浅谈机械加工中的新工艺方法毕业设计论文资料Word文档格式.docx
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2.1电火花线切割原理6
2.2电火花线切割机床的组成7
2.3电火花线切割的特点8
2.4电火花线切割的应用9
3.激光加工10
3.1激光加工原理10
3.2激光加工基本设备的组成10
3.3激光加工的特点与应用11
4.微机数控旋转电火花加工14
4.1旋转电火花加工机理14
4.2旋转电火花加工机床14
4.3旋转电火花加工的特点14
4.4旋转电火花加工的应用15
5.超声波加工16
5.1超声波加工的基本原理16
5.2超声波加工设备的组成16
5.3超声波加工的特点17
5.4超声波加工的应用17
参考文献20
1.电火花成型加工
1.1电火花成型加工原理与条件
电火花加工又称为放电加工(ElectricalDischargeMachining,简称为EDM),是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺。
工艺系统如图1-1所示。
图1-1电火花成型加工系统
电火花加工原理主要用于模具生产中的型孔、型腔加工,已成为模具制造业的主导加工方法,推动了模具行业的技术进步。
电火花加工时,脉冲电源的一极接工具电极,另一极接工件电极,两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质(常用煤油或矿物油或去离子水)中。
工具电极由自动进给调节装置控制,以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙(0.01~0.05mm)。
当脉冲电压加到两极之间,便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿,形成放电通道。
由于通道的截面积很小,放电时间极短,致使能量高度集中(10~107W/mm),放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发,以致形成一个小凹坑。
第一次脉冲放电结束之后,经过很短的间隔时间,第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。
如此周而复始高频率地循环下去,工具电极不断地向工件进给,它的形状最终就复制在工件上,形成所需要的加工表面。
与此同时,总能量的一小部分也释放到工具电极上,从而造成工具损耗。
每个脉冲放电后,在工件表面上形成一个微小的凹坑,如图1-2(a)所示。
放电过程多次反复进行,随着工具电极不断进给,材料逐渐被蚀除,工具电极的轮廓形状即可复印在工件上,从而达到成型加工的目的,整个表面是由无数凹坑组成的,如图1-2(b)所示。
从上看出,进行电火花加工必须具备三个条件:
必须采用脉冲电源;
必须采用自动进给调节装置,以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙;
火花放电必须在具有一定绝缘强度(10~107Ω·
m)的液体介质中进行。
(a)(b)
图1-2工具电极与工件电极间隙的放大图
1.2电火花成型加工机床的组成与结构
电火花成型加工机床逻辑上有四部分组成,即机床本体、脉冲电源、伺服进给控制系统和工作液循环过滤系统,如图1-3所示。
图1-3电火花成型机床
1.2.1机床本体
机体的作用是保证工具电极与工件之间的相互位搜索置尺寸要求。
主要包括主轴头、工作台、床身和立柱等四部分。
(1)床身和立柱
床身和立柱是一个基础结构,由它确保电极与工作台、工件之间的相互位置。
其精度的高低对加工质量有直接的影响。
(2)工作台
工作台主要用来支承和装夹工件,它分上、下两层(上溜板和下溜板)。
在实际加工中,通过转动上、下溜板的丝杠调整电极与工件的相对位置。
工作台上装有工作液箱,使电极和被加工件浸在工作液里,起到冷却、排屑作用。
(3)主轴头
主轴头是电火花加工机床的一个关键部件,它的结构由伺服进给机构,导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。
它控制工件和电极之间的放电间隙。
1.2.2脉冲电源
电火花加工的脉冲电源的作用是把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流,以供给火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。
脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。
1.2.3伺服进给控制系统
电火花加工是“不接触加工”。
正常电火花加工时,工具和工件间有一放电间隙S,如图1-4所示。
S过大时,脉冲电压不能击穿间隙中的绝缘工作液,不会产生火花放电。
当间隙过小时,工具工件会接触而短路(S=0)。
伺服进给控制系统的任务就是通过改变、调节进给速度,使进给速度接近并等于蚀除速度,以维持一定的“平均”放电间隙S,保证电火花加工正常而稳定地进行,获得较好的加工效果。
图1-4放电间隙
1.2.4工作液循环过滤系统
由工作液、工作液箱、工作液泵、滤芯和导管组成。
工作液起绝缘、排屑、冷却和改善加工质量的作用。
每次脉冲放电后,工件电极与工具电极之间必须迅速恢复绝缘状态,否则脉冲放电就会转变为持续的电弧放电,影响加工质量。
在加工过程中,工作液可把加工过程中产生的金属颗粒迅速从电极之间冲走,使加工顺利进行。
工作液还可冷却受热的电极和工件,防止工件变形。
1.3电火花成型加工的工艺特点与应用原理
1.3.1电火花成型加工的工艺特点
(1)电火花加工时,由于不是靠刀具的机械方法去除金属,加工时无任何机械力的作用,因此可以用来加工小孔、窄槽及各种复杂形状的型孔和型腔。
(2)由于电脉冲参数可以任意调节,故在同一台机床上可对零件进行粗、中、精加工及连续加工,节省了设备,提高了效率。
(3)电火花加工是直接用电能加工,故便于实现生产中的自动控制及加工自动化。
(4)电火花加工时是利用局部高温蚀除金属,任何硬、脆的金属材料都无法抵抗这种高温,只要能导电,就能进行加工,因此,它能加工淬硬模具,并不会产生过多变形。
(5)经过电火花加工后的零件精度高,表面粗糙度可达Ra1.25μm,因此,利用电火花加工后的零件,稍加修正后即可装配使用。
(6)型腔的加工余量一般较大,尤其是在不预加工的情况下,蚀除的金属量更多,因此,对电源的要求是:
降低损耗和提高生产率。
(7)型腔属于盲孔加工,其电蚀产物的排出较为困难,尤其是深型腔加工时更甚,因此,在工艺上必须采用冲油或抽油式来实现排屑。
(8)由于型腔的形状多较复杂,电极损耗引起其尺寸的变化会直接影响型腔的精度,因此要求电极的损耗越小越好。
电火花加工具有如下特点:
可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料;
加工时无明显机械力,适用于低刚度工件和微细结构的加工:
脉冲参数可依据需要调节,可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工;
电火花加工后的表面呈现的凹坑,有利于贮油和降低噪声;
生产效率低于切削加工;
放电过程有部分能量消耗在工具电极上,导致电极损耗,影响成形精度。
1.3.2电火花成型加工的应用原理
电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工,已成为模具制造业的主导加工方法,推动了模具行业的技术进步。
电火花加工零件的数量在3000件以下时,比模具冲压零件在经济上更加合理。
按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同,电火花加工可大体分为:
电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。
电火花成形加工该方法是通过工具电极相对于工件作进给运动,将工件电极的形状和尺寸复制在工件上,从而加工出所需要的零件。
它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。
电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。
电火花穿孔加工主要用于型孔(圆孔、方孔、多边形孔、异形孔)、曲线孔(弯孔、螺旋孔)、小孔和微孔的加工。
近年来,为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题,在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工,取得良好的社会经济效益。
2.电火花线切割加工
2.1电火花线切割原理
电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理一样,都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理,实现零部件的加工。
所不同的是,电火花线切割加工不需要制造复杂的成形电极,而是利用移动的细金属丝(钼丝或铜丝)作为工具电极,工件按照预定的轨迹运动,“切割”出所需的各种尺寸和形状。
电火花线切割加工的原理如图1-5所示。
该方法是利用移动的细金属丝作工具电极,按预定的轨迹进行脉冲放电切割。
工具电极(电极丝)为直径0.02~0.3毫米的金属丝,由走丝系统带动电极丝沿其轴向移动。
走丝方式有两种:
①高速走丝,速度为9~10米/秒,采用钼丝作电极丝,可循环反复使用;
②低速走丝,速度小于10米/分,电极丝采用铜丝,只使用一次。
脉冲电源加在工件与电极丝之间,一般工件接正极,电极丝接负极。
工件与电极丝之间用喷嘴喷入工作液(乳化液、去离子水等)。
控制系统根据预先输入的工作程序输出相应的信息,使工作台作相应的移动,工件与电极丝靠近。
当两者接近到适当距离时(一般为0.01~0.04毫米)便产生火花放电,蚀除金属。
金属被蚀除后工件与电极丝之间的距离加大,控制系统根据这一距离的大小和预先输入的程序,不断地发出进给信号,使加工过程持续进行。
国内外数控电火花线切割机床都采用了不同水平的微机数控系统,实现了电火花线切割数控化。
目前电火花线切割广泛用于加工各种冲裁模(冲孔和落料用)、样板以及各种形状复杂型孔、型面和窄缝等。
图1-6为工具电极丝切割工件的过程。
图1-6切割过程中
2.2电火花线切割机床的组成
机床组成分为三部分:
机械、电气和工作液系统三大部分组成。
(1)机械:
线切割机床机械部分是基础,其精度直接影响到机床的工作精度,也影响到电气性能的充分发挥。
机械系统由机床床身、坐标工作台、运丝机构、线架机构、锥度机构、润滑系统等组成。
机床床身通常为箱式结构,是提供各部件的安装平台,而且与机床精度密切相关。
坐标工作台通常由十字拖板、滚动导轨、丝杆运动副、齿轮传动机构等部分组成。
主要是与电极丝之间的相对运动,来完成对工件的加工。
运丝机构是由储丝筒、电动机、齿轮副、传动机构、换向装置和绝缘件等部分组成,电动机和储丝筒连轴连接转动,用来带动电极丝按一定线速度移动,并将电极丝整齐地排绕在储丝筒上。
线架分单立柱悬臂式和双立柱龙门式。
单立柱悬臂式分上下臂,一般下臂是固定的,上臂可升降移动,导轮安装在线架上,用来支撑电机丝。
锥度机构可分摇摆式和十字拖板式结构,摇摆式是上下臂通过杠杆转动来完成,一般用在大锥度机。
十字拖板型通过移动使电极丝伸缩来完成,一般适用在小锥度机。
润滑系统用来缓解机件磨损、提高机械效率、减轻功率损耗。
可起到冷却、缓蚀、吸振、减小噪音之作用。
(2)电气:
电气部分包括机床电路、脉冲电源、驱动电源和控制系统等组成。
机床电路主要控制运丝电动机和工作液泵的运行,使电极丝对工件能连续切割。
脉冲电源提供电极丝与工件之间的火花放电能量,用以切割工件。
驱动电源也叫驱动电路,由脉冲分配器、功率放大电路、电源电路、预放电路和其它控制电路组成。
是提供电源给步进电机供电的专用电源,用来实现对步进电机的控制。
控制系统主要是控制工作台拖板的运动(轨迹控制)和脉冲电源的放电(加工控制)。
(3)工作液系统:
工作液系统一般由工作液箱、工作液泵、进液管、回液管、流量控制阀、过滤网罩或过滤芯等组成。
主要作用是集中放电能量、带走放电热量以冷却电极丝和工件、排除电蚀产物等。
2.3电火花线切割的特点
因为数控电火花线切割是数字系统控制下直接利用电能加工工件的一种方法,因些与其他加工方式相比有自己独立的特点:
(1)不需要制造形状复杂的工具电极,就能加工出以直线为母线的任何二维曲面。
(2)加工中并不把全部多余材料加工成为废屑,提高了能量和材料的利用率。
(3)在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中,由于电极丝不断更新,有利于提高加工精度和减少表面粗糙度。
(4)电火花线切割能达到的切割效率一般为20~60平方毫米/分,最高可达300平方毫米/分;
加工精度一般为±
0.01~±
0.02毫米,最高可达±
0.004毫米;
表面粗糙度一般为Rα2.5~1.25微米,最高可达Rα0.63微米;
切割厚度一般为40~60毫米,最厚可达600毫米。
(5)工作液一般采用水基乳化液或纯水,成本低,不会发生火灾。
(6)利用四轴或五轴联动,可加工锥度、上下面异形体或回转体等零件。
(7)由于电极丝比较细,可以方便地加工微细异形孔、窄缝和复杂截面的型柱、型孔。
由于切缝很窄,实际金属去除量很少,材料的利用率很高。
对加工、节约贵重金属有重要意义。
(8)采用移动的长电极丝进行加工,使单位长度电极丝的损耗较少,从而对加工精度的影响比较小,特别在慢走丝线切割加工中,电极丝一次性使用,电极丝损耗对加工精度的影响更小。
正是由于电火花线切割加工有许多突出的特点,因而在国内外发展都很快,在塑料模具加工中已获得了广泛的应用。
2.4电火花线切割的应用
(1)试制新产品
在新产品开发过程中需要单件的样品,使用线切割直接切割出零件,无需模具,这样可以大大缩短新产品的开发周期并降低试制成本。
如在冲压生产时,未开出落料模时,先用线切割加工的样板进行成形等后续加工,得到验证后再制造落料模。
(2)加工特殊材料
切割某些高硬度,高熔点的金属时,使用机加工的方法几乎是不可能的,而采用线切割加工既经济又能保证精度。
(3)加工模具零件
电火花线切割加工主要应用于冲模、挤压模、塑料模、电火花型腔模的电极加工等,由于电火花线切割加工速度和精度的迅速提高,目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度。
例如,中小型冲模,材料为模具钢,过去用分开模和曲线磨削的方法加工,现在改用电火花线切割整体加工的方法,制造周期可缩短3/4~5/4,成本降低2/3~3/4,配合精度高,不需要熟练的操作工作。
因此,一些工业发达国家的精密冲的磨削等工序,已被电火花和电火花线切割加工所代替。
3.激光加工
3.1激光加工原理
如图1-7所示,激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
当激光照射在工件的加工部位时,工件材料迅速被熔化甚至气化,随着激光能量的不断被吸收,材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀,压力突然增大,熔融物爆炸式地高速喷射出来,在工件内部形成方向性很强的冲击波。
因此,激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击被抛出的综合作用过程。
3.2激光加工基本设备的组成
激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机(激光加工系统)三部分组成。
(1)激光器
激光器的作用是把电能转变成光能,产生所需要的激光束。
按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。
由于He-Ne(氦—氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制,而且方向性、单色性及相干性都比较好,因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。
而在激光加工中则要求输出功率与能量大,目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。
(2)导光聚焦系统
根据被加工工件的性能要求,光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位,这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。
(3)激光加工系统
激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。
随着电子技术的发展,许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动,实现激光加工的连续工作。
3.3激光加工的特点与应用
3.3.1激光加工的特点
激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能,容易获得超短脉冲和小尺寸光斑,能够产生极高的能量密度和功率密度,几乎能加工所有的材料。
特别适用于加工自动化,而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低。
(1)无接触加工。
激光加工是通过激光光束进行加工,与被加工工件不直接接触,降低了机械加工惯性和机械变形,方便了加工。
同时,还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺,如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等。
(2)加工质量好,加工精度高。
由于激光能量密度高可瞬时完成加工,与传统机械加工相比,工件热变形小、无机械变形,使得加工质量显著提高;
激光可通过光学聚焦镜聚焦,激光加工光斑非常小,加工精度很高,如PC机硬盘高速转子采用激光平衡技术,其转子平衡精度可达微米或亚微米级。
(3)加工效率高。
激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍;
激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍;
激光焊接比常规焊接提高效率几十倍;
激光调阻可提高效率上千倍,且精度亦显著提高。
(4)材料利用率高,经济效益高。
激光加工与其他加工技术相比可节省材料10~30%,可直接节省材料成本费,且激光加工设备操作维护成本低,对加工费用降低提供了先决条件。
3.3.2激光加工的应用
(1)激光快速成型技术。
激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工艺,改为“堆积”成型加工工艺,在加工领域具有划时代的意义。
(2)激光焊接技术。
激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件,工件受热融化,然后冷却得到焊接的目的。
激光焊接的显著特征是大熔、焊道、小热影响区,以及高功率密度,大气压力下进行不要求保护气体,不产生X射线,在磁场内不会出现束偏移,更加之该法焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料便于实现遥控等优点,尤其可焊高熔点的材料和异种金属,并且不需要添加材料,因此很快在电子行业中实现了产业化。
激光焊接有两种基本方式:
传导焊与深熔(小孔)焊。
(3)激光打孔技术。
激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点。
激光打孔技术朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展。
(4)激光切割技术。
激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广。
激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。
脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。
(5)激光打标技术。
激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而留下永久性标记的一种打标方法。
激光打标可以打出各种文字、符号和图案等,字符大小可以从毫米量到微米量级,这对产品的防伪有特殊的意义。
(6)激光刻蚀技术。
激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作。
(准分子激光)
(7)激光微调技术。
激光微调主要用于调整厚膜电路或薄膜电路中的电阻、电容以及其他多种功能参数。
激光调阻时,受到照射的部位受热汽化挥发,阻值区域截面面积减小,随之阻值增大。
激光微调的实质是打孔,每次打孔都很浅,约至几十纳米至几十微米之间,然后通过连续不断的打孔,搭接成一条线。
激光微调电阻除用强光照射将部分电阻膜气化外,还可通过无损伤照射改变膜的结构达到调整阻值的目的。
激光调阻技术主要应用于精密电阻阻值调解,精度可达0.1‰~0.02‰。
(8)激光存储技术。
激光存储技术是信息以反射/非反射带(正常表面和凹坑)的序列编码,已达到信息存储的目的。
因数据存储密度与激光波长的平方成反比,所以,发展波长更短的激光是提高激光存储技术的关键。
(9)激光划线技术。
由于激光对划片材料几乎不产生机械冲力和压力,加上激光光斑小、划缝窄,所以特别适宜于对细小部件作各种精密加工。
但由于用于激光加工的整套设备技术含量高,售价亦很高。
(10)激光清洗技术。
激光清洗技术的使用有效地解决了集成电路的清洗。
(11)激光热处理。
激光热处理是指利用激光高能量密度的能量照射金属材料表面时,材料表层温度迅速升高,当激光停止作用后,材料基体温度迅速下降,从而使材料表层经历一个热处理过程。
激光热处理技术由于成本高、控制复杂,还处于实验室技术层面,还没有大范围、大面积的工业化应用。
(12)表面处理技术。
激光表面处理主要包括以下几方面的工艺:
激光表面相变硬化(LTH)、激光表面熔化(LSM)、激光表面合金化(LSA)、激光表面涂覆(LSC)以及激光表面冲击硬化(LSH)。
4.微机数控旋转电火花加工
4.1旋转电火花加工机理
图1-10所示为旋转电火花加工机床,旋转电火花加工是一种电火花加工和传统的机械加工相结合的复合加工方法。
其实现方法为:
采用旋转的高纯石墨轮(或紫铜)电极作为工具电极,被加工的工件如聚晶金刚石等作为工件电极,工具电极与工件电极间保持适当的放电间隙,如果工件电极与工具电极之间的间隙过大,则无法形成火花放电,加工过程将中断,如果间隙过小,则出现短路,加工也无法正常进行。
因此,在加工过程中保持适当的放电间隙尤为重要。
4.2旋转电火花加工机床
图1-10旋转电火花加工机床
4.3旋转电火花加工的特点
旋转电火花加工放电形成过程与一般电火花放电形成过程基本是一致的,但旋转电火花加工具有两个特点:
一是电极是旋转的,二是采用了冲液冷却。
因此,它具有一些特殊的机理:
工具电极与工件电极间存在一个相对运动,放电通道是移动的,其间隙电压随放电通道的移动而频繁的变化;
采用冲液方法进行冷却,可以使放电中产生的电蚀产物、气泡等许多杂质能很快的从间隙中排除,并把放电产生的热量迅速带走,保证了放电间隙中工作液介质的纯净及较低的温度。
4.4旋转电火花加工的应用
能加工平面、外圆、螺旋槽以及各种异型孔、槽等超硬导电材料的复杂型面,实现了传统机械加工和普通电火花加工所不能完成的加工要求。
旋转电火花加工平面的过程如图1-11所示。
直流电机驱动机床主轴工件安装-聚晶金刚石调整车刀和刀具
输入程序和放电参数开始加工
图1-11旋转电火花加工平面
5.超声波加工
5.1超声波加工的基本原理
超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡,换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动,通过振幅扩大棒(变幅杆)使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动,迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。
加工原理如图1-12所示。
图1-12超声波加工原理示意图
5.2超声波加工设备的组成
(1)超声波发生器
超声波发生器也称超声或超声频发生器,其作用是将50Hz的交流电转变为有一定功率输出的16000Hz以上的超声高频电振荡,以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。
其基本要求是输出功率和频率在一定范围内连续可调,最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能,此外要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等。
(2)超声振动系统
超声振动系统的作用是把高频电能转变为机械能,使工具端面作高频率小振幅的振动,并将振幅扩大到一定范围(0.01~0.15mm)以进行加工。
它是超声波加