《模具历史》现代特种加工在当今制造业的发展方向Word文档下载推荐.docx

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能量的发生与转换、使能过程的控制是特种加工高新技术的重要部分。

这是特点之二。

9、增材加工是特种加工的重要发展方向

金属切削机床、特种加工机床一大部分是减材加工。

我国从二十世纪八十年代末发展起来的快速成形（RP）加工技术是属于特种加工技术的一种增材加工的新领域。

它利用分层制造原理（离散堆积）及分层处理软件，理论上可以制造任意复杂形状的零、部件，能适应高科技、个性化、小批量生产的需要，增材加工的RP加工技术已成为特种加工的特点之三。

10、特种加工可以进行二种或二种以上能量的复合加工

一般来说，“组合加工”是指在一台机床上二种不同加工形式（能量）在加工过程中交替使用的加工方式；

“复合加工”是指在一台机床上实现二种或二种以上能量（形式）在加工过程中同时作用的加工方式，例如，电能和声能、化学能和电能、光能和化学能、化学能和电能及机械能等复合，以获得高效或精密加工的效果，这是特点之四。

11、特种加工技术应用领域的重要性和特殊性

特种加工适用于各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、微细等金属和非金属材料的加工，以及各种新型、特殊材料的加工，在航空航天、军工、汽车、模具、冶金、机械、电子、轻纺、交通等工业中解决了大量传统机械加工难于解决的关键、特殊的加工难题。

所以在国民经济的众多关键制造工业中发挥着极其重要的不可替代的作用。

例如，在航空航天工业中各类复杂深小孔加工、发动机蜂窝环、叶片、整体叶轮加工、特殊材料的切割加工、钛合金加工等等。

在军事工业中，例如核武器及高新技术武器几乎全是特殊材料和高新技术材料，各种零件的成形加工、各种孔加工、精密薄材加工等特种加工发挥着特殊重要的作用。

这是特点之五。

12、特种加工机床产量世界第一

由于特种加工机床应用领域的广泛性和重要性，在我国已形成由生产企业、大专院校、研究院所200多个单位组成的特种加工机床行业，其电火花加工机床的年产量就约达30000台之多，其产量为世界第一。

是名副其实的生产大国（但不是生产强国）这是特点之六。

三特种加工的分类

特种加工机床范围较广，有几十个门类。

包括：

电火花加工（EDM）、电化学加工（ECM）、电解磨削加工（ECG）、化学加工（CHM）、电弧加工（EAM）、激光加工（LBM）、超声加工（USM）、离子束加工（IBM）、电子束加工（EBM）、等离子弧加工（PAM）、快速成型加工（RPM）、磨料射流加工（AJM）等等。

特种加工机床原属金属切削加工机床范畴，但由于特种加工机床与金属切削加工机床机理完全不同，机床功能部件的性能不同，以及它在国民经济中重要地位和作用等原因，2003年国家标准化管理委员会明确为与金切机床并行的独立的机床体系。

与其他先进制造技术一样，特种加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的发展潜力和应用前景。

依据加工能量的来源及作用形式列举各种常用的特种加工方法。

加工方法 

主要能量形式 

作用形式

电火花加工 

电、热能 

融化、气化

电火花线切割加工 

熔化、气化

电化学加工 

电解加工 

电化学能 

离子转移

电铸加工 

涂镀加工 

高能束加工 

激光束加工 

光、热能 

电子束加工 

离子束加工 

电、机械能 

切蚀

等离子弧加工 

物料切蚀加工 

超声加工 

声、机械能 

磨料流加工 

机械能 

液体喷射加工 

化学加工化学铣切加工 

化学能 

腐蚀

照相制版加工 

化学、光能 

光刻加工 

光、化学能 

光化学、腐蚀

光电成形电镀 

刻蚀加工 

化学能 

粘接 

化学键

爆炸加工 

化学能、机械能 

爆炸

成形加工粉末冶金 

热能、机械能 

热压成形

超塑成形 

超塑性

快速成形 

热熔化成形

复合加工电化学电弧加工 

电化学能 

熔化、气化腐蚀

电解电火花机械磨削 

离子转移、熔化、切削

电化学腐蚀加工 

电化学能、热能 

超声放电加工 

声、热、电能 

熔化、切蚀

复合电解加工 

电化学、机械能 

复合切削加工 

机械、声、磁能 

切削

电火花加工是通过工件和工具电极间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能或被镀覆的特种加工。

其中成形加工适用于各种孔、槽模具，还可刻字、表面强化、涂覆等；

切割加工适用于各种冲模、粉末冶金模及工件，各种样板、磁钢及硅钢片的冲片，钼、钨、半导体或贵重金属。

电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。

其中电解加工适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。

电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心零件，如波导管；

注塑用的模具、薄壁零件；

复制精密的表面轮廓；

表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。

涂覆加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂覆以恢复尺寸；

对尺寸超差产品进行涂覆补救。

对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐腐层，以改善表面性能。

高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。

其中激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强化、微调和存储等。

电子束加工有热型和非热型两种，热型加工是利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工；

非热型加工是利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工等。

离子束加工主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。

等离子弧加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理，还可制造高纯度氧化铝、氧化硅和工件表面强化，还可进行等离子弧堆焊及喷涂。

超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛光、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及超声振动使工件相互结合的加工方法。

其适用于成形加工、切割加工、焊接加工和超声清洗。

液体喷射加工是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵及增压器产生高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的目的。

可加工薄、软的金属及非金属材料，去除腔体零件内部毛刺、使金属表面产生塑性变形。

磨料喷射加工适用于去毛刺加工、表面清理、切割加工、雕刻、落料及打孔等。

化学加工使利用化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件形状、尺寸的加工方法。

用于去除材料表层，以减重；

有选择地加工较浅或较深的空腔及凹槽；

对板材、片材、成形零件及挤压成形零件进行锥孔加工。

复合加工是指同时在加工部位上组合两种或两种以上的不同类型能量去除工件材料的特种加工。

四特种加工存在的问题

虽然特种加工已解决了传统切削加工难以加工的许多问题，在提高产品质量、生产效率和经济效益上显示出很大的优越性，但目前它还存在不少优待解决的问题。

（1）.不少特种加工的机理（如超声、激光等加工）还不十分清楚，其工艺参数选择、加工过程的进一步提高。

（2.）有些特种加工（如电化学加工）加工过程中的废渣、废气若排房不当，会产生环境污染，影响工人健康。

（3）.有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）的加工精度及生产率有待提高。

（4.）有些特种加工（如激光加工）所需设备投资大、使用维修费高，亦有待进一步解决。

第二章电火花加工

特种加工机床是利用电能、电化学能、光能及声能等进行加工的方法。

一、电火花加工

电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法。

电火花加工设备应由以下部分组成：

脉冲电源、间隙自动调节器、机床本体、工作液及其循环过滤系统。

间隙自动调节器自动调节极间距离，使工具电极的进给速度与电蚀速度相适应。

火花放电必须在绝缘液体介质中进行。

以下为电火花加工原理图：

（原理图）

1、电火花成形加工机床：

主要由脉冲电源箱、工作液箱和机床本体组成。

其中机床主体由主轴头、工作台、床身和立柱组成。

主轴头是电火花成型加工机床的关键部件，它与间隙自动调节装置组成一体。

主轴头的性能直接影响电火花成型加工的加工精度和表面质量。

2、电火花切割加工机床：

它是利用一根运动的金属丝作为工具电极，在工具电极和工件电极之间通以脉冲电流，使之产生电腐蚀，工件被切割成所需要的形状。

3、电火花加工特点：

可以加工任何导电材料，在一定条件下还可以加工半导体材料和非导电材料；

加工时无切削力；

加工中几乎不受热的影响，可以提高加工后的工件质量；

便于实现自动化。

电火花是一种自激放电，其特点如下：

电火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。

伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。

火花通道必须在维持暂短的时间（通常为10-7-10-3s）后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性（即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深），使通道能量作用于极小范围。

通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。

利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。

电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。

二、电火花成型加工的工作原理

电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处，如图所示。

由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10000-12000℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。

局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。

一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。

如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。

电火花成形加工原理图

1-工件 

2-脉冲电源 

3-自动进给装置 

4-工具电极 

5-工作液 

6-过滤器 

7-泵

电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。

虽然一次脉冲放电的时间很短，但它是电磁学、热力学和流体力学等综合作用的过程，是相当复杂的。

综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下几个阶段：

（1）极间介质的电离、击穿及放电通道的形成

当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。

电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。

由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。

当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。

由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。

间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20~30V），电流则由0上升到某一峰值电流。

（2）介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀

极间介质一旦被电离、击穿，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，达到很高的温度。

通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。

这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。

观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。

电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。

（3）电极材料的抛出

通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。

通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。

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。

熔化和汽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并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。

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，金属材料的蚀除、抛出过程比较复杂的，目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。

（4）极间介质的消电离

随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即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介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。

由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。

此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。

第三章、超声波加工

1、定义

超声加工（USM，UltrasonicMachining）是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

早期的超声加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的。

但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。

后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。

近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以1000—5000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。

目前，已用于航空、原子能工业，效果良好。

2、基本原理和特点 

（l）超声波的特性 

声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16—16000Hz。

当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，

高于16000Hz则称为超声波。

具有如下特性：

1）超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度

等有关，可用公式表示 

C=λf（5－1）

式中C--超声波传播速度（m／S）；

λ--波长（m）；

f--频率（HZ）。

2）超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位移为

x＝A*cos（ω*t+ψ）（5－2）

式中x--质点运动的位移（m）；

A--振幅（m）；

ω--圆频率（rad／S）；

t--时间（s）；

ψ--振动的相位角（rad）。

3）超声波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于

波的传播方向单位面积的能量来表示，

超声加工中的能量强度高达几百瓦／平方厘米，且90％作用于

工件表面。

4）超声波会产生反射、干涉和共振现象。

出现波的

叠加作用，使弹性杆中某处质点始终不动，而某处质点的振幅

则大大增加，从而获得更大的超声加工能量（参见图5-1）。

这是因为，超声波在同一弹性杆的一端向另一端传播时，在

不同介质的介面上会产生一次或多次波的反射，结果在有限长

弹性杆，将存在若干个周期相同、振幅相等、传播方向相同或

相反的波。

于是在弹性杆传播的波，会出现波叠加，致使某处

振动始终加强，或某处振动始终减弱，产生波的干涉现象。

5）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，

强化了加工过程的进行。

因超声波通过悬浮磨粒的液体介质时，会使液体介质连续地产生压缩和稀疏区域，由于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩展而增大，内部压力下降，与此同时，受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用，又使气体空腔压缩而提高压力，于是，转人压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击波。

由于进行的时间极短，因此，会产生更大的冲击力作用于工件表面，从而加速磨粒的切蚀过程。

（2）超声加工的基本原理

超声加工时，高频电源联接超声换能器（参见图5－2），由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．01mm，再经变幅杆放大至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。

此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。

同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。

随着磨料悬浮液不断地循环。

磨粒的不断更新。

加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。

总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。

其中，以磨粒不断冲击为主。

由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工

（3）超声加工的特点

1）适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。

也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。

2）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra0．63—0．08um，尺寸精度可达正负0．03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

3）工具可用较软的材料、做成较复