特種加工技術(shù)教學(xué)課件0-6章

Non-traditionalMachiningProcesses

《特種加工技術(shù)》

朱派龍等編著

北京大學(xué)出版社

1.首次嘗試以材料去除機理的能量形式來歸納工藝方法類別，充分體現(xiàn)非傳統(tǒng)加工技術(shù)的顯著特點，并有助于讀者對加工技術(shù)形成清晰的脈絡(luò)和結(jié)構(gòu)層次；2.所有的圖片、表格及其術(shù)語都采用中英文雙語表達，圖形與中英文同步跟隨，便于讀者以后查閱、檢索英文資料時輸入主題詞或關(guān)鍵詞，順便學(xué)點非傳統(tǒng)加工技術(shù)的專業(yè)英語；3.增加了近年來發(fā)展的諸多新技術(shù)和新知識，如，既非增材又非減材還可以變廢為寶的“熱熔鉆”孔加工技術(shù)、激光清潔技術(shù)、3D（立體）打印等，以求拓寬讀者的知識廣度；4.針對我國高等工科教育的“短板”：知識應(yīng)用能力、工程實踐能力和動手能力比較欠缺的現(xiàn)狀，著眼工藝技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng):簡述理論和原理，詳解應(yīng)用案例著重工藝技術(shù)知識在生產(chǎn)實際中的轉(zhuǎn)移、搬遷與結(jié)合能力的啟發(fā)、誘導(dǎo)。5.突出非傳統(tǒng)加工技術(shù)的特色和特殊能力，強調(diào)它能解決傳統(tǒng)加工之無能無力時的優(yōu)勢，例如，傳統(tǒng)鉆削加工只能加工中心線為直線的圓孔，而電火花還可以加工彎曲軸線的圓孔、方孔、橢圓孔等。6.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)利器：7.各種題型的海量練習(xí)題。教材特點：拍攝于貴州畢節(jié)大方縣前言

傳統(tǒng)加工Vs特種加工第0章總論1.制造技術(shù)的總體認知：

2.1非傳統(tǒng)加工機床

2.2.特種加工機床的運動判斷題：1.特種加工機床必需有主運動（）2.特種加工機床有的沒有進給運動（）3.1產(chǎn)生的偶然、變害為利生活現(xiàn)象：閘刀開關(guān)：其他：1.Goodyear：硫化橡膠2.摩擦發(fā)熱：熱熔鉆3.陽極腐蝕：電化學(xué)加工4.沙塵暴：磨料噴射5.水滴石穿：水刀/水射流（作業(yè)）考試思考題：工作、生活中還有哪些變害為利的應(yīng)用實例？主要體現(xiàn)在三個方面：即三個字“硬、能、力”（1）硬度：（2）能量：（3）力度：（4）復(fù)合工藝：考試簡答題：特種加工也叫非傳統(tǒng)加工技術(shù)，（作業(yè)）特在何處？判斷題：特種加工的所有工藝方法都不用機械能（）3.2特種加工技術(shù)“特”在何處？希望：學(xué)習(xí)完本課程后，同學(xué)們擁有：“真本事、硬能力”！針對加工工件（對象）要求：1.高硬度、高強度合金材料：2.復(fù)雜表面、特殊結(jié)構(gòu)：3.高精度、低的粗糙度：4.極端（極小、極大）尺寸加工：3.3發(fā)展的必然！與傳統(tǒng)機械加工之間的互補關(guān)系、依存關(guān)系1.思維方式的完善：減/增、不增不減；2.材料選擇更佳寬廣；結(jié)構(gòu)工藝性/結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更加“任性”：3.新品研發(fā)途徑更為簡潔、容易：eg.線切割代替沖壓模具、RP直接成形。4.工藝路線的更新：如增加硬度的熱處理工序可以排列在第一道工序；一改“工序順序排布的四個先后”5.材料可加工性重新定義：eg陶瓷、玻璃、剝離線皮。6.微觀制造的可行手段；3.4特種加工對制造業(yè)的影響：1）記筆記2）提問題3）挑錯誤4）動腦筋5）討論6）可以隨時打斷7）課后作業(yè)、全書做完！學(xué)習(xí)要求：1.平時成績?yōu)橹鳎悍e分60分以上免考（90～95）記分；2.指出書本或老師錯誤的視情況：加分3～10分；3.課余作業(yè)：20%4.考試成績：80%5.主動提出新想法或新挑戰(zhàn)：記5～10分；6.提出合理建議：加5～10分；7.帶女朋友來上課的：一次加1分。

本課程的成績考核1）玩手機：扣10分；2）無故曠課：扣10分；三次以上重修（無成績）3）遲到：扣5分4）擾亂課堂：扣5～10分5）睡覺/瞌睡：扣10分6）交頭接耳、講話：扣5分7）坐姿不雅者：扣5分8）吃東西：扣3分

第1章電火花成形加工（EDMSinking）ElectricalDischargeMachining縮寫為EDMElectrosparkMachining；（ESM）ElectrodischargeMachining

(EDM)名稱：電火花加工、放電加工、電蝕加工非傳統(tǒng)加工技術(shù)起源標(biāo)志；應(yīng)用最為廣泛；模具行業(yè)；

填空題三個條件：A:一點間隙B:脈沖電源C:工作介質(zhì)1.1.1工作原理（宏觀）1.1EDM工作原理及其材料去除機理加工表面形成過程：累積→→“復(fù)制”注意：工具耗損（右圖）

四個過程：1）極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道2）電極材料的熔化、氣化熱膨脹3）電極材料的拋出(下頁圖1.4)4）極間介質(zhì)的消電離

參數(shù)：脈沖頻率從:0.5—500kHz，工作電壓:50—380V，工作電流:0.1—500A高電壓、低電流1.12材料去除機理（微觀）1.1.3.EDM工藝特點：優(yōu)點：1).高溫去除材料使得它可以加工任何高硬度、高強度的導(dǎo)電材料2).由于工具與工件不接觸，可以加工結(jié)構(gòu)剛性差的工件及細微工件或特殊構(gòu)形工件，如，細長桿件、薄壁管件或板件、深小孔、細微孔、環(huán)形孔、小口徑的內(nèi)部空腔(圖1.5)等3).沒有傳統(tǒng)機械加工必需的主運動，只有進給運動或吃刀運動。既能實現(xiàn)成形加工、也可完成軌跡法、展成法方式。工具的截面形狀可以根據(jù)加工要求做到各種形式、形狀。如正方形、五角星形、橢圓、月牙形、半圓形等。4).加工工件的棱邊不留毛刺，無尖角有鈍圓。缺點：1).不能加工非電導(dǎo)體材料：如，石英、玻璃，多數(shù)陶瓷、大理石、瓷磚等。2).加工表面產(chǎn)生熱影響層(HAZ)：如圖1.6可見發(fā)線形裂紋及薄硬的熔固層。動載荷工作場合需要后續(xù)工序來清除熱影響層。3).不能加工出鋒刃、尖角。4).去除材料的比能（去除單位體積或質(zhì)量所需的能量）較高。5).材料去除率低，加工時間長。6).對人的健康和環(huán)境有一定影響，如圖1.71.2EDM加工機床1.2.1機床結(jié)構(gòu)脈沖電源系統(tǒng)、工作液循環(huán)過濾、伺服控制進給系統(tǒng)、主軸及工具電極夾持系統(tǒng)、和數(shù)控系統(tǒng)等組成1.2機床實物結(jié)構(gòu)

平動頭：單軸數(shù)控或非數(shù)控的電火花成型機床主軸上的一個附件,通過平動頭能使電極作平面圓周運動,運動半徑可以根據(jù)加工需要進行調(diào)節(jié),以補償前后兩個加工規(guī)準(zhǔn)之間放電間隙差和表面平面度差,并得到較高的表面粗糙度或微量調(diào)整加工尺寸,修正并達到修光型腔修面的目的。(1)可以通過改變軌跡半徑來調(diào)整電極的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放電間隙的限制，如圖1.12，采用一個尺寸的電極，可以加工出不同尺寸的表面，如階梯孔。(2)用同一尺寸的工具電極，通過軌跡半徑的改變，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換電規(guī)準(zhǔn)的修整，即采用一個電極就能由粗至精直接加工出一副型腔。(3)在加工過程中，工具電極的軸線與工件的軸線相偏移，除了電極處于放電區(qū)域的部分外，工具電極與工件的間隙都大于放電間隙，實際上減小了同時放電的面積，這有利于電蝕產(chǎn)物的排除，提高加工穩(wěn)定性。(4)工具電極移動方式的改變，可使加工的表面粗糙度大有改善，特別是底平面處。工具電極旋轉(zhuǎn)頭：圓形孔成形加工提高加工孔的圓度、圓柱度，降低表面粗糙度。1.2.2脈沖電源系統(tǒng)脈沖電源輸入為380V、50Hz的交流電，其輸出應(yīng)滿足如下要求：(1)要有足夠大的脈沖電壓以擊穿放電并維持放電過程，一定的脈沖放電能量，否則不能使工件金屬氣化。(2)火花放電必須是短時間的脈沖性放電，這樣才能使放電產(chǎn)生的熱量來不及擴散到其他部分，從而有效地蝕除金屬，提高成型性和加工精度。(3)脈沖波形是單向的，以便充分利用極性效應(yīng)，提高加工速度和降低工具電極損耗。(4)脈沖波形的主要參數(shù)(峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖頻率、充放電周期等)有較寬的調(diào)節(jié)范圍，以滿足粗、中、精加工的要求，達到最優(yōu)化的加工參數(shù)。脈沖充放電周期常為2～1600μs。(5)有適當(dāng)?shù)拿}沖間隔時間，使放電介質(zhì)有足夠時間消除電離并沖去金屬顆粒，以免引起電弧而燒傷工件。目前生產(chǎn)中主要有RC回路的馳張式脈沖電源和晶體管式脈沖電源兩大類。1)弛張式脈沖電源（RC回路）也叫非獨立式電源特點：結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠、成本較低，使用維修方便；小功率情況可以獲得很窄的脈寬，從而適應(yīng)細微加工和超精加工。但其缺乏對脈沖參數(shù)的控制導(dǎo)致加工穩(wěn)定性差、工具電極材料要求嚴格、而且耗損率較大，生產(chǎn)率低，電能利用率低，此類電源的應(yīng)用已逐漸減少。2）晶體管式脈沖電源（獨立式電源）特點：晶體管作為開關(guān)元件獲得單向脈沖，其充電時間快，電壓可以低至60～80V，可以輸出小電流方波脈沖，適應(yīng)精細、精密加工。如果犧牲質(zhì)量為代價，還可獲得較高的材料去除率。電規(guī)準(zhǔn)調(diào)節(jié)范圍廣，按照加工任務(wù)其參數(shù)可以預(yù)選預(yù)置并保持恒定，即為獨立式電源。電極損耗小，故適應(yīng)于型孔、型腔、磨削等各種不同用途的加工。晶體管脈沖電源已越來越廣泛地應(yīng)用在電火花加工機床上1.2.3工作液（介質(zhì)）和工具電極四方面作用：工具和工件間的絕緣體；離子通道的放電導(dǎo)體；冷卻作用；沖刷功能要求性能：

①粘度低保證其流動性和沖刷效果；②閃點高，不易燃燒；③熱容量大，確保冷卻效果；④合適的介電（絕緣）強度，如，180V/25μm；⑤電壓在40~400V時，能迅速電離和消電離；⑥無毒副作用；⑦無腐蝕性；⑧成本低廉種類：1.油類有機化合物：煤油、機械油或二者混合：

氫氣、炭黑產(chǎn)生、易燃、嗆人油霧電極保護、防火、抽風(fēng)；2.乳化液：甘油水(90:10)與三乙烯石油，成本低，配置簡便，補充電極、不腐蝕工件；3.水：蒸餾水、去離子水（純水）、自來水。散熱好工具電極：導(dǎo)電性、高熔點、易于加工、加工穩(wěn)定性好、剛度足夠不易變形及來源廣泛，成本低廉。材料熔點(°C)沸點(°C)特性紫銅10832600

硬度低，質(zhì)地細密，加工穩(wěn)定性好，電極耗極大，適用于精密花紋模具。機械精加工磨削不容易。石墨36004800

適合于大脈寬、大電流的型腔粗加工，耗損率低，小于0.5%。耐高溫，變形小，容易制造，重量輕。不足之處是容易脫落、掉渣，加工表面粗糙度差，精加工容易拉弧。黃銅10832600

適合于中小電規(guī)準(zhǔn)，加工穩(wěn)定性好，制造容易。確定、缺點是耗損大，一般用于簡單模具或通孔加工。鋼15353000

與鑄鐵相比較，穩(wěn)定性差，效率低下，可以做到電極與沖頭合一，減少工時，適合于鋼制冷沖模。鑄鐵11433000

廣泛應(yīng)用的材料，價格低廉，制造容易，穩(wěn)定性一般，耗損率小于20%，適合于高低壓復(fù)合脈沖電源加工，冷沖模應(yīng)用最多。鎢34005900

熔點高，耗損率低。常常與銅、銀形成銅鎢合金或銀鎢合金，加工穩(wěn)定性好，制造較困難，成本高，用于精密模具的加工。鋁6602450

熔點低，耗損率高，制造容易，加工精度低。極性效應(yīng)：工件接正極為“正極性加工”合理極性減少耗損工件材料工具電極材料石墨純銅（紫銅）銅鎢合金碳鋼正極性/負極性正極性正極性紫銅負極性負極性負極性硬質(zhì)合金負極性正極性/負極性正極性/負極性鋁正極性正極性正極性鎳基合金正極性/負極性正極性正極性表1.2不同工具材料/工件材料組合的極性推薦1.2.4工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)蝕除產(chǎn)物（熔渣、渣屑、炭黑）→二次放電、拉?。ǘ搪罚?、質(zhì)量變差；工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括工作液泵、過濾器、溢流閥、壓力表、工作液槽、油杯、節(jié)流閥、射流管、儲液箱及管道等，使工作液強迫循環(huán)不同的沖液方式（三種）的加工精度的差異1.2.5工具電極自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)間隙變化：由于工件不斷被蝕除，電極也不斷地損耗，故放電間隙將不斷擴大。如果電極不及時進給，加工停止。反之，間隙過小又會引起拉弧燒傷或短路，這時電極必須迅速離開工件，待短路消除后再重新調(diào)節(jié)到適宜的放電間隙。很難靠人工進給，也不能像鉆削那樣采用“機動”、等速進給，而必須采用伺服進給系統(tǒng)。伺服進給系統(tǒng)一般有如下要求：(1)有較廣的速度調(diào)節(jié)跟蹤范圍。(2)有足夠的靈敏度和快速響應(yīng)能力。(3)有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。1.2.6數(shù)控系統(tǒng)（工作臺）常用的數(shù)控電火花機床主要分為：單軸數(shù)控（Z軸：ZNC）三軸數(shù)控(X軸、Y軸和Z軸：CNC)。航空零部件加工的數(shù)控電火花機床軸數(shù)多達12軸除了直線移動的X、Y、Z三個坐標(biāo)軸系統(tǒng)外，還有三個轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)系統(tǒng)，即繞X軸轉(zhuǎn)動的A軸，繞Y軸轉(zhuǎn)動的B軸，繞Z軸轉(zhuǎn)動的C軸，這時為六軸數(shù)控高檔次的數(shù)控電火花機床還帶有工具電極庫，在加工中可以根據(jù)事先編制好的程序，自動更換工具電極：加工中心絕大部分電火花數(shù)控機床采用國際上通用的ISO代碼進行編程、程序控制、數(shù)控搖動加工等。1.3EDM工藝能力和規(guī)律工藝指標(biāo)主要有：材料去除率、表面粗糙度、放電間隙及側(cè)面錐度和工具電極耗損率等。1.3.1工藝指標(biāo)和工藝能力錐度誤差從1～5μm/mm不等，主要取決于其加工參數(shù)和供液方式。最小拐角半徑大致與側(cè)隙值相等。一般的電火花加工可以獲得的精度在±50μm，精細的控制也可獲得±5～±10μm。1.3.2電火花加工的基本工藝規(guī)律1.3.3電火花加工工藝選擇策略兼顧加工效率、質(zhì)量和成本？(1)粗、中、精逐擋過渡式加工方法：(2)先用機械加工去除大量的材料，再用電火花加工保證加工精度和加工質(zhì)量圖1.25：(3)采用多電極：(4)采用平動頭、搖動加工或電火花銑削加工：1.4EDM工藝實施形式1.4.1電火花銑削(1)電火花銑削原理（斷層掃描加工）：工具成本降低(2)電極耗損補償不需專用電極的設(shè)計和制造，從而節(jié)省時間和成本，并由此改變電火花加工型腔的工藝流程和路線：(3)電火花銑削的優(yōu)勢和局限優(yōu)勢在于：①省卻了電極的設(shè)計制造；②可以穩(wěn)定地加工出精細的圖樣（參見圖1.29、圖1.30)；③不需考慮電極耗損；④大面積加工可獲得較好的表面粗糙度和波紋度；⑤加工時間容易估計；⑥數(shù)控加工的數(shù)據(jù)可以直接來源于模具數(shù)據(jù)；⑦可以穩(wěn)定地加工出銳邊或尖角其局限性在于：①其材料去除率可能匯報常規(guī)電火花加工低；②對應(yīng)大錐角(≥10°)側(cè)面加工，難于保證側(cè)面精度。(4)電火花銑削的工藝實施形式(5)電火花銑削的應(yīng)用領(lǐng)域

電火花銑削特別適合于加工有錐度和無錐度要求型腔及三維凸面。特別是在電工電子行業(yè)、家用電器、汽車工業(yè)和航空工業(yè)的零件模具制作。電火花銑削的另一個突破就是應(yīng)用于細微機械加工領(lǐng)域，采用電火花銑削工藝可以加工出精細復(fù)雜并帶有尖角的工件直徑約10μm的石墨電極加工出來的細小工件1.4.2電火花穿孔和型腔加工1.常規(guī)尺寸電火花穿孔加工沖裁模具加工、粉末冶金模具加工、擠壓模、拉絲及型孔、小孔、異性小孔和深小孔、螺紋加工零件加工等L2=L1+2SL2.電火花小孔加工小孔的尺寸尺寸界定通常為：0.1～3mm為小孔；小于0.1mm為微孔；

深?。ㄎⅲ┛资侵干疃扰c直徑之比（深徑比L/D）大于10的情況；截面為非回轉(zhuǎn)圓形的孔稱為異形孔，如橢圓孔、方形孔、多邊形孔、三角形孔、十字形孔、Y形孔、T形孔、米字孔、星形孔等電火花加工基本可以克服傳統(tǒng)機械加工存在的主運動、工件受力、工具剛度、夾持、排屑、散熱等一系列問題（1）難點問題與對策(2)工具電極的準(zhǔn)備反拷法是基于傳統(tǒng)機械加工與裝配的“就地加工”既“自干自”和“互為基準(zhǔn)”的思路，其目的是保證位置精度。常規(guī)的電火花加工都是工具電極加工工件，電火花反拷法則是用“工件”（實為“工具電極”）加工工具電極后，工具電極不再拆卸再去加工目標(biāo)工件。①圓形小孔/微孔用工具電極②異形微孔的特形工具電極群工具電極來實現(xiàn)“高效”加工，加工的峰值電流更大，粗糙度稍差，如100×100布局，一次孔加工數(shù)目就是10000個過濾篩網(wǎng)及分離篩網(wǎng)工件加工a種植電極（管/細絲）b整體實心群電極（右圖1.40）

3.電火花型腔加工①電火花成型加工為盲孔加工，工作液循環(huán)困難，電蝕產(chǎn)物排除條件差。②型腔多由球面、錐面、曲面組成，且在一個型腔內(nèi)常有各種圓角、凸臺或凹槽，有深有淺，還有各種形狀的曲面相接，輪廓形狀不同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這就使得加工中電極的長度和型面損耗不一，故損耗規(guī)律復(fù)雜，且電極的損耗不可能由進給實現(xiàn)補償，因此型腔加工的電極損耗較難進行補償。③材料去除量大，表面粗糙度要求嚴格。④加工面積變化大，要求電規(guī)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)范圍相應(yīng)也大。(1)單工具電極直接成型法(2)多電極更換法(3)分解電極加工法（主副型腔分別進行）

模具加工實例1.4.3電火花小孔磨削電火花磨削沒有砂輪/砂帶等磨具，取而代之的是工具電極，它可以不旋轉(zhuǎn)，工具與工件不能接觸，去除材料靠極間火花放電蝕出。應(yīng)用于硬質(zhì)合金縮放夾套（圖1.44）、粉末冶金用硬質(zhì)合金凹模、微型軸承內(nèi)環(huán)、液壓件深孔、注塑模具機嘴錐孔等精加工1.4.4內(nèi)外螺紋的共軛同步回轉(zhuǎn)加工

1）工作原理傳統(tǒng)的電火花加工螺紋的方法（洋人特色），類似于機械加工絲錐攻螺紋（圖1.45）內(nèi)外螺紋的共軛同步回轉(zhuǎn)加工新方法：中國特色2）特點及應(yīng)用①工具電極貫穿并全覆蓋工件長度，加工中長度方向的放電機會和時間是相對的，避免了入口大、出口小的錐度問題；②工具電極外徑小于工件內(nèi)徑，放電加工一直只在局部區(qū)域進行，加上兩個電極的回轉(zhuǎn)攪動作用，熔屑、熔渣等產(chǎn)物容易排除和工作液得到更新，這利于保證加工質(zhì)量和過程的穩(wěn)定性。③降低對工具電極的設(shè)計和制造要求，對工具電極的中經(jīng)和大徑無嚴格要求。④提高工具電極的通用化程度，如，只要螺距相等，同一工具電極可以加工M8、M10、M12和M14等螺紋。主要應(yīng)用于如下方面：①螺紋環(huán)規(guī)、塞規(guī)，以及硬質(zhì)合金、高速鋼等高硬度工具的內(nèi)螺紋加工；②精密的內(nèi)外齒輪加工(參見圖1.42)，特別是非標(biāo)準(zhǔn)齒輪；③精密的內(nèi)外錐面螺紋，內(nèi)錐面內(nèi)凹油槽；④靜壓軸承油腔、回轉(zhuǎn)泵體的高精度成形加工；⑤梳刀、精密斜齒條加工；⑥各種工具的刻字、打標(biāo)記；⑦薄壁套筒件分度開槽。1.5應(yīng)用案例case1.共軛回轉(zhuǎn)展成加工精密內(nèi)齒輪（粉末冶金凹模）1)加工系統(tǒng)裝置的設(shè)計布局特色：①采用臥式布局的非淹沒加工方式②獨立可拆卸的二軸數(shù)控系統(tǒng)③展成加工原理和運動④中等壓力火花液供給系統(tǒng)⑤差齒傳動過程中，工具與工件不同形齒的嚙合與火花放電，達到均化誤差⑥兩個獨立伺服電機分別與工具和工件電極直接聯(lián)結(jié)⑦同一電極實現(xiàn)三種加工方式⑧兩種齒輪工件類型：內(nèi)直齒和內(nèi)斜齒。2).回轉(zhuǎn)工具電極及工作液定向噴液設(shè)計3）加工效果①加工質(zhì)量好：加工精度高、粗糙度低②局部定向內(nèi)噴供液保證供液充分、排渣屑徹底、散熱效果好③為了消除放電脈沖電源對伺服電機的干擾，兩個伺服電極外殼及主軸與其他相聯(lián)結(jié)部位都采取絕緣措施(如、采用尼龍過渡)。④工具電極Z1=19，加工工件Z2=34，數(shù)控伺服電機轉(zhuǎn)速選定十分方便，分別為n1=34,n2=19,若選定n1＝n2，可以實現(xiàn)工件和工具的共軛同步回轉(zhuǎn)加工。⑤工作液壓力值應(yīng)視加工工件的深度而適當(dāng)變化⑥由于噴射孔位于工具電極的齒根圓上，所加工的內(nèi)齒形的齒根圓上回留下小型圓形凸臺，這時可以對內(nèi)齒模具齒根圓面進行內(nèi)圓磨削來消除。

case2.超大深徑比的深小孔加工深小孔是直徑為φ1mm，深度在300mm以上，工件材料為模具鋼，即深徑比H/d≥300的超大深徑比小孔加工。四大難點①余熱排除困難②排屑排渣難③進給穩(wěn)定性差④工具電極耗損大特殊對策①倒置安裝②去離子水③管電極④專用導(dǎo)向器case3：角位移伺服進給加工彎曲軸線孔THEEND

第2章電火花線切割加工2.1電火花線切割工作原理、機床設(shè)備

電火花線切割（WireElectrodischargeMachining縮寫為WEDM

或ElectrodischargeWireCutting縮寫為EDWC）是一種類似于帶鋸切割加工輪廓的電火花加工的特殊形式。2.1.1電火花線切割工作原理、特點線絲：作為通用的工具電極，購置類別：圖2.1低速走絲（慢走絲LS：中國特色）的工作原理，圖2.2高速走絲（快走絲Hs：外國主流）的工作原理線切割實物實例：線切割特點：1）線絲直徑小，放電區(qū)域面積小，采用的脈沖電源的電規(guī)準(zhǔn)更小，屬于中、精電規(guī)準(zhǔn)正極性加工，如，脈寬更窄、平均電流值更小，工件接電源正極。2）介質(zhì)常常采用水或水基工作液，無火災(zāi)隱患、空氣污染少；水基工作液電阻率比煤油高，放電間隙較大，加上線絲移動，故不易產(chǎn)生拉弧。介質(zhì)中會有各類離子雜質(zhì)時正極性加工使得工件會有弱的電解作用，利于效率的提高和表面粗糙度降低。3）線絲作為通用的工具電極不需專門設(shè)計和制造，節(jié)省加工準(zhǔn)備時間，工藝實施的通用性、柔性和靈活性大。4）切割的縫槽較窄，做到“套料加工”，實際金屬去除量小，材料利用率高；適合于精細、復(fù)雜形狀工件加工，能加工出小的圓角、拐角，如圖2.3。5）線絲移動使得平均工具電極耗損小，加工精度較高。1）模具制造：

各種材料硬度高、強度大的模具加工，如沖壓模具及配件、擠壓模具、粉末冶金模具、彎曲模具、帶錐度的模具等。2）工具及電極的準(zhǔn)備：

電火花穿孔成形的特殊形狀的工具電極的加工和精細電極的反拷法加工。各種特殊刀具的加工，如成形車刀、銑刀鏟背等。3）零件加工：

特別是在新品試制中直接加工所需零件，可以節(jié)省模具制作的時間并避免浪費。還可以加工特殊構(gòu)形的零件：如雙曲面、“天圓地方”的異形面加工。線切割應(yīng)用場合：2.1.2線切割加工機床設(shè)備1.低速走絲機構(gòu)2.高速走絲機構(gòu)3.錐度切割裝置4.供液裝置：縫窄、壓力噴射2.2.1主要工藝指標(biāo)衡量線切割工藝能力的指標(biāo)主要有：切割槽面的粗糙度，精度指標(biāo)（尺寸、形狀和位置），加工效率即切割速度和工具電極耗損率。前兩個指標(biāo)關(guān)系質(zhì)量，后兩個關(guān)系效率和成本。這里僅介紹后兩個指標(biāo)。1）切割速度線切割的槽寬是由線絲直徑和放電間隙決定，而槽面關(guān)聯(lián)槽的長度和厚度（深度）兩個幾何要素，故線切割的切割速度定義為單位時間內(nèi)切割出槽面的總面積，單位為mm2/min。生產(chǎn)中，計算加工成本及委托加工報價時，常用切割面積來計算，如,元/mm2。

2）線絲耗損率高速走絲加工中用工具電極線絲切割10000mm2的面積后線絲直徑的減少量來衡定，通常要求鉬絲的耗損率低于0.01mm。2.2電火花線切割工藝能力2.2.2線切割加工的工藝能力(常用)直壁二維型面:徑向凸輪（直線曲面）錐面:異形面工件:“天圓地方”、2.3電火花線切割拓展應(yīng)用2.3.1回轉(zhuǎn)端面曲線型面的切割2.3.2特形三維模具切割2.3.3單葉雙曲面的切割（無心磨床導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)）2.3.4窄螺旋面的切割2.3.5扭轉(zhuǎn)四方錐臺的切割2.4應(yīng)用案例

普通線切割機床加工帶錐度的沖壓模具

圖a在工件上方安裝一塊金屬板和絕緣板，絕緣板的空心部分比加工圖樣大一些，金屬板和工件都接電源正極，按照比例縮小一定尺寸的程序把金屬板和工件切割出直壁圖樣；

圖b為切割帶錐度凹模示意圖，將金屬板的電源線拆除，用比工件加工圖樣放大一定比例的程序加工，這時金屬板不加工，只對工件徑向切割，但電極絲被金屬板折彎，使工件加工出錐度，工件下口尺寸大于工件圖樣尺寸；圖c為最終切割直壁刃口示意圖，將金屬板和工件接上電源正極，采用工件圖樣尺寸的程序加工模具直壁刃口，直壁剛度約3～5mm。這種方法會使得電極絲磨損稍大。Theend

第三章激光束加工（LBM）3.1激光加工的原理與特點

激光束加工LaserBeamMachining縮寫為LBM簡稱：激光加工3.1.1激光及其特性

在國內(nèi)激光又叫“鐳射”，Laser的音譯,它是“l(fā)ightamplificationbystimulatedemissionofradiation.”的詞頭縮寫，意為“受激輻射的光放大”可能是可見光，也可能是不可見光。激光的基本特性：①激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時也是分開的。②激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個“波列”。③激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象，這賦予了激光的極其高的亮度和高的能量密度。④定向發(fā)光，方向性好。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。3.1.2激光加工原理和特點利用激光的能量密度高、方向性好、單色性好和相干光等特性，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強度高，在加上凸透鏡聚焦，故其焦點處的功率密度達到107～1012W/cm2，光能轉(zhuǎn)化成熱能，溫度可達10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和氣化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強的沖擊圖3.4。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔蝕、氣化和受沖擊波拋出的綜合過程凸透鏡聚焦→→高溫→→熔化氣化激光加工工藝類型：

熱處理、焊接、切割、打孔、打標(biāo)記、表面處理、清潔和輔助車削等。激光可以加工任何材料（透光的玻璃例外）特點之優(yōu)點：①幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。②激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工，精細齒輪的切割。特別是在難加工或脆性材料上加工微孔、窄縫（圖3.7）。③可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點，甚至液體里加工④加工無刀具，沒有刀具磨損，非接觸加工，無機械加工變形，工件裝夾簡單⑤無需抽真空等特殊環(huán)境，自動控制連續(xù)加工，效率高，加工變形和熱變形?、薰ぜ臒嵊绊憣颖绕渌莻鹘y(tǒng)熱蝕工藝的更薄，圖3.5局限（缺點）：①加工靠局部熔化、氣化，影響因素較多，規(guī)律性不強，重復(fù)精度和表面粗糙度一致性差。如，圖3.8聚焦點的光斑不同會影響到打孔的形狀或切割槽面的形狀。盲孔的加工深度不易控制，加工的孔有錐度，出口處有毛刺或粘附物需去除。②加工時有金屬氣體或火星飛濺，需要抽風(fēng)，操作者需戴護目鏡，圖3.9。③設(shè)備成本高材料去除率低，不適于大量材料去除的場合。④依靠焦點能量，鉆和切割孔的深度度受限，不能超過50mm。3.2.1激光加工裝置的組成：電源、激光器、光學(xué)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)與運動系統(tǒng)部分組成3.2激光加工裝置

激光加工中則要求輸出功率大，多采用二氧化碳氣體激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器

種類：固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類3.2.2工業(yè)激光器按工作物質(zhì)不同激光器分為固體激光器和氣體激光器兩大類3.3激光加工工藝類型3.3.1孔加工

兩種情況：脈沖式激光沖擊打孔和加工套料孔。1.脈沖式激光沖擊打孔2.套料孔3.3.2板材切割1.普通激光切割激光切割的原理與激光套料孔加工類同，即工件與激光束需要作相對移動幾何要素有：槽面粗糙度(條紋)、槽寬、出口熔渣（毛刺）、切割槽面直角（垂直度）、熱影響層及工件厚度激光切割質(zhì)量的主要影響因素有激光功率、吹氣壓力、靶距、材料厚度、熔點和沸點、熱傳導(dǎo)率等2.氣體輔助激光切割連續(xù)供給空氣、氧氣或惰性氣體（N2,Ar,或He)，氣體有如下三方面作用：①通入空氣/氧氣時，提供更好的氧化環(huán)境，由此減少光的反射，增加能量吸收。②通入氧氣時，提升放熱反應(yīng)，切割所需能量的80%由此供給，極大提高加工效率。③通入氣體，它們都會有助于排除加工區(qū)或鉆孔孔底部的氣化、熔化金屬等渣屑。3.3.3焊接3.3.4打標(biāo)記①汽車零部件：活塞、活塞環(huán)、齒輪、軸、軸瓦、離合器、車燈等。②電子元件：電阻、電容、芯片、印刷電路板、鍵盤等。③機械零部件：軸承、齒輪、標(biāo)準(zhǔn)件、電機等。④儀器儀表：面板、標(biāo)牌、精密器械等。⑤五金工具：刀具、工具、量具、鎖具、刃具等。圖3.17a。⑥生活用品：工藝品、拉鏈、鑰扣、首飾戒指、潔具⑦裝修家具：石材、大理石、陶瓷、木制家具等3.3.5表面處理1.激光表面淬火（硬化）熱處理凸輪表面，軸承滾道、齒輪漸開面、發(fā)動機缸套及活塞環(huán)等需要提高耐磨性2.金屬表面合金化處理3.3.6激光輔助傳統(tǒng)機械加工3.3.7激光清洗（清理）技術(shù)1.激光表面清洗（理）的原理高強度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導(dǎo)致的光物理反應(yīng)：①高能量密度的脈沖激光束被污染層吸收而部分氣化、揮發(fā)。另一方面，激光照射時表面由外到里的溫度梯度較大，造成內(nèi)外材料的膨脹不一，使得污染物與基體材料松弛脫落。光脈沖寬度足夠短，以免熱積累破壞處理表面。②大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體(高度電離的不穩(wěn)定氣體)，產(chǎn)生沖擊波，粉碎并剝蝕污染。實驗表明當(dāng)金屬表面上有氧化物時，等離子體產(chǎn)生于金屬表面。等離子體只在能量密度高于某個門檻值（也叫閾值）的情況下產(chǎn)生，這個門檻值取決于污染層或氧化層。這個門檻值效應(yīng)對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。對于基體材料，等離子體的出現(xiàn)同樣存在某個門檻值，超過它則基體材料會被破壞2.技術(shù)優(yōu)勢①環(huán)保：不用化學(xué)藥劑和清洗液的激光清洗是一種綠色環(huán)保的干式清洗方法，嚴格講應(yīng)該叫做“清理”，清理下來的廢料有氣態(tài)和固太粉末，易于抽吸回收。②無次生損壞：激光清理沒有機械力的作用不會損傷基體材料，能做到“選擇性”去除。③操控方便：通過細小光纖傳輸容易到達拐角、窄縫、內(nèi)部表面，并可實現(xiàn)遠程操控。④清理效果好，3.應(yīng)用領(lǐng)域有機污染物（清理油漆、污垢）也可清理無機物汽車制造、半導(dǎo)體晶圓片清洗、精密零件加工制造、軍事裝備清洗、建筑物外墻清洗、文物保護、電路板清洗、精密零件加工制造、液晶顯示器清洗、美容去斑、紋身、口香糖殘跡去除等Theend

第4章電子束加工EBM4.1電子束加工原理和特點4.1.1電子束加工原理高速度和能量的電子束聚焦后達到極高的功率密度打到工件表面，電子的動能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽共牧暇植克矔r的快速溶蝕、氣化蒸發(fā)而去除表層材料，并隨真空系統(tǒng)而抽走。電壓高達120kV，電子速度可達到光速50～80%不受材料的密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、反射率、熔點等性能限制。工藝類型：1使材料局部加熱就可進行電子束熱處理；2使材料局部熔化就可以進行電子束焊接；3提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進行打孔、切割等；4利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進行電子束光刻加工電子束加工的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①高速鉆削細微孔，每秒鐘最高可達4000個孔；②幾乎可以加工任何材料，并不受其性能限制；③比起電火花、電化學(xué)加工，電子束細微加工速度快、經(jīng)濟性好；④加工精度高和位置重復(fù)精度保持在±0.1mm和鉆孔直徑±5(圖4.2)；⑤鉆孔參數(shù)在加工中調(diào)節(jié)方便，甚至在不同列陣的孔可采用不同的參數(shù)；⑥獲得的表面粗糙度比其他工藝更低；⑦自動化程度和生產(chǎn)率高；⑧可以加工出尖角、銳邊局限性有：①設(shè)備昂貴，并需要抽真空裝置；②真空室的清理比較費時；③加工表面有較薄的凝固層和熱影響層；④需要附屬的背襯材料；⑤要求嚴格培訓(xùn)過懂?dāng)?shù)控編程的操作人員，并能處理X射線保護。圖a為在金屬或非金屬上鉆削最小直徑為20μm的各型小孔；圖b加工的合成纖維噴絲板，縫寬60μm，厚度0.5mm，長度1.2mm；圖c為50μm厚的鎢板條上加工的60μm寬的蒸發(fā)罩；圖d是在3.5×3.5×0.1mm鎢板上加工1600個群孔；圖e是在0.1mm厚的不銹鋼濾殼圓筒上加工群孔，加工速度達到每秒3000個。圖f刻蝕40μm寬的拼合電路，加工深度達到5m/s。4.1.3應(yīng)用舉例4.2電子束加工裝置包括：電子槍、真空抽吸泵、電子束流控制元件及工件位置與運動操控裝置。4.2.1電子槍電子束加工裝置又叫電子搶，典型結(jié)構(gòu)如圖4.4，實物照片圖4.5。加熱鎢絲陰極發(fā)射電子，電子從陰極（鎢絲）奔向中空陽極過程中受到120KV的高電壓的加速后，繼續(xù)射向真空室里的工件。位于陰極和陽極之間的內(nèi)彎圓筒杯（未內(nèi)爾電極）充當(dāng)陰極柵格，它控制流過電子的數(shù)量進而控制電子束的電流（1～80mA），同時還充當(dāng)電子束電流的開關(guān).4.2.2真空抽吸泵電子束和工件封閉在真空抽吸環(huán)境：三個作用：防止鎢絲及其他元素被氧化，防止電子與氧氣、氮氣等分子碰撞，減少其動能損失；

防止金屬蒸汽及渣屑的污染。4.2.3電子束流控制元件束流電流（強度）靠電子槍里的陰極柵格完成。束流聚焦靠磁透鏡完成，其聚焦斑點的直徑可在12～25μm。束流的偏轉(zhuǎn)靠偏轉(zhuǎn)線圈來實現(xiàn)，可實現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度不超過5°，由此可以擴展電子束的加工范圍。圖4.6里的標(biāo)準(zhǔn)形狀或類似結(jié)構(gòu)都可以在工件不動的情況下通過束流偏轉(zhuǎn)來完成加工。對于鉆孔，每加工一個孔則需要偏轉(zhuǎn)一次。4.2.4工作臺運動裝置對于平板類工件，工件和工作臺是靜止的。加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件還需比較復(fù)雜的多軸操控的工作臺，如圖4.7里右邊的立體型面上加工大小不一的孔，則需要左圖的兩軸旋轉(zhuǎn)裝置。工件安裝在卡盤上，計算機數(shù)控兩軸旋轉(zhuǎn)分別完成工件的周向分度和軸向分度。需要注意軸承的精細密封，否者金屬蒸汽和渣屑會對軸承造成損壞。圖4.8是一種電子束完成動態(tài)鉆孔的操控工件的裝置。操控裝置主要是能夠水平運動的回轉(zhuǎn)軸，薄片工件繃緊夾持在張緊鼓的背襯材料上變成了圓筒形狀。電子束鉆孔時，束流偏轉(zhuǎn)，張緊鼓恒速旋轉(zhuǎn)。鉆孔完成后，關(guān)閉束流，此時回到其原始位置，等待鉆削下一個孔。循環(huán)前述過程，就可以在薄板上高效鉆削一排數(shù)目眾多的孔。回轉(zhuǎn)軸的水平移動必需與加工進給同步匹配。4.3特殊工藝應(yīng)用主要應(yīng)用是打孔、刻槽（圖4.3）和加工異形小孔（參考圖4.6），還可以用于工件細微焊接、熱處理、材料改性等4.3.1套料孔加工加工大直徑孔，圖4.9所示，則需要依靠工作臺的二維數(shù)控聯(lián)動完成，相當(dāng)于套料加工，這個加工過程與激光套料孔加工類同。移動速度必需與電子束穿透工件的速度相匹配圖4.10所示,其加工原理為：電子束在磁場中受洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)彎曲，工件橫向移動，即可加工曲面①，通過改變磁場強度和電子速度即可改變曲面曲率；改變磁場極性，即可加工反方向的曲面②；加工起始點和終結(jié)點如果在工件實體部位內(nèi)，加工后可得到彎曲槽面③；工件固定不動，可獲得一個彎孔，再改變磁場極性，同一位置進行二次加工，便可得到一個入口內(nèi)部分叉有兩個出口的彎孔④4.3.2彎曲面/彎孔的加工電子束光刻技術(shù)是利用低功率密度的電子束在涂有電致抗蝕劑的工件表面上直接描畫或投影復(fù)印圖形的技術(shù)(圖4.11)。電致抗蝕劑是一種對電子敏感的高分子聚合物。經(jīng)過電子束掃描過的電致抗蝕劑發(fā)生分子鏈重組或分子鏈切斷，使曝光圖形部分的抗蝕劑發(fā)生化學(xué)性質(zhì)改變，這個過程成為電子束曝光。曝光后的電致抗蝕劑浸入適當(dāng)?shù)娜芤豪?，不同分子量的抗蝕劑溶解速度不一樣，就會使電子束照射過的曝光圖案顯示出來，這一過程稱為顯影。經(jīng)過顯影和定影，獲得高分辨率的抗蝕劑曝光圖形。

4.3.3電子束光刻電子束光刻技術(shù)的主要工藝過程為涂膠、前烘、電子束曝光、顯影和堅膜,圖4.12?，F(xiàn)代的電子束光刻設(shè)備已經(jīng)能夠制作小于10nm的精細線條結(jié)構(gòu)，電子束光刻主要用于制作掩膜版。Theend

第5章等離子弧加工PAM5.1等離子體及加工特點當(dāng)氣體的溫度加熱至2000°C量級時，其分子就會分裂成原子。溫度上升至3000°C以上時，電子就會從其中一些原子游離出來，氣體被離子化。這時的物質(zhì)狀態(tài)是由負電荷電子、正電荷離子和中性原子共存體被稱為等離子體。等離子體導(dǎo)電性好、但對外呈現(xiàn)中性，有人把等離子體稱為物質(zhì)狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）的第四形態(tài)。等離子弧加工就是利用高頻瞬間放電對相對封閉腔體內(nèi)氣體（常常是He,Ar,H2,N2）引弧形成鎢電極（陰極）與工件（陽極）之間的電弧。外加高壓直流電則維持電弧使其等離子體以音速從噴嘴噴出。電子與離子重新結(jié)合成原子以及原子再次結(jié)合成分子是離子熱量產(chǎn)生的根源，所釋放的鍵能會增加重新結(jié)合的原子和分子的動能。與這些原子、分子結(jié)合成相關(guān)聯(lián)的溫度可高達20,000～30,000°C，這樣的高的溫度足以使加工工件熔化、氣化而達到切割的目的。唯一的能做到切割不銹鋼比中碳鋼還快的工藝方法與其他的非傳統(tǒng)加工方法相比，等離子體加工的特點如下：等離子弧切割有如下優(yōu)點：①切割的槽面比較光滑，有氣體保護不受污染；②切割速度高，并可以切割各種金屬；③能耗比低；④切割厚度比較大。等離子弧切割缺點有：①加工精度和表面質(zhì)量一般；②電源功率大；③產(chǎn)生煙霧、有毒氣體和噪音；④高溫加工產(chǎn)生熱影響層，或工件變形；⑤等離子弧會產(chǎn)生紅外線和紫外線等輻射，紅外線易損傷眼睛或失眠，紫外線可能致癌。故手套、護目鏡、耳塞都是必備之物。5.2等離子體加工裝置1.兩種工作模式如圖5.1，等離子弧切割系統(tǒng)有兩種工作模式，即轉(zhuǎn)移型的等離子弧模式（圖a）和非轉(zhuǎn)移型的射流模式（圖b）圖a的轉(zhuǎn)移型的等離子弧從陰極鎢電極引致導(dǎo)體工件，產(chǎn)生的溫度可高達33000°C，導(dǎo)通型系統(tǒng)性能高，常用于切割氧切割難以勝任的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的材料，如鋁材。圖b的非轉(zhuǎn)移型的等離子弧是在切割頭內(nèi)部完成，等離子體通過噴嘴小孔形成等離子體射流，產(chǎn)生的溫度可達16000°C。由于切割頭本身充當(dāng)陽極開關(guān)，陽極的熱量很大部分被冷卻水吸走，這樣其材料去除效能會降低。故這種模式的系統(tǒng)更適合于切割其他方法難以勝任的非電導(dǎo)體材料。2.典型的轉(zhuǎn)移型等離子體切割頭典型的轉(zhuǎn)移型等離子體切割頭裝配結(jié)構(gòu)如圖5.2，噴嘴孔徑取決于等離子體的電流和工質(zhì)氣體的流量，常在1.2～6mm內(nèi)選取。如果切割的金屬槽寬在0.1mm以內(nèi)，則需要直徑為0.05mm的專用小孔噴嘴，電源功率為1KW。若要切割厚達150mm的不銹鋼板，可以考慮配合軌跡跟蹤工作臺的多個切割頭組合。常用的工質(zhì)氣體有氦氣（He）、氬氣（Ar）、氫氣（H2）、氮氣（N2）或者它們的混合組合。其流量根據(jù)功率和加工板厚度來選擇，從0.5～6m3/h不等。陰極電極采用2%鍍釷鎢的非耗損型電極以減少耗損，切割頭的保護可以是氣體，也可以是水。氣體保護等離子?。涸?/p>