《特种加工》全册配套完整教学课件.pptx
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1、特种加工全册配套特种加工全册配套完整教学课件完整教学课件第一章 概论第一节 特种加工的产生及发展n传统的机械加工?车、磨、刨、铣、镗、钻 n由来已久,贡献巨大工具的加工蒸汽机汽缸镗床,18世纪70年代n第一次产业革命进步=需求牵引+技术推动第一次产业革命第二次世界大战:n传统的机械加工n150年n无迫切需求,也无发展特种加工的充分条件n特种加工的产生:新技术推动:1943年:前苏联,拉扎林柯夫妇,开关触点,电火花放电腐蚀,发明了电火花加工方法,铜丝在淬火钢表面加工出小孔,“以柔克刚”。国防需求:二战后,尖端科技产品高速发展n具体需求:解决难切削材料的加工问题:硬质合金、金刚石、不锈钢等高硬度、
2、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料。解决各种特殊复杂表面的加工问题:汽轮机叶片、整体涡轮、炮管膛线、模具等。各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题:陀螺仪、伺服阀,细长轴等低刚度零件传统的机械加工很难,甚至根本无法实现n具体需求:解决难切削材料的加工问题:硬质合金、金刚石、不锈钢等高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料。解决各种特殊复杂表面的加工问题:汽轮机叶片、整体涡轮、炮管膛线、模具等。各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题:陀螺仪、伺服阀,细长轴等低刚度零件传统的机械加工很难,甚至根本无法实现传统的机械加工很难,甚至根本无法实现n切削加工的本质:硬工具-加工软
3、材料靠机械能切割n探索:软工件-加工硬材料其它能量来源:力力、热、声、光、电、电化学、热、声、光、电、电化学、化学化学无显著的机械切削力特种加工的特征特种加工的发展第二节 特种加工的分类分类依据:能量来源及形式作用原理力热声光电化学电化学熔化、气化、相变阳极溶解、阴极沉积磨削、研磨原子撞击、磨料高频撞击腐蚀、光化学腐蚀n快速成形加工n液体中放电成形加工n电磁成形加工n爆炸成形加工第三节 特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响n(1)提高了材料的可加工性n(2)改变了零件的典型工艺路线n(3)改变了试制新产品的模式n(4)对新产品零件的结构设计带来很大的影响n(5)对传统的结构工艺性的好坏,
4、需要重新衡量n(6)成为微细加工和纳米加工的主要手段1. 如何在淬火钢上加工一个直径为6mm,深为10mm的定位销孔?2. 如何在厚12mm的硬质合金板上加工一个四方形或六角形的型孔?3. 如何在中碳钢的气动、液压元件上加工一个直径为1.0mm,深为100mm的小孔?4. 有哪些方法可以在0.2mm厚不锈钢板上加工出一排20 个直径为(0.10.03)mm的小孔?5. 有哪些方法可以在0.1mm厚的钨箔上加工出直径为(0.050.002)mm的微孔? 谢谢!第二章第二章 电火花加工电火花加工 2017.春季材料2014概念概念n电火花加工:英美日:n放电加工 nElectrical disch
5、arge Machining, EDM前苏联:n电蚀加工nElectroerosion Machining,现象原因结果第一节第一节 电火花加工的基本原理及其分类电火花加工的基本原理及其分类 第二节第二节 电火花加工的机理电火花加工的机理 第三节第三节 电火花加工中的一些基本规律电火花加工中的一些基本规律 第四节第四节 电火花加工的自动进给调节系统电火花加工的自动进给调节系统第五节第五节 电火花加工机床电火花加工机床第六节第六节 电火花成形加工电火花成形加工目录第一节第一节 电火花加工的电火花加工的基本原理及其分类基本原理及其分类返回返回 电火花加工的原理电火花加工的原理: :基于工具和工件(
6、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。 一、一、电火花加工的原理电火花加工的原理 电火花腐蚀的主要电火花腐蚀的主要原因原因: 电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热,达到很高的温度,足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉,形成放电凹坑。 (3)火花放电必须是瞬时的脉冲性放电.电火花加工必须采用脉冲电源。如右图所示: 图 4-1 脉冲电源电压波形(2)绝缘性介质: 三个作用 对导电材料进行加工 液体介质; 材料表面强化 气体介质。 利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工应具备的条件: (1) 放电间隙:随加工条件而定,通
7、常约为几mm至几百mm。 图 4-2 电火花加工原理示意图1工件 2脉冲电源 3自动进给调节装置 4工具 5工作液 6过滤器 7工作液泵 图图 4-2 4-2 电火花加工原理示意图电火花加工原理示意图工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。 自动进给调节装置控制工具电极间隙图4.3 电火花加工表面局部放大图1凹坑 2凸边重复上述过程,完成加工过程左图表示单个脉冲放电后的电蚀坑 右图表示多次脉冲放电后的电极表面 这样以相当高的频率,连续不断地重复放电,工具电极不断地向工件进给,就可将工具的形状复制在工件上,加工出所需要的零件,整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。 间隙最小处或绝缘强度最低
8、处脉冲电压击穿介质瞬时高温材料蚀除二、电火花加工的特点及其应用1、主要优点(1)适合于难切削导电材料的加工手段:电热作用取决于:导电性及热学性质无关:强度硬度工具电极:一般为Cu,易于加工(2)可以加工特殊及复杂形状的表面和零件n2、局限性n(1)金属材料,也可加工半导体和非导体材料n(2)一般加工速度较慢n(3)存在电极损耗n三、电火花加工工艺方法分类:六大类电火花穿孔成形加工:30%电火花磨削和镗磨电火花同步共轭回转加工电火花高速小孔加工电火花表面强化与刻字等电火花线切割:60%电火花成形加工第二节第二节 电火花加工的机理电火花加工的机理 返回返回1 1、极间介质的电离、击穿,形成放电通道
9、、极间介质的电离、击穿,形成放电通道 也就是电火花加工的物理本质。这一过程大致可分为以下四个连续的阶段: 图 4-4 极间放电电压和电流波形a)电压波形 b)电流波形液体介质中杂质,自由电子,使介质呈现一定的电导率,使极间电场更不均匀。 产生场致发射。带电粒子雪崩式增多,使介质击穿而形成放电通道 。电火花加工的机理电火花加工的机理 脉冲电压dE=U/dE 105V/mm+阴极阳极图 4-4 极间放电电压和电流波形a)电压波形 b)电流波形雪崩电离建立放电通道小于0.1s间隙电阻绝缘几分之一欧姆间隙电流几安几百安间隙电压电压击穿电压火花维持电压25V热效应负电粒子等离子体高达10000C以上正离
10、子中性粒子高速运动相互碰撞图 4-4 极间放电电压和电流波形a)电压波形 b)电流波形热效应磁压缩效应放电通道气化形成的气体强烈的冲击波通道结构一般认为是单通道 高温的形成:极间介质一旦被击穿、电离、形成放电通道后,脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极,正离子奔向负极。电能变成动能,动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内,正极和负极表面分别成为瞬时热源,分别可达5000以上的温度。 2 2、能量的转换、能量的转换介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀 分解及气化:首先把工作液介质气化,进而热裂分解气化(煤油等裂解为 H2、C2H2、CH4、C2H4和游离碳等,水
11、基工作液则热分解为 H2、O2 的分子甚至原子等)。也使金属材料熔化、直至沸腾气化。 膨胀:气化后的工作液和金属蒸气,瞬时间体积猛增,迅速热膨胀,就像火药爆炸。见到小气泡,工作液逐渐变黑,听到轻微而清脆的爆炸声。 3 3、蚀除产物的抛出、蚀除产物的抛出 气泡上下、内外的瞬时压力并不相等,压力高处的熔融金属液体和蒸气,就被排挤、抛出而进入工作液中。 当放电结束后,气泡温度不再升高,但由于液体介质惯性作用使气泡继续扩展,致使气泡内压力急剧降低,甚至降到大气压以下,形成局部真空,使在高压下溶解在熔化和过热材料中的气体析出,再加上材料本身在低压下再沸腾的特性。由于压力的骤降,使熔融金属材料及其蒸气从小
12、坑中再次爆沸飞溅而被抛出。 如何抛出:被抛出的金属高温熔滴、小屑-桔红色甚至蓝白色的火花四溅电加工产物:显微镜游离碳粒大小不等的铜和钢的球状颗粒钢包铜、铜包钢空心球状电极表面:钢上粘有铜,铜上粘有钢的痕迹游离碳粒这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象,在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。 实际上熔化和气化了的金属在抛离电极表面时,向四处飞溅,除绝大部分抛入工作液中收缩成小颗粒外,有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。由于表面张力和内聚力的作用,使抛出的材料具有最小的表面积,冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。抛出物形态:熔融材料抛出后,在电极表面形成单个脉冲的放电痕。熔化区未被
13、抛出的材料冷凝后残留在电极表面,形成熔化凝固层,在四周形成稍凸起的翻边。熔化凝固层下面是热影响层,再往下才是无变化的材料基体。 总之,材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果, 对这一复杂的抛出机理的认识还在不断深化中。 注意:注意: 正极、负极分别受电子、正离子撞击的能量、热量不同;不同电极材料的熔点、气化点不同;脉冲宽度、脉冲电流大小不同,正、负电极上被抛出材料的数量也不会相同目前还无法定量计算。 图 4-6 单个脉冲放电痕剖面放大示意图1无变化区 2热影响层 3翻边凸起 4放电通道 5气化区 6熔化区 7熔化凝固层抛出后的残余表面形态:4 4、极间介质的消电离、极间介质的消
14、电离 间隔时间短:间隔时间短:1.消电离不充分 2.积碳 随着脉冲电压的下降,脉冲电流也迅速降为零,图4-4中45段,标志着一次脉冲放电结束。间隔时间,使间隙介质消电离:放电通道中的带电粒子复合为中性粒子,恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度作用三原则 图 4-4 极间放电电压和电流波形a)电压波形 b)电流波形第三节第三节 电火花加工中的一些基本电火花加工中的一些基本规律规律 返回返回返回返回一、影响材料放电腐蚀的主要因素一、影响材料放电腐蚀的主要因素 1 1极性效应极性效应 极性效应定义:单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象。 “正极性”加工;“负极性”加工。极性效应极性效应原因
15、原因: 在火花放电过程中,正、负电极表面分别受到,在两极表面所分配到的能量不一样,因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。 窄脉冲加工:电子的撞击作用大于离子的撞击作用,正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度,这时工件应接正极。 长脉冲加工:负极性加工离子数将随放电时间的延长而增多;由于正离子的质量大,对负极表面的撞击破坏作用强,正离子到达负极后与电子结合释放位能 因此因此, ,当采用当采用精加工精加工时,应选用时,应选用例如:纯铜电极加工钢时,例如:纯铜电极加工钢时,t ti i10 80 80s s极性效应愈显著愈好极性效应愈显著愈好当用交变的脉冲电流交变的脉冲电流加工时,单个脉冲的极性效应便相互抵
16、消极性效应便相互抵消,增加了工具的损耗。电火花加工一般都采用单向脉冲电源单向脉冲电源。 正的电极表面能吸附工作液中分解游离出来的碳微粒碳微粒,形成碳黑膜碳黑膜(覆盖层)减小电极损耗减小电极损耗。 得到较得到较和较和较: 2 2电参数电参数 电参数:电压脉冲宽度ti、电流脉冲宽度te峰值电流 、峰值电压脉冲间隔to、脉冲频率极性等eiu 式中:q 在t时间内的总蚀除量;v 蚀除速度,亦即工件生产率或工具损耗速度;t 加工时间;K 与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺系数;WM单个脉冲能量; 脉冲频率;有效脉冲利用率。 fKWtqvtfKWqMM单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量 在一定范围内成正
17、比的关系。正极或负极都存在蚀除量单个脉冲能量单个脉冲放电所释放的能量单个脉冲放电所释放的能量取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间: 在通常的晶体管脉冲电源中,脉冲电流近似近似地为一矩形波矩形波,故当纯铜电极加工钢时的单个脉冲能量为: dttituWet)()(0M式中WM单个脉冲放电能量te单个脉冲实际放电时间 放电间隙中随时间而变化的电压 放电间隙中随时间而变化的电流)(tu)(tiWM (2025)eiet式中: 脉冲电流幅值; 电流脉宽。 eiet单脉冲能量提高电蚀量和生产率的提高电蚀量和生产率的参数途径在于:参数途径在于: 提高脉冲,增加单个脉冲或者说增加(对矩形脉冲即为峰值电流
18、)和; 减小脉冲并提高有关的工艺参数。 在实际生产时到这些因素之间的相互关系和对其它工艺指标的影响,例如脉冲间隔时间过短,将产生电弧放电;随着单个脉冲能量的增加,加工表面粗糙度值也随之增大等等。 热学常数:熔点、沸点(气化点)、热导率、比热容、熔化热、气化热等。常见材料的热学常数可查相应手册。 3 3金属材料热学常数金属材料热学常数 每次脉冲放电正、负电极放电点所获得的热能的分配:热传导散失到电极其它部分和工作液中外其余部分将依次消耗在: 使局部金属材料温度升高直至达到熔点-比热容; 熔化-熔化热; 使熔化的金属液体继续升温至沸点-比热容; 使熔融金属气化-气化热; 使金属蒸气继续加热成过热蒸
19、气-比热容。 音频信号音频信号当脉冲放电能量相同时,金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热愈高,电蚀量将愈少,愈难加工电蚀量将愈少,愈难加工; 热导率热导率较大的金属,会将瞬时产生的热量传导散失到其它部位,因而降低低了本身的蚀除量蚀除量。 当单个脉冲能量一定时,脉冲电流幅值愈小电流幅值愈小,脉冲宽度愈长宽度愈长,散失的热量也愈多,从而使电蚀量减少电蚀量减少; 若脉冲宽度愈短宽度愈短,脉冲电流幅值愈大电流幅值愈大,由于热量过于集中而来不及传导扩散,虽使散失的热量减少,但抛出的金属中气化部分比例增大,多耗用了气化热多耗用了气化热,电蚀量也会降低电蚀量也会降低。
20、因此,电极的蚀除量蚀除量与电极材料的热导率热导率以及其它热学常数其它热学常数、放电持续时放电持续时间间、单个脉冲能量单个脉冲能量等有密切关系。 提高电蚀量和生产率的提高电蚀量和生产率的参数途径在于:参数途径在于: 电火花加工,一般在液体介质液体介质中进行,介质面通常高出高出加工工件几十毫米几十毫米。液体介质通常叫工作液工作液,工作液的作用作用是: 4 4工作液工作液 形成火花击穿放电通道击穿放电通道,并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态绝缘状态; 帮助电蚀产物的抛出抛出和排除; 对工具和工件具有冷却冷却作用。 对放电通道产生压缩压缩作用; 目前工作液有3种: 第一种:有机化合物有机化合物常用
21、第二种:乳化液乳化液乳化液的优点是成本低, 配置简便, 也有补偿工具电极损耗的作用, 且不腐蚀机床和零件。乳化液多用于电火花线切割加工电火花线切割加工。 第三种:水水水的优点是流动性好、散热性好, 不易起弧, 不燃、无味和价格低廉。 工作液性能对加工质量加工质量的。介电性能好、密度和粘度大有利于:压缩压缩放电通道,提高放电的能量密度能量密度,强化电蚀产物的抛出效应抛出效应,不利于:电蚀产物的排出排出,影响正常放电。 工作液选择工作液选择: :粗加工粗加工:选用介电性能好、粘度较大的全损耗系统用油(即机油机油),且全损耗系统用油的燃点较高,大能量加工时着火燃烧的可能性小; 在中、精加工中、精加工
22、:一般均选用粘度小、流动性好、渗透性好的煤油煤油作为工作液。 由于油类油类工作液有味、容易燃烧,尤其在大能量粗加工时工作液高温分解产生的烟气很大,故寻找一种像水那样的流动性好、不产生碳黑、不燃烧、无色无味、价廉的工作液介质一直是努力的目标。 水基工作液水基工作液就是其中研究、应用的一种。5 5其它因素其它因素 电火花加工过程中电极材料瞬时熔化或气化的抛出。正极上的形成将起“保护”作用,大大降低正电极的蚀除量(损耗量)。 如果较,而采用的加工较,的增加,或加工的影响。对加工稳定性的影响。脉冲电源的及其影响着输入能量的集中或分散程度,对电蚀量也有很大影响。 二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度
23、二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度 1 1影响影响加工速度加工速度的主要因素的主要因素 加工速度:加工速度:电火花加工时,工具和工件同时遭到不同程度的电蚀,单位时间内工件的电蚀量,亦即生产率生产率;损耗速度:损耗速度:单位时间内工具的电蚀量。 体积加工速度: /t (mm3/min)质量加工速度: =(g/min) 影响因素:提高脉冲频率;增加单个脉冲能量WM;设法提高工艺系数K。同时还应考虑这些因素间的相互制约关系和对其它工艺指标的影响。 wvmv提高工艺系数K的途径很多。例如合理选用电极材料、电参数和工作液,改善工作液的循环过滤方式等,从而,达到提高工艺系数K的目的。 电火花成形加工
24、的加工速度:粗加工(加工表面粗糙度Ra1020)时可达2001000 mm3/min,半精加工(Ra2.510)时降低到20100 mm3/min,精加工(Ra0.32 2.5)时一般都在10 mm3/min以下。随着表面粗糙度值的减小,加工速度显著下降。提高脉冲频率,可通过减小脉冲停歇时间实现。相对损耗(损耗比)相对损耗(损耗比)产生加工误差的主要原因之一 。衡量工具电极耐损耗工具电极耐损耗的指标。2.2.工具相对损耗工具相对损耗 体积相对损耗:以 mm3/min为单位长度相对损耗:等截面的穿孔加工质量相对损耗:以g/min为单位%100/wevv加工速度损耗速度降低工具电极的损耗降低工具电
25、极的损耗一直是人们努力追求的目标。手段主要包括:p 极性效应极性效应p 吸附效应吸附效应p 传热效应传热效应 p 电极材料电极材料图4-8 脉冲宽度和极性与电极相对损耗的关系1正极性加工; 2负极性加工 右图是在工具电极为6mm 的纯铜,加工工件为钢,工作液为煤油,矩形波脉冲电源,加工电流峰值为10A的试验条件下得出的试验曲线。 一般在短脉冲精加工时采用正极性加工(即工件接电源正极)长脉冲粗加工时则采用负极性加工。1)极性效应(正确选择极性和脉宽) 2)吸附效应 当采用煤油等碳氢化合物作工作液时,在放电过程中将发生热分解而产生大量的碳,碳可和金属结合形成金属碳化物的微粒胶团。只适合于负极性加工
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