机械制造工程学 教学课件 ppt 作者 李伟 谭豫之_ 第9章 特种加工与先进制造技术

第9章　特种加工与先进制造技术9.1　概述9.2　电火花加工9.3　电化学加工9.4　超声波加工9.5　激光加工9.6　电子束加工9.7　离子束加工9.8　水射流加工9.9　超精密加工技术9.10　纳米加工技术9.11　超高速加工技术9.12　快速原型技术9.1　概述特种加工特种加工是指不采用常规的刀具或磨具对工件进行切削加工，而是直接利用电能、化学能、声能、光能及多种能量的复合形式对材料进行加工。

特种加工方法种类化学加工(CHM)电化学加工(ECM)电化学机械加工(ECMM)电火花加工(EDM)电接触加工(RHM)超声波加工(USM)激光束加工(LBM)电子束加工(EBM)离子束加工(IBM)等离子束加工(PAM)电液加工(EHM)磨料流加工(AFM)磨料喷射加工(AJM)液体喷射加工(HDM)传统切削加工工艺面临着严峻的挑战●特殊材料零件的加工宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。

难加工材料的加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、宝石及其他各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。

● 特殊复杂表面的加工如各种异形孔、微型孔和窄缝等的加工。

● 特殊要求零件的加工如细长零件、薄壁零件、弹性元件、微型机械和机器人零件等低刚度零件的加工。

特种加工的特点特种加工与传统切削加工相比，具有如下特点：●工具材料硬度可以大大低于工件材料的硬度。

●可直接利用电能、电化学能、声能或光能等对材料进行加工。

●工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。

加工过程中没有明显的机械力。

●特种加工技术随着新技术新能源的出现也在迅速发展。

●材料去除速度，一般低于常规加工方法，这是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。

特种加工的应用●解决各种难切削材料的加工问题如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石、锗、硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工。

●解决多种复杂零件表面的加工问题如热锻模、冲裁模、冷拔模和型腔和型孔、整体涡轮、喷气涡轮叶片、炮管膛线以及多种微小异型孔。

●解决多种精密、特种零件的加工问题如陀螺仪、伺服阀及细长轴、薄壁筒和弹性元件等。

特种加工在现代制造业、科学研究和国防事业中都有广泛的应用。

注入、抛光、蚀刻等电能、动能离子束加工微孔、切割、焊接等电能、热能电子束加工蚀刻图形、薄板加工等化学能化学加工微孔、切割、热处理、焊接导电的金属材料光能、热能激光加工型腔加工、穿孔、抛光等硬脆性材料机械能超声波加工平面、内外圆、成形面等电化学、机械能电解磨削各种异形孔、型腔加工、抛光、去毛刺、刻印等电化学能电解加工穿孔、切槽、模具、型腔加工、切割等导电的金属材料如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢等电能、热能电火花加工主要适用范围可加工材料能量加工方法常 用 特 种 加 工 方 法 利用两极间脉冲放电时产生的电蚀现象对工件材料进行加工的技术，即EDM。

加工原理电火花成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工和电火花表面强化等 。

电火花加工示意直流脉冲电源进给系统放电间隙工具电极工件电极工作液9.2　电火花加工电火花加工电火花加工极性效应放电腐蚀时，工具和工件两极由于正负极接法不同而蚀除量不同，这种现象称为“极性效应” 。

正极性加工用于精加工，而负极性加工用于粗加工。

用短脉冲（如小于30μs）加工时，正极的蚀除量大于负极，这种情况加工时工件应接正极，工具接负极。

◆正极性加工◆负极性加工用较长脉冲（如大于300μs）加工时，则负极的蚀除量将大于正极，此时工件应接负极，工具接正极。

工作阶段●介质电离、击穿，形成放电通道；● 火花放电产生熔化、气化、热膨胀；● 抛出蚀除物；● 间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。

电火花加工●两极间不接触，无明显切削力，工件变形小。

●可以加工任何难切削的硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料。

●直接利用电能加工，便于实现自动化。

● 加工各种型孔、曲线孔、小孔和微孔，如各种冲模、拉丝模、喷嘴、异型喷丝孔等。

● 加工各种型腔，如各种锻模、压铸模、挤压模、及整体叶轮、叶片等曲面。

● 线电级切削可以切削各种复杂型孔，如冲裁模。

● 可以加工螺纹、齿轮等成形面。

☐电火花加工的特点☐电火花加工的应用电火花加工电火花成形加工电火花线切割电火花加工电火花孔加工电火花旋转加工电火花加工●精加工Ra值可达1.6-0.8μm，但是如果要达到Ra0.8以上的精度，生产率就会成十倍地下降。

●电火花加工后的表面易于存润滑油，因而提高了表面的润滑和耐磨性。

☐电火花加工质量加工精度●穿孔加工尺寸精度可达0.05-0.01mm ，型腔加工精 度为0.1mm 。

●有圆柱度误差●得不到清晰的棱角，只能得到圆角，目前可以获得的最小圆角半径为0.1mm 。

表面质量电火花加工工件接阳极，工具接阴极，两极间加直流电压6～24V,极间保持0.1～1mm 间隙。

在间隙处通以 6～60m /s 高速流动的电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，其溶解物及时被电解液冲走。

工具阴极不断进给，保持极间间隙。

电解加工原理直流电源工具阴极工件阳极电解液泵阴极进给工作原理 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应对金属材料进行加工的一种方法。

9.3　电化学加工☐电解加工的特点●在简单的进给运动中一次可加工出形状复杂的型面、型腔，生产率比电火花加工高5-10倍。

●可以加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、高温合金、钛合金等。

●加工中无切削力，适合加工薄壁零件。

●工具电极无损耗。

●加工后零件表面无残余应力、无毛刺。

●加工出的零件尺寸精度不高，电解液对机床有腐蚀作用，电解产物回收较困难。

☐电解加工的应用● 加工各种型孔、小孔，如各种喷嘴、异型孔等。

● 加工各种型腔，如锻模型腔、复杂形状叶片。

●加工深孔膛线，如炮管膛线等。

● 可以刻印、套料、去毛刺等。

☐加工质量加工精度加工尺寸精度约为±0.1mm。

表面质量表面粗糙度值Ra约为0.2-0.8μm。

工件超声波加工原理图换能器超声波发生器变幅杆振动方向工具工作液喷嘴 利用工具端面作超声振动，振动频率超过16000Hz ，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。

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幅增大到0.01 ～0.15mm 。

加工原理9.4　超声波加工超声波加工超声波加工☐超声波加工的特点●适于加工各种脆性硬材料和非金属材料，如宝石、陶瓷、玻璃及各种半导体材料等。

●宏观作用力小，适合加工薄壁或刚性差的工件。

●工件表面无残余应力、组织变化及烧伤等现象。

●工件上被加工出的形状与工具形状一致，可以加工型孔、型腔及成形表面，还可以进行表面修饰加工，如雕刻花纹和图案等。

●超声波加工机床、工具均比较简单，操作维修方便。

●生产效率低。

超声波加工☐超声波加工的应用成形加工具有切片薄、切口窄、经济性好的优点。

切割加工主要是对各种脆硬材料进行圆孔、型孔、型腔、异型孔、套料和微细孔的加工。

焊接加工可以对尼龙、塑料以及表面易生成氧化膜的铝制品等焊接，还可对陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆、熔化其上的金属薄层。

超声波加工超声清洗主要用于清洗几何形状复杂、清洗质量要求高的中、小精密零件，特别是清洗窄缝、细小深孔、弯孔、盲孔、沟槽等部位。

☐超声波加工质量加工精度加工精度高，尺寸精度为0.01-0.05mm。

表面质量表面粗糙度值Ra为0.01-0.04μm。

超声波加工　利用光能经过透镜聚集后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。

加工原理电源激光器光阑反射镜聚焦镜工件工作台激光加工原理激光束照射到工件表面上时，光能被吸收，转化成热能，使局部区域温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，使熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。

9.5　激光加工激光加工激光加工☐激光加工的特点●激光加工属于高能束流加工，几乎可以加工任何金属与非金属材料。

●激光加工无明显机械力，也不存在工具损耗问题，加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。

●激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部进行焊接等。

●激光可以通过聚集，形成微米级的光斑，输出功率的大小又可以调节，因此可用于精密微细加工。

●加工速度快，效率高。

●加工设备昂贵。

激光加工☐激光加工的应用激光打孔利用激光几乎可在任何材料上打孔，也能用于三维空间打孔，甚至可以加工异型孔。

激光打孔的直径可以小到Φ0.001mm，深径比可达50∶1。

激光切割激光切割的切口窄、切割边缘质量好、噪音小，几乎没有切割残渣，切割速度快，成本也不高。

它不仅可以切割金属、也可以切割玻璃、陶瓷、石英等硬脆材料以及木材、布料、纸张。

激光焊接　焊接过程极为迅速，没有焊渣，也不需要去除工件的氧化膜，适合于热敏感元件焊接。

激光加工激光强化激光强化处理后的工件表面硬度很高，比常规淬火硬度高15%~40%。

目前已出现了激光超精细加工、激光熔覆、激光微型机械加工、激光非晶化、激光化学沉积和激光物理沉积等。

☐激光加工的质量加工精度平均加工精度为0.01mm，最高加工精度为0.001mm。

表面质量表面粗糙度值Ra为0.4-0.1μm。

激光打孔激光打标和光刻激光加工激光切割激光焊接激光加工激光加工大功率数控激光切割在电磁透镜和偏转器的作用下可以产生不同的磁场，用以控制电子束的轨迹。

☐电子束加工加工原理由电子枪射出的高速电子束经电磁透镜使能量密度集中在直径5～10μm的斑点内轰击工件表面，在轰击处形成局部高温，使材料瞬时熔化和汽化直至被蒸发去除，从而达到加工的目的。

9.6　电子束加工☐电子束加工的特点●电子束可实现极其微细的聚集（可达0.1μm），实现亚微米和毫微米级的精密微细加工。

●加工主要靠瞬时热效应，工件不受机械力作用，因而不产生宏观应力和变形。

●加工材料范围广，对高强度、高硬度、高韧性的材料以及导体、半导体和非导体材料均可加工。

●电子束的能量密度高，如果配合自动控制过程，其加工效率会非常高。

例如，可以每秒钟在0.1mm厚的钢板上加工出3000个直径为0.2mm的孔。

●电子束加工在真空中进行，污染少，加工表面不易氧化，尤其适合加工易氧化的金属及其合金材料。

电子束加工可用于打孔、切割、焊接、蚀刻和光刻等。

9.7　离子束加工☐离子束加工加工原理灯丝发射电子，电子向下作高速螺旋运动。