1、第十章 精密加工与特种加工,第一节 概述 第二节 精密加工和超精密加工方法 第三节 电火花加工及线切割 第四节 激光加工,第一节 概述,现代制造技术是当前国际经济竞争、产品革命的一个重要武器.被视为一个国家在经济上获得成功的关键因素。作为现代制造技术的一个重要组成部分.精密加工技术已越来越为世人瞩目。按加工精度和加工表面质量的不同.通常可以把机械加工分为一般加工、精密加工和超精密加工。精密与超精密的概念是相对的.是与某个时代的加工与测量技术水平紧密相关的。所谓超精密加工技术.不是指某一特定的加工方法.也不是指比某一给定的加工精度高一个数量级的加工技术.而是指在一定的发展时期中.加工精度和表面质
2、量达到最高水平的各种加工方法的总称。,下一页,返回,第一节 概述,特种加工是相对传统的切削加工而言的.是指那些除了车、铣、刨、磨、钻等加工之外的一些新的加工方法。它与传统切削加工的主要不同点是:(1)加工过程所使用的能量不主要依靠机械能.而是更多地依靠其他能量(如电、化学、光、声、热等)进行加工。(2)工具硬度可以低于被加工材料的硬度。(3)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。,上一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,一、加工类型的划分根据我国目前的加工水平.按加工精度划分.机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。由于生产技术的不断发展.划分的界限将逐渐向前推
3、移.过去的精密加工对今天来说只算是普通加工. 因此.其划分的界限是相对的.且在具体数值上至今没有固定。,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,1.一般加工一般加工是指加工精度在10m左右，表面粗糙度Ra0.20.8m的加工方法.2.精密加工精密加工是指精度在100.1m、表面粗糙度值小于Ra0.1m的加工方法.3.超精密加工超精密加工一般指工件尺寸公差为0.10.01m数量级、表面粗糙度值Ra为0.001m数量级的加工方法。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,二、实现精密和超精密加工的条件1.加工环境精密加工和超精密加工必须具有超稳定的加工环境。因为加工环境的极
4、微小变化都可能影响加工精度超稳定加工环境主要是指在恒温、防振、超净三个方面的要求。2.工具切(磨)削性能精密加工和超精密加工必须能均匀地去除不大于工件加工精度要求的极薄的金属层。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,3.机床设备精密加工和超精密加工必须依靠高精密加工设备。高精密加工机床应具备以下条件:(1)机床主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性。(2)机床进给系统有超精确的匀速直线性.保证在超低速条件下进给均匀.不发生爬行。(3)为了在超精密加工时实现微量进给.机床必须配备位移精度极高的微量进给机构。(4)采用微型计算机控制系统.自适应控制系统.避免手工操作引起的随
5、机误差。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,4.工件材料精密加工和超精密加工对工件的材质有很高的要求。选择材料不仅要从强度、刚度方面考虑.而且更要注重材料加工工艺性。为了满足加工要求.工件材料本身必须均匀一致.不允许存在微观缺陷.有些零件甚至对材料组织的纤维化也有一定要求.如精密硬磁盘的铝合金盘基就不允许有组织纤维化。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,5.测控技术精密测量与控制是精密加工和超精密加工的必要条件.加工中常常采用在线检测、在位检测、在线补偿、预测预报及适应控制等手段.如果不具备与加工精度相适应的测量技术.就不能判断加工精度是否达到要求.
6、也就无法为加工精度的进一步提高指出方向。测量仪器的精度一般总是要比机床的加工精度高一个数量级.目前.超精密加工所用测量仪器多为激光干涉仪和高灵敏度的电气测量仪。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,灵敏的误差补偿系统也是必不可少的。误差补偿系统一般由测量装置、控制装置及补偿装置三部分组成。测量装置向补偿装置发出脉冲信号.后者接受信号后进行脉冲补偿。每次补偿量的大小.取决于加工精度及刀具磨损情况。每次补偿量越小.补偿精度越高.工件尺寸分散范围越小.但对补偿机构的灵敏度要求越高。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,三、精密加工和超精密加工的工艺特点精密加工
7、、超精密加工和一般加工比较有其独特的特性:(1)精密加工和超精密加工都是以精密元件为加工对象.(2)精密加工和超精密加工不仅要保证很高的精度和表面质量.同时要求有很高的稳定性或保持性.不受外界条件变化的干扰。(3)精密测量是精密加工的必要条件.没有相应的精密测量手段.就不能科学地衡量精密加工所达到的精度和表面质量。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,(4)现代精密加工常常与微细加工结合在一起.要有与精度相适应的微量切削.因此出现了一系列精密加工和微细加工的方法.(5)现代精密加工和超精密加工常常和自动控制联系在一起.广泛采用微型计算机控制、自适应控制系统.以避免手工操作引
8、起的随机误差.提高加工质量。(6)现代精密加工和超精密加工常常采用复合加工技术.以达到更理想的效果.,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,四、常用精密加工和超精密加工方法1.金刚石超精密切削1)切削机理2)金刚石刀具的刃磨及切削参数,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,2.精密磨削及金刚石超精密磨削精密磨削是指加工精度为10.1，表面粗糙度为Ra0.160.006的磨削方法; 而超精密磨削是指加工精度高于0.1，表面粗糙度值小于Ra0.040.02 的磨削方法。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,1)精密磨削及超精密磨削的加工机理精
9、密磨削主要是靠对普通磨料砂轮的精细修整.使磨粒具有微刃性和等高性。等高的微刃在磨削时能切除极薄的金属.从而获得具有大量极细微磨痕、残留高度极小的加工表面;再加上无火花阶段微刃的滑挤、摩擦、抛光作用.使工件得到很高的加工精度。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,2)金刚石砂轮的修整磨削的精度通常与砂轮的修整有很大的关系。粗粒度金刚石砂轮的修整常常采用金刚笔车削法和碳化硅砂轮磨削法.形成等高的微刃;这些方法都需工件停止加工并让开位置才能操作.修整器磨损较快.辅助加工时间增多.生产率低。对于细粒度金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性材料时.常常采用与特种加工工艺方法相结合的在线修整方法
10、。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,3)超精密磨床的技术要求为适应和达到精密、超精密加工的条件.对于金刚石精密及超精密磨削.其磨床设备应达到以下特殊要求:很高的主轴回转精度和很高的导轨直线度.以保证工件的几何形状精度;常常采用大理石导轨增加热稳定性;应配备有微进给机构.以保证工件的尺寸精度以及砂轮修整时的微刃性和等高性;工作台导轨低速运动的平稳性要好.不产生爬行、振动.以保证砂轮修整质量和稳定的磨削过程。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,4)精密磨削及超精密磨削的应用精密磨削及超精密磨削主要用于对钢铁等黑色金属材料的精密加工及超精密加工。如果采用
11、金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮.还可对各种高硬度、高脆性材料(如硬质合金、陶瓷、玻璃等)和高温合金材料进行精密加工和超精加工。因此.精密磨削及超精密磨削加工的应用范围十分广阔。,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,3.细微加工技术微机械是科技发展的重要方向.如未来的微型机器人可以进人到人体的血管里去清除“垃圾”、排除“故障”等。微机械是指尺寸为毫米级以及更小的微型机械.而细微加工则是微机械、微电子技术发展之基础.为此世界各国都投人巨资人发展细微加工技术.比如当今正在流行的“纳米加工技术”。细微加工技术是指制造微小尺寸零件、部件和装置的加工和装配技术.它属于精密、超精密加工的范畴
12、。因而其工艺技术包括:精密和超精密的切削与磨削方法;绝大多数的特种加工方法;与特种加工有机结合的复合加工方法三类.,上一页,下一页,返回,第二节 精密加工和超精密加工方法,五、超精密加工的发展趋势(1)高精度、高效率(2)工艺整合化。(3)大型化、微型化。(4)在线检测。(5)智能化。(6)绿色化。,上一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,一、电火花加工的原理、特点应用电火花加工又称电腐蚀加工.包括使用模具电极的型腔加工和使用电极丝的线切割加工。随着加工速度和电极损耗等加工特性的改善.电火花加工得到了很广泛的应用.从大到几米的金属模具.小到几微米的孔和槽都可以加工。特别是电火花线切割机床的出
13、现.使其应用范围更加广泛。,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,1.电火花加工的基本原理电火花加工的原理是基于工具电极与工件电极(正极与负极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来对工件进行加工.以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求。要将电腐蚀现象用于金属材料的尺寸加工.必须具备以下条件:,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,(1)放电点必须有足够的火花放电强度. (2)放电是短时间的脉冲放电。(3)先后两次脉冲放电之间.要有足够的停歇时间使极间介电液消除电离.恢复其介电性能.以保证每次放电不在同一点重复进行.避免发生局部烧伤现象。(4)工具与工件之间始终维持一定的间隙。(5)
14、极间充有一定的液体介质.并使脉冲放电产生的电蚀产物及时扩散、排出.使重复性脉冲放电顺利进行。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,2.电火花加工的特点1)电火花加工的优点(1)适合于难切削材料的加工。(2)可以加工特殊及复杂形状的零件。(3)主要用于加工金属等导电材料一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。(4)加工表面微观形貌圆滑.工件的棱边、尖角处无毛刺、塌边。(5)工艺灵活性大.本身有“正极性加工”(工件接电源正极)和“负极性加工”(工件接电源负极)加工之分;还可与其他工艺结合.形成复合加工.如与电解加工复合。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,2)电火花加
15、工的局限性(1)一般加工速度较慢。(2)存在电极损耗和二次放电。(3)最小角部半径有限制一般电。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,3.电火花加工的工艺方法分类及其应用按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同.电火花加工大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花线切割、电火花磨削和锁磨、电火花同步共扼回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类.,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,4.电火花成型加工工艺电火花成型加工主要包括穿孔加工和型腔加工两大类。1)冲模加工冲模加工是电火花穿孔加工的典型应用。一副冲模的主要零件是冲头和凹模。冲头可用成形磨削等一系列机
16、械加工方法加工。(1)工艺方法。衡量一副冲模质量的主要技术指标是:冲头和凹模的配合间隙、尺寸精度、表面粗糙度、刃口高度、刃口斜度和落料角。直接配合法。修配冲头法。修配电极法。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,(2)工具电极。当采用直接配合法时.为了使冲头和工具电极能同时用砂轮磨削.工具电极的材料就只能是钢或铸铁。用铸铁电极时的电火花穿孔加工过程比较稳定.生产率高.成本低。钢电极加工后的凹槽表面粗糙度值低.而且制造时可把工具电极和冲头做成整体。因此.应当根据具体情况来选用。当采用其他两种达到配合间隙要求的方法时.可用紫铜作为工具电极的材料.而对精度要求高的冲模.则可用铜钨或银钨
17、电极。(3)电规准的确定与转换。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,2)型腔模加工型腔模的电火花加工有其特定的工艺约束条件;型腔是盲孔.工具电极的损耗直接影响型腔的精度而无法通过进给补偿;工作液循环困难.蚀除产物排除条件差;金属去除量大;加工面积变化大等。1)工艺方法。由于以上特点.型腔膜的电火花加工就不能只是用一个与型腔形状相对应的整体成型电极沿着型腔的深度方向进给。当前常用的型腔模电火花加工方法有以下几种:单电极平动加工法。多次更换电极法。分解电极法。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,(2)工具电极。目前在型腔加工中应用较多的电极材料有紫铜和石墨两种。它们
18、的共同特点是:损耗小、生产效率高、加工稳定性好。两者相比.紫铜电极的尺寸精度较好.不会崩刃塌角.能制成薄片和其他复杂的形状.加工过程中不易拉弧烧伤.工件的表面粗糙度值低。石墨电极易于成形和修整.质量比较轻.但加工表面粗糙度不如紫铜电极好.而且精加工时的损耗较大。铜钨、银钨电极的抗损耗性能非常好.但材料价格很贵.故仅在加工高精度的型腔模时才采用。(3)加工规准的选择、转换和平动量的分配。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,二、电火荻线切割加工1.线切割加工的特点(1)采用水或水基工作液不会引燃起火.容易实现安全无人运转。(2)电极丝与工件始终有相对运动.尤其是快速走丝电火花线切割
19、加工.间隙状态可以认为是由正常火花放电、开路和短路这三种状态组成.不可能产生稳定的电弧放电。(3)电极与工件之间存在着“疏松接触”式轻压放电现象。因此电极短路已不成为大问题。(4)省掉了成型的工具电极.大大降低了成型工具电极的设计和制造费用.缩短了生产准备时间。这对新产品的试制是很有意义的。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,(5)由于电极丝比较细.可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。由于切缝很窄.且只对工件材料进行“套料”加工.实际金属去除量很少.材料的利用率和能量利用率都很高。这尤其是对加工贵重金属有重要意义。(6)由于采用移动的长电极丝进行加工.单位长度电极丝的损耗
20、少.对加工精度的影响小.特别在低速走丝线切割加工时.电极丝一次使用.电极损耗对加工精度的影响更小。(7)在实体部分开始切割时.需加工穿丝用的预孔。,上一页,下一页,返回,第三节 电火花加工及线切割,2.线切割加工的应用范围线切割加工为新产品试制、精密零件及模具制造开辟了一条新的工艺途径.主要应用于以下几个方面。(1)加工模具。(2)加工电火花成型加工用的电极。(3)加工零件。,上一页,返回,第四节 激光加工,1.激光加工的基本原理激光加工就是利用激光器发射出来的具有高方向性和高亮度的激光.通过光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑(直径仅有几微米或几十微米).使光斑处获得极高的能量密度达到上万摄
21、氏度的高温.从而能在很短的时间内使各种物质熔化和气化.从而达到蚀除工件材料的目的。,下一页,返回,第四节 激光加工,激光加工是一个高温过程.就其机理而言一般认为.当能量密度极高的激光照射在被加工表面时.光能被加工表面吸收并转换成热能.使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至气化蒸发.并形成小凹坑.同时也开始了热扩散.结果使斑点周围金属熔化.随着激光能量的继续吸收.凹坑中金属蒸气迅速膨胀.压力突然增加.熔融物被爆炸性地高速喷射出来。其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。这样.工件材料就在高温熔融和冲击波作用下.蚀除了部分物质.从而打出一个具有一定锥度的小孔。,上一页,下一页,返回
22、,第四节 激光加工,2.激光加工设备的构成1)激光2)激光器激光器一般有三个基本组成部分：工作物质、谐振腔、激励能源。,上一页,下一页,返回,第四节 激光加工,3.激光加工的特点与应用1)激光加工的特点(1)加工范围广。(2)操作简单方便。(3)适用于精微加工。(4)激光头不需要过分靠近难于接近的地方去进行切削和加工.甚至可以利用光纤传输进行远距离遥控加工。(5)因能量高度集中.加工速度快、效率高.可减少热传散带来的热变形。对具有高热传导和高反射率的金属.用激光加工时效率较低。(6)可控性好.易于实现自动化。,上一页,下一页,返回,第四节 激光加工,2)激光加工的应用在激光加工中利用激光能量高度集中的特点.可以打孔、切割、雕刻及表面处理。利用激光的单色性还可以进行精密测量。(1)激光打孔。(2)激光切割。(3)激光焊接;(4)激光的表面热处理。,上一页,返回,
