特种加工技术

本课程授课说明：特种加工技术涉及的面很宽，依据教学大纲，从授课课时和实际应用的角度出发，主要分八个部分讲授。

分别是： 1、特种加工概论；2、电火花加工；3、电火花线切割加工；4、电化学加工；5、激光加工；6、电子束和离子束加工7、超声加工；8、其它特种加工。

每一部分内容都讲授其加工原理、加工机理、加工过程及设备组成等内容，并配以录象或动画演示等。

第一章概论生产和科技水平发展到现在的水平，对于难加工的材料、难加工的复杂形状该怎么办呢? 特种加工是指除常规切削加工以外的新的加工方法，这种加工方法利用电、磁、声、光、化学等能量或其各种组合作用在工件的被加工部位上，实现对材料的去除、变形、改变性能和镀覆，从而达到对难加工的材料、难加工的复杂形状加工目的。

第一节特种加工概述一、特种加工的产生现代工业对机械制造部门提出了新的要求：1）解决各种难切削材料的加工问题如硬质合金、耐热钢、不锈钢等金属及非金属材料的加工。

2）解决各种特殊复杂表面的加工问题如螺旋推进器叶片，它的结构、重量直接影响飞行器的飞行质量，形状复杂，难以常规方法加工。

3）解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题。

发展历史：1943年，前苏联拉扎林柯夫妇，在做开关触点研究时，遭受了火花放电腐蚀损坏，发现电火花瞬时高温可熔掉金属，开创和发明了电火花加工方法，这种加工方法是“以柔克刚”典型实例。

随着生产的发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率和小型化等方向发展，它们所用的材料愈来愈难加工，零件形状要求愈来愈复杂，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈来愈多。

此时，仅靠传统的切削加工方法就很难实现，特种加工就是在这种情况下产生和发展起来的。

我国的特种加工技术起步较早，如上世纪50年代的电火花穿孔机床和电火花表面强化机，中科院电工所、航空工业部625所、哈工大、大连工学院，复旦大学等单位，如雨后春笋一般，为电火花、线切割加工技术在我国迅速发展做出了重要贡献。

二、特种加工的特点：1）传统的机械加工：传统的机械加工方法是用机械能量和切削力来去除多余的金属，以达到加工要求。

传统的机械加工方法的特点是：A.刀具材料比工件更硬；B.靠机械能把工件上多余的材料切除。

2）特种加工及其特点：特种加工在我国，是指那些不使用刀具或磨料，或者虽然使用刀具或磨料，但又同时需用热能、化学能、电化学能等去除或增加材料的新的加工方法。

特种加工特点： A.不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（如光、电、热、声、化学等）去除金属材料或增加材料 B.工具硬度可以低于被加工材料的硬度 C.加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。

三、本课程的主要内容及学习的目的内容：主要介绍各种特种加工方法的基本原理、基本设备、工艺规律和适用范围。

基本原理—加工原理示意图；基本设备—设备及主要组成部分；工艺规律—影响加工的一些因素，如何影响；（主要特点）（从精度、表面质量、生产率三方面考虑）工艺应用—特点及应用。

目的：使机械工程技术人员、科研人员开阔工艺领域的眼界，开拓加工方法的思路，为选用新工艺以解决加工难题和改善工艺措施奠定基础。

第二节特种加工的分类特种加工的分类目前还没有明确的规定，一般按能量来源和作用原理可分为：电、热—电火花加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、等离子体加工（PAL）；电、机械—离子束加工（IBM）；电、化学—电解加工（ECM），电铸加工（ECM），涂镀加工（EPM）；电化学、机械—电解磨削（ECG），电解珩磨（ECH）；声、机械—超声加工（USM）；光、热—激光加工（LBM）；化学—化学加工（CHM）；液流、机械—挤压珩磨（AFH），水射流切割（WJC）。

近几年来正在出现把上述两种以至多种特种加工方法的工作原理结合在一起，以起到取长补短作用的特种加工方法，称之为“复合加工”。

例：在电火花成型加工中以电解液为工作液而使加工过程中同时产生电火花腐蚀作用和电解作用的“电解电火花加工”、还有“电解电火花磨削”、“超声波电解加工”……在特种加工范围内还有一些属于改善表面粗糙度或表面性能的工艺。

改善表面粗糙度—电解抛光、化学抛光、离子束抛光等。

改善表面性能—电火花表面强化、镀覆、刻字、电子束曝光等。

第三节特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响由于上述各种特种加工工艺的特点以及逐渐广泛地应用，引起了机械制造工艺技术领域内的许多变革。

(1)提高了材料的可加工性以往认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的。

现在已经广泛采用金刚石、聚晶(人造)金刚石制造的刀具、工具、拉丝模具，可以用电火花、电解、激光等多种方法来加工它们。

材料的可加工性不再与硬度、强度、韧性、脆性等成直接、正比关系，对电火花、线切割加工而言，淬火钢比未淬火钢更易加工。

红宝石轴承打孔φ0.12-0.18mm 不锈钢板打孔φ0.06最小至φ0.01mm。

(2)改变了零件的典型工艺路线改变了淬火前加工，淬火后磨削这一规则。

电火花、线切割、电解加工等必须先淬火后加工。

(3) 大大缩短新产品试制周期采用光电、数控电火花线切割，可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮(包括非圆齿轮非渐开线齿轮)、微电机定子、转子硅钢片，各种变压器铁心、各种特殊、复杂的二次曲面体零件可以省去设计和制造相应的刀具、夹具、量具、模具及二次工具，大大缩短了试制周期。

(4)对产品零件的结构设计带来很大的影响例如：花键孔、轴、枪炮膛线的齿根部分，从设计观点，为了减少应力集中，最好做成小圆角，但拉削加工时刀齿做成圆角对排屑不利，容易磨损，刀齿只能设计与制造成清棱清角的齿根。

而用电解加工时，由于存在尖角变圆现象，非采用小圆角的齿根不可。

又如各种复杂冲模，如山形硅纲片冲模，过去由于不易制造，往往采用拼镶结构，采用电火花、线切割加工后，即使是硬质合金的模具或刀具，也可做成整体结构。

喷气发动机涡轮也由于是电加工而可采用整体结构。

孔的深径之比可达50：1。

(5)重新评价传统的结构工艺性过去对方孔、小孔、弯孔、窄缝等被认为是工艺性很“坏”的典型，对工艺、设计人员是非常“忌讳”的，有的甚至是“禁区”。

特种加工的采用改变了这种现象。

对于电火花穿孔、电火花线切割工艺来说，加工方孔和加工圆孔的难易程度是一样的。

喷油嘴小孔、喷丝头小异形孔、涡轮叶片大量的小冷却深孔、窄缝、静压轴承、静压导轨的内油囊型腔，采用电加工后由难变易了。

过去淬火前忘了钻定位销孔、铣槽等工艺，淬火后这种工件只能报废，现在则大可不必，可用电火花打孔、切槽进行补救。

相反有时为了避免淬火开裂、变形等影响，故意把钻孔，开槽等工艺安排在淬火之后。

这在不了解特种加工的审查人员看来，将认为是工艺、设计人员的“过错”，其实是他们不了解特种工艺的特点。

特种加工的出现，工艺安排更加灵活了。

★试分析以下零件的加工工艺性电火花加工，加工各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的导电材料，并且常用于模具的制造过程中。

电火花腐蚀的主要原因是：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。

电火花加工的基本设备是电火花穿孔成型加工机床，它由床身、立柱、工作台、工作液槽、主轴头、工具电极夹具、工作液循环过滤系统等主要部件组成。

★上次课重点内容复习1、特种加工的特点：①不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（如光、电、热、声、化学等）去除金属材料或增加材料。

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。

2、电火花加工的原理：是基于工具和工件(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。

3、电火花加工设备组成：电火花加工原理示意图：1-脉冲电源2-工件3-自动进给调节装置 4-工具电极5-工作液6-过滤器7-工作液泵4、电火花加工的必要条件（三个）：1.必须使工具电极和工件的被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米。

如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生电火花放电。

如果间隙过小，很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。

为此，在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。

2.火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7 ～10-3 s。

这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内；否则，象持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。

为此，电火花加工必须采用脉冲电源。

图2-1为脉冲电源的电压波形，图中t i为脉冲宽度，t o为脉冲间隔，t p为脉冲周期，u i为脉冲峰值电压或空载电压。

3.火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质（工作液）中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。

液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度(103～107Ω²cm)。

工作液的三个作用:1) 有利于产生脉冲性的火花放电。

同时，2)液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且3)对电极和工件表面有较好的冷却作用。

电火花加工的三个必要条件：①工具电极与工件被加工表面之间保证一定的间隙（几微米～几百微米）；②脉冲性放电（脉宽10-7～10-3s）；③一定绝缘性能的液体介质（103～107Ω²cm）。

二、电火花加工的特点及其分类：1.特点：（1）优点：适合于难切削材料的加工;可以加工特殊及复杂形状的零件。

缺点：只能加工金属等导电材料;加工速度低;电极损耗影响加工精度;最小角部半径受限制。

在模具制造业广泛应用常用电极材料有紫铜、石墨。

2.分类：（根据工具电极和工件的相对运动方式和用途）①电火花穿孔成型加工；②电火花线切割；③电火花磨削和镗磨；④电火花同步回转加工；（①--④为成型、尺寸加工）⑤电火花表面强化与刻字—表面加工。

（见下表）电火花腐蚀的微观过程分为以下几个连续的阶段：1、极间介质的电离、击穿，形成放电通道；2、介质热分解、电极材料溶化、气化热膨胀；3、电极材料的抛出；4、间隙介质的消电离。

一、极间介质的电离、击穿、形成放电通道脉冲电压施加于工具电极与工件之间形成电场，工件、工具的微观表面凹凸不平，极间距离最小处电场强度最大，此处的工作液绝缘性能往往较低而最先被击穿，即分解成负电子和正离子而被电离形成等离子通道。

通道直径很小，电流密度可高达105～106A/cm2，通道中心温度高达 10000℃以上，瞬时压力可达数十甚至上百个KPa。