第五章特种加工.ppt
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1、第第5 5章章 特种加工特种加工第第 次课次课1特种加工:特种加工:现代的(非古代)不同于传统切削加工方式的现代的(非古代)不同于传统切削加工方式的加工方法。加工方法。特种加工是直接利用电、热、声、光及化学能特种加工是直接利用电、热、声、光及化学能等能量形式进行的加工。如:超声波加工、电化学等能量形式进行的加工。如:超声波加工、电化学加工、电火花加工以及它们的复合加工。加工、电火花加工以及它们的复合加工。2特种加工的特点特种加工的特点 加工时工具不与工件直接接触,加工工具不受工加工时工具不与工件直接接触,加工工具不受工件材料的物理机械性能的限制,因而工具的硬度可件材料的物理机械性能的限制,因而
2、工具的硬度可低于工件材料的硬度。低于工件材料的硬度。加工能量大,且易于控制、转换。加工能量大,且易于控制、转换。便于实现特殊形状零件的加工及微细加工。便于实现特殊形状零件的加工及微细加工。机床运动简单、便于自动化和制造高精度机床。机床运动简单、便于自动化和制造高精度机床。3特种加工对零件结构工艺性的影响特种加工对零件结构工艺性的影响 改变了零件的典型工艺路线。改变了零件的典型工艺路线。对零件结构设计带来很大影响。对零件结构设计带来很大影响。对传统结构工艺性的好与坏,重新衡量。对传统结构工艺性的好与坏,重新衡量。5.1 电火花加工电火花加工5.1.1 电火花成形加工电火花成形加工1基本原理基本原
3、理 电火花加工是利用了电腐蚀现象。但是为了使电电火花加工是利用了电腐蚀现象。但是为了使电腐蚀现象能对金属材料进行加工,还必须解决以下几腐蚀现象能对金属材料进行加工,还必须解决以下几个问题:个问题:1)必须使工具电极和被加工表面之间保持一)必须使工具电极和被加工表面之间保持一定的间隙。定的间隙。2)火花放电必须是瞬时的脉冲放电。)火花放电必须是瞬时的脉冲放电。3)火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介)火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。质中进行。图图1电火花加工原理。电火花加工原理。2影响电火花成形加工的工艺因素影响电火花成形加工的工艺因素(1)影响材料放电腐蚀及加工速度的主要因)影响
4、材料放电腐蚀及加工速度的主要因素素1)极性效应:)极性效应:极性效应:材料相同的两个电极电蚀量不一极性效应:材料相同的两个电极电蚀量不一样的现象叫做样的现象叫做“极性效应极性效应”。两极的蚀除速度与脉冲宽度(放电时间两极的蚀除速度与脉冲宽度(放电时间)有关,当)有关,当 时,称为窄脉冲,阳极的时,称为窄脉冲,阳极的蚀除速度大于阴极,称正效应。可实现正极蚀除速度大于阴极,称正效应。可实现正极性加工,工件接正极;当性加工,工件接正极;当 时,称为时,称为宽脉冲,阳极的蚀除速度小于阴极,称为负宽脉冲,阳极的蚀除速度小于阴极,称为负效应。可实现负极性加工,工件接负极。效应。可实现负极性加工,工件接负极
5、。sti30sti3002)脉冲参数:)脉冲参数:电火花加工时,单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量电火花加工时,单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内近似成正比关系。在一定范围内近似成正比关系。单个脉冲能量与极间放电电压、放电电流和单个脉冲能量与极间放电电压、放电电流和 放电持放电持续时间有关。续时间有关。在单个脉冲能量一定时,脉冲宽度过大和过小都不在单个脉冲能量一定时,脉冲宽度过大和过小都不好,若脉冲宽度过小,脉冲电流幅值将很大,热量好,若脉冲宽度过小,脉冲电流幅值将很大,热量过于集中,会使蚀除的金属材料中气态蚀除比例增过于集中,会使蚀除的金属材料中气态蚀除比例增大,金属因气化而消耗掉很大的
6、能量,反而使材料大,金属因气化而消耗掉很大的能量,反而使材料的蚀除量减小。脉冲宽度过大,会因为热传导扩散的蚀除量减小。脉冲宽度过大,会因为热传导扩散而损失大量的热量,也会使电蚀量减小。因此在一而损失大量的热量,也会使电蚀量减小。因此在一定的单个脉冲放电能量下,会有一个最佳脉宽使电定的单个脉冲放电能量下,会有一个最佳脉宽使电极电蚀量最大。极电蚀量最大。3)金属材料的(热学)物理常数:)金属材料的(热学)物理常数:在脉冲放电能量相同情况下,材料的热学物理常数在脉冲放电能量相同情况下,材料的热学物理常数(熔化热、气化热、熔点、沸点等)越高,单位质(熔化热、气化热、熔点、沸点等)越高,单位质量金属熔化
7、和气化时需要的热量越多,因此材料的量金属熔化和气化时需要的热量越多,因此材料的蚀除量越小。蚀除量越小。而材料的热导率大,会把火花放电时产生的瞬时热而材料的热导率大,会把火花放电时产生的瞬时热量从电极放电点很快地传导扩散到其它部位,而减量从电极放电点很快地传导扩散到其它部位,而减少了放电点处的电蚀量。少了放电点处的电蚀量。钨、钼、石墨等材料熔点、沸点高,因此很难蚀除钨、钼、石墨等材料熔点、沸点高,因此很难蚀除 。铜的熔点、沸点虽然较低但导热性好,所以也很。铜的熔点、沸点虽然较低但导热性好,所以也很难电腐蚀,因此这些材料可用做工具电极材料。考难电腐蚀,因此这些材料可用做工具电极材料。考虑加工难度和
8、加工成本,生产中多采用铜和石墨等虑加工难度和加工成本,生产中多采用铜和石墨等材料作为工具电极。材料作为工具电极。4)工作液:)工作液:电火花成型加工必须在有绝缘性好的工作液中进行电火花成型加工必须在有绝缘性好的工作液中进行,例如,机油、煤油等,不同性质的工作液对电蚀,例如,机油、煤油等,不同性质的工作液对电蚀 量的影响不相同。量的影响不相同。由于绝缘性好,密度、粘度大的工作液有利于压缩由于绝缘性好,密度、粘度大的工作液有利于压缩 放电通道,使放电能量集中在很小的范放电通道,使放电能量集中在很小的范 围内,可以围内,可以 增大电蚀量。增大电蚀量。但粘度过大不利于电蚀物排出,影响加工的稳定性但粘度
9、过大不利于电蚀物排出,影响加工的稳定性,因此只适合用于粗加工(粗加工时脉冲能量大,因此只适合用于粗加工(粗加工时脉冲能量大,加工间隙大,电蚀屑易于抛出),一般多选用机油。加工间隙大,电蚀屑易于抛出),一般多选用机油。而在中、精加工时,脉冲能量小放电间隙小不利于而在中、精加工时,脉冲能量小放电间隙小不利于 排屑,因此要求工作液粘度小、流动性好、渗透性排屑,因此要求工作液粘度小、流动性好、渗透性 好,多选用煤油。好,多选用煤油。(2)影响加工精度的主要因素)影响加工精度的主要因素 1)放电间隙:)放电间隙:在电火花加工中,由于工具电极与工件电极之间存在电火花加工中,由于工具电极与工件电极之间存在放
10、电间隙,因此工具尺寸应比工件最终要求的尺在放电间隙,因此工具尺寸应比工件最终要求的尺寸减小一个放电间隙值。但由于工具电极的不断损寸减小一个放电间隙值。但由于工具电极的不断损耗,以及加工中电参数,工作液的绝缘性等发生变耗,以及加工中电参数,工作液的绝缘性等发生变化,难于保证间隙的稳定和一致性,最终影响工件化,难于保证间隙的稳定和一致性,最终影响工件的加工精度。的加工精度。另外间隙的大小对工件加工精度的影响也不同另外间隙的大小对工件加工精度的影响也不同,间隙大对精度的影响就大,因此精加工时应采用,间隙大对精度的影响就大,因此精加工时应采用较小的放电间隙。较小的放电间隙。精加工的放电间隙一般为精加工
11、的放电间隙一般为0.01mm,粗加工时可,粗加工时可达达0.5mm以上。以上。2)二次放电:)二次放电:二次放电是指在已加工的表面上,由于间隙内存二次放电是指在已加工的表面上,由于间隙内存在电蚀物导致间隙过小而引发的非正常的再次放电。在电蚀物导致间隙过小而引发的非正常的再次放电。二次放电一般是发生在工具和工件的侧面,随着不断二次放电一般是发生在工具和工件的侧面,随着不断向下加工,侧面间隙排屑变得困难,使二次放电机会向下加工,侧面间隙排屑变得困难,使二次放电机会增大,导致工件深度方向的斜度增大,影响了工件的增大,导致工件深度方向的斜度增大,影响了工件的形状精度。形状精度。3)工具电极的损耗:)工
12、具电极的损耗:在加工中,工具的端面和侧面都会受到损耗。在加工中,工具的端面和侧面都会受到损耗。随着加工的深入,工具电极的下部分经历的加工时间随着加工的深入,工具电极的下部分经历的加工时间长,工件因电极的损耗形成一定的加工斜度。长,工件因电极的损耗形成一定的加工斜度。电火花的加工精度可达电火花的加工精度可达0.010.05mm左右。左右。(3)影响表面质量的主要因素)影响表面质量的主要因素1)由于采用的是脉冲电源,每一次的脉冲放电是在由于采用的是脉冲电源,每一次的脉冲放电是在工件与工具之间的绝缘最弱点击穿放电,放电点被工件与工具之间的绝缘最弱点击穿放电,放电点被局限在很小的范围内,由于一秒钟的上
13、万次放电,局限在很小的范围内,由于一秒钟的上万次放电,因此加工表面便由无数个小凹坑组成。通常情况下因此加工表面便由无数个小凹坑组成。通常情况下电火花加工表面粗糙度可达到电火花加工表面粗糙度可达到Ra2.5Ra2.50.63m0.63m。图图2 22)表面变质层:电火花加工时,由于工件表面受到)表面变质层:电火花加工时,由于工件表面受到瞬时高温及工作液快速冷却作用,表面形成了熔化瞬时高温及工作液快速冷却作用,表面形成了熔化层和热影响层。层和热影响层。熔化层:熔化层:熔化层位于工件表面最外层,是经过高温熔化而后熔化层位于工件表面最外层,是经过高温熔化而后又凝固形成。它的金相组织已经与基体金属完全不
14、同,又凝固形成。它的金相组织已经与基体金属完全不同,并含有气孔、碳化物及其他夹杂物。并含有气孔、碳化物及其他夹杂物。热影响层位于熔化层之下,这一层金属虽未熔化,热影响层位于熔化层之下,这一层金属虽未熔化,但在高温作用下金相组织也发生了变化。但在高温作用下金相组织也发生了变化。3)表面的机械性能:)表面的机械性能:由于在电火花加工中存在着表面淬火现象(工件由于在电火花加工中存在着表面淬火现象(工件表面受到瞬时高温及工作液快速冷却作用),这样,表面受到瞬时高温及工作液快速冷却作用),这样,工件表面最外层的硬度就比基体略高,因而耐磨性好。工件表面最外层的硬度就比基体略高,因而耐磨性好。但由于表面存在
15、着拉应力及由此产生的显微裂纹,其但由于表面存在着拉应力及由此产生的显微裂纹,其疲劳强度低(比切削加工的表面)。疲劳强度低(比切削加工的表面)。2电火花成型加工的特点电火花成型加工的特点(1)用于加工高硬度、高强度金属材料。)用于加工高硬度、高强度金属材料。(2)工具的硬度可低于工件材料的硬度。因为加工)工具的硬度可低于工件材料的硬度。因为加工中无切削力的作用。因此工具电极可以用比工件软的中无切削力的作用。因此工具电极可以用比工件软的材料制造。可以进行微孔、窄槽等微细加工和低刚度材料制造。可以进行微孔、窄槽等微细加工和低刚度工件的加工。另外,还可加工特殊形状的型孔、型腔工件的加工。另外,还可加工
16、特殊形状的型孔、型腔等。等。(3)适宜加工热敏性材料。因为脉冲放电时间极短)适宜加工热敏性材料。因为脉冲放电时间极短,工件表面受热的影响很小,不致因热而产生变形。,工件表面受热的影响很小,不致因热而产生变形。(4)可以连续完成粗、中、精加工。由于脉冲参数)可以连续完成粗、中、精加工。由于脉冲参数调节范围广,在同一台机床上,通过改变电规准就调节范围广,在同一台机床上,通过改变电规准就可以连续完成粗、中、精加工。可以连续完成粗、中、精加工。但是电火花成型加工方法在应用中也存在如下的但是电火花成型加工方法在应用中也存在如下的局限性:局限性:(1)加工速度慢,生产率低。特别是精加工时,为)加工速度慢,
17、生产率低。特别是精加工时,为了顾及工件的表面质量,加工速度会更低。了顾及工件的表面质量,加工速度会更低。(2)工具电极存在损耗,影响成型精度。)工具电极存在损耗,影响成型精度。4电火花成型加工的应用电火花成型加工的应用电火花成型加工:用成型工具电极对工件电极进行的电火花成型加工:用成型工具电极对工件电极进行的仿形加工。仿形加工。(1)电火花穿孔加工)电火花穿孔加工 如在各种精密零件和模具上如在各种精密零件和模具上进行的圆孔、异形孔及小孔、深孔的成型加工。进行的圆孔、异形孔及小孔、深孔的成型加工。(2)电火花型腔加工)电火花型腔加工 广泛应用于压铸模、塑料模广泛应用于压铸模、塑料模等。由于是盲孔
18、,工作液循环困难,电蚀物不易排除。等。由于是盲孔,工作液循环困难,电蚀物不易排除。另外,型腔形状复杂使得电极各部分损耗不均匀(一另外,型腔形状复杂使得电极各部分损耗不均匀(一般采用更换电极的方法),对加工精度造成很大影响。般采用更换电极的方法),对加工精度造成很大影响。(3)小孔加工)小孔加工 这里所指小孔一般直径在这里所指小孔一般直径在0.12mm,深径比,深径比20 mm以上。以上。图图35.1.3 线切割加工线切割加工5.1.3.1 加工原理加工原理 线切割加工的工具电极特殊,它不是成型面,而线切割加工的工具电极特殊,它不是成型面,而是一个金属丝(常用钼丝)。利用运动着的金属丝做是一个金
19、属丝(常用钼丝)。利用运动着的金属丝做工具电极,钼丝(或工件)按一定的轨迹运动,钼丝工具电极,钼丝(或工件)按一定的轨迹运动,钼丝既然是电极,钼丝与工件之间也产生火花放电。加工既然是电极,钼丝与工件之间也产生火花放电。加工时,钼丝要穿过工件,由电火花时,钼丝要穿过工件,由电火花“锯锯”出工件。由于出工件。由于现在的电火花线切割机床,已实现计算机控制,因此现在的电火花线切割机床,已实现计算机控制,因此可加工出高精度、形状复杂的工件。可加工出高精度、形状复杂的工件。图图4 线切割加工时,用数控技术控制工件的直线及圆线切割加工时,用数控技术控制工件的直线及圆弧运动经常采用逐点比较法。逐点比较法加工圆
20、弧如弧运动经常采用逐点比较法。逐点比较法加工圆弧如图图5所示。所示。5.1.3.3 线切割加工特点及应用线切割加工特点及应用1加工特点加工特点 电火花线切割可以加工淬火钢、硬质电火花线切割可以加工淬火钢、硬质合金等高硬度、高强度的金属材料。合金等高硬度、高强度的金属材料。降低了工具电极的制造成本。线切割加工不需要单降低了工具电极的制造成本。线切割加工不需要单独设计制造特定形状的工具电极,而仅仅使用电极丝独设计制造特定形状的工具电极,而仅仅使用电极丝,降低了工具电极的制造成本。,降低了工具电极的制造成本。通过通过CNC控制,可以很方便地加工出形状复杂的控制,可以很方便地加工出形状复杂的零件。零件
21、。能加工细小、窄缝工件。只要窄缝的宽度尺寸大于能加工细小、窄缝工件。只要窄缝的宽度尺寸大于钼丝的尺寸即可。钼丝的尺寸即可。材料利用率高。线切割属于图形轮廓加工,加工完材料利用率高。线切割属于图形轮廓加工,加工完后,图形内或是图形外的材料还可利用。后,图形内或是图形外的材料还可利用。电极丝损耗小,对加工精度影响小。电极丝损耗小,对加工精度影响小。由于加工中电极丝不断往复移动,因此,电极丝由于加工中电极丝不断往复移动,因此,电极丝的损耗小,电极丝的尺寸变动量不大,对加工精度的的损耗小,电极丝的尺寸变动量不大,对加工精度的影响可以忽略不计。影响可以忽略不计。线切割不能加工型腔、盲孔类零件。线切割不能
22、加工型腔、盲孔类零件。2应用应用可用于冲裁模具的加工。在一定的工艺措施下,通可用于冲裁模具的加工。在一定的工艺措施下,通过一次编程就可以切割出具有一定的配合间隙、精度过一次编程就可以切割出具有一定的配合间隙、精度符合要求的凸、凹模。符合要求的凸、凹模。可用于挤压模、拉丝模、粉末冶金模等带锥度的模可用于挤压模、拉丝模、粉末冶金模等带锥度的模具加工以及成型刀具的加工。具加工以及成型刀具的加工。可用来加工电火花成型加工用的工具电极。特别是可用来加工电火花成型加工用的工具电极。特别是铜钨合金等难以用普通切削方法加工的工具电极更显铜钨合金等难以用普通切削方法加工的工具电极更显经济。经济。加工形状复杂的高
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