機(jī)械制造基礎(chǔ)-電子教案第4章

1、4.1 特種加工 4.1.1 概述 1. 特種加工的產(chǎn)生與發(fā)展 自從20世紀(jì)50年代以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅 猛發(fā)展，對機(jī)械制造部門提出了許多新的課題。直到 1943年，前蘇聯(lián)的拉扎連柯夫婦發(fā)明了電火花加工的 新方法。采用這種方法直接利用電能和熱能來去除金 屬，達(dá)到了“以柔克剛”的效果。隨后，人們相繼發(fā)明 了一系列的特種加工方法，并在生產(chǎn)加工中得到廣泛 的應(yīng)用，從而開創(chuàng)了特種加工的新領(lǐng)域。 2. 切削加工的本質(zhì) 一是刀具材料的硬度必須大于工件材料的硬度； 二是靠機(jī)械能把工件上多余的金屬材料切除。 3. 特種加工的定義及特點 是指直接利用電能、熱能、光能、化學(xué)能、電化 學(xué)能、聲能等各種能量去除

2、材料進(jìn)行加工 的總稱。 特種加工具有以下特點： （1）工具材料的硬度可大大低于工件材料的硬度； （2）不是主要依靠機(jī)械能，而是用其他能量去除金屬材料； （3）加工過程中不存在明顯的機(jī)械切削力； （4）可以有選擇的將各種加工方法復(fù)合成新的工藝方法，保證加工精度和提高加工效率。 4. 特種加工對機(jī)械制造工藝技術(shù)的影響 （1）改變了對材料可加工性的認(rèn)識 （2）改變了零件的典型工藝路線 （3）對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的影響 （4）改變了對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工藝性好與壞的判斷 （5）大大縮短了新產(chǎn)品的試制周期。 5. 特種加工的分類 分為電火花加工、電化學(xué)加工、激光加工、電子 束加工、離子束加工和超聲加工等。

3、 4.1.2 電火花加工 1. 電火花加工原理 電火花加工是指在一定介質(zhì)中，通過工具電極和工 件電極之間不斷產(chǎn)生的脈沖性火花放電，并瞬時產(chǎn)生高 溫把金屬蝕除掉，對工件進(jìn)行加工的一種方法。 電火花 加工過程一般可分為介質(zhì)電離擊穿、能量轉(zhuǎn)換、蝕除拋 出和極間介質(zhì)消電離四個階段。 2. 電火花加工的特點 （1）可加工任何硬、脆、韌、軟、 高熔點、高強(qiáng)度的導(dǎo)電材料。 （2）適用于加工小孔、薄壁、窄 槽以及各種復(fù)雜截面的型孔和型腔等，且加工質(zhì)量好。 （3）一次安裝完成粗加工、半精加工和精加工。 （4）加工時不受熱變形的影響。 （5）易于實現(xiàn)加工的自動化。 （6）只能對導(dǎo)電材料進(jìn)行加工。 3. 電火花加工

4、的應(yīng)用 （1）電火花穿孔和型腔加工 1）電火花穿孔加工 常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴和噴絲孔等零件上的各種型孔、小孔和微孔。 2）電火花型腔加工 主要用于鍛模、壓鑄模、擠壓模、注塑模等型腔加工，以及葉輪、葉片等曲面加工。 （2）電火花線切割加工 線切割加工的基本原理是利用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲作工具電極，工件為陽極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電，按預(yù)定的軌跡進(jìn)行切割加工。工作原理如圖所示。 電火花線切割 機(jī)床分為兩大類： 一類是高速走絲電 火花線切割機(jī)床； 另一類是低速走絲 電火花線切割機(jī)床。 電火花線切割加工與電火花穿孔成形加工相比， 既有共性的地方，又具有顯著的特性： 1）生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和加工周期短

5、，生產(chǎn)成本低。 2）可加工微細(xì)異形孔、窄縫和形狀復(fù)雜的工件。 材料利用率高。 3）加工精度較高。 4）易于實現(xiàn)微機(jī)控制，自動化程度高。 5）生產(chǎn)效率不高，且不能加工盲孔類零件和階梯 表面。 線切割加工主要用于各種沖模、塑料模、擠壓模、 粉末冶金模等模具的加工；用于電火花成形加工用的 工具電極加工；用于加工品種多，數(shù)量少的零件，特 殊難加工材料的零件，各種型孔、特殊齒輪凸輪、樣 板、成型刀具等；用于試制新產(chǎn)品時直接割出零件。 因此，電火花線切割加工廣泛用于電子儀器、精密機(jī) 床、輕工、軍工等部門。 4.1.3 電解加工 1. 電解加工的基本原理 電解加工是利用金屬工件在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)

6、原理來對工件進(jìn)行成形加工的一種方法。 2. 電解加工的特點 （1）加工范圍廣。 （2）能一次加工出形狀復(fù)雜的型面和型腔。 （3）生產(chǎn)效率高。 （4）能獲得較好的加工精度。 （5）加工過程中，工具電極可長期使用。 （6）不易達(dá)到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。 （7）不能加工非導(dǎo)電材料。 （8）不適用單件小批量生產(chǎn)。 （9）加工設(shè)備投資較大，容易污染環(huán)境。 3. 電解加工的應(yīng)用 可加工各種模具的復(fù)雜型腔、各種型孔、各種型面、槍炮的膛線，以及電解拋光、電解磨 削、電解倒棱去毛刺、電解切割等。 4.1.4 激光加工 1. 激光加工的原理 激光加工是指利用光能經(jīng)過透鏡聚焦后，形成能量密度很高的激光束，照射

7、在工件的加工表面上，依靠光熱效應(yīng)來加工各種材料的一種加工方法。 （1）工作物質(zhì) 只有能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。 （2）激勵能源 是把工作物質(zhì)中多余一半的原子從低能級激發(fā)到高能級上去，實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 （3）諧振腔 主要作用是使工作物質(zhì)所產(chǎn)生的受激 輻射建立起穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，從而實現(xiàn)光放大。 2. 激光加工的特點 （1）加工范圍廣。 （2）用于精密微細(xì)加工。 （3）易實現(xiàn)自動化。 （4）加工性能好。 （5）精微加工時，精度難保證。 （6）工作時，操作者應(yīng)戴防護(hù)眼鏡。 3. 激光加工的應(yīng)用 （1）激光打孔 主要用于在特殊零件或特殊材料上孔的加工。具有速度極快、生產(chǎn)效率

8、極高的特點。 （2）激光切割 可以切割金屬、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體材料、布、紙、橡膠、木材等各種材料，切割效率高，切縫窄，并可十分方便地切割出各種曲線形狀。 （3）激光焊接 具有時間短、效率高、熱影響區(qū)小、無噴渣、被焊材料不易氧化和焊縫質(zhì)量高等特點，既可以焊接同種材料，也可以焊接異種材料，還可透過玻璃焊接。 （4）激光表面熱處理 可以對鑄鐵、中碳鋼、甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火，并且具有工件表層的加工速度極快、內(nèi)部受熱極小、工件不產(chǎn)生熱變形等特點，特別適合于 形狀復(fù)雜零件的加工。 4.1.5 電子束加工 1. 電子束加工原理 下圖為電子束加工原理圖，它由高壓電源、電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

9、等組成。 2. 電子束加工的特點 （1）可用來加工微細(xì)深孔、窄縫和半導(dǎo)體集成電路等。 （2）加工材料范圍廣。 （3）特別適合于高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬及合金的加工。 （4）工件不易產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。 （5）加工過程易于實現(xiàn)自動化。 （6）加工設(shè)備復(fù)雜，投資較大。 3. 電子束加工的應(yīng)用 （1）電子束高速打孔及型面加工 （2）電子束焊接 （3）電子束刻蝕 4.1.6 超聲波加工 1. 超聲波加工原理 超聲波加工是利用作超聲頻振動的工具端面，帶 動工件和工具之間的磨料懸浮液，沖擊和拋磨加工硬 脆材料的一種成型方法。加工原理如圖所示。 2. 超聲波加工的特點 （1）加工范圍廣。 （2）加工機(jī)

10、床的結(jié)構(gòu)較簡單，操作維修方便。 （3）加工精度好。 3. 超聲波加工的應(yīng)用 （1）型孔、型腔加工 （2）切割加工 （3）超聲清洗 （4）超聲焊接 4.2 數(shù)控機(jī)床 4.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理和特點 1. 數(shù)控機(jī)床的基本概念 數(shù)控是指用數(shù)字和符號構(gòu)成的指令來自動控制機(jī)床的運(yùn)動及其加工過程。數(shù)控機(jī)床是指采用數(shù)字程序進(jìn)行控制的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代。 第一代數(shù)控系統(tǒng)采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置； 第二代數(shù)控系統(tǒng)采用晶體管和印制板電路的數(shù)控裝置； 第三代數(shù)控系統(tǒng)采用中、小規(guī)模集成電路的數(shù)控裝置； 以上三代數(shù)控系統(tǒng)屬于第一階段，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)，簡稱NC系統(tǒng)。 第四代數(shù)控系統(tǒng)采用

11、大規(guī)模集成電路的小型通用計算機(jī)控制的系統(tǒng)；即CNC系統(tǒng)。 第五代數(shù)控系統(tǒng)采用微型計算機(jī)控制的系統(tǒng)。 從1970年到現(xiàn)在屬于第二階段。是采用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，即MNC系統(tǒng)。 2. 數(shù)控機(jī)床的組成 （1）程序載體 是指在操作者與數(shù)控機(jī)床之間建立某種聯(lián)系的中間媒介物。功用是用于記載數(shù)控機(jī)床加工零件所需的程序。常用的有磁帶、軟盤和閃存盤等。 （2）輸入裝置 其作用是將程序載體上含有加工信息的程序，完整、正確地傳送至數(shù)控機(jī)床的CNC中。可以是磁帶讀入機(jī)、軟盤驅(qū)動器和有專用程序支持的計算機(jī)接口。還可以MDI方式輸入。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床上，還可以利用CAD/CAM軟件，用通信方式由計算機(jī)直接傳送給數(shù)控裝置。 （3

12、）CNC單元 是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算和控制系統(tǒng)，一般由輸入、處理和輸出三個部分組成。它的功用是接收由輸入裝置輸入的加工信息，并將其代碼加以識別、儲存、處理與運(yùn)算后，輸出相應(yīng)的指令脈沖送給伺服系統(tǒng)，通過伺服系統(tǒng)使機(jī)床按預(yù)定的軌跡運(yùn)動。 （4）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分。其功用是接受數(shù)控系統(tǒng)輸出的指令脈沖信號，將其轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動部件的運(yùn)動，并對進(jìn)給運(yùn)動速度和定位精度加以控制。 （5）位置反饋系統(tǒng) 其功用是為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。中、小型數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)沒有專用的位置反饋系統(tǒng)，是利用坐標(biāo)軸伺服電機(jī)的角位移反饋信號，間接獲取坐標(biāo)軸的位置反饋信號，這種數(shù)控系統(tǒng)稱半閉環(huán)控制系統(tǒng)。具有位置反饋系

13、統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （6）機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，是數(shù)控機(jī)床的主體。數(shù)控機(jī)床采用了高性能主軸部件及傳動系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高剛度和耐磨性、熱變形小、更多地采用高效傳動部件（如滾珠絲杠、靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌）等。 3. 數(shù)控機(jī)床的工作原理 （1）工藝規(guī)劃 工藝規(guī)劃就是制定合理的加工工藝。 （2）數(shù)學(xué)處理 數(shù)學(xué)處理主要是在確定了加工方案后，根據(jù)零件的幾何形狀、走刀路徑以及設(shè)定的坐標(biāo)系，計算粗、精加工刀具運(yùn)動軌跡的坐標(biāo)值，以獲得刀位數(shù)據(jù)。 （3）編制程序單 在完成上述工藝規(guī)劃及數(shù)學(xué)處理工作后，即可以編制程序單。程序編制還可采用計算機(jī)自動編程。 （4）輸入程序 把信息代碼，存

14、儲在信息載體上如磁帶、軟盤和閃存盤等），然后將信息載體送到輸入裝置，輸入裝置讀出信息并送入數(shù)控裝置；也可以采用MDI方式輸入；還可以利用計算機(jī)和數(shù)控機(jī)床的接口直接進(jìn)行通信，實現(xiàn)零件程序的輸入和輸出。 （5）程序校驗與試運(yùn)行 程序輸入后必須經(jīng)過校驗與試運(yùn)行，才能對零件進(jìn)行正式加工。 4. 數(shù)控機(jī)床的特點 （1）生產(chǎn)柔性大 （2）加工精度高 （3）生產(chǎn)效率高 （4）減輕勞動強(qiáng)度、改善勞動條件 （5）良好的經(jīng)濟(jì)效益 4.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類 1. 按工藝用途分類 （1）普通數(shù)控機(jī)床 一般是指在加工工藝過程中的一個工序上實現(xiàn)數(shù)字控制的自動化機(jī)床，可分為數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床

15、等。 （2）加工中心 是指在一般數(shù)控機(jī)床上加裝一個刀庫和自動換刀裝置，集銑、鉆、鏜所有功能于一體的數(shù)控機(jī)床。 （3）多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床 是指數(shù)控裝置同時控制的軸數(shù)超過三個的機(jī)床。 2. 按控制運(yùn)動軌跡分類 （1）點位控制數(shù)控機(jī)床 點位控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置只控制刀具或機(jī)床的工作臺從一點準(zhǔn)確移動到另一點，而對它們的運(yùn)動軌跡沒有嚴(yán)格要求，并且在運(yùn)動和定位過程中不進(jìn)行任何加工。 （2）直線控制數(shù)控機(jī)床 其數(shù)控裝置不僅要控制刀具或機(jī)床的工作臺從一點準(zhǔn)確移動到另一點，而且還要控制移動速度和軌跡，實現(xiàn)平行于坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動，在移動部件移動時進(jìn)行切削加工。常見的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床等。 （3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床 其數(shù)控裝置能夠?qū)蓚€或兩個以上的坐標(biāo)軸同時進(jìn)行嚴(yán)格的連續(xù)控制。它不僅要控制移動部件從一點準(zhǔn)確移動到另一點，而且還要控制整個加工過程每一點的速度和位移量，使其加工出符合圖紙要求的形狀復(fù)雜的零件。常見的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、加工中心等。 3. 按控制方式分類 （1）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 其不帶反饋裝置，只按照數(shù)控裝置的指令脈沖進(jìn)行工作，對移動部件的實際位移不進(jìn)行檢測和反饋。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉、易于維修，但精度較低.所以多用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。 （2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床