【正文】 第 3章 先進制造工藝 本章要點 超精密加工技術(shù) 特種加工技術(shù)的特點 快速原型制造技術(shù) 高速加工關(guān)鍵技術(shù) 綠色加工技術(shù)及其應(yīng)用 1 第 3章 先進制造工藝 Advanced Manufacturing Process 現(xiàn)代 特種加工技術(shù) Modern Nontraditional machining Technology 2 特種加工技術(shù)概述 幾種代表性特種加工方法 3 ? 非傳統(tǒng)加工又稱特種加工 ， 通常被理解為別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱 。 ? 非傳統(tǒng)加工方法 產(chǎn)生于二次大戰(zhàn)后 。 兩方面問題傳統(tǒng)機械加工方法難于解決： 1） 難加工材料的加工問題 。 宇航工業(yè)等對材料高強度 、高硬度 、 高韌性 、 耐高溫 、 耐高壓 、 耐低溫等的要求 ，使新材料不斷涌現(xiàn) 。 2） 復雜形面 、 薄壁 、 小孔 、 窄縫等特殊工件加工問題 。 ? 為解決上面兩方面問題 ， 出現(xiàn)了非傳統(tǒng)加工方法 。 ? 非傳統(tǒng)加工方法將電 、 磁 、 聲 、 光等物理量及化學能量或其組合直接施加在工件被加工的部位上 ， 從而使材料被去除 、 累加 、 變形或改變性能等 。 特種加工技術(shù)概述 4 ? 非傳統(tǒng)加工方法主要不是依靠機械能 ， 而是用其它能量（ 如電能 、 光能 、 聲能 、 熱能 、 化學能等 ） 去除材料 。 ? 非傳統(tǒng)加工方法由于工具不受顯著切削力的作用 ， 對工具和工件的強度 、 硬度和剛度均沒有嚴格要求 。 ? 一般不會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象 。 且工件加工部位變形小 ，發(fā)熱少 ， 或發(fā)熱僅局限于工件表層加工部位很小區(qū)域內(nèi) ，工件熱變形小 ， 加工應(yīng)力也小 ， 易于獲得好的加工質(zhì)量 。 ? 加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制 ， 有利于保證加工精度和提高加工效率 。 ? 非傳統(tǒng)加工方法的材料去除速度 ， 一般低于常規(guī)加工方法 ， 這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導地位的主要原因 。 ? 非傳統(tǒng)加工方法特點 5 ? 機械過程 利用機械力 ， 使材料產(chǎn)生剪切 、 斷裂 ， 以去除材料 。 如超聲波加工 、 水噴射加工 、 磨料流加工等 。 ? 非傳統(tǒng)加工方法分類 （ 按加工機理和采用的能源劃分） ? 熱學過程 通過電 、 光 、 化學能等產(chǎn)生瞬時高溫 ， 熔化并去除材料 ，如電火花加工 、 高能束加工 、 熱力去毛刺等 。 ? 電化學過程 利用電能轉(zhuǎn)換為化學能對材料進行加工 ， 如電解加工 、電鑄加工 （ 金屬離子沉積 ） 等 。 ? 化學過程 利用化學溶劑對材料的腐蝕 、 溶解 ， 去除材料 ， 如化學蝕刻 、 化學銑削等 。 6 ? 復合過程 利用機械 、 熱 、 化學 、 電化學的復合作用 ， 去除材料 。常見的復合形式有： ◎ 機械化學復合 ——如機械化學拋光 、 電解磨削 、 電鍍珩磨等 。 ◎ 機械熱能復合 ——如加熱切削 、 低溫切削等 。 ◎ 熱能化學能復合 ——如電解電火花加工等 。 ◎ 其它復合過程 ——如超聲切削 、 超聲電解磨削 、磁力拋光 （ 圖 761） 等 。 工件 （陶瓷滾柱） 磁性材料 磁極 振動運動 圖 761 磁力拋光示意圖 N S 7 ? 拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應(yīng)用領(lǐng)域 。 ? 探索新的加工方法 ， 研究和開發(fā)新的元器件 。 ? 優(yōu)化工藝參數(shù) ， 完善現(xiàn)有的加工工藝 。 ? 向微型化 、 精密化發(fā)展 。 ? 采用數(shù)控 、 自適應(yīng)控制 、 CAD/CAM、專家系統(tǒng)等技術(shù) ， 提高加工過程自動化 、柔性化程度 。 ? 發(fā)展趨勢 圖 762 EI 收錄文章數(shù)比較 70年代 80年代 90年代 2084 1104 232 142 244 424 214 441 321 252 353 316 激光加工 電火花加工 超聲加工 電化學加工 ★ 圖 762反映了學術(shù)界和工程界對幾種非傳統(tǒng)加工方法的關(guān)注程度 。 8 ? 工作原理： 利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電 ，產(chǎn)生瞬時高溫 ， 工件材料被熔化和氣化 。 同時 ， 該處絕緣液體也被局部加熱 ， 急速氣化 ， 體積發(fā)生膨脹 ， 隨之產(chǎn)生很高的壓力 。 在這種高壓作用下 ， 已經(jīng)熔化 、 氣化的材料就從工件的表面迅速被除去 （ 圖 763） 。 ◆ 4個階段： 1） 介質(zhì)電離 、 擊穿 ，形成放電通道； 2） 火花放電產(chǎn)生熔化 、 氣化 、 熱膨脹； 3） 拋出蝕除物； 4） 間隙介質(zhì)消電離（ 恢復絕緣狀態(tài) ） 。 電火花加工 幾種代表性特種加工方法 圖 763 電火花加工原理圖 進給系統(tǒng) 放電間隙 工具電極 工件電極 直流脈沖電源 工作液 Real 9 圖 764 電火花加工機床 10 ? 電極材料 ——要求導電 ， 損耗小 ， 易加工；常用材料：紫銅 、 石墨 、 鑄鐵 、 鋼 、 黃銅等 ， 其中石墨最常用 。 ? 工作液 ——主要功能壓縮放電通道區(qū)域 ， 提高放電能量密度 ， 加速蝕物排出；常用工作液有煤油 、 機油 、 去離子水 、 乳化液等 。 ? 放電間隙 ——合理的間隙是保證火花放電的必要條件 。為保持適當?shù)姆烹婇g隙 ， 在加工過程中 ， 需采用自動調(diào)節(jié)器控制機床進給系統(tǒng) ， 并帶動工具電極緩慢向工件進給 。 ? 工作要素 ? 脈沖寬度與間隔 ——影響加工速度 、 表面粗糙度 、 電極消耗和表面組織等 。 脈沖頻率高 、 持續(xù)時間短 ， 則每個脈沖去除金屬量少 ， 表面粗糙度值小 ， 但加工速度低 。 通常 放電持續(xù)時間在 2μs至 2ms范圍內(nèi) ， 各個脈沖的能量2mJ到 20J（ 電流為 400A時 ） 之間 。 11 ?電火花線切割加工：用連續(xù)移動的鉬絲 （ 或銅絲 ） 作工具陰極 ， 工件為陽極 。 機床工作臺帶動工件在水平面內(nèi)作兩個方向移動 ，可切割出二維圖形（ 圖 765） 。 同時 ，絲架可作小角度擺動 ， 可切割出斜面 。 ? 電火花加工類型 圖 765 電火花線切割原理圖 X Y 儲絲筒 導輪 電極絲 工件 Real ?電火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 Real Real 12 電火花線切割機床 圖 766 電火花線切割加工 加工過程顯示 13 ? 不受加工材料硬度限制 ， 可加工任何硬 、 脆 、 韌 、 軟的導電材料 。 ? 加工時無顯著切削力 ， 發(fā)熱小 ， 適于加工小孔 、 薄壁 、窄槽 、 形面 、 型腔及曲線孔等 ， 且加工質(zhì)量較好 。 ? 脈沖參數(shù)調(diào)整方便 ， 可一次裝夾完成粗 、 精加工 。 ? 易于實現(xiàn)數(shù)控加工 。 ? 電火花加工特點 ? 電火花加工應(yīng)用 ? 電火花成形加工：電火花打孔常用于加工冷沖模 、 拉絲模 、 噴嘴 、 噴絲孔等 。 型腔加工包括鍛模 、 壓鑄模 、 擠壓模 、 塑料模等型腔加工 ， 以及葉輪 、 葉片等曲面加工 。 ? 電火花線切割：廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模 、 樣板 、 各種形狀復雜的板類零件 、 窄縫 、 柵網(wǎng)等 。 14 工作原理： 工件接陽極 ， 工具 （ 銅或不銹鋼 ） 接陰極 ， 兩極間加直流電壓 6～ 24V，極間保持 ～ 1mm間隙 。 在間隙處通以 6～ 60m/S高速流動電解液 ， 形成極間導電通路 ， 工件表面材料不斷溶解 ， 溶解物及時被電解液沖走 。 工具陰極不斷進給 ， 保持極間間隙 。 圖 767 電解加工原理圖 電解液 直流電源 泵 工件陽極 陰極進給 工具陰極 電解加工 15 ? 不受材料硬度的限制 ， 能加工任何高硬度 、 高韌性的導電材料 ， 并能以簡單的進給運動一次加工出形狀復雜的形面和型腔 。 ? 加工形面 、 型腔生產(chǎn)率高 （ 與電火花加工比高 5～ 10倍 ） 。 采用振動進給和脈沖電流等新技術(shù) ， 可進一步提高生產(chǎn)效率和加工精度 。 ? 陰極在加工中損耗小 。 ? 加工表面質(zhì)量好 ， 無毛刺 、 殘余應(yīng)力和變形層 。 ? 設(shè)備投資大 ， 有污染 ， 需防護