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《特种加工》课程论文题目特种加工技术的发展和展望姓名郭健朗学号1341101086院系机械与能源工程系专业机械设计制造及其自动化指导老师雷先明特种加工技术的发展和展望摘要:全面介绍了特种加工技术的类型及发展现状指出了其优势和存在的问题;阐述了电火花加工、电解加工、电子束加工、超声波加工、激光加工、化学机械复合加工、水喷射加工等加工方法;探讨了各种加工方法的工作要素、加工特点及应用;最后指出了特种加工的发展趋势Abstract:theauthorintroducesthetypesandcurrentsituationofthedevelopmentofspecialprocessingtechnologypointsoutitsadvantagesandproblems;describestheelectricaldischargemachiningelectrochemicalmachiningelectronbeammachiningultrasonicmachininglaserprocessingchemicalmechanicalprocessingwaterjetmachiningprocessingmethod;discussestheprocessingcharacteristicsandapplicationofworkelementsallkindsofprocessingmethods;finallypointsoutthedevelopmenttrendofspecialmachining关键词:特种加工;电火花加工;电解加工;电子束加工;超声波加工Keywords:specialmachining;EDM;electrochemicalmachining;electronbeammachining;ultrasonicmachining
1.引言特种加工又称非传统加工是二次世界大战后发展起来的一类有别于传统切削与磨削加工方法的总称特种加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等;特种加工方法可以完成传统加工方法难以实现的加工如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和工程陶瓷、磁性材料等难加工材料的加工以及精密、微细、复杂形状零件的加工等特种加工技术有以下几个特点:⑴加工方法主要不是依靠机械能而是用其他能量如电能、光能、声能、热能、化学能等去除材料⑵传统加工方法要求刀具的硬度必须大于工件的硬度即“以硬切软;而对于特种加工由于工具不受显著切削力的作用特种加工对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求⑶加工没有明显的切削力作用一般不会产生加工硬化现象又由于工件加工部位变形小发热少或发热仅局限于工件表层加工部位工件热变形小由加工产生的应力也小易于获得好的加工质量且可在一次安装中完成工件的粗、精加工⑷特种加工中能量易于转换和控制有利于保证加工精度和提高效率⑸特种加工方法的材料去除速度一般低于常规加工方法这也是目前常规加工方法在机械加工中仍占主导地位的主要原因
2.特种加工技术特种加工有多种分类方法:如按加工过程材料增减可分为去除加工、结合加工和变形加工等;按作用能源可分为机械能、热能、化学能、复合能等
2.1电火花加工电火花加工的工作原理;是利用工具电极与工件电极之间的火花放电:产生瞬时高温将金属熔化电火花加工过程可分为四个阶段:
①介质电离、被击穿形成放电通路;
②形成火花放电工件电极产生熔化、气化;热膨胀;
③抛出蚀除物;
④间隙介质消电离恢复绝缘状态电火花加工的工作要素包括电极材料、工作液、放电间隙、脉冲宽度与间隔等对工具电极的基本要求是导电、损耗小、易加工常用的工具电极材料有紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等其中又以紫铜和石墨最为常用工作液是电火花加工中必不可少的介质其主要功用是压缩放电通道区域提高放电能量密度和加速蚀除物的排出常用的工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等合理的放电间隙是保证火花放电的必要条件为保持适当的放电间隙在加工过程中需采用自动调节器控制机床进给系统并带动工具电极缓慢向工件进给电火花加工特点是:
①电火花加工不受加工材料硬度限制可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料
②加工时无显著作用力发热小发热仅局限于放电区极小范围内适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等且加工质量好精加工时加工尺寸精度可达
0.005~
0.01mm表面粗糙度可达Ra为
0.1~
0.05um
③脉冲参数调整方便可一次安装完成粗、精加工
④易于实现自动化目前实际应用的电火花加工主要有两种类型即电火花成形加工和电火花线切割
2.
1.1电火花成形加工主要指孔加工和型腔加工电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工以及叶轮、叶片等曲面加工
2.
1.2电火花线切割用连续移动的钼丝或铜丝做工具阴极工件为阳极机床工作台带动工件在水平面内做互相垂直方向的移动可切割出二维图形丝架也可做小角度摆动可切割出斜面电火花线切割广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等电火花线切割加工按走丝速度可分为快走丝和慢走丝两类快走丝速度一般为l0m/s电极丝可往复移动并可以循环反复使用使用一段时问后需进行更换.慢走丝速度为2~8m/min单向运动电极丝一次性使用慢走丝线切割走丝平稳无振动电极丝损耗小加工精度高
2.2电解加工电解加工的工作原理是工件接阳极工具铜或不锈钢接阴极两极间加6~24V的直流电压极间保持
0.1~1mm的间隙在间隙处通以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电极不断进给以保持极间间隙电解加工的特点是:
①不受材料硬度的限制能加工出任何高硬度、高韧性的导电材料并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔
②电解加工比电火花加工的形面和型腔效率高5~10倍
③加工过程中阴极损耗小加工表面质量好无毛刺、无残余应力和变形层
④加工设备投资较大有污染需防护电解加工广泛应用于模具的型腔加工枪炮的膛线加工发电机的叶片加工花键孔、内齿轮、深孔加工以及电解抛光、倒棱、去毛刺等电解磨削是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法工件接直流电源正极高速回转的导电磨轮接负极两者保持一定的接触压力导电磨轮表面突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间有一定的间隙当电解液从问隙中流过并接通电源后工件产生阳极溶解工件表面上生成一层称为阳极膜的氧化膜其硬度远比金属本身低极易被高速回转的磨轮刮除使新的金属表面露出继续进行电解电解作用与磨削作用交替进行电解产物被流动的电解液带走使加工继续进行直至达到加工要求电解磨削效率比机械磨削高且导电磨轮损耗远比机械磨削小特别是磨削硬质合金时效果更明显
2.3电子束加工电子束加工的工作原理是在真空条件下利用电流加热阴极发射电子束经控制栅极初步聚焦后由加速阳极加速通过透镜聚焦系统进一步聚焦使能量密度集中在直5~10um的斑点内高速而能量密集的电子束冲击到工件上被冲击点处形成瞬时高温在几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除电子束加工的特点及应用是:
①电子束束径最小可达
0.01~
0.005mm长度可达束径的几十倍故可加工微细深孔和窄缝
②材料适应性广原则上各种材料均可加工特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料
③加工速度较高切割1mm厚的钢板切割速度可达240mm/min
④在真空中加工无氧化特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金
⑤加工设备较复杂投资较大多用于微细加工
2.4超声波加工超声波加工的工作原理;是利用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通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动此时振幅一般较小再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利用工具端面的超声16~25kHz振动使工作液普通水中的悬浮磨粒碳化硅、氧化铝、碳化硼或金刚石粉对工件表面产生撞击抛磨实现加工超声波加工的特点及应用:
①适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等
②可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面
③被加工表面无残余应力无破坏层加工精度较高尺寸精度可达
0.01~
0.05mm
④加工过程受力小热影响小可加工薄壁、薄片等易变形零件
⑤单纯的超声波加工加工效率较低采用超声复合加工如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声线切割等可显著提高加工效率
2.5激光加工激光是一种受激辐射而得到的加强光其基本特征是:强度高亮度大;波长频率确定单色性好相于性好相干长度长方向性好几乎是一束平行光由激光器发出的激光经光学系统聚焦后照射到工件表面上光能被吸收转化为热能使照射斑点处局部区域温度迅速升高此处材料被熔化、气化而形成小坑由于热扩散使斑点周围材料熔化小坑内材料蒸气迅速膨胀产生微型爆炸将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加工表面上打出一个上大下小的孔激光加工的特点及应用:
①加工材料范围广可加工各种金属和非金属材料特别适用于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料
②激光可透过透明材料进行加工
③激光加工为非接触加工工件无受力变形受热区域小工件热变形小加工精度高
④可进行微细加工激光聚焦后焦点直径理论上可小至
0.001mm以下实际上可实现
0.01mm的小孔加工和窄缝切割激光切割广泛用于切割复杂形状的零件、栅网等在大规模集成电路的制作中可用激光进行切片
⑤加工速度快例如在宝石上打孔加工时间仅为机械方法的1%
⑥激光加工不仅可以打孔和切割也可进行焊接、热处理等工作
⑦激光加工可控性好易于实现加工自动化但加工设备昂贵
2.6化学机械复合加工化学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某些非金属工件表面产生化学反应腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状的加工方法如果仅进行局部有选择性的加工则需对工件上的非加工表面用耐腐蚀性涂层覆盖保护起来而仅露出需加工的部位化学机械复合加工是指化学加工和机械加工的复合化学机械复合加工是一种超精密的精整加工方法可有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片化学机械复合加工可防止通常机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕避免磨粒的耕犁引起的隆起以及擦划引起的划痕可获得光滑无缺陷的表面化学机械复合加工中常用的方法有机械化学抛光和化学机械抛光机械化学抛光使用比工件材料软的磨料如对Si3N4陶瓷用Cr2O3对Si片用SiO2靠运动磨粒本身的活性以及因磨粒与工件间的摩擦在微观接触区产生的高压、高温使很短的接触时间内出现固相反应随后这种反应生成物被运动的磨粒的机械摩擦作用去除其去除量可小至
0.1nm级化学机械抛光的工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学反应薄层然后由磨粒的机械摩擦作用去除
2.7水喷射加工水喷射加工WaterJetMachining又称水射流加工或水刀加工它是利用超高压水射流及混合于其中的磨料对材料进行切割、穿孔和表面材料去除等加工其加工机理综合了由超高速液流冲击产生的穿透割裂作用和由悬浮于液流中磨料的游离磨削作用水喷射加工具有如下特点:
①可加工各种金属和非金属材料;
②切口平整无毛边和飞刺可用于去除阀体、孔缘、沟槽、螺纹、交叉孔上的毛刺;
③切削时无火花无热效应产生也不会引起工件材料组织变化适于易燃易爆物件加工;
④加工洁净不产生烟尘或有毒气体水刀加工基本可对各种材料进行处理及切割非金属物质如木材、纸类、塑料、纤维、海绵等;对切割金属或较硬的材质时如各种石材、玻璃、陶瓷、砖等材质时可以将80目左右较细颗粒的石英砂料与水箭混流在一起以增强其切割能力此种高速加砂的水刀几乎可以切割任何材质为此在家具制造过程中可以用来对原木的分割和实木成型材料的分切使得在用料方面取得更为精确为节约用材提供很好的途径水刀加工在下料开片的切割加工中比起与它拥有同样功能的前辈--电锯、电弧切割和激光切割来它有着许多优越性它无尘、无烟、没有火光在作业时切割面上的温度能保持不变电弧、激光切割和钢锯则办不到这一点它不会产生强光而灼伤人眼;更不用担心因高温而引发火灾十分安全然而它具有强大的“威力”可以随心所欲地切割加工各种工件和不同口径的管材对于机械制造加工由于水刀的加入也使得在消防防火方面得到更好的保证水刀自动化系统已应用于汽车内饰件加工甚至对空中客车A380大型航空件、飞机外壳等高强度的碳素纤维的复杂零件表面上进行的切割、修边、开孔等加工任务为制造领域开辟了新的天地而且它可以在几乎完全自然的条件下加工因此对已完成的上道工序基本不会产生任何影响更没有任何粉尘的危害也不会有刀刃磨损的缺点水刀还可以做水下作业对沉船的切割、修理可以得到绝无仅有的效果可能在未来对潜水艇的自救也能开辟一种新的可能水刀切割加工速度极高尺寸精度、加工的质量较高不需要第二次加工同样也可以不用担心水的加工影响材料的含水量极高的速度几乎不能让水分留下操作程序简单易行编辑程序可以随时调用有记忆功能水刀的一般零配件使用寿命较长机械可使用时间长相对成本较低水刀切割时不会产生灰尘及有毒气体可提供一个较为清洁及安全的工作环境更重要的是水刀是以水作为切割的刀具不用像其它的切削刀具需要刃磨它是一把永不磨损型的刀具因此水刀以其独特的优势在未来的各种加工制造中一定会有更广泛的应用前景
3.特种加工技术的展望特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分随着难加工材料、特殊结构零件需求的日益增加特种加工技术近十几年来得到了快速发展在世界范围内越来越受到人们的重视发挥的作用也越来越大特种加工采用不同的能量形式加工零件相对于传统的切削加工技术特种加工普遍具有以柔克刚、加工力影响较小等优势为进一步提高特种加工技术水平及扩大其应用范围当前特种加工技术的发展趋势主要包括以下几点:1采用自动化技术2趋向精密化研究3开发新工艺方法及复合工艺4污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍5进一步开拓特种加工技术细微化是特种加工技术发展的重要趋势由于当前的工业产品越来越追求小型化和微型化微细结构和微细零件的加工需求不断增长同时带动了各种制造技术向小型化、微细化发展比如细微的电火花加工、微细电化学加工、微细的激光加工、微细离子束加工等技术可以实现很小尺度内的加工这些技术在国内外都发展得很快而且得到越来越广泛的应用
4.结束语特种加工技术集成了机械、电子、信息、材料技术和计算机等技术,发展异常迅速现代特种加工技术主要是伴着高硬度、高强度、高韧性、高脆性等难切削材料的额出现,以及制造精密细小 形状复杂和结构特殊的零件 的需要而产生的,具有其他常规加工技术无法比拟的优点,已成为航空航天、汽车、仪器、仪表、微型机械、轻工、模具等行业的支撑技术和关键技术 随着科学技术和现代工业的 发展,特种加工技术必将不断完善和迅速发展,反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展,并发挥越来越重要的作用参考文献
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