎn)生開裂、變形等缺陷，故意把鉆孔、開槽等工藝安排在淬火處理之后，使工藝路線安排更為靈活。 第1章概述 （6）特種加工已經(jīng)成為微細(xì)加工和納米加工的主要手段。近年來出現(xiàn)并快速發(fā)展的微細(xì)加工和納米加工技術(shù)，主要是電子束、離子束、激光、電火花、電化學(xué)等電物理、電化學(xué)特種加工技術(shù)，學(xué)習(xí)和掌握這種加工技術(shù)后，可以使設(shè)計和工藝技術(shù)人員采用更小的結(jié)構(gòu)，甚至微細(xì)結(jié)構(gòu)。 第1章概述 1.4特種加工的發(fā)展趨勢特種加工的發(fā)展趨勢目前，國際上對特種加工技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）微細(xì)化。目前，國際上對微細(xì)電火花加工、微細(xì)超聲波加工、微細(xì)激光加工、微細(xì)電化學(xué)加工等的