特种加工第8章课件

1第第8章章 其他特种加工方法其他特种加工方法超声波加工（Ultrasonic Machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。加工时，在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.010.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上打击下来。liuzhidong28.1 超声复合加工超声复合加工8.1.1 超声波加工原理超声波加工原理超声加工去除材料的机理（1）在工具超声振动的作用下，磨料对工件表面的直接撞击；（2）高速磨料对工件表面的抛磨；（3）磨料悬浮液的空化作用对工件表面的侵蚀。其中磨料的撞击作用是主要的。liuzhidong3liuzhidong4超声波加工示意图liuzhidong5超声波加工方式图微细超声加工的特点如下：1.适合加工各种硬脆材料，特别是不导电非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等；2.由于工具可用较软的材料做成复杂的形状，故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动，因此机床结构简单；3.由于去除加工材料是靠磨料瞬时局部撞击的作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热也很小，不会引起工件的热变形和烧伤，加工出的表面质量好。liuzhidong68.1.2 超声加工特点超声加工特点除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材 料 性 质 等 有 关。一 般 加 工 孔 的 尺 寸 精 度 可 达0.020.05mm。对于加工圆形孔，其形状误差主要有椭圆度和锥度。椭圆度大小与工具横向振动大小和工具沿圆周磨损不均匀有关。锥度大小与工具磨损量有关。如果采用工具或工件旋转的方法，可以提高孔的圆度和生产率。liuzhidong7超声加工的精度超声电源输出功率超声电源输出功率/W5010020030050070010001500200025004000最大加工盲孔直径最大加工盲孔直径/mm510152025303040405060用中空电极加工最大通孔直径用中空电极加工最大通孔直径/mm15203040506080809090liuzhidong8超声加工功率和最大加工孔径的关系1.孔的加工范围加工的精度磨料粒度磨料粒度120#150#180#240#280#W40W28W20W14W10W7基本磨粒尺基本磨粒尺寸范围寸范围/m12510010080806363505040402828202014141010775liuzhidong9磨料粒度及其基本磨粒尺寸范围2.加工孔的尺寸精度1.超声-电火花加工超声电火花复合加工是将超声部件夹固在电火花加工机床主轴头下部，电火花加工用的方波脉冲电源（或RC脉冲电源）加到工具和工件上（精加工时，工件接正极），加工时主轴作伺服进给，工具端面作超声振动。引入超声振动电火花加工将使加工区间隙状况得到改善，促进加工平稳，有效放电脉冲比例将由5%增加到50%或者更高，从而达到提高生产率的目的。liuzhidong108.1.3 常见超声复合加工常见超声复合加工liuzhidong111-压电陶瓷；2-变幅杆；3-工具电极；4-工件。超声-电火花复合加工小孔装置liuzhidong122.超声-电火花抛光超声-电火花抛光是依靠超声抛磨和火花放电的综合效应来达到光整工件表面的。下图是超声-电火花复合抛光的示意图liuzhidong133.超声-电火花线切割加工超声-电火花线切割加工的原理：超声波发生器产生超声脉冲电压并传输给压电陶瓷，压电陶瓷把电能转化为超声频的机械伸缩振动能传给变幅杆，通过变幅杆的放大作用，振动装置输出满足加工所需的振幅，并最终由工具杆传输给电极丝，在电极丝上产生高频受迫振动，从而影响电极丝振动状态。liuzhidong14超声-电火花线切割示意图liuzhidong154.超声-电解加工超声-电解加工是同时利用超声振动磨粒的机械作用和金属在电解液中的阳极溶解作用进行加工的，与单纯的超声加工相比具有更大的加工速度，而工具损耗明显降低。超声-电解复合加工适用于加工导电材料，如超硬合金、耐热工具钢等。超声振动引起的空化作用加速了薄膜的破坏和工作液的循环更新，加速了阳极溶解过程的进行，从而大大提高了加工速度和质量。liuzhidong161-电解液和磨料；2-工件；3-工具(钢件)；4-变幅杆；5-换能器；6-超声发生器；7-电解电源超声-电解复合加工原理图liuzhidong175.超声-电解抛光超声-电解抛光是超声加工和电解加工组成的一种复合加工方法。抛光时工件与工具间通入钝化性电解液。高速流动的电解液不断在工件待加工表层生成钝化膜，工具则以极高的频率进行抛磨，不断地将工件表面凸起部位的钝化膜去掉。而工件凹下去部位的钝化膜，工件抛磨不到，因此不溶解。工件在超声波振动下，不但能迅速去除钝化膜，而且在加工区域内产生的空化作用可增强电化学反应，进一步提高工件表面凸起部位金属的溶解速度。liuzhidong181-工具；2-电解电源；3-电解液；4-工件；5-结合剂；6-磨料；7-工件；8-阳极薄膜超声-电解复合抛光的加工原理图liuzhidong196.超声振动切割超声振动切割法切割单晶硅片时，用锡焊或铜焊将工具（薄钢片或磷青铜片）焊接在变幅杆的端部。加工时喷注磨料液，一次可以切割1020片。超声振动成批切块刀具，采用了一种多刃刀具，即包括一组厚度为0.127mm的软钢刃刀片，间隔1.14mm，铆合在一起，然后焊接在变幅杆上。liuzhidong201-变幅杆 2-工具（薄钢片）3-磨料液 4-工件（单晶硅）超声切割单晶硅片liuzhidong21(a)成批切槽（块）刀具(b)切割成的陶瓷模块1-变幅杆 2-焊缝 3-铆钉 4-导向片 5-软钢刀片超声振动成批切块liuzhidong227.超声振动切削超声振动切削，是指刀具以20-50KHz的频率、沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工。与高速硬切削相比，不需要高的机床刚性，并且不破坏工件表面金相组织。在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工。liuzhidong23超声振动车削原理超声加工的生产率虽然比电火花、电解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料如玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。即使是电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具，最后还常用超声抛磨进行光整加工。liuzhidong24小结 气体切割是利用气体火焰的热能将工件切割处预热到燃烧温度（燃点），再向此处喷射高速切割氧气流，使金属燃烧，生成金属氧化物（熔渣），同时释放出热量，熔渣在高压切割氧的吹力下被吹掉；所释放出的热和预热火焰又将下层金属加热到燃点，这样持续下去逐步将金属切开。所以，气割是一个预热-燃烧-吹渣的连续过程，其实质是金属在纯氧中的燃烧过程。liuzhidong258.2 气体切割气体切割8.2.1 气体切割原理气体切割原理liuzhidong26气割示意图气体切割最大的优点是设备简单，使用灵活。缺点也很明显，气割对切口两侧金属的成分和组织产生一定的影响，并且会引起工件的变形等。liuzhidong278.2.2 气体切割特点气体切割特点liuzhidong28材料材料气割特点气割特点碳钢碳钢低碳钢的燃点（约1350）低于熔点，易于气割，但随着碳含量的增加，燃点趋近于熔点，淬硬倾向增大，气割过程恶化铸铁铸铁碳、硅含量较高，燃点高于熔点，气割时生成的二氧化硅熔点高、粘度大，流动性差；碳燃烧生成的一氧化碳和二氧化碳会降低氧气流的纯度。不能用普通气割方法，可采用震动气割法切割高铬钢和铬高铬钢和铬镍钢镍钢生成高熔点和氧化物（Cr2O3，NiO）覆盖在切口表面，阻碍气割过程的进行，不能用普通气割方法，可采用震动气割法切割铜、铝及其铜、铝及其合金合金导热性好，燃点高于熔点，其氧化物熔点很高，金属在燃烧（氧化）时放热量少，不能气割几种材料的气割特点被切割金属材料一般应满足以下条件：（1）金属在氧气中的燃点应低于金属的熔点；（2）氧化物熔点应低于金属熔点，且氧化物的流动性要好，加工时以液体状态从切口中被纯氧吹除；（3）金属在氧气中燃烧时，能释放出较多的热量，且金属的导热性要低；（4）金属中含阻碍气割过程进行和提高金属淬硬性的成分及杂质要少。liuzhidong298.2.3 应用气割的条件应用气割的条件liuzhidong30金属熔点/金属氧化物纯铁153513001500低碳钢1500高碳钢13001400铸铁1200紫铜10831236黄铜、锡青铜850900铝6572050锌4191800铬15501900镍1452几种金属及其氧化物的熔点liuzhidong31元素元素影响影响C C ，气割性能良好；气割性能尚好；气割性能显著变坏；，则不能切割MnMn ，对气割性能没有明显影响；含量增加，气割性能变坏；当 时，不能气割SiSi硅的氧化物使熔渣的粘度增加，钢中硅的一般含量，对气割性能没有影响；时，可以气割；含量增大，气割性能显著变坏CrCr铬的氧化物熔点高，使熔渣的粘度增加，时，气割性能尚可；含量大时，应采用特种切割方法NiNi镍的氧化物熔点高，熔渣粘度增加。，气割性能尚可；含量较高时，应采用特种气割方法MoMo钼提高钢的淬硬性；对气割性能没有影响W W钨增加钢的淬硬倾向，氧化物熔点高，一般含量对气割性能影响不大；含量接近10%时，气割困难；超过20%时，不能切割CuCu 时，对气割性能没有影响Al 时，对气割性能影响不大；超过10%，则不能气割注：为质量分数，括号内表示某元素合金元素对钢的气割性能的影响等 离 子 体 加 工 又 称 为 等 离 子 弧 加 工(Plasma Arc Machining，PAM)，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气化去除工件材料。等离子弧是高能量密度的压缩电弧，现有的任何高熔点金属和非金属材料都可被等离子弧熔化。常见的方法有等离子体射流和等离子体电弧。liuzhidong328.3 等离子体加工等离子体加工8.3.1 等离子体加工原理等离子体加工原理liuzhidong33等离子体加工原理图等离子弧切割是利用高速、高温和高能量的等离子焰流来加热、熔化被切割材料，并借助内部或外部的高速气流或水流将熔化材料吹离基体，随着等离子弧割炬的移动而形成切割，同时被高速焰流吹除而形成切口的过程。常见的水压缩等离子弧切割，高压水从枪体通入，由喷嘴孔道喷出，与等离子弧直接接触。这种方法应用于水中切割工件，可以大大降低切割噪声、烟尘和烟气。liuzhidong348.3.2 等离子弧切割等离子弧切割liuzhidong35水压缩等离子弧切割原理及现场图（1）等离子弧温度高，能量密度大（2）切割速度快、生产率高（3）可以切割绝大多数金属和非金属（4）切割用等离子弧，使用时，其电源空载电压高，等离子流速高，热辐射强，噪声、烟气和烟尘严重，工作卫生条件较差，使用时应注意加强安全防护。liuzhidong36等离子弧切割特点等离子喷涂是利用等离子弧的高温，将难熔的金属或非金属粉末快速熔化，并以很高的速度将其喷撒成很细的颗粒，随等离子焰流一起喷射到工件上，并在产生塑性变形后粘结在工件表面形成一层牢固结合的具有特殊性能的涂层。等离子喷涂中的一个很有前途的应用是陶瓷喷涂。liuzhidong378.3.3 等离子喷涂等离子喷涂liuzhidong38等离子喷涂原理及现场liuzhidong39叶片表面等离子喷涂陶瓷涂层等离子电弧焊是一种惰性气体的保护焊，特别在薄板焊接及纲丝焊接方面，更能发挥其优越性。同时也可高速高效地焊接中等厚度的板料。中厚板等离子体电弧焊以高效焊接为目的，而薄板等离子体电弧焊是以精密焊接为目的。liuzhidong408.3.4 等离子等离子电弧弧焊（1）中厚板焊接具有较深的焊缝，焊透性好，焊速快，热影响区小，精度高；（2）等离子电弧喷射方向性好，工作稳定可靠；（3）焊接过程污染少，焊缝金属纯度高；（4）焊缝机械性能良好。liuzhidong41等离子电弧焊特点liuzhidong42 等离子电弧焊接原理及加工现场液体喷射加工（Liquid Jet Machining，LJM）是利用水或水加添加剂，经水泵和增压器，达到7000Mpa的压力，再经储液蓄能器，使高压液流平稳流动，最后由人工宝石做的喷嘴形成3000m/s的高速液流束，从孔径为0.1至0.5mm的喷嘴喷射到工件，而达到去除材料的目的。加工深度取决于液压喷射的速度、压力和喷射距离。被液体冲刷下来的切屑被液体带走。入口处射流的功率密度可达106W/mm2。liuzhidong438.4 喷射加工喷射加工8.4.1 喷射加工原理喷射加工原理liuzhidong44液体喷射加工的原理图liuzhidong45液体喷射加工机床及加工现场液体喷射加工有以下特点：（1）加工精度高;（2）可切割的材料多;（3）加工速度快;（4）切缝窄;（5）不产生热量，适合于木材等易燃材料的加工；（6）加工产物混入液流排出，无尘、无污染；喷嘴寿命长；设备简单，加工成本低。liuzhidong468.4.2 液体喷射加工的特点液体喷射加工的特点液体喷射加工按工作介质分为纯水喷射加工和在水中加磨料的磨料水喷射加工两个基本类型。纯水喷射加工适用于切割质地较软的材料，可以切割和打孔很薄、很软的金属或非金属。而磨料水喷射加工适合加工硬质材料，各种金属材料、合金、陶瓷和复合材料都可以进行加工。液体喷射加工的速度取决于工件材料，并与功率大小成正比，与材料厚度成反比。liuzhidong478.4.3 液体喷射加工的应用液体喷射加工的应用liuzhidong48材料材料厚度厚度/mm喷嘴直径嘴直径/mm压力力/Mpa切割速度切割速度/mms-1吸声板吸声板190.253101250玻璃玻璃钢3.550.254122.5环氧氧树脂脂6.90.3541227.5皮革皮革4.450.053039.1胶胶质玻璃玻璃100.3841270聚碳酸聚碳酸酯50.38412100聚乙聚乙烯30.052869.2苯乙苯乙烯30.0752486.4不同材料的切割速度liuzhidong49液体液体种类：水、水加添加剂；添加剂：甘油、聚乙烯、其他长链聚合物压力：70415MPa射流速度：300900m/s；流量：7.5L/min；对工件作用力：45134N喷嘴喷嘴材料：人造金刚石、淬火钢、不锈钢；直径：0.050.38mm直角：与工件表面法线成030性能性能功率：38kW；切割速度：（见表8-6）切缝宽度：0.0750.41mm；喷射距离：2.590mm水射流切割常用的加工参数liuzhidong50 液体喷射加工生产的零件所谓磁化切削，就是在切削过程中对切削区外加一个磁场，使之对切削加工产生有利作用的特种切削加工方法之一。按磁化对象可分为刀具磁化、工件磁化和刀具-工件一体磁化三种形式。liuzhidong518.5 磁化切削磁化切削8.5.1 磁化切削原理磁化切削原理liuzhidong52刀具磁化示意图1.刀具磁化在刀杆上套上线圈，通以电流产生磁场进行切削。此法缺点是刀具因伸出较长而影响刚度。优点是切削区磁场强，通用性好，应用范围广。2.工件磁化在工件一端套上线圈，通以电流产生磁场进行切削。此法缺点是消耗的电能较多。此外，也可在机床上装一套电磁铁，通电后产生磁场，将工件置于磁场中进行切削。其缺点是工件刚度受到减弱，实施上较前一种方法困难，因而应用较少。liuzhidong53工件磁化示意图liuzhidong54刀具工件磁化示意图3.刀具工件一体磁化切削时同时可对刀具与工件进行磁化，例如磁化钻削加工，不过此时主要磁化对象仍是工件。根据国内外的试验研究和应用表明，磁化切削具有如下效果：（1）能减小切削力与功率消耗（2）能减小刀具的磨损与提高刀具的耐用度（3）能减小加工表面粗糙度与提高加工精度（4）使用方便，安全可靠liuzhidong558.5.2 磁化切削的工艺效果磁化切削的工艺效果磁性磨料研磨加工（Magnetic Abrasive Machining，MAM）是一种光整加工技术，适用于对精密零件进行抛光和去毛刺。liuzhidong568.6 磁性磨料研磨加工磁性磨料研磨加工磁力研磨的原理是把磁性磨料放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线的方向有序地排列成磁力刷。把工件放入NS磁极中间，并使工件相对N极和S极保持一定的距离，当工件相对磁极作相对运动时，磁性磨料将对工件表面进行研磨加工。只要调节外加电压，就可以调节磁场强度的大小。liuzhidong578.6.1 加工原理加工原理liuzhidong58干性磁力研磨示意图磁性磨料结构示意图磁性磨料研磨加工技术主要用于精密机械零件的表面精整和去毛刺。去毛刺的高度不能超过0.1mm。常见的两种应用方法如下：1利用回转磁极研磨球面2磁力研磨阶梯形零件liuzhidong598.6.2 应用实例应用实例liuzhidong60球面的磁力研磨1.利用回转磁极研磨球面工具磁极的端面为球面，两个工具磁极绕同一轴线转动，转动方向相反。研磨时，工件不但转动，而且摆动，但球心始终不动。liuzhidong61阶梯形零件的磁力研磨2.磁力研磨阶梯形零件利用磁力研磨方法抛光圆柱阶梯形零件，可以将棱边上2030m高度的毛刺在几分钟内去除，研磨成的棱边圆角半径为0.01mm。磨料流加工，也称为挤压珩磨，是利用一种含磨料的半流动状态的粘弹性磨料介质，在一定压力下强迫在被加工表面上流过，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料的工艺方法。liuzhidong628.7 磨料流加工磨料流加工8.7.1 磨料流加工原理磨料流加工原理liuzhidong63磨料流加工过程的示意图1.适用范围可以适应各种复杂表面的抛光和去毛刺，如各种型孔、型面，像齿轮、叶轮、交叉孔、喷嘴小孔、液压部件、各种模具等等，所以它的适用范围是很广的，而且几乎能加工所有的金属材料，同时也能加工陶瓷、硬塑料等。2.抛光效果加工后的表面粗糙度一般可降低到加工前的十分之一，最佳的表面粗糙度可以达到Ra0.025m的镜面。磨料流动加工可以去除在0.025mm深度的表面残余应力，可以去除前面工序（如电火花加工、激光加工等）形成的表面变质层和其他表面微观缺陷。liuzhidong648.7.2 磨料流加工特点磨料流加工特点liuzhidong653.材料去除速度挤压珩磨的材料去除厚度一般为0.010.1mm，加工时间通常为15min，最多十几分钟即可完成，对一些小型零件，可以多件同时加工，效率可大大提高。对多件装夹的小零件的生产率每小时可达1000件。4.加工精度不能修正零件的形状误差，也不致于破坏零件原有的形状精度。由于去除量很少，可以达到较高的尺寸精度。一般尺寸精度可控制在微米数量级。由于激光的能量密度高，可对工件局部进行预热，降低工件的硬度和强度，从而减小机械力，实现由脆性破坏向塑性去除的转变，并可以延长刀具的使用寿命，因而逐渐应用于辅助难导电硬脆材料的切削、磨削和打孔等机械加工技术。liuzhidong668.8 激光预热辅助加工激光预热辅助加工liuzhidong67激光预热辅助切削示意图爆炸成形是利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能对金属坯料进行加工的高能率成形加工方法。liuzhidong688.9 爆炸成形加工爆炸成形加工 典型的爆炸成形系统由四个基本部分组成：1.炸药或火药（用火药时可以采用接触装药爆炸成形）；2.能量传递的介质（水、油、砂或空气等）；3.模具；4.工件。liuzhidong70爆炸拉深成形加工的原理1.能提高材料的塑性变形能力，适用于塑性差的难成形材料；2.一般情况下，爆炸成形无需使用冲压设备，生产条件简化；3.模具简单，仅用凹模即可，节省模具材料，降低成本；4.适于大型零件成形，爆炸成形不需专用设备，且模具及工装制造简单，周期短，成本低。爆炸成形特适用于单件、小批量生产的大型、复杂件的板料胀形、拉深和校形。爆炸成形的介质一般用水，也可以用砂。为了提高爆炸效率，保证安全生产，一般在井下爆炸。liuzhidong71爆炸成形加工的主要特点72 THANK YOUTHANK YOU！