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特种加工与先进技工技术
电火花加工
Part 01
超声波加工
Part 03
电解加工
Part 02
激光加工
Part 04
先进加工技术
Part 05
电火花加工
一、电火花加工
电火花加工是指在一定介质中，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，又称为电腐蚀加工。电火花加工机床主要由主机、脉冲电源、自动进给调节器、工作液及其循环净化系统组成。
一、电火花加工
1.电火花加工的原理
电火花加工的原理如图1a所示。加工时，将工具电极和被加工的金属工件放入绝缘液体介质中，在两者之间加上100V左右的直流电压。
一、电火花加工
1.电火花加工的原理
因为工具电极和金属工件的微观表面不是完全光滑，而是存在无数个凹凸不平的局部表面，所以当两者逐渐接近、间隙变小时，在工具电极和金属工件表面之间的局部微小区域，电场强度急剧增大，引起绝缘液体的局部电离，于是产生脉冲放电，由于放电时间极短，放电区内形成局部高温，温度高达5000~12000℃，足以使金属工件局部熔化及汽化，并在放电爆炸力的作用下把熔化的金属微粒抛出，并被循环的绝缘液体介质带走，从而达到去除金属的目的。
一、电火花加工
1.电火花加工的原理
每次放电后，金属工件表面上会产生微小的放电痕，这些放电痕的大量积累就实现了金属工件的加工。最终工具电极的形状就精确地“复印”在金属工件上，从而完成加工过程。电火花加工的产品如图1b所示。
一、电火花加工
2.电火花加工的特点
电火花加工放电间隙小、温度高、放电点电流密度大；适应性强，可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料；加工时“无切削力”，工件装夹十分方便；当脉冲宽度不大时，对工件而言几乎没有热影响，工件加工后的表面质量高；生产中可以通过控制极性和脉冲的长短（放电持续时间的长短）控制加工过程，并可连续进行粗加工、半精加工和精加工；加工工时长、效率低，同时工件必须是导体，电极有损耗。
一、电火花加工
3.电火花加工的特点
电火花加工适合加工圆孔、方孔、多边形孔及异形孔等；适合加工各类锻模、压铸模、复合模、挤压模及塑料模等型腔；适合加工叶轮、涡轮叶片等各种曲面；适合切断、切割各类复杂的工件；还可以进行工件表面强化，如零件表面涂覆特殊材料等。
电解加工
二、电解加工
电解加工是利用金属工件在电解液中所产生的阳极溶解作用而进行加工的方法，又称电化学加工。电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用较广的一种新工艺，生产率比电火花加工高5~10倍。电解加工机床主要由机床主体、直流稳压电源及电解液系统组成。
二、电解加工
1.电解加工的原理
电解加工的原理如图1所示，在金属工件和工具电极之间接上低电压（6~24V）、大电流（500~20000A）的稳压直流电源，金属工件接正极（阳极），工具电极接负极（阴极），两者之间保持较小的间隙（通常为0.02~0.7mm），在间隙中有高速流动的电解液。
二、电解加工
1.电解加工的原理
在金属工件和工具电极之间施加一定的电压时，阳极金属工件表面的金属就逐渐按阴极工具电极型面的形状溶解，溶解的产物又被高速流动的电解液不断冲走，从而使阳极溶解能够连续进行，于是在金属工件上留下与工具电极形状相同的型面。
二、电解加工
2.电解加工的特点
电解加工的进给运动简单、加工速度快，且加工速度随电流密度的增大而加快，可一次加工出形状复杂的型面或型腔；可加工高硬度、高强度和高韧性的难切削材料，并且不产生加工毛刺。在加工过程中，工具电极是阴极，阴极上只产生氢气和沉淀而无溶解作用，因此工具电极无损耗，但工具电极的制造需要熟练的技术，一般采用铜、黄铜、不锈钢等材料制造。电解加工过程中无机械力和切削热的作用，因此在加工面上不存在应力和变形。由于影响电解加工的因素很多，故较难实现高精度的稳定加工，且电解液一般都有腐蚀性，电解产物有污染，因此对机床要采取防腐蚀、防污染等措施。
二、电解加工
3.电解加工的应用
电解加工主要用于加工各种形状复杂的型面，如汽轮机叶片、航空发动机叶片（图2）；各种型腔模具，如锻模、冲压模；各种型孔、深孔，炮管膛线、枪管内的来复线等。此外，还可用于电解抛光、去毛刺、切割、雕刻和刻印。电解加工适用于成批和大量生产，多用于粗加工和半精加工。
超声波加工
三、超声波加工
超声波加工是利用工具端面做超声波振动，带动工件与工具间的磨料悬浮液冲击和抛磨工件被加工部位，使工件局部材料破碎成粉末，实现穿孔、切割和研磨等的加工方法。超声波是指频率超过16kHz的振动波，其能量远比普通声波大。超声波加工实际上是利用超声波振动能量对工件进行成形加工的。超声波加工机床主要由机床主体、超声波发生器、超声振动系统、工作液及其循环净化系统组成。
三、超声波加工
超声波加工的原理如图1所示。加工时，在工具和工件之间注入液体（水或煤油等）和磨料混合的悬浮液，工具对工件保持一定的进给压力，并做高频振荡，频率为16~30kHz，振幅为0.01~0.15mm。
1.超声波加工的原理
三、超声波加工
磨料在工具的超声波振动作用下，以极高的速度不断撞击工件表面，使工件表面在瞬时高压下产生局部破碎。由于悬浮液的高速搅动，使磨料不断抛磨工件表面，随着悬浮液的循环流动，又使磨料不断得到更新，同时带走被粉碎下来的工件材料微粒。加工过程中工具逐渐伸入到工件中，最终工具的形状便“复印”在工件上。
1.超声波加工的原理
三、超声波加工
超声波加工是靠极小的磨料的磨削作用进行加工的，其加工精度较高，质量优于电解加工和电火花加工，被加工表面无残余应力、组织改变及烧伤等现象，而且加工过程中不需要工具旋转，工具可以采用较软的材料制造。另外，超声波加工机床结构比较简单，操作与维修方便，但生产率较低。
2.超声波加工的特点
激光加工
四、激光加工
激光加工是利用功率密度极高的激光束照射工件被加工部位，使工件材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波作用下将熔融材料喷射出去，实现穿孔、蚀刻和切割加工的方法。
四、激光加工
1.激光加工的原理
如图1所示，当激光物质受到光泵的激发后，会有少量激发粒子自发地发射出光子，于是其他激发粒子受感应将产生受激发射，造成光放大，放大的光通过谐振腔（由两个反射镜组成）的反馈作用产生振荡，并从谐振腔的一端输出激光。
四、激光加工
1.激光加工的原理
激光通过透镜聚焦到工件的待加工表面上，由于聚焦区域小、亮度高，其焦点处的功率密度达108~1010W/m2，温度可达10000℃以上，在此高温下坚硬的材料瞬时急剧熔化和蒸发，并产生强烈的冲击波，使熔化物质以爆炸方式喷射出去，激光加工就是利用这种原理实现的。
四、激光加工
2.激光加工的特点
激光加工具有加工尺寸精确、速度快、效率高、热影响区小、工件几乎无变形的特点，如打一个孔仅需0.001s；可通过透明介质进行加工，或采用激光束导引装置，实现对工件各个方向的加工；不需要高电压、高真空环境以及射线保护装置等；不受工件材料性能和加工形状的限制，能加工所有的金属材料和非金属材料，特别是能在坚硬材料或难熔材料上加工出各种微孔（φ0.01~φ1mm）、深孔（深径比为50~100）及窄缝等。
四、激光加工
3.激光加工的应用
激光加工主要用来加工化纤喷丝头、仪表中的宝石轴承、金刚石拉丝模具、火箭发动机和柴油机的燃料喷油嘴，也可用来进行精密零件的微型切割等。例如，采用硬质合金材料制造的化纤喷丝头的直径为100mm，利用激光可以在化纤喷丝头上加工出12000个直径为0.06mm的微孔。此外，利用激光可以对钟表中的宝石轴承进行打孔。
四、激光加工
高压“水刀”
俗话说“滴水石穿”，日本一家机械厂研制了水压切割机，如图2所示。该机器的喷头可喷出直径为0.1~0.3mm的高速水流，其压强达39200~98000kPa，高压水如同一把锋利的刀具，能切割一般合金钢、钛金属、陶瓷和混凝土等，而且工作时振动小，被切割物体不升温，没有烟和废气排出。此外，“水刀”不像有些刀具“吃硬不吃软”。“水刀”还具有清洁卫生的优点，用它切割食品也很理想，通过调整水压和喷头，还可以将其用于医疗等方面。
职业常识
四、激光加工
职业常识
先进加工技术
五、先进加工技术
先进加工技术是制造业不断吸收机械、电子、信息、材料、能源、自动化和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于机械制造全过程，实现优质、高效、低耗的加工技术的总称。先进加工技术是相对传统加工技术而言的。目前，先进加工技术主要有超精密加工技术、柔性制造单元（FMC）、超高速切削加工技术、绿色加工技术，快速成形技术等。
五、先进加工技术
超精密加工技术是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，主要指加工精度在0.1~0.01μm，表面粗糙度为Ra0.3~0.03μm的加工技术。例如，金刚车、金刚镗、研磨、珩磨及超精加工等，它们主要适用于加工精密机床、精密测量仪器等产品中的关键零件，如加工精密丝杠（图1）、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨及精密轴承等。
1.超精密加工技术
五、先进加工技术
柔性制造单元是数控机床的扩展。“柔性”是指能够容易地适应多品种、小批量的生产功能。柔性制造单元可由一台或数台设备组成。它具有独立的自动加工功能，有的还具有自动传送和监控管理功能，可实现某些零件的多品种、小批量加工。有些柔性制造单元还可实现24h无人运转。
2.柔性制造单元
五、先进加工技术
柔性制造单元有两大类：一类是数控机床配备机器人，如图2所示，加工中心上的工件由机器人来装卸，加工完毕的工件放在工件架上，监控器协调加工中心和机器人的动作；另一类是加工中心配备托盘交换系统，如图3所示，托盘上装有工件，当工件加工完毕时，托盘转位，加工另一工件，托盘支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动回转。托盘的选定和停位由可编程控制器来实现，一般托盘数量在5个以上。
2.柔性制造单元
五、先进加工技术
超高速切削加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进切削加工技术。其显著优点是在耗能、切削力、刀具磨损及加工表面质量等方面均优于传统的切削方法，特别是在加工效率提高方面非常显著。例如，采用超高速切削加工技术加工飞机或汽车上的铝合金零件，其工作效率比传统的切削加工方法提高3倍以上。
3.超高速切削加工技术
五、先进加工技术
绿色加工技术是从绿色制造技术中细化出来的。绿色加工技术是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用资源，尽量减轻加工过程对环境的有害影响，在加工过程中实现优质、低耗、高效及清洁化。
根据绿色加工技术追求的目标可将绿色加工技术分为低物耗的绿色加工技术、低能耗的绿色加工技术、废弃物少的绿色加工技术和少污染的绿色加工技术。
4.绿色加工技术
五、先进加工技术
根据采用的加工介质的不同，绿色加工技术分为自然绿色加工和辅助绿色加工。自然绿色加工是指在机械加工时，除自然环境冷却外，不使用任何其他附加的介质（如冷风、水、植物油等）的加工方法，如干式切削（或磨削）、高速干式铣削等。辅助绿色加工是指把无污染冷却介质（或润滑油）输入切削区域，起冷却或润滑等作用的加工方法，如射流加工和喷雾加工。
4.绿色加工技术
五、先进加工技术
快速成形技术又称为快速原型（RP）技术，是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成形系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像一台“立体打印机”。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
快速成形技术是20世纪90年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造企业新产品开发服务的一项关键性技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。该技术自问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
快速成形技术的基本原理是将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层横截面的轮廓数据。计算机根据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层又一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或黏合剂）形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，然后再采用熔结、聚合、黏结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。这种工艺可以形象地称为“增长法”或“加法”。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有三维印刷（3DP）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）和熔积成形（FDM）等。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
三维印刷（3DP）采用粉末材料成形，如采用陶瓷粉末、金属粉末等。零件是由粉末和胶水组成的。在成形过程中，不是通过烧结将粉末连接起来，而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将零件的横截面“印刷”在材料上。
快速成形技术的优点是可以在不准备任何模具、刀具和工装夹具的情况下直接接受产品设计数据，快速制造出新产品的样件（图4）、模具或模型。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
因此，快速成形技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。将传统的由“去除法加工”转变为“增长法加工”，由“有模具制造”转变到“无模具制造”，这就是快速成形技术对制造业产生的革命性影响。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
快速成形技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片加工，可大大降低实体的加工难度，具有以下突出特点：
①实体成形的全过程具有快速性，适合现代新产品开发更新换代快、批量小的趋势。
②可以制造任意复杂形状的三维实体。
③可用CAD模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境
④成形过程不需专用夹具、模具、刀具、既节省了费用，又缩短了制作周期。
⑤技术具有高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，具有鲜明的高新技术特征。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
以上特点决定了快速成形技术主要适用于新产品开发、快速单件及小批量零件的制造、复杂形状零件的制造以及模具与模型的设计与制造，也适用于难加工材料的制造、外形设计检查及装配检验等。目前，快速成形技术应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，并且在医疗、人体工程及文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。
5.快速成形技术
五、先进加工技术
实践与思考
电火花加工有何特点？什么是绿色加工技术？
谢谢观看！

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