第12章特種加工和先進加工技術

特種加工12.1先進加工技術12.212.1特種加工12.1.1特種加工概述1．特種加工的特點（1）工具材料的硬度可以極大低于工件材料的硬度。（2）可直接利用電能、電化學能、聲能或光能等能量對材料進行加工。（3）加工過程中的機械力不明顯。（4）各種加工方法可以有選擇地復合成新的工藝方法，使生產效率成倍地增長，加工精度也相應提高。2．特種加工的分類（1）使用電能與熱能：電火花加工（EDM）、電火花線切割加工（WEDM）、電子束加工（EBM）及等離子束加工（PAM）。（2）使用電能與化學能：電解加工（ECM）、電鍍加工（EPM）、刷鍍加工。（3）使用電化學能與機械能：電解磨削（ECG）、電解衍磨（ECH）。（4）使用聲能與機械能：超聲波加工（USM）。（5）使用光能與熱能：激光加工（LBM）。（6）使用電能與機械能：離子束加工（IM）。（7）使用液流能與機械能：擠壓衍磨（AFH）和水射流切割（WJC）。3．特種加工的優(yōu)越性（1）解決各種難切削材料的加工問題。如耐熱鋼、不銹鋼、鈦合金、淬火鋼、硬質合金、陶瓷及金剛石等各種高強度、高硬度、高韌性以及高純度的金屬和非金屬的加工問題。（2）解決各種復雜零件表面的加工問題。如各種熱鍛模、沖裁模的模腔和型孔、整體渦輪、噴油嘴、噴絲頭的微小異形孔的加工問題。（3）解決各種精密的、有特殊要求的零件加工問題。如航空航天、國防工業(yè)中表面質量和精度要求很高的陀螺儀、伺服閥以及低剛度細長軸、薄壁筒、彈性元件等的加工問題。12.1.2電火花加工1．電火花加工的原理（1）脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極。兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質（煤油、礦物油）中。（2）工具電極由自動進給調節(jié)裝置控制，以保證工具和工件在正常加工時維持一個很小的放電間隙（0.01～0.05mm）。（3）當脈沖電壓加到兩極間時，便將兩極間最近點的液體介質擊穿，形成截面積很小的放電通道，由于放電時間極短，致使能量高度集中，放電區(qū)域產生的高溫使材料熔化甚至蒸發(fā)。（4）第1次脈沖放電結束后，經過很短的時間間隔，第2次脈沖又在極間最近點擊穿放電。工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復制在工件上，形成所需要的加工表面。2．電火花加工的特點（1）可加工任何高強度、高韌性、高硬度、高脆性及高純度的導電材料，達到以柔克剛的效果。如不銹鋼、淬火鋼、硬質合金、導電陶瓷、立方氮化硼及人造聚晶金剛石等。（2）電火花加工是一種非接觸式加工，加工時不產生切削力，不受工具和工件剛度的限制，有利于進行小孔、深孔、彎孔、窄縫、薄壁彈性件等的加工以及低剛度工件和精密微細結構的加工。（3）只需更換工具電極，調節(jié)脈沖參數，就可在一臺機床上進行粗加工、半精加工和精加工。電脈沖參數的調節(jié)和工具電極的自動進給，都可以通過一定措施自動化，實現數控加工。（4）因為放電時間極短，所以放電溫度很高也不會對加工表面產生熱影響，適合加工熱敏感性很高的材料。3．電火花加工的應用（1）電火花成形加工。①電火花型腔加工。②電火花穿孔加工。（2）電火花線切割加工。①高速走絲線切割。②低速走絲線切割。（3）電火花磨削與鏜削加工①電火花磨削加工。②電火花鏜削加工。12.1.3激光加工1．激光打孔（1）激光打孔速度快，效率高，經濟效益好。（2）激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。（3）激光打孔為無接觸加工，不存在工具損耗，加工出的工件清潔、無殘渣。（4）激光打孔適合于數量多、高密度的群孔加工，可在難加工材料的傾斜面上加工小孔。2．激光切割激光切割通過激光器放電輸出受控的高頻脈沖激光，經過光路傳導及反射，然后聚焦到加工物體的表面上，以瞬間高溫熔化或者氣化被加工材料。切割過程時，切割頭會噴出一股與光束同軸的氣流，將熔化或氣化的材料從切口的底部吹出。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割具有高切割質量（切口寬度窄、熱影響區(qū)小、切口光潔）、高切割速度、高柔性（可隨意切割任意形狀）、廣泛的材料適應性等優(yōu)點。3．激光焊接激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接兩種。脈沖激光用于1

mm厚度以內的薄壁金屬材料的點焊和縫焊，工件整體溫升很小，工件變形小。4．激光打標激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料氣化或發(fā)生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級。12.1.4電子束加工和離子束加工1．電子束加工電子束加工時，聚焦后的電子束能量密度和功率密度極高，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在極短的時間內，大部分能量轉變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化或氣化。電子束可對材料表面進行熱處理、焊接、刻蝕、鉆孔及熔煉等加工。2．離子束加工離子束的離子質量比電子大數千倍乃至數萬倍，比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工是在真空條件下，把氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等惰性氣體通過離子源電離產生的離子束經過加速、聚焦后，射到工件表面的加工部位來實現加工的。離子束加工具有以下特點。（1）由于離子束流密度及離子的能量可以精確控制，因而加工精度高。離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細的加工方法，是當代納米級加工技術的基礎。（2）離子束加工在真空中進行，污染小，特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和半導體材料的加工。（3）離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現的，它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應力、變形等極小，加工質量高，適合于對各種材料和低剛度零件的加工。12.1.5超聲波加工1．超聲波加工的基本原理（1）加工時，在工具與工件之間加入液體（水或煤油）與磨料混合的磨料懸浮液，并使工具以很小的力壓在工件上。（2）超聲波換能器產生16

000Hz以上的聲頻，縱向振動，并借助變幅桿把振幅放大到0.05～0.1mm，驅動工具端面做超聲振動，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細的微粒。（3）工作液還會受工具端部的超聲振動作用，同時產生高頻、交變的液壓正負沖擊波，加強了機械的破壞作用。（4）工具的形狀和尺寸取決于工件被加工面的形狀和尺寸，通常采用韌性材料制成，常用未淬火碳素鋼。磨料常采用碳化硼、氧化鋁等，其粒度對加工生產率及精度有很大影響。2．超聲波加工的特點（1）超聲波加工對工件材料的宏觀作用力小，熱影響小，特別適于加工某些不能承受較大機械力的薄壁、窄縫和薄片零件等。（2）由于工具不需要旋轉，因此，易于加工出各種復雜形狀的型孔、型腔和成形表面等。（3）超聲波加工生產率低，加工的尺寸精度達

±

0.01mm，表面Ra值為0.63～0.1m。3．超聲波加工的應用超聲波加工主要用于各種不導電的硬脆材料，如玻璃、陶瓷、石英及寶石等。對于導電的硬質合金、淬火鋼等，也能加工，但生產率相對要低。目前，超聲波加工主要用于硬脆材料的孔加工、切割、雕刻及研磨金剛石拉絲模等。12.1.6水射流切割1．加工原理水射流切割是采用水或帶有添加劑的水，以500～900

m/s的高速沖擊工件進行加工或切割的，其加工深度取決于液壓噴射的速度、壓力及壓射距離。水射流切割的噴嘴越小，加工精度越高，但材料去除速度降低。水流切割時，作為工具的射流束是不會變鈍的，噴嘴的壽命也比較長。水流切割已采用了程序控制和數字控制，操作非常方便。2．水射流切割的應用水射流切割可以加工很薄、很軟的金屬和非金屬材料，例如銅、鋁、鉛、塑料、石材、木材及橡膠紙等。12.2先進加工技術12.2.1先進鑄造工藝1．精密鑄造技術（1）特種鑄造技術。以金屬型取代砂型，以非重力澆注取代重力澆注。（2）自硬砂精確砂型鑄造。主要有改性水玻璃砂型和合成樹脂砂型，適用于生產大中型近精確鑄件。（3）高緊實度半剛性砂型鑄造。主要有高壓、射壓、氣壓和靜壓等造型方法。2．清潔鑄造技術（1）采用潔凈的能源，如以鑄造焦代替冶金焦，以電熔化代替沖天爐熔化。（2）采用無砂、少砂鑄造（如壓鑄、金屬型、金屬型覆砂等）。（3）采用高潰散性型砂工藝（如樹脂砂、酯感化水玻璃砂）。（4）開發(fā)并推廣多種廢棄物（舊砂、廢渣等）的再生和綜合利用技術。（5）研究采用潔凈無毒的工藝材料。12.2.2精密金屬塑性成形工藝1．精密模鍛（1）精確計算原始坯料的尺寸，嚴格按坯料質量下料。（2）精細清理坯料表面，除凈坯料表面的氧化皮、脫碳層及其他缺陷等。（3）采用無氧化或少氧化加熱方法，盡量減少坯料表面形成的氧化皮。（4）模鍛時要很好地進行潤滑和冷卻鍛模。（5）精密模鍛一般都在剛度大、精度高的曲柄壓力機、摩擦壓力機或高速錘上進行。2．精密沖裁工藝（1）小間隙圓角刃口沖裁（2）負間隙沖裁。（3）帶齒圈壓板精沖。（4）往復沖裁。3．超塑性成形工藝超塑性是指材料在一定的內部組織條件和外部環(huán)境條件下，呈現出異常低的流變抗力和異常高的伸長率的現象。超塑性成形工藝包括超塑性等溫模鍛、擠壓、氣壓成形、真空成形和模壓成形等。用超塑性成形可以生產一些其他工藝方法無法成形的零件。然而，超塑性成形需要較高恒定的溫度條件，較低的成形應變速率，生產率較低，模具需耐高溫，這些因素導致超塑性成形工藝不能得到廣泛的推廣和應用。常用的超塑性成形材料主要有鋅鋁合金、鋁基合金、鈦合金及高溫合金。例如，采用鋅鋁合金等超塑性材料可以一次拉深較大變形量的杯形件，而且質量高。12.2.3粉末鍛造成形工藝（1）能源消耗低，材料利用率高。（2）鍛件精度高，力學性能好，內部組織無偏析，無各向異性。（3）疲勞壽命高。它的工藝過程為粉末制取—模壓成形—型坯燒結—鍛前加熱—鍛造—后續(xù)處理。粉末鍛造正在向“壓制—加熱—鍛造”方向發(fā)展，以縮短工藝周期，提高自動化程度，生產效率可高達800～900件/h。12.2.4精密和超精密加工12.2.5機械制造自動化1．工業(yè)機器人工業(yè)機器人是指廣泛適用的能夠自主動作且多軸聯動的機械設備。它們在必要的情況下配備有傳感器，其動作步驟都是可編程控制的，通常配備有機械手、刀具或其他可裝配的加工工具，能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務。2．加工中心數控機床的出現，不僅解決了采用常規(guī)方法難以解決的復雜零件的加工問題，而且為單一品種中小批量生產加工自動化開辟了新途徑。以計算機數控機床為基礎，配以刀具庫或多軸箱庫，即構成了加工中心。加工中心可根據加工程序自動更換刀具或多軸箱。工件在一次裝夾之后，可以完成4個面甚至5個面以上的各種加工工序。加工中心的應用大大減少了設備臺數和占地面積，減少了工件周轉時間和裝夾次數，有利于工藝管理，同時也提高了生產率和加工精度。3．柔性制造系統(tǒng)在數控機床、加工中心的基礎上，配以柔性的工件自動裝卸、自動傳送和自動存取裝置，并利用計算機進行管理和監(jiān)督，組成可自動連續(xù)加工多種零件的柔性制造系統(tǒng)。應用柔性制造系統(tǒng)可以減少制品的庫存量，并進一步提高設備利用率。4．計算機集成制造系統(tǒng)20世紀70年代后期，成組技術、柔性制造系統(tǒng)、自動化倉庫、計算機輔助設計與計算機輔助制造技術、工業(yè)機器人相結合，形成了高度自動化的計算機集成制造系統(tǒng)，它是把工廠的生產、經營活動中各種分散的自動化系統(tǒng)有機地結合成高效益、高柔性的智能生產系統(tǒng)，英文縮寫CIMS。CIMS追求的目標是整個工廠的自動化。系統(tǒng)的輸入是市場信息、訂貨以及人的設計管理思想，系統(tǒng)的輸出則是裝配好的、經過檢驗的可用產品。因此，有人稱采用此種系統(tǒng)的工廠為自動工廠。

3D打?。?DPrinting），即快速成形技術的一種，也稱為增材制造技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術”。

3D打印技術既可用于模具制造、工業(yè)設計等領域制造模型，也可用于產品的直接制造。12.33D打印技術

12.2.33D打印原理

1、3D打印的概念3D打印能節(jié)省材料，制造出更加復雜的結構。由于采用數據驅動原理，故其具有以下優(yōu)勢。（1）生產資料變得不再重要。只需要制作出模型數據包，即可通過租賃3D打印機制作出最終產品。（2）設計創(chuàng)意被放在了突出位置。3D打印技術可以擺脫工業(yè)時代產品必須量產才可獲得收益的限制，這樣個性化需求與創(chuàng)意化營銷就不會被扼制。生產團隊只需將重點放在設計創(chuàng)意上，而不再需要注重生產的過程。

2．3D打印與普通制造的根本區(qū)別

簡單概括3D打印的基本原理就是分層制造和逐層疊加。3D打印層層印刷的原理與噴墨打印機類似，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與計算機連接后，通過計算機控制采用分層加工，疊加成形的方式來“造型”，將設計產品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，一層一層疊加起來，最終將計算機上的藍圖變?yōu)閷嵨?。每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成形的區(qū)域灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散，然后是噴灑一層均勻的粉末。在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成形。加工過程僅需塑料、樹脂、金屬等物料，材料耗