机械加式技术

电火花加工7.1激光加工7.2超声波加工7.3精密加工7.4 电火花加工是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工的方法。从20世纪40年代开始对它进行研究并逐步应用于生产。初期的电火花加工由于放电频率低，加工速度慢，电极损耗大，所以应用范围受到一定限制。随着加工速度和电极损耗等加工特性的改善，而得到广泛应用。从1m大小的金属模具到数微米的孔和槽都可以加工。 1电火花加工的基本原理如图7-1所示，工具电极4与工件6一起置于介质5（煤油或其他液体）中，并分别与脉冲电源1的负极和正极相连接。加工时，送进机构2移动工具电极使其逐渐趋近工件，当工具电极与工件之间的间隙小到一定程度时，介质被击穿，在间隙中发生脉冲放电。放电的持续时间极短，只有108106s，而瞬时的电流密度极大，可达105107A/cm2，温度可高达10 000以上，致使工件表面局部金属材料被软化、熔化甚至汽化。 在瞬时放电的爆炸力作用下，熔化、汽化了的金属材料被抛入液体介质冷凝成微小的颗粒，并从放电间隙中排除出去。每次放电即在工件表面形成一个微小的凹坑（称为电蚀），连续不断的脉冲放电，使工件表面不断地被蚀除，因而逐渐完成加工要求。脉冲放电过程中，由间隙自动调节器驱动工具电极自动进给，保持其与工件的间隙，以维持持续的放电。 图7.1 电火花加工原理1脉冲电源 2送进机构及间歇自动调节器3床身 4工具电极 5介质 6工件 2电火花加工的特点（1）由于放电通道中电流密度很大，局部区域内产生的高温足以熔化甚至汽化任何导电材料，因此，利用电火花能加工各种具有导电性能的硬、脆、软、韧材料。（2）加工时无切削力，适于加工小孔、薄壁、窄腔槽及各种复杂的型孔、型腔、曲线孔等，也适用于精密细微加工。 （3）加工时，由于脉冲能量间断地以极短的时间作用在工件上，整个工件几乎不受热的影响，有利于提高加工精度和加工表面质量，也有利于加工热敏感性强的材料。（4）便于实现加工过程自动化。（5）电极（工具）消耗较大。 3电火花加工的应用电火花加工的效率远比金属切削加工低，因此，只有在难以进行切削的情况下，如工件形状复杂、材料太硬等，才采用电火花加工。在工艺应用上，电火花加工的常见形式如下。 （1）电火花成形加工包括穿孔和型腔加工两类。电火花穿孔加工应用最为广泛，常用来加工冲裁模、复合模、级进模等冲模的凹模和固定板、卸料板等零件的型孔，以及拉丝模、拉深模等零件的型孔。电火花型腔加工则常用于加工锻模、压铸模、挤压模、塑料压模等模具型腔和叶片、整体式叶轮等复杂曲面零件。（2）电火花小孔加工可加工直径为0.11mm、长径比小于20的小孔，如喷嘴小孔、航空发动机气冷孔、辊筒、筛网上的小孔等。 （3）电火花精密细微加工一般指加工直径小于0.1mm的孔或宽度小于0.1 mm的槽。（4）电火花线电极切割（线切割），用于切割各种冲模和具有直纹面的零件，以及进行下料、截割和窄缝加工。（5）电火花磨削平面、内外圆、小孔等，如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、偏心钻套等。（6）电火花螺纹加工适用于加工螺纹环规和螺纹加工工具。 激光加工是指利用功率密度极高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融物质喷射出去，从而对工件进行穿孔、蚀刻、切割，或采用较小能量密度，使加工区域材料熔融黏合，对工件进行焊接的一种加工方法。激光加工中常用的激光器有固体激光器和气体激光器两类。 1激光加工的基本原理激光加工的原理如图7.3所示。固体激光器由激光工作物质2（一般采用红宝石或掺钕离子的钇铝石榴石）、激励光源3（一般用脉冲氙灯）、全反射镜1和部分反射镜4构成的光谐振腔组成。当工作物质被激励光源照射时，在一定条件下可使工作物质中亚稳态粒子数反转，引起受激辐射，形成光放大，并通过光谐振腔的作用产生光的振荡，由部分反射镜输出激光，经透镜5聚焦到工件6的待加工表面，从而实现对工件的加工。 图7.3 固体激光器加工原理图1全反射镜 2激光工作物质 3激励光源 4部分反射镜 5透镜 6工件 2激光加工的特点（1）加工范围广。激光的功率密度很高（可达1071010W/cm2），几乎能加工所有材料，包括用普通方法难以加工的硬度高、脆性大、熔点高的金属材料，以及陶瓷、金刚石、石英、宝石等非金属材料。（2）生产率高。激光加热速度快，生产效率高，打一个小孔一般只需0.01s左右，特别是对金刚石、宝石等特硬材料，打孔时间不足切削加工的1%。由于加热局限在很小的范围，所以热影响区小，工件热变形小。 （3）无须工具。激光加工属于非接触加工，不需要工具，无切削加工的受力变形。（4）能加工细微小孔、窄缝。激光能聚焦成极细的光束，可以加工直径为10.01mm的小孔和窄缝。（5）可控性好。激光束调制方便，易于实现计算机数字控制和自动化加工。 3激光加工的应用（1）激光打孔。激光打孔是激光加工在机械制造中最主要的应用，多用于小孔、窄缝的细微加工，孔径可小至0.005mm，孔深与孔径之比可达5以上。对与工件表面成各种角度（1590）的倾斜小孔、薄壁零件及复合材料零件上的小孔、难加工材料上的小孔等，用激光打孔更具优越性。目前，激光打孔已广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、化学纤维硬质合金喷丝板、火箭发动机和柴油机的喷嘴、涡轮叶片、集成电路陶瓷衬套、手术用针等零件或产品的小孔加工。 （2）激光切割。利用激光束聚焦后极高的功率密度，可切割任何难加工的高熔点材料、高温材料、高强度硬脆材料，如钛合金、镍合金、不锈钢，以及各种非金属材料。激光切割为非接触切割，工件变形极小；切缝狭窄（一般为0.10.2mm）且切口质量优良；切割速度高。激光切割大多采用CO2激光器及同轴吹气工艺（沿激光束的同轴方向吹送辅助气体，如氧、氮、二氧化碳、氩、压缩空气等），以提高切割效率和改善切口质量。激光切割多用于半导体硅片切割、型孔加工、精密零件的窄缝切割、刻线、雕刻等。 （3）激光焊接。激光焊接主要用于高熔点材料和快速氧化材料及异种材料的焊接。由于激光能透过玻璃等透明物体进行焊接，因此，可用于真空仪器元件的焊接。激光焊接分脉冲激光焊接（采用红宝石激光器和钕玻璃激光器）和连续激光焊接（采用CO2激光器和钇铝石榴石激光器）两种，前者适用于点焊，后者适用于缝焊。 超声波加工是利用产生超声振动的工具，带动工件和工具间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部材料破坏而成粉末，以进行穿孔、切割和研磨等的加工方法。超声加工不仅能加工高熔点的硬质合金、脆火钢等脆硬合金材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可用于清洗、焊接和探伤等。 1超声波加工的基本原理超声波的加工原理如图7.4所示。工具4的超声频振动是通过超声换能器1在高频电源作用下产生的高频机械振动，经变幅杆2使工具沿轴线方向作高速振动。工具的超声频振动，除了使磨粒获得高频撞击和抛磨作用外，还可使工作液受工具端部的超声振动作用而产生高频、交变的液压正负冲击波。正冲击波迫使工作液钻入被加工材料的细微裂缝处，加强机械破坏作用；负冲击波造成局部真空，形成液体空腔，液体空穴闭合时又产生很强的爆裂现象，而强化加工过程，从而逐步地在工件上加工出与工具断面形状相似的孔穴。 图7.4 超声波加工原理图1超声换能器 2变幅杆 3磨料悬浮液 4工具 5工件 2超声波加工的特点（1）超声波主要适于加工各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷（氧化铝、氧化硅等）、硅、锗、玛瑙、宝石、金刚石等。对于质硬的金属材料如淬火钢、硬质合金等也能加工，但生产率较低。 （2）能加工各种形状复杂的型孔、型腔、成形表面等。采用中空形状的工具还可以实现各种形状的套料加工。（3）加工过程中，工具对工件的宏观作用力小，热影响小，适于加工不能承受较大机械应力的薄壁、薄片等零件。（4）超声波加工的生产率低于电火花加工，但加工精度高，表面粗糙度值小。 3超声波加工的应用（1）型孔、型腔加工工具的形状和尺寸，取决于被加工面的形状和尺寸。加工孔径范围为0.190mm，深度可达200mm。（2）超声波切割加工主要用于切割脆硬的半导体材料。（3）超声波焊接用于焊接尼龙、塑料以及表面易生成氧化膜的铝制品等。此外，还可在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银和涂熔化的金属薄层。 （4）超声波复合加工与电解复合加工小孔、深孔可大大提高加工速度与加工质量；在切削加工中引入超声振动（如对耐热钢等硬韧材料进行车削、钻孔、攻螺纹），可降低切削力，改善表面质量，提高加工速度和延长刀具寿命。（5）超声波清洗。 7.4.1 精密加工的概念7.4.2 精密车削7.4.3 精密磨削7.4.4 光整加工 精密加工的实施及其加工质量的保证，受工件材料的特性、精密加工时基准面的精度、技术设施（机床、刀具、技术测量手段）、环境条件及工人技术水平等诸多因素的制约。而机床设备和环境条件是精密加工的两项最基本的条件。 1机床设备条件精密加工必须在精密机床上进行。机床应具有高的运动精度、刚度和转速，以及小的进给量。2环境条件（1）消除工艺系统内部和外部的振动干扰。加工表面的表面粗糙度与振动的频率和振幅有关。（2）创造恒温条件。精密机床应置在恒温室内，应在201的条件下对零件进行加工和测量。超精密加工还要求工作间超净。 加工外圆表面时，用很小的刃口圆弧半径的车刀进行高速、微量切削而获得高精度的工艺方法称为精密车削。 1精密车削的应用精密车削主要用于铜、铝及其合金制件的最终加工，其他如纯金属、塑料、玻璃纤维、合成树脂及石墨等不宜采用磨削而加工要求较高的零件，也常使用精密车削。对于表面粗糙度值要求很小的铜、铝及其合金制件的外圆表面或反射镜的曲面，使用金刚石车刀进行镜面车削，表面粗糙度Ra值可小于0.05m。精密车削还用做黑色金属或其他表面硬度高的精密零件光整加工前的预加工工序。 2精密车削的刀具及切削用量精密车削除必须在精密车床上进行外，还需要对所用的三爪自定心卡盘、弹簧夹头、心轴等回转组件进行动平衡，并精密测定其跳动量，以及仔细选取刀具材料和切削用量。精密车削所用刀具主要有金刚石车刀和硬质合金精密车刀两种。 （1）金刚石车刀。金刚石刀具材料有天然单晶金刚石和人造聚晶金刚石两种。金刚石具有硬度高、耐磨性好、刃口锋利和摩擦系数小等优点，但韧性很差，刃磨困难。图7.5所示为在精密车床上加工黄铜H62所用的金刚石精密车刀，工件要求表面粗糙度Ra值为0.03m。为加强刀尖和刃口部位强度，采用前角o= 510过渡刃为0.05mm，后角为23。 图7.5 金刚石精密车刀 金刚石刀具适用于有色金属及其合金（如铝、紫铜、黄铜、巴氏合金、铍铜、锌等）及非金属材料（如酚醛塑料、陶瓷等）的精密车削。由于金刚石与铁的亲和力很强，所以金刚石刀具不适于加工黑色金属。用金刚石车刀进行精密车削，可以采用很高的切削速度，也可以低速进行切削，如在CGM6125车床上加工H62材料时可选切削速度vc68m/min或vc17m/min。 精密车削的进给量一般选f = 0.010.04mm/r；双面加工余量为0.30.5mm；半精加工的背吃刀量ap= 0.050.1mm，精加工的背吃刀量ap= 0.020.05mm。超精密加工时，背吃刀量ap一般为0.0030.006mm。 （2）硬质合金精密车刀。用细颗粒的硬质合金（如YG6X、YG6A、YG3X等）车刀进行精密车削，可以达到的表面粗糙度Ra值为0.05m左右；用超细颗粒的硬质合金（如YH1、YH2、YG10H等）车刀进行精密车削，可以达到的表面粗糙度Ra值为0.03m。 图7.6所示为YG6A或YG6X硬质合金精密车刀。车刀前面、后面的表面粗糙度Ra值应0.02m；刃倾角为10，以利排屑；车刀采用6后角和3副后角，可以减小振动并使刀具后面对工件有轻微的挤压作用。该精密车刀用于精密车削铜料。 图7.6 硬质合金精密车刀 用硬质合金精密车刀进行精密车削时，一般采用高的切削速度：车铝合金材料vcmax = 350m/min，车青铜等铜合金材料vcmax = 400m/rain；车镁合金材料vcmax = 1 000m/min。切削速度越高，获得的表面粗糙度值越小，但刀具磨损及振动也随之加剧，所以应根据实际情况来合理选择。进给量一般取f = 0.020.04mm/r；背吃刀量一般取ap = 0.20.3mm。 在精密磨床上用经过精细修整的细粒度砂轮进行的一种磨削方法称为精密磨削。精密磨削一般指加工精度为10.1m，表面粗糙度Ra为0.160.006m的磨削方法。 1精密磨削的应用精密磨削是一种高精度、小表面粗糙度值的精密加工方法，主要用于淬硬的黑色金属材料精密加工，它可以获得IT5级的尺寸精度和高的几何形状精度，如圆度误差小于0.5m，圆柱度误差小于0.001mm/300mm，平面度误差小于0.003mm/1 000mm，还可使同轴度误差小于1m。表面粗糙度Ra值一般在0.16m以下，最小可达到0.008m。 精密磨削按磨削后所获得的表面粗糙度值的大小，通常可细分为精密磨削（Ra值为0.160.04m）、超精密磨削Ra值0.040.01m）和镜面磨削（Ra值小于或等于0.01m）三种。精密磨削主要用于机床主轴、高精度轴承、液压滑阀、标准量具、量仪、半导体硅片，以及航空、航天工业中的精密零件、计算机磁盘等元件的磨削。 2精密磨削用机床及砂轮（1）对精密磨床的要求。砂轮主轴的回转精度高于1m，内圆磨具采用静压；应有对传动部分的减振措施；横向进给机构的重复精度高，误差小于2m，刻度值不得大于0.005mm，最好配有数字控制或其他控制尺寸的装置；工作台运动平稳，在一定范围内无爬行。 （2）精密磨削用砂轮。 磨料。钢和铸铁零件进行精密磨削时，砂轮磨料应选用刚玉（单晶刚玉最好），而不选用碳化硅。超精密磨削和镜面磨削不宜用微晶刚玉。铜合金和铝合金材料的精密磨削，砂轮磨料选用刚玉或碳化硅均可。对于精密磨削含有大量硬质点的耐热钢、高强度而难加工材料，砂轮磨料可采用立方氮化硼，但应注意其晶粒的粗细。精密磨削硬质合金及其他硬脆材料，则应采用人造金刚石磨料。 粒度。应选用粒度号为60或更细的磨粒或微粉。 硬度。砂轮硬度根据工件硬度而定，对于淬火后钢件，一般用K、L（中软）级，对镜面磨削应使用D、E、F（超软）级砂轮，以利于充分发挥摩擦抛光作用。 结合剂。一般采用陶瓷结合剂，以利于充分发挥粗粒度磨料的微刃切削作用。镜面磨削时，一般选用树脂结合剂，并加入一定量的石墨添加剂。 组织。砂轮组织应均匀且紧密，一般选用组织号为03号。精密磨削用砂轮需经精细修整，以使砂轮表面上的微刃等高。 精加工后，从工件上不切除或切除极薄金属层，用以减小工件表面粗糙度值，提高工件表面质量或强化工件表面的加工过程称为光整加工。常用的光整加工方法有：超精加工、珩磨、研磨、抛光等。 1超精加工超精加工是用细粒度的磨具对工件施加很小的压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。超精加工主要适用于轴类零件外圆表面的光整加工，通过精加工可以获得表面粗糙度Ra值为0.10.01m的表面，但不能提高工件的形状和位置精度。超精加工只能切去工件表面微观不平的凸峰，加工余量很小，只有0.0050.01mm。由于切削速度低，油石压力小，加工时发热少，不会使工件表面烧伤或产生残余拉应力。 超精加工的磨具为油石，选用细粒度，以较低的压力和切削速度对工件表面进行加工，加工时有3种运动（见图7.7），即工件的低速回转、磨具的轴向进给运动和油石的高速往复振动。油石振动的频率为1025Hz，振幅为15mm，油石对工件表面的压力P = 15 104Pa。图7.7 超精加工外圆表面超精加工必须加注充分的润滑油，一方面清洗极细的磨屑，另一方面使被加工表面上形成一层很薄的油膜，在工件表面的凸峰被磨去后，油石被油膜所阻隔，自动停止切削作用，超精加工完成。 超精加工可以在普通车床、外圆磨床上增加专用磨具进行。成批生产时可采用专门的超精加工机床。超精加工广泛应用于加工内燃机的曲轴、凸轮轴、轧辊、轴承、刀具、精密量仪及电子仪器等的精密零件，能对不同的材料进行加工。除外圆外，还能加工内圆、平面及特殊轮廓表面。 2珩磨 珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的光整加工方法。珩磨主要用于孔加工，通过珩磨可以获得很高的尺寸精度和形状精度，孔的尺寸精度可达IT5级，孔的圆度误差可控制在0.0030.005 mm；表面粗糙度一般为Ra0.200.04m，最小可达Ra0.020.01m。 珩磨孔的工具为珩磨头，由几根（一般为46根）粒度很细的油石沿圆周均匀分布组成（见图7.8）。珩磨时，珩磨头有3种运动，即旋转运动、轴向往复运动和垂直于工件加工表面的径向加压运动。珩磨头的旋转和轴向往复运动是主运动，使油石上的磨粒在孔表面上的切削轨迹呈交叉而不重复的网纹（见图7.9）。径向加压运动是油石的进给运动，可由弹簧、气压或液压的方式施压，加压力越大，即进给量越大。 图7.8 珩磨原理 图7.9 珩磨运动轨迹 珩磨时，珩磨头与机床主轴间采用浮动连接，因此，油石能很好地与零件孔壁贴合，加工中不会改变孔的轴线位置。珩磨不能修正孔的位置偏差。珩磨时，油石与工件孔壁的接触面积较大，参加切削的磨粒很多，加工效率较高。由于每个磨粒的磨削力很小，且珩磨的切削速度较低，所以珩磨过程中发热少，孔的表面不易烧伤，因而可获得很高的表面质量。 3研磨研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的光整加工方法。研磨方法简便可靠，尺寸精度可达到IT6级以上，表面粗糙度Ra值为0.20.012m。研磨的应用范围较广，可加工各种钢、铸铁、铜、铝、硬质合金、半导体、玻璃、陶瓷、塑料等。研磨可加工各种形状的表面，内、外圆柱面，圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿轮及其他成形表面。 研磨的原理是在研具和工件之间加研磨剂，并在一定压力下使研具与加工表面作相对运动，使磨粒在工件表面滚动、滑动，起切削、刮擦和挤压作用。研磨外圆时，使用研具为研套，如图7.10所示。粗研套孔内有油槽，可储存研磨剂，而精研套孔内无油槽。 图7.10 外圆研具 研磨内孔时，使用的研具为研磨棒，如图7.11所示。研磨棒表面开有螺旋槽以储存研磨剂。图7.11 研磨棒 研套、研磨棒的内孔、外圆直径常制成可调节结构，以适应研磨需要。用研套研磨外圆和用研磨棒研磨内孔的运动简图如图7.12和图7.13所示。 图7.12 研磨外圆柱面 图7.13 研磨内圆柱面 研具在一定程度上把本身的几何形状复制给工件，另一方面又是研磨剂的载体。因此，研磨对研具有较高的要求。研磨剂为磨料、研磨液及辅助材料的混合剂。按研磨剂使用的条件，研磨分湿研、半干研和干研三种类型。 4抛光抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件获得光亮、平整表面的加工方法。抛光不能改善工件的尺寸精度和形状精度。抛光利用高速回转（3040m/s）、涂有抛光膏的弹性磨轮对工件表面进行光整加工。抛光时，带有磨粒的弹性轮与工件表面产生剧烈摩擦，导致高温并形成滚压和切除作用，用以去除前工序的加工痕迹，减小工件表面粗糙度值，增加工件表面光亮，并提高工件的抗疲劳和抗腐蚀性能。抛光膏通常由氧化铬、氧化铁磨料与油脂混合调制而成。