制造技术6章特种加工技术讲.ppt

课程名称 制造技术及发展上课时间 周三9 10节 1 15周 上课地点 桃西楼202答疑时间 每周五晚7 00 9 00答疑地点 15号楼404室机械系办公室任课教师 刘军电话 63554632 办 13015524951办公室 15号楼404机械系办公室考核形式 平时 20 上课 作业等 考试 80 考试时间 地点 教务处安排 从网上查看 制造技术及发展 主讲 刘军教材 自编 讲义班级 临班0632 135人 学时 30 ZhizaoJishujiFazhan 制造技术及发展 1制造技术与制造系统2机械工程材料及热处理3机械设计技术4材料成型制造技术5金属切削加工技术6特种加工技术 制造技术及发展 1制造技术与制造系统2机械工程材料及热处理3机械设计技术4材料成型制造技术5金属切削加工技术6特种加工技术 传统的机械加工已有很久的历史 它对人类的生产和物质文明起了极大的作用 目前我们的大部分产品还是依靠传统的方法加工和装配得到的 如我们的家用电器 电冰箱 洗衣机 空调等 我们的交通工具 如汽车 火车 飞机等 以及各种武器装备 枪 炮 坦克 火箭等 6特种加工 6 1特种加工的产生及发展 2011年4月27日第8次课16学时 传统的机械加工方法是用机械能量和切削力切除多余的金属 使零件具有一定的几何形状 尺寸和表面粗糙度 它要求刀具材料比工件材料硬 随着科学技术的发展 特别是上个世纪50年代以来 随着生产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的要求尖端科学技术产品向高精度 高速度 高温 高压 大功率 小型化等 方向发展 它们使用的材料越来越难加工 零件的形状越来越复杂 尺寸精度 表面粗糙度和某些特殊要求也越来越高 因而对机械制造部门提出一些新的要求 1 解决各种难切削材料的加工问题 如硬质合金 钛合金 耐热钢 不锈钢 淬火钢 金刚石 宝玉石 石英以及锗 硅等各种高硬度 高强度 高韧性 高脆性的金属及非金属材料的加工 2 解决各种特殊复杂表面的加工问题 如喷汽涡轮机叶片 整体涡轮 发动机机匣 锻压模和注射模的立体成型表面 各种冲模 冷拔模上特殊断面的型孔 炮管内膛线 喷油咀 栅网 喷丝头上的小孔 窄缝等的加工 3 解决各种超精 光整或具有特殊要求的零件的加工问题 如对表面质量和精度要求很高的航天 航空陀螺仪 伺服 阀 以及细长轴 薄壁零件 弹性元件等低刚度零件的加工 要解决上述一系列工艺问题 仅仅依靠传统的切削加工方法就很难实现 甚至根本无法实现 人们相继探索研究新的加工方法 特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的 特种加工 国外称作非传统加工 Non TraditionalMachining NTM 或 非常规加工 Non ConventionalMachining NCM 是一种采用不同于传统切削磨削加工工艺及装备的加工技术 是将电 磁 声 光 热等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加在被加工的部位上 从而使材料被去除 变形及改变性能等 特种加工具有下列特点 1 工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度 2 可直接利用电能 电化学能 声能或光能等能量对材料进行加工 3 加工过程中机械力不明显 工件很少产生机械变形和热变形 有助于提高工件的加工精度和表面质量 4 各种方法可以有选择地复合成新的工艺方法 使生产效率成倍地增长 加工 精度也相应提高 5 几乎每产生一种新的能源 就有可能产生一种新的特种加工方法 正因为特种加工工艺具有上述特点 所以就总体而言 特种加工可以加工任何硬度 强度 韧性 脆性的金属或非金属材料 且专长于加工复杂 微细表面和低刚度零件 同时 有些方法还可用以进行超精加工 镜面光整加工和纳米级 原子 级 加工 1943年 前苏联的拉扎连柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电的腐蚀损坏的现象和原因时 从火花放电时的瞬时高温 可使金属局部熔化 气化而被蚀除掉的现象 顿悟到创造一种全新的加工方法的可能性 继而深入进行研究 最终发明了电火花加工这种新型的加工方法 用铜丝在淬火钢上加工出小孔 可用软的工具加工 2011年5月4日第9次课18学时 任何硬度的金属材料 首次摆脱了传统的切削加工方法 直接利用电能和热能来去除金属 获得 以柔克钢 的效果 继电火花加工出现以后 人们又不停顿地进行研究和探索 相继发展了一系列的特种加工新方法 如电解加工 超声波加工和激光加工等 从而开创了特种加工的广阔领域 国外 特别是日本 俄罗斯 美国 瑞士等工业化国家对特种加工技术给予了高度的重视 日本把它列为机械装备的三大支柱之一 他们从理论研究 技术应用到加工设备的研制已达到了很高的水平 他们的特种加工设备以高度自动化 多功能 加工工艺指标高 质量好及可靠性高而畅销全球 我国的特种加工技术起步较早 上世纪50年代中期我国工厂中已设计研制出电火花穿孔机床 电火花表面强化机 中国科学院电工研究所 原机械部机床研究所 原航空部625研究所 哈尔滨工业大学 大连理工大学等相继成立电加工研究室和开展电火花加工的科研工作 50年代末营口电火花机床厂开始成批生产电火花强化机和电火花机床 成为我国第一家电 加工机床专业生产厂 以后 上海第八机床厂等也专业生产电火花加工机床 60年代初 中国科学院电工研究所研制成功我国第一台靠模仿形电火花线切割机床 这是我国电火花线切割加工的 春燕 60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极 机械切割的基础上发明出我国独创的高速走丝线切割机床 上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统 从此如雨后 春笋一般 电火花 线切割加工技术在我国迅速发展 50年代末电解加工也开始在原兵器工业部采用 用来加工炮管内的膛线等 以后逐步用于航空工业中加工喷气发动机叶片和汽车拖拉机行业中的型腔模具等 50年代末我国曾出现 超声波热 把超声技术用于强化工艺过程和加工 成立 了上海超声仪器厂和无锡超声电子仪器厂 1979年我国成立了全国性的电加工学会 1981年我国高校间成立了特种加工教学研究会 这对电加工和特种加工的普及和提高起了很大的促进作用 由于我国幅员辽阔 人口众多 在工业化过程中 对特种加工技术既有广大的社会需求 又有巨大的发展潜力 1997年我国电火花穿 孔 成型机床的年产量大于1000台 电火花数控线切割机床的年产量超过3800台 其它电加工机床在200台以上 已有50多个电加工机床生产企业 电加工 特种加工的机床总拥有量也居世界的前列 我国已有多名科技人员获电火花 线切割 超声波 电化学加工等八项国家发明奖 但是由于我国原有的工业基础薄弱 特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平还有 不少差距 高档电加工机床每年还从国外进口300台以上 有待于我们去努力赶超 特种加工的分类还没有明确的规定 一般按能量来源和作用形式以及加工原理可分为表6 1所示的形式 6 2特种加工的的分类 表6 1常用特种加工方法分类表 在发展过程中也形成了某些介于常规机械加工和特种加工工艺之间的过渡性工艺 例如在切削过程中引入超声振动或低频振动切削 在切削过程中通以低电压大电流的导电切削 加热切削以及低温切削等 这些加工方法是在切削加工的基础上发展起来的 目的是改善切削的条件 基本上还属于切削加工 在特种加工范围内还有一些属于减小表面粗糙度值或改善表面性能的工艺 前者如电解抛光 化学抛光 离子束抛光等 后者如电火花表面强化 镀覆 刻字 激光表面处理 改性 电子束曝光 离子镀 离子束注入掺杂等 随着半导体大规模集成电路生产发展的需要 上述提到的电子束 离子束加工 就是近年来提出的超精微加工 即所 谓原子 分子单位的纳米加工方法 此外 还有一些不属于尺寸加工的特种加工 如液中放电成形加工 电磁成形加工 爆炸成形加工及放电烧结等等 这里不予阐述 这里主要介绍电火花 电解 电解磨 激光 超声 电子束 离子束等加工方法的基本原理 基本设备 主要特点及使用范围 表6 2为上述特加工方法的综合比较 表6 2几种常用特种加工方法的加工比较 由于上述各种特种加工工艺的特点以及逐渐广泛的应用 引起了机械制造工艺技术领域内的许多变革 例如对 材料的可加工性 工艺路线的安排 新产品的试制过程 产品零件设计的结构 6 3特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响 零件结构工艺性好 坏的衡量标准等产生了一系列的影响 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 特种加工方法使材料的可加工范围从普通材料发展到硬质合金 超硬材料和特殊材料 2 改变了零件的典型工艺路线 以往除磨削外 其它切削加工 成形加工等都必须安排在淬火热处理工序之前 这是一切工艺人员决不可违反的工艺准则 特种 加工的出现 改变了这种一成不变的程序格式 由于它基本上不受工件硬度的影响 而且为了免除加工后再淬火热处理引起变形 一般都先淬火而后加工 最为典型的是电火花线切割加工 电火花成形加工和电解加工等都必须先淬火 后加工 3 特种加工改变了试制新产品的模式 以往试制新产品的关键零部件 必须先设计 制造相应的刀 夹 量具和模 具 以及二次工装 现在采用数控机床电火花线切割 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 微型电动机定子 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 这样可以省去设计和制造相应的刀 夹 量具 模具及二次工具 大大缩短了试制周期 快速成形技术 更是试制新产品的必要手段 改变了过去传统 的新产品试制模式 4 特种加工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 模如山形硅钢片冲模 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 喷气发动机蜗轮也由于电加工而也可采用带冠整体结构 大大提高了发动机性能 特种加工使产品零件可以更多地采用整体结构 5 对传统的结构工艺性的好坏 需要重新衡量 过去对方孔 小孔 深孔 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 采用电加工后变难为易了 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 现在大可不必 可用电打火打孔 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 其实是他们没有及时进行知识更新 过去很多不可修废品 现在都可用特种加工方法进行修复 例如 啮 合不好的齿轮 可用电火花跑合 尺寸磨小的轴 磨大的了孔 以及工作中磨损了的轴和孔 可用电刷镀修复 现代产品结构中可以大量采用小孔 小深孔 深槽和窄缝 6 特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段 近年来出现并快速发展的微细加工和纳米加工技术 主要是电子束 离子束 激光 电火花 电化学等电物理 电化学特种加工技术 电火花加工又称放电加工 ElectricalDischargeMachining EDM 在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产 它在加工过程中 使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电 靠放电时局部 瞬时产生的高温把金属蚀除下来 因放电过程中可见到火花 故称之为电火花加工 日本 英 美称之为放电加工 前苏联及俄罗斯也称电蚀加工 6 4电火花加工 电化学加工 ElectrochemicalMachining简称ECM 包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀 涂覆加工两大类 虽然有关的基本理论在19世纪末已经建立 但真正在工业上得到大规模应用 还是20世纪30 50年代以后的事 目前 电化学加工已经成为我国民用 国防工业中的一个不可或缺的加工手段 6 5电化学加工 激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学 在材料加工方面 已逐步形成一种崭新的加工方法 激光加工 LasserBeamMachining LBM 激光加工可以用于打孔 切割 电子器件的微调 焊接 热处理 以及激光存贮等各个领域 由于激光加工不需要加工工具 而且加工速度快 表面变形小 可 6 6激光加工 以加工各种材料 已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性 所以很受人们的重视 激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料的 人们曾用透镜将太阳光聚焦 使纸张木材引燃 但无法用作材料加工 这是因为 地面上太阳光的能量密度不高 太阳光不是单色光 而是红橙黄绿青蓝紫等多种不同波长的多色光 聚焦后焦点并不在同一平面内 只有激光是可控的单色光 强度高 能量密度大 可以在空气介质中高速加工各种材料 日益获得广泛的应用 电子束加工 ElectronBeamMachining EBM 和离子束加工 IonBeamMachining IBM 是近年来得到较大发展的新兴特种加工 它们在精密微细加工方面 尤其是在微电子学领域中得到较多的应用 电子束加工主要用于打孔 焊接等热加工和电子束光刻化学加工 离子束加工则主要用于离子刻蚀 离子镀膜 6 7电子束和离子束加工 和离子注入等加工 近期发展起来的亚微米加工和毫微米 纳米 加工技术 主要是用电子束加工和离子束加工 超声加工 UltrasonicMachining USM 有时也称超声波加工 电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料 不易加工不导电的非金属材料 然而超声加工不仅能加工硬质合金 淬火钢等脆硬金属材料 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 同时还可以用于清洗 焊接和探伤等 6 8超声加工 化学加工 ChemicalMachining CHM 是利用酸 碱 盐等化学溶液对金属产生化学反应 使金属腐蚀溶解 改变工件尺寸和形状 以至表面性能 的一种加工方法 化学加工的应用形式很多 但属于成形加工的主要有化学铣切 化学蚀刻 和 6 9其它特种加工 6 9 1化学加工 光化学腐蚀加工法 属于表面加工的有化学抛光和化学镀膜等 等离子体加工又称等离子弧加工 PlasmaArcMachining PAM 是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束 靠局部熔化及气化来去除材料的 等离子体被称为物质存在的第四种状态 物质存在的通常三种状态是气 液 固三态 等离子体是高温电离的气体 它 6 9 2等离子体加工 由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后 离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子所组成 整体的正负离子数目和正负电荷数值仍相等 因此称为等离子体 挤压珩磨在国外称磨料流动加工 AbrasiveFlowMachining AFM 是70年代发展起来的一项表面加工的新技术 最初主要用于去除零件内部通道或隐蔽部分的毛刺而显示出优越性 随后扩大应用到零件表面的抛光 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 6 9 3挤压珩磨 迫在被加工表面上流动 由磨料颗粒的刮削作用去除工作表面微观不平材料的工艺方法 水射流切割 WaterJetCuting WJC 又称液体喷射加工 LiguidJetMachining LJM 是利用高压高速水流对工件的冲击作用来去除材料的 有时简称水切割 或俗称水刀 如图6 32所示 采用水或带有添加剂的水 以500 900m s的高速冲击工件进行加工或切割 水经水泵后通过增压器增压 贮液蓄能器 6 9 4水射流切割 使脉动的液流平稳 水从孔径为0 1 0 5mm的人造蓝宝石喷嘴喷出 直接压射在工件加工部位上 加工深度取决于液压喷射的速度 压力以及压射距离 被水流冲刷下来的 切屑 随着液流排出 人口处束流的功率密度可达106W mm2 磁性磨料研磨加工 MagneticAbrasiveMachining MAM 又称磁力研磨或磁磨料加工 它和磁性磨料电解研磨加工 MagneticAbrasiveElectrochemicalMachining MAECM 是近10年来发展起来的光整加工工艺 在精密仪器制造业中得到日益广泛的应用 6 9 5磁性磨料研磨加工和磁性磨料电解研磨加工 磁性磨料研磨的原理在本质上和机械研磨相同 只是磨料是导磁的 磨料作用于工件表面的研磨力是磁场形成的 微弧氧化表面处理是基于电火花 短电弧 放电和电化学 化学等综合作用使铝及铝合金表面生长 形成一层很薄的多功能的陶瓷膜 这是近年来国内外竞相研究的一项已实用化的表面处理新技术 铝 包括镁和钛 及其合金因其重量轻而被广泛应用于航天 航空和其它民用工业中 但其缺点是表面硬度低 不耐磨 6 9 6铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术 损 哈尔滨工业大学所属的黑龙江中俄科技合作及产业化中心在几年前引进俄罗斯先进技术的基础上 掌握了在铝及铝合金等表面上用电火花微弧放电氧化原理 使之在表面生成三氧化二铝 Al2O3 为主的陶瓷薄层的现代先进技术 并开发出系列化的微弧氧化脉冲电源产品 北京师范大学 西安理工大学等也进行了这方面的研究 并也有商品化的脉冲电源产品 为了提高铝及铝合金的耐磨 耐腐蚀性能 早在数十年前就产生了铝表面阳极氧化工艺 它是在特定的电解液中将铝接低电压直流电源的阳极 在电化学的作用下 铝表面生成一层多孔 高电阻率的氧化层薄膜 经过后继处理 可以提高铝及铝合金的表面硬度和耐磨性 有的还可进行着色等处理 已广泛用于铝制品等工业部门中 铝合金微弧氧化表面处理技术 不同于上述铝阳极表面氧化技术 所形成的陶瓷膜也远比阳极氧化膜具有更多的功能和更好的性能 根据工件材料成分 工作液成分 脉冲电源波形和工艺参数的不同 微弧氧化后的表面陶瓷层具有不同的多种功能和应用范围 微弧氧化后的表面陶瓷层的功能和用途 1 高硬度 抗磨表层微弧氧化后生成的陶瓷薄层的硬度和抗磨性 可高于淬火钢 硬质合金 因此 在航天 航空或要求重量轻而耐磨的产品中 可以用铝合金代替钢材制作气动 液压伺服阀的阀套 阀芯和气缸 液压缸 在纺织机械高速运动的纱锭部件表面可在铝合金表面微弧氧化生成耐磨的陶瓷层 2 减磨表面由于微弧氧化后可以使之成为含有微孔隙的陶瓷表层 在使用传统润滑剂时摩擦系数可降低为0 12 0 06 如果在微孔隙中填充以二硫化钼或聚四氟乙烯等固体润滑剂 则更有独特的减摩擦 磨损效果 可用于汽车 摩托车活塞或其它需低摩擦系数的场合 3 耐腐蚀表面能耐酸 碱 海水 盐雾等的腐蚀 可用作化工 船舶 潜水艇 深水器械等设备的防腐保护层 4 电绝缘层电阻率可达到106 l010 cm 很薄的陶瓷表层 其绝缘强度可达几十兆欧以上 耐高压100 1000V 可以用于既要良好导电 又要良好绝缘性能的精密 微小的特殊机构中 5 热稳定 绝热 隔热表层由于表面覆盖有耐高温的陶瓷层 所以铝合金在短时间内可耐受800 900 C 甚至2000 C高温 可以提高铝 镁 钛等合金部件的工作温度 可用于火箭 火炮等需瞬时耐高温的零件 6 光吸收与光反射表层做成不同性能 不同颜色的陶瓷层 例如黑色或白色 可吸收或反射光能 80 或用于太阳能吸热器或电子元件的散热片 铝 镁 钛及其合金做成彩色的陶瓷表层 可以作为手机外壳等高级装饰材料 7 催化活性表层使之生成在内燃机活塞顶部 可把CO催化氧化成CO2 可减少沉积炭黑和一氧化碳的排放量 8 抑制生物 细菌表层微弧氧化时在陶瓷层中加入磷等某些化学物质 可以抑制某些生物生长 可用于防止在海水中船舶表面生长附着海藻 海蜊子等生物 或抑制电冰箱内壁生长细菌 9 亲生物层陶瓷表层加入钙等对生物亲和 活化的物质 可使植人体内钛合金的假肢表面 易于附着生长骨骼 微细血管和神经细胞的生物组织 由此可见 在铝 钛等合金表面的微弧氧化生成陶瓷层的技术 有很大的应用及发展前途 铝合金由于比强度大 塑性好 成形性好 在现代工业技术中其用量之多 范围之广仅次于钢铁 但是其耐磨性 耐热性 耐蚀性较差 这些问题在航空 航天 领域中及兵器制造中表现得更为突出 采用微弧氧化技术 在铝合金表面上原位生成陶瓷层 厚度可达100 300 m 显微硬度可达1000 1500HV 膜层可以获得较淬火钢还高的耐磨性和较低的摩擦系数 用带有这种陶瓷层结构的铝合金部件作成的摩擦配合副 比钢的使用寿命能提高十倍以上 汽车 装甲车的发动机的气缸 活塞长期工作在高温和严 重的粘结 摩擦条件下 使用寿命短 采用微弧氧化处理能提高发动机的寿命和效率 经微弧氧化的卫星铝合金高速轴 有很高的耐磨性 微弧氧化形成的多孔陶瓷层有很好的耐热性能 有实验表明 300 m厚的耐热层在一个0 1MPa压力下可短时承受3000 C的高温 得到的耐热层与基体结合牢固 不会因急冷急热在基体与覆层之 间产生裂纹 这项技术可用于运载火箭 卫星自控发动机上 在大量使用轻合金的国防工业及航空 航天部门中 具有重要意义 微弧氧化技术还可以形成9种不同性能和用途的表面层 可进一步扩大应用范围 此外 镁合金比铝合金更轻和有更好的性能 由于我国镁的储量远大于铝 今 后镁合金零件的成本可和铝合金持平 将逐步大量以镁代替铝 所以镁合金表面的微弧氧化技术也将会大量应用 同样 钛合金表面的微弧氧化技术在航天 航空及高档装饰业中也将获得特殊应用 请看 特种加工录像 2011年5月4日第9次课18学时 习题1 什么是特种加工 它具有哪些特点 2 上个世纪50年代以来工业部门对机械制造部门提出了哪些新的要求 3 特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的有哪些影响 4 电火花加工的原理是什么 5 电火花加工的特点是什么 它有哪些应用 6 电解加工的原理是什么 7 电解加工的特点是什么 它有哪些应用 8 激光加工的原理是什么 9 激光加工的特点是什么 它有哪些应用 说明 每人任选2题 5月11日交 任选2题2011年5月11日交 第6章完