特种加工电子教案.docx

1、特种加工电子教案特 种 加 工 教 案机制教研室 杨丽第一章 绪论1 特种加工的产生及发展一、 加工方法的重要性1、瓦特蒸汽机气缸2、“东芝事件”苏联购买了大型三坐标数控铣床加工高精度潜艇用螺旋桨3、计算机的发展超大规模集成电路新的加工方法对人类的生产和物质文明起了极大地作用 二、 机械加工的本质与特点（在第一次产业革命第二次世界大战之间）1、 靠刀具材料比工件硬（切削过硬材料刀具很快会崩刀）2、 靠机械能切除工件上多余材料三、 对机械制造部分的要求（二战后）1、 解决各种难切削材料的加工问题，如（硬质合金、钛合金、耐热钢、金刚石、宝石）2、 解决各种特殊复杂表面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、

2、巡航导弹住呢个体涡轮、喷丝头等3、 解决具有特殊要求零件的加工问题，如薄壁、细长轴等低刚度零件四、 特种加工的出现1、 电火花加工拉扎林柯2、 利用光电化学、化学、声、热等加工方法五、 特种加工的本质和特点1、 主要用其它能量去除金属材料2、 工具硬度可以低于被加工材料的硬度3、 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力经过50年特别是近二十年的发展，特点加工在技术、工艺、精度和机床等方面都有了很大发展。90年代我国电火花加工机床年产量19902000多台 19954000多台 19986000多台2000年以后达到10000多台2 特种加工的分类一、 常用特种加工方法分类：电火花加工、

3、电化学加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、等离子弧加工、超声加工、化学加工、快速成形二、 几种常用特种加工方法的综合比较主要从可加工材料、工具损耗率、材料去除率、可达到的加工精度与粗糙度来进行比较。3 特种加工对材料的可加工性和结构工艺性等的影响一、 提高了材料的加工性材料的加工性不再与硬度、强度等成直接、正比关系。二、 改变了零件的典型工艺路线成型加工淬火 淬火成形加工三、 对产品零件的结构设计带来很大影响镶拼结构整体结构四、 对传统的结构工艺性的好坏需要重新衡量例如：直径0.3mm，深300mm的小孔五、试制新品 激光快速原型制造结束语：就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性

4、、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、维系表面和低刚度零件，同时，有些方法还可以进行超精加工、镜面加工。 作业：1、 从特种加工的发生和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是“物极必反”，有哪些事例是“坏事有时变为好事”?答：这种事例还是很多的。以“物极必反”来说，人们发明了螺旋桨式飞机，并不断加工螺旋桨的转速和功率来提高飞机的飞行速度和飞行高度。但后来人们发现证实螺旋桨原理本身限制了飞机很难达到音速和超音速，随着飞行高度愈高，空气愈稀薄，螺旋桨的效率愈来愈低，更不可能在宇宙中飞行。于是人们采用爆竹升空的简单原理研制出喷气式发动机取代了螺旋桨式飞行器，实现了洲际核太空飞行。由轮船发展成气垫

5、船，也有类似规律 以“坏事变好事”来说，火花放电会把接触器、继电器等电器开关的触点烧毛、损蚀，而利用脉冲电源瞬时、局部的火花放电高温可用作难加工材料的尺寸加工。同样，铝饭盒盛放咸菜日久会腐蚀穿孔，钢铁器皿、小刀等在潮湿的环境下会腐蚀。钢铁在风吹雨淋时遭受锈蚀，海洋船舰的钢铁船体为了防止海水的腐蚀，得消耗巨资进行防锈、防蚀。人们研究清楚钢铁电化学锈蚀的原理后，创造了选择性阳极溶解的电解加工方法。这些都是“坏事变好事”的实例。2、 试举出几种因采用特种加工工艺后，对材料的可加工性和结构工艺性产生重大影响的实例。答：这类实例是很多的，例如：（1）硬纸盒经历来被认为是可加工性交差的材料，因为普通刀具和

6、砂轮无法对它进行切削磨削加工，只有碳化硅和金刚石砂轮才能对硬质合金进行磨削。可是用电火花成形加工或电火花线切割加工却可轻易地加工出各式内外圆、平面、小孔、深孔、窄槽等复杂表面其生产效率往往高于普通磨削加工的生产率。更有甚者，金刚石和聚晶金刚石是世界上最硬的材料，过去吧作为刀具和拉丝模具等材料只有靠用金刚石砂轮或磨料“自己磨自己”磨削时金刚石工具损耗很大，正是硬碰硬两败俱伤，确实是可加工性极差。但特种加工中电火花可成形加工聚晶金刚石刀具、工具，而激光加工则不但“削铁如泥”而且可“削金刚石如泥”。在激光加工面前，金刚石的可加工性和钢铁差不多了，对过去传统概念上的可加工性的确需要重新评价。（2）对结

7、构工艺性，过去认为方孔、小孔、小深孔、深槽、窄槽以及细长杆、薄壁等低刚度的零件的结构工艺性很差，在结构设计时应尽量避免。对E字形的硅钢片硬质合金冲模，由于90内角很难磨削，因此常采用多块硬质合金拼镶结构的冲模。但采用电火花成形加工或线切割数控加工，则很容易加工成整体硬质合金的E形硅钢片，特种加工可使某些结构工艺性由“差”变“好”。3、常规加工工艺和特种加工工艺之间有何关系？应该如何正确处理常规加工和特种加工之间的关系。答：一般而言，常规工艺是在切削、磨削、研磨等技术进步中形成和发展起来的行之有效的实用工艺，而且今后也始终是主流工艺。但是随着难加工的新材料、复杂表面和有特殊要求的零件愈来愈多，常

8、规、传统工艺必然会有所不适应。所以可以认为特种加工工艺是常规工艺的补充和发展。特种加工过工艺可以在特定的条件下取代一部分常规加工工艺，但不可能取代和排斥主流的常规加工工艺。第二章 电火花加工1基本原理及分类一、 电火花加工的原理电火花机床 电火花加工是在一定的液体介质中，利用脉冲放电对导电材料的电蚀现象来蚀除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面粗糙度达到预定技术要求的一种加工方法。1、 电火花加工原理2、 2、加工的必备条件1） 必须采用脉冲电源2） 工具电极和工件被加工表面之间必须保持一定的间隙3） 放电必须在一定绝缘性能的液体介质中进行。二、 电火花加工的特点1、 非接触加工，无宏观切削力2

9、、 适合于难切削导电材料的加工3、 有电极损耗4、 加工速度较慢5、 可加工特殊及复杂形状的表面。三、 电火花加工的适用范围1、 加工任何难加工的金属材料和导电材料2、 加工形状复杂的表面3、 加工薄壁、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件四、 电火花加工的分类（见表2-1）2 电火花加工的机理一、 极间介质的电离、击穿、形成放电通道电压电场强度（间隙、电压、杂质）场致电子碰撞电离通道二、 介质热分解、电极财力哦啊熔化、气化热膨胀三、 电极材料的抛出（利用压力）四、 极间介质的电离消除（避免同一处放电、排除电蚀产物）3 电火花加工中的一些基本规律一、 影响材料放电腐蚀的主要因素1、 极性效应利用

10、单向脉冲电源的原因1） 工件接脉冲电源的正极“正极性”加工工件接脉冲电源的负极“负极性”加工2） 短脉冲正极性精加工长脉冲负极性粗加工3） 正极吸附碳是对极性效应的影响2、 点菜书对电蚀量的影响1） 正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量WM、脉冲频率f成正比2） WM与平均放电电流、电流脉宽有关3、 金属财力哦啊热学常数对电蚀量的影响1） 热学常数：熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、气化热2)当单个脉冲能量相同时，因为金属材料的影响，会有一个最好的脉冲宽度Ti越长，则ie越小，散失的热量也越多Ti越短，则ie越大，抛出的金属中气化比例增大，耗用不少气化热4、 工作液对电蚀量的影响形成火花放电通道

11、、对通道产生压缩作用、帮助排除和抛出电蚀产物、冷却作用、加工过程的稳定性。粗加工考虑排屑，精加工考虑流动性二、 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度1、 加工速度1） 加工速度的表示Vw(体积加工速度)=V/t2） 提高加工速度的措施A） 提高脉冲频率、缩短脉冲停歇时间B） 增加单个脉冲能量C） 提高工艺参数、改变电极材料、电参数、工作液等2、 工具损耗1） 正确选择极性和脉宽（见图2-8）2） 利用吸附效应碳胶粒一般带负电荷，吸附在正极表面3） 利用传热效应降低表面温度4） 选择合适的电极材料：铜、石墨 （钨、钼的熔点和沸点较高，但机加工性能不好）如 1、熔点、沸点高，导热性好2、成形比较容

12、易3、价格便宜三、影响加工精度（除了普通机械方面的误差）的主要因素1、放电间隙的大小与其一致性（间隙越大，影响越严重）2、工具的损耗对型腔加工有较大影响3、“二次放电“使得出现斜度和棱边变钝（尖角、凹角）四、电火花加工的表面质量较好的润滑性能和耐磨性能1、表面粗糙度 电火花穿孔加工Ra1.250.32，加平动控制Ra0.630.04，电火花磨削0.040.02影响因素：脉冲能量、加工速度、工作材料的特性、工具电极的Ra2表面变质层1） 熔化凝固层树枝状的淬火铸造组织，随脉冲能量的增大而变厚，与基体结合不牢，对于淬火钢，包括再淬火区、高温回火区、低温回火区,对未淬火钢，就是淬火区。2） 热影响层

13、：材料无熔化，但金相组织发生了变化3） 显微裂纹 能量越大，显微裂纹愈宽愈深。3、 表面力学性能1） 显微硬度及耐磨性硬度较高，有较好的耐磨性，但和基体结合不牢固2） 残余应力 残余拉应力和加工规准有关，加工时脉冲能量越大，则拉应力越大3） 耐疲劳性能差，可以使用回火处理、喷丸处理。4 电火花加工用的脉冲电源一、 对脉冲电源的要求（有较高的加工速度、工具电极损耗低、抗干扰能力强、工艺范围广）1、 所产生的脉冲应该是单向的应用极化效应2、 脉冲电压波形的前后沿应该较陡工艺过程稳定3、 脉冲主要参数可调范围广工艺范围广4、 工作可靠、成本低、寿命长，操作维修方便二、 RC线路脉冲电源1、 包括充电

14、回路与放电回路 充电回路中有充电电阻，可以调节充电速度，限流。2、 优点1） 结构简单，工作可靠、成本低2） 可作光整加工脉宽窄，单个脉冲能量小3、 缺点1） 电能利用效率低，电阻消耗掉2） 生产效率低，充电时间比放电时间长3） 工艺参数不稳定三、 晶体管式脉冲电源1、 具有“开关“功率晶体管2、 为了在放电间隙短路时不致损坏晶体管，每只晶体管均串联有限流电阻R3、 为了适应不同规准，整个功率级由几十只大功率高频晶体管并联，可调粗、中、精加工规准。四、 各种派生脉冲电源1、 高低压复合脉冲电源高压回路引燃 低压回路加工因为延时，高压回路一般提前于低压回路2、 多回路脉冲电源在不降低表面粗糙度的

15、情况下，提高生产率。等于有多个工具，同时进给，但总的生产率并不与回路数目完全成正比增加。3、 等脉冲电源 每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等，保证粗糙度，保证ie与放电时间te。在一定的加工速度下，提高表面粗糙度。火花击穿后，发出信号，计时，时间到te时，再发出信号，切断功放管，然后循环4、 高频分组脉冲和梳形脉冲电源粗糙度值小，加工速度高注：在梳形波脉冲电源上，始终加有一较低的正电压，是因为吸附效应，可以吸附碳黑膜。5 电火花加工的自动进给调节系统一、 自动进给调节系统的作用、技术要求、分类1、 最佳放电间隙Sb对应最大蚀除速度Sb过大介质不易击穿；Sb过小电蚀产物难于及时排除，蚀

16、除速度明显下降，短路率增加Sb=0短路2、 自动进给调节曲线左下右上，希望调节特性曲线与进给特性曲线相交于B点，可以保证较大的蚀除率。B点对应得则是最佳放电间隙，交点之右，间隙逐渐变小，交点之左，间隙将逐渐变大。3、 对自动进给调节系统的要求任务在于维持一定的“平均”放电间隙S1） 有较广的速度调节跟踪范围适应加工的需要2） 有足够的灵敏度和快速性灵敏度：输出对输入的响应程度要求快速调节，因为放电间隙时间很短，环境因素变化很大。3） 有必要的稳定性速度慢，所以要避免低速爬行，超调量要小，传动刚度应高，传动链中不得有明显间隙。二、 自动进给调节系统的基本组成部分1、 测量环节采用间接测量电参数来

17、获得间隙，间隙的大小与电压成一定关系平均间隙电压测量法平均电压脉冲电压的峰值信号测量峰值还可检测间隙间的放电状态空载、火花、不稳定电弧、稳定电弧、短路2、 比较环节把测量环节得来的信号和“给定值“的信号进行比较3、 放大驱动器放大环节、利用放大器获得足够的驱动功率，驱动执行元件4、 执行环节采用伺服电机进行驱动，对执行环节的要求：能快速反映，机械传动间隙和摩擦力应当尽量小，具有较宽的调速范围。5、 调节对象放电间隙，0.10.01mm三、 电液自动进给调节系统6 电火花加工机床一、 机床总体部分（电火花穿孔成形加工机床）主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽床身和立柱足够的刚度导轨具有良好的耐磨

18、性主轴头自动调节系统中的执行机构数控电火花机床的坐标位移脉冲当量为1m二、 主轴头要求（精度和刚度）1、 结构简单2、 传动链短3、 传动间隙小4、 热变形小5、 具有足够的精度和刚度三、 工具电极夹具（十字铰链式和球面铰链式）调节工具电极和工作台的垂直度、工具电极在水平面内微量的扭转角四、 工作液循环（强迫循环冲油式、抽油式）、过滤系统（自然沉淀法、介质过滤法过滤纸、离心过滤法、高压静电过滤）7 电火花穿孔成形加工一、 冲模的电火花加工模具加工的困难在于：材料硬度高、耐磨、耐热 形状复杂 精度高 价格高1、 工艺方法直接配合法直接用钢凸模座位电极直接加工凹模、修配冲头法、修配电极法凹模的质量

19、指标主要是尺寸精度、冲头和凹模的配合间隙、刃口高度、刃口斜角、落料角2、 工具电极1） 材料：钢T8A、T10A、Cr15（碳素工具钢前加“T”，后加“A”表示为优质的，数字为钢中平均碳质量分数的千分之几）2） 精度 不低于IT7 Ra1.253） 长度 补偿损耗4） 重心 在主轴中心线上5） 截面轮廓尺寸 比凹模小一个配合尺寸和放电间隙6） 制造：加工家、成形磨削3、 工件准备：预留孔4、 电规准的选择粗规准生产率高，工具电极损耗小，使用大的电流、长的脉冲宽度精规准精度搞，粗糙度低，使用小的电流，短的脉冲宽度，高的频率。二、 型腔模的电火花加工1、 工艺方法不通孔加工，加工条件差，加工面积变

20、化大，电极损耗不均匀1） 单电极平动法（数控摇动）-完成粗、中、精加工优点：一次装夹，只需一个电极缺点：精度低，加工不出清棱清角的型腔。平动：主轴头动摇动工作台按一定轨迹微量移动2） 多电极更换法（一般使用2个电极）每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉，要求电机的制造精度高，定位装夹精度高）3） 分解电极法（加工主型腔和副型腔）单电极平动加工法与多电极更换加工法的综合应用（主型腔和副型腔电极之间要求有精确定位）适用于尖角、窄缝、深孔、深槽等复杂型腔模具加工；简化电极，根据主、副型腔不同的加工条件，选择不同的加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量。2、 工具电极1） 材料纯铜（加工

21、稳定）与石墨（机加工成形容易），电极损耗小，价格便宜2） 轮廓尺寸平面尺寸与放电间隙和平动头偏心量有关，电机高度=加工工件的有效高度+保证夹具与工件不发生干涉的高度3） 排气孔和冲油孔排气孔蚀除面积大以及电极端部有凹入的部位冲油孔不易排屑的地方3、 工作液强迫循环的应用（冲油孔与定时抬刀）4、 加工规准的转换与加工型腔的精度、形状复杂程度和尺寸大小等具体条件确定，粗加工时的平动量为总平动量的75%80%。5、 电火花加工工艺参数曲线图表粗加工主要考虑电机损耗率，精加工考虑精度工艺指标：表面粗糙度、精度、生产率、电极损耗率、放电间隙、脉冲宽度、侧面粗糙度。注:转换规准后的进给深度，应等于或稍大于

22、上档规准形成的表面粗糙度值Ra的一半。8 其它电火花加工一、 电火花小孔磨削、镗磨（磨削较小较深的孔，机加工性能差，原因是因为砂轮小、刚度差、成本高）磨削工具、工件旋转运动，轴向进给镗磨工件旋转、电极轴向进给二、 电火花共轭同步回转加工螺纹加工内螺纹：工具、工件旋转，同步同向，速度相等或成一定倍率，存在点对应的关系加工外螺纹：工件作径向进给三、小孔电火花加工1、加工面积小，深度大，直径0.052mm，深径比达20以上2、不通孔加工，排屑困难四、电火花高速小孔加工1、工具中空、旋转（中间空截面可以是两个半月形小孔，电极可以通过冷拔获得）2、适宜：直径0.33mm左右 深径比：100300 速度快

23、，2060 mm/min五、 异形小孔的电火花加工关键是异形电极的制造与装夹。（见笔稿图），可以利用电火花反拷法加工电极。六、 金属电火花表面强化和刻字1、 电火花强化工艺表面合金化接触火花放电短路振荡离开（因工件的热容比电极大，使工具电极的材料被粘结）2、 电火花刻字工艺及装置火花放电（字头图形；缩放尺或靠模仿形，如果不需要字形美观整齐，还可以成为电笔）作业：1、两金属 在（1）在真空中火花放电；（2）在空气中；（3）在纯水中，在宏观和微观过程以及电蚀产物方面有何相同和相异之处？答：（1）两金属在真空中火花放电时，当电压（电位差）超过一定时即产生“击穿”，电子由“-”极逸出飞向“+”极，由于

24、真空中没有物质阻挡电子的运动，所以没有正离子形成，没有发热的放电“通道”的概念，示波器、显像管中电子流的运动与此类似，基本上没有“电蚀产物”生成。（1） 两金属在空气中放电的例子是电火花表面强化、涂覆。电焊、等离子切割、等离子焊等，也是在空气中放电，利用电子流在空气中撞击气体原子形成放电通道，在通道中和工件表面产生大量的热能用于强化、涂覆、切割和焊接。（2） 在纯水、蒸馏水或去离子水中，两金属间电火花放电与在煤油中类似，只是水分子、原子受电子、正离子撞击发热气化，最后分解为氧原子核氢原子，而不像煤油中会分解出碳原子和氢气等。2有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花加工的脉冲直流电

25、源？在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用的脉冲直流电源？答：在不需要“极性效应”、不考虑电极损耗等情况下，可以直接用220V的50Hz交流电作为脉冲电源进行轧辊电火花对磨和齿轮电火花跑合等。不过回路中应串联限流电阻，限制放电电流不要过大，如需精规准对磨或跑合，则可在交流工频电源上并联RC电路，再接到两个工件上。在用高速转动的金属轮或圆片作电火花磨削、电火花切断、下料时，如果可以不计电极损耗率，则就可以用全波整流或整流后并联电解电容滤波的直流电源进行电火花磨削，由于工具电极高速转动，所以一般不会产生稳定电弧烧伤工件。最好是经调压变压器降压到5100V再整流供磨削之用，一则可以调节电压或电流，

26、二则和220V交流电源隔离，以保证人身避免触电的危险。3、电火花加工时的自动进给系统和车、钻、磨削时的自动进给系统，在原理上、本质上有何不同？为什么会引起这种不同？答：电火花加工时工具电极和工件间并不接触，火花放电时需通过自动调节系统保持一定的放电间隙，而车、钻、磨削时是接触加工，靠切削力把多余的金属除去，因此进给系统是刚性的，等速的，一般不需要自动调节。4、电火花共轭同步回转加工和电火花磨削在原理上有何不同？工具电极和工件上的瞬时放电点之间有无相对移动？加工内螺纹时为什么不会“乱扣”？用铜螺杆做工具电极，在内控中用平动法加工内螺纹，在原理上和共轭同步回转法有何异同？答：不同之处在于电火花共轭

27、同步回转加工时:(1) 工具电极和工件的转动方向相同(2) 转速严格相等（或成倍角、比例关系）(3) 工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动。而电火花磨削时工具和工件可以内螺纹时，其所以同向或反向转动；工具和工件的转速并不相同，磨削点之间有很大的相对移动。加工内螺纹时，其所以不会“乱扣”，是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等，工具和工件圆周表面上有着“各点对应”的关系，所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会“乱扣”。在内控中用平动法加工内螺纹，本质上和共轭同步回转法相同，不同之处在于平动法加工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作“公转”行星式运动，其内外圆上“各点对应

28、”的规律仍然存在。 5、电火花加工时，什么叫做间隙蚀除特性曲线？粗、中、精加工时，间隙蚀除特性曲线有何不同？脉冲电源的空载电压不一样时，间隙曲线有何不同？试定性、半定量地作图分析之。答：间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小 （间隙平均电压的大小）之间的关系，此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线。粗、中、精加工时，由于脉宽、峰值电流等电规准不同，同样大小间隙的蚀除速度也就不一样，总的来说，粗加工时蚀除速度较大，上凸的间隙蚀除特性曲线就高于中、精加工的曲线。当脉冲电源的空载电压不一样时，例如电压较高为300V时，其击穿间隙、平均放电间隙都大于100V或80V的放电间隙，因

29、此横坐标上的A点（电火花击穿间隙）将大于100V或80V时的间隙。间隙特征曲线原点不同，整个曲线稍向右移。同理80V空载电压的间隙特征曲线的A点将偏向左边。b6、在电火花加工机床上用直径10mm的纯铜杆加工10mm的铁杆，加工时两杆的中心线偏距5mm，选用t1=200s，i=5.4A，各用正极性和负极性加工10min，试画出加工后两杆的形状、尺寸，电极侧面间隙大小和表面粗糙度。第三章 电火花线切割加工1原理、特点及应用范围一、 原理：脉冲放电（往复高速走丝国内；单向低速走丝国外）二、 特点1、 加工工艺参数的范围较小，工件常接正极2、 采用水基工作液（流动性好、无可燃性）3、 一般没有稳定电弧

30、放电状态（电极丝与工件始终有相对运动）4、 存在“疏松接触”式轻压放电（有绝缘薄膜介质）电极丝和工件之间保持一定的轻微接触压力（只有当工件将电极丝顶弯，偏移一定距离时，才发生正常的火花放电5、 电极形状简单，对加工零件的精度影响小，节省材料。6、 可加工微细异形孔，窄缝和复杂形状的工件7、 单位长度电极损耗小三、 线切割加工的应用范围1、 加工模具适用于各种形状的冲模2、 切割电火花成形加工用的电极（特别是带锥度的电极）3、 加工零件，在坯料上直接切割2 电火花线切割机床 一、 机床本体1、 床身部件2、 坐标工作台部分滚动导轨、丝杠螺母副，把旋转运动变为直线运动3、 走丝机构使电极丝以一定的速度运动并保持一定的张力1） 张力电动机提供一定的张力2） 断丝报警功能3） 导向装置，其跨度尽可能小，减轻电极丝的振动4、 锥度切割装置1） 导轮偏移式丝架（导轮有磨损）、导轮摆动式丝架（导轮无磨损）2） 控制上导向器与工作台四轴控制二、 脉冲电源1、 脉冲电源的特