第十八章 特 种 加 工第一节 概 述特种加工是指用电,声,光,热,磁及化学等的能量,对结构形状复杂,精度要求高,表面粗糙度低,材料难以加工的零件进行加工的方法 。
一、特种加工的产生随着科学技术的进步，许多部门对产品结构的要求日趋复杂，对性能的要求也日益提高。有的产品对高速度、大功率和小型化方面的要求越来越高，而有的产品对强度、韧性、硬度及耐高温、耐高压和抗腐蚀的能力要求越来越强，还有一些产品则对其结构形状以及精度提出了特殊的要求。
以上产品零件的加工用传统的切削加工方法，已不方便甚至不可能。机械制造业除了不断革新和发展传统的加工方法之外，还得不断地寻求新的加工方法，特种加工就是在这种前提下产生和发展起来的。
二,特种加工的特点
1） 特种加工工具的硬度可以低于工件的硬度,却能加工各种高硬度,高强度材料 。
2） 当利用电能等转换成热能来加工时,因热作时间很短,热作区很小,故能获得良好的表面质量,有利于加工热敏材料和低刚度零件 。
3） 在特种加工中,加工余量的去除过程大都是微细的,故它不仅能加工尺寸微小的孔或窄缝,有的还能获得极高的加工精度和极低的表面粗糙度 。
4） 在特种加工中,有的工件加工表面是工具形状,尺寸的复印 。
故特种加工可以采用简单的进给运动加工出复杂的型面 。
第二节 电火花加工一,电火花加工原理图 18-1所示为电火花加工原理 。
图 18-1 电火花加工原理
1－工件 2－绝缘介质 3－工具电极二,电火花加工的特点及应用电火花加工有如下特点：
1） 可以加工任何硬,脆,韧,软,高熔点材料 。
2） 有利于小孔,薄壁,窄槽以及各种复杂型孔,型腔等的加工 。
3） 可以减小材料被加工表面的热影响层,提高表面加工质量 。
4） 便于实现自动化 。
应用电火花加工技术,可以对金属零件进行电火花穿孔和成型加工,电火花线切割,电火花磨削,电火花表面强化与刻蚀等 。
三、电火花加工设备
（一）电火花加工设备的基本组成
（ 1）机床本体
（ 2）工作液循环系统
（ 3）脉冲电源（见图 18-2）
（ 4）自动进给调节装置图 18-2 电火花加工用脉冲电源
a） RC脉冲电源 b） 可控硅式脉冲电源
c） 晶体管式脉冲电源
（ 二 ） 电火花穿孔机
（ 1） 电火花穿孔机的功用 电火花穿孔机主要用于各种截面形状的直通孔,小孔和微孔及型腔的加工 。
（ 2）电火花穿孔机的组成 如图 18-3所示。
图 18-3 电火花穿孔机示意图
1－床身 2－立柱 3－工作台 4－加工箱 5－工件 6－工具电极
7－主轴箱 8－电源柜 9－工作液供应装置
（ 三 ） 电火花线切割机
（ 1） 线切割机的功用及组成 线切割机主要用于模具,夹具零件上各种形状的直通成形孔及成形柱面 （ 外表面 ） 的加工,对非圆曲面可近似加工 。
图 18-4所示为快走丝数控线切割机的组成 。
（ 2） 线切割机电极丝运动的控制方式及应用
1) 靠模仿型控制
2) 光电跟踪控制
3) 数字程序控制图 18-4 数控线切割机示意图
a） 组成 b） 切割区局部放大
1－上工作台 2－工具电极 3－步进电动机 4－精密丝杠 5－控制脉冲 6－数控装置
7－卷丝筒 8－走丝轮 9--工件 10－脉冲电源 11－喷嘴 12－支座 13－下工作台第三节 电解加工一,电解加工原理电解加工原理如图 18-5所示 。 电解加工形面成型的情况如图 18-6所示 。
图 18-5 电解加工原理图
1－电源 2－工具电极 3－工件
4－电解液 5－泵图 18-6 电解加工形面成型情况示意图
a） 加工开始 b） 加工完成
1－工具电极 2－工件二,电解加工的特点及应用
(1)特点 电解加工具有加工范围广,形面成型状况好,生产率高,工艺装备简单,操作方便,对工人操作技术要求不高等优点 。
但是,它还存在不易达到较高精度,电解加工附属设备多,占地面积大,对机床的防腐性要求高,工具电极制造工作量较大等缺点 。
(2)应用 主要用于能导电的难加工材料和形状复杂零件的加工,
如小深孔,枪炮管内孔的膛线,涡轮叶片,整体叶轮表面等的加工 。
第四节 超声波加工一、超声波加工原理加工原理如图 18-7所示 。
图 18-7 超声波加工原理
1－信号放大器 2－高频振荡器 3－硒整流器 4－励磁线圈 5－磁铁
6－换能器 7－变幅杆 8－工具 9－冷却器 10－泵 11－加工槽
12－夹具 13－工件 14－磨料液二,超声波加工的特点及应用主要特点是：
1） 适合于各类非金属硬脆材料 （ 如玻璃,陶瓷,人造宝石等 ）
的加工 。
2） 设备结构简单,维护方便 。
3） 适于加工薄壁,窄缝及低刚度的零件 。
4） 生产效率较低 。
目前超声波加工主要用于型孔和型腔加工,超声波切割,超声波焊接,超声波清洗及超声波复合加工等 。 图 18-8所示为超声波加工应用举例 。
图 18-8 超声波加工应用举例
a） 加工小孔 b） 加工异形孔 c） 加工型腔 d） 雕刻 e） 研磨金刚石拉丝模第五节 激光加工一,激光加工系统的组成系统的组成如图 18-9所示 。
图 18-9 激光加工系统组成框图二,激光加工的特点及应用主要特点：
1） 激光的能量密度高,可以加工任何金属和非金属材料 。
2） 激光束能聚焦成 1μ m以下的光斑,其热影响区小,工件变形小,因此适于进行微细加工 。
3） 激光加工速度快,热作用时间短,故可以加工热敏性材料 。
4） 激光可以通过透明的物质,故激光加工可以在任何透明的环境中进行操作 。
5） 激光加工不需要工具,故不存在设计制造工具和加工过程中的工具损耗问题 。
6） 激光易于导向,聚焦和发散,激光束的方向便于调节,因此易于实现激光加工自动化 。
7） 对于具有高热传导率或高反射率材料的加工比较困难,并且存在加工精度不高,输出能量难于精确控制以及加工效率低等缺点 。
激光加工主要用于打孔,切割和动平衡去重,焊接,涂敷,表面热处理,表面强化及光泽处理等方面 。
第六节 电子束和离子束加工电子束和离子束加工是近年来获得较大发展的两种特种加工技术,它们主要应用于精密微细加工方面 。
一,电子束加工
1,电子束加工原理加工原理如图 18-10所示 。
图 18-10 电子束加工原理
1－驱动电动机 2－工作台 3－工件 4－反射镜 5－偏转器 6－电磁透镜
7－电子枪 8－观察窗 9－窗口
2,电子束加工的特点电子束加工有如下特点：
1） 可实现亚微米级的精密微细加工 。
2） 工件不产生宏观应力变形 。
3） 加工材料的范围广 。
4） 加工效率非常高 。
5） 加工在真空中进行,尤其适合加工易氧化的金属及其合金材料 。
6） 电子束加工的成套设备价格昂贵,故其应用受到一定的限制 。
3,电子束加工的应用电子束加工可用于打孔,切割,焊接,蚀刻和光刻等,特别适合于高速打制微细异型孔,内曲面和弯孔,如图 18-11所示 。
图 18-11 电子束加工微细异形孔、曲面和弯孔
a) 电子束加工微细异形孔 b) 电子束加工工件内部曲面和弯孔二,离子束加工
1.离子束加工原理加工原理如图 18-12所示 。
图 18-12 离子束加工原理
1－阴极 2－工件 3－离子束流 4－电磁线圈 5－灯丝
6－电离室 7－阳极 8－阴极
2.离子束加工的特点
1） 可以实现毫微米 （ 0.001μ m） 级的加工 。
2） 适宜加工易氧化的金属,合金和高纯度的半导体材料 。
3） 加工应力小,热变形小,加工表面质量高 。
4） 易于实现自动化,但设备费用高,加工成本高 。
3,离子束加工的应用离子束加工的应用范围正在日益扩大,目前主要用于三个方面：
刻蚀加工,镀膜加工和用于工件表层改性的离子注入加工 。
第七节 复合加工对于前述特种加工,当把其中两种或两种以上的能量形式合理地组合在一起,就可实现复合加工 。 复合加工有很大的优点,
它能成倍地提高加工效率和进一步改善加工质量 。 下面择要介绍两种复合加工 。
1,超声电解复合抛光复合抛光的加工原理如图 18-13所示。
图 18-13 超声电解复合抛光原理
1－工件 2－电解液 3－电解电源 4－工具 5－钝化膜图 18-14 超声调制激光复合加工
1－工件 2－透镜 3－激光 4－半反射镜 5－工作物质
6－全反射镜 7－变幅杆 8－换能器 9－超声波发生器
2,超声调制激光复合加工超声调制激光打孔的工作原理如图 18-14所示。
本 章 结 束
一、特种加工的产生随着科学技术的进步，许多部门对产品结构的要求日趋复杂，对性能的要求也日益提高。有的产品对高速度、大功率和小型化方面的要求越来越高，而有的产品对强度、韧性、硬度及耐高温、耐高压和抗腐蚀的能力要求越来越强，还有一些产品则对其结构形状以及精度提出了特殊的要求。
以上产品零件的加工用传统的切削加工方法，已不方便甚至不可能。机械制造业除了不断革新和发展传统的加工方法之外，还得不断地寻求新的加工方法，特种加工就是在这种前提下产生和发展起来的。
二,特种加工的特点
1） 特种加工工具的硬度可以低于工件的硬度,却能加工各种高硬度,高强度材料 。
2） 当利用电能等转换成热能来加工时,因热作时间很短,热作区很小,故能获得良好的表面质量,有利于加工热敏材料和低刚度零件 。
3） 在特种加工中,加工余量的去除过程大都是微细的,故它不仅能加工尺寸微小的孔或窄缝,有的还能获得极高的加工精度和极低的表面粗糙度 。
4） 在特种加工中,有的工件加工表面是工具形状,尺寸的复印 。
故特种加工可以采用简单的进给运动加工出复杂的型面 。
第二节 电火花加工一,电火花加工原理图 18-1所示为电火花加工原理 。
图 18-1 电火花加工原理
1－工件 2－绝缘介质 3－工具电极二,电火花加工的特点及应用电火花加工有如下特点：
1） 可以加工任何硬,脆,韧,软,高熔点材料 。
2） 有利于小孔,薄壁,窄槽以及各种复杂型孔,型腔等的加工 。
3） 可以减小材料被加工表面的热影响层,提高表面加工质量 。
4） 便于实现自动化 。
应用电火花加工技术,可以对金属零件进行电火花穿孔和成型加工,电火花线切割,电火花磨削,电火花表面强化与刻蚀等 。
三、电火花加工设备
（一）电火花加工设备的基本组成
（ 1）机床本体
（ 2）工作液循环系统
（ 3）脉冲电源（见图 18-2）
（ 4）自动进给调节装置图 18-2 电火花加工用脉冲电源
a） RC脉冲电源 b） 可控硅式脉冲电源
c） 晶体管式脉冲电源
（ 二 ） 电火花穿孔机
（ 1） 电火花穿孔机的功用 电火花穿孔机主要用于各种截面形状的直通孔,小孔和微孔及型腔的加工 。
（ 2）电火花穿孔机的组成 如图 18-3所示。
图 18-3 电火花穿孔机示意图
1－床身 2－立柱 3－工作台 4－加工箱 5－工件 6－工具电极
7－主轴箱 8－电源柜 9－工作液供应装置
（ 三 ） 电火花线切割机
（ 1） 线切割机的功用及组成 线切割机主要用于模具,夹具零件上各种形状的直通成形孔及成形柱面 （ 外表面 ） 的加工,对非圆曲面可近似加工 。
图 18-4所示为快走丝数控线切割机的组成 。
（ 2） 线切割机电极丝运动的控制方式及应用
1) 靠模仿型控制
2) 光电跟踪控制
3) 数字程序控制图 18-4 数控线切割机示意图
a） 组成 b） 切割区局部放大
1－上工作台 2－工具电极 3－步进电动机 4－精密丝杠 5－控制脉冲 6－数控装置
7－卷丝筒 8－走丝轮 9--工件 10－脉冲电源 11－喷嘴 12－支座 13－下工作台第三节 电解加工一,电解加工原理电解加工原理如图 18-5所示 。 电解加工形面成型的情况如图 18-6所示 。
图 18-5 电解加工原理图
1－电源 2－工具电极 3－工件
4－电解液 5－泵图 18-6 电解加工形面成型情况示意图
a） 加工开始 b） 加工完成
1－工具电极 2－工件二,电解加工的特点及应用
(1)特点 电解加工具有加工范围广,形面成型状况好,生产率高,工艺装备简单,操作方便,对工人操作技术要求不高等优点 。
但是,它还存在不易达到较高精度,电解加工附属设备多,占地面积大,对机床的防腐性要求高,工具电极制造工作量较大等缺点 。
(2)应用 主要用于能导电的难加工材料和形状复杂零件的加工,
如小深孔,枪炮管内孔的膛线,涡轮叶片,整体叶轮表面等的加工 。
第四节 超声波加工一、超声波加工原理加工原理如图 18-7所示 。
图 18-7 超声波加工原理
1－信号放大器 2－高频振荡器 3－硒整流器 4－励磁线圈 5－磁铁
6－换能器 7－变幅杆 8－工具 9－冷却器 10－泵 11－加工槽
12－夹具 13－工件 14－磨料液二,超声波加工的特点及应用主要特点是：
1） 适合于各类非金属硬脆材料 （ 如玻璃,陶瓷,人造宝石等 ）
的加工 。
2） 设备结构简单,维护方便 。
3） 适于加工薄壁,窄缝及低刚度的零件 。
4） 生产效率较低 。
目前超声波加工主要用于型孔和型腔加工,超声波切割,超声波焊接,超声波清洗及超声波复合加工等 。 图 18-8所示为超声波加工应用举例 。
图 18-8 超声波加工应用举例
a） 加工小孔 b） 加工异形孔 c） 加工型腔 d） 雕刻 e） 研磨金刚石拉丝模第五节 激光加工一,激光加工系统的组成系统的组成如图 18-9所示 。
图 18-9 激光加工系统组成框图二,激光加工的特点及应用主要特点：
1） 激光的能量密度高,可以加工任何金属和非金属材料 。
2） 激光束能聚焦成 1μ m以下的光斑,其热影响区小,工件变形小,因此适于进行微细加工 。
3） 激光加工速度快,热作用时间短,故可以加工热敏性材料 。
4） 激光可以通过透明的物质,故激光加工可以在任何透明的环境中进行操作 。
5） 激光加工不需要工具,故不存在设计制造工具和加工过程中的工具损耗问题 。
6） 激光易于导向,聚焦和发散,激光束的方向便于调节,因此易于实现激光加工自动化 。
7） 对于具有高热传导率或高反射率材料的加工比较困难,并且存在加工精度不高,输出能量难于精确控制以及加工效率低等缺点 。
激光加工主要用于打孔,切割和动平衡去重,焊接,涂敷,表面热处理,表面强化及光泽处理等方面 。
第六节 电子束和离子束加工电子束和离子束加工是近年来获得较大发展的两种特种加工技术,它们主要应用于精密微细加工方面 。
一,电子束加工
1,电子束加工原理加工原理如图 18-10所示 。
图 18-10 电子束加工原理
1－驱动电动机 2－工作台 3－工件 4－反射镜 5－偏转器 6－电磁透镜
7－电子枪 8－观察窗 9－窗口
2,电子束加工的特点电子束加工有如下特点：
1） 可实现亚微米级的精密微细加工 。
2） 工件不产生宏观应力变形 。
3） 加工材料的范围广 。
4） 加工效率非常高 。
5） 加工在真空中进行,尤其适合加工易氧化的金属及其合金材料 。
6） 电子束加工的成套设备价格昂贵,故其应用受到一定的限制 。
3,电子束加工的应用电子束加工可用于打孔,切割,焊接,蚀刻和光刻等,特别适合于高速打制微细异型孔,内曲面和弯孔,如图 18-11所示 。
图 18-11 电子束加工微细异形孔、曲面和弯孔
a) 电子束加工微细异形孔 b) 电子束加工工件内部曲面和弯孔二,离子束加工
1.离子束加工原理加工原理如图 18-12所示 。
图 18-12 离子束加工原理
1－阴极 2－工件 3－离子束流 4－电磁线圈 5－灯丝
6－电离室 7－阳极 8－阴极
2.离子束加工的特点
1） 可以实现毫微米 （ 0.001μ m） 级的加工 。
2） 适宜加工易氧化的金属,合金和高纯度的半导体材料 。
3） 加工应力小,热变形小,加工表面质量高 。
4） 易于实现自动化,但设备费用高,加工成本高 。
3,离子束加工的应用离子束加工的应用范围正在日益扩大,目前主要用于三个方面：
刻蚀加工,镀膜加工和用于工件表层改性的离子注入加工 。
第七节 复合加工对于前述特种加工,当把其中两种或两种以上的能量形式合理地组合在一起,就可实现复合加工 。 复合加工有很大的优点,
它能成倍地提高加工效率和进一步改善加工质量 。 下面择要介绍两种复合加工 。
1,超声电解复合抛光复合抛光的加工原理如图 18-13所示。
图 18-13 超声电解复合抛光原理
1－工件 2－电解液 3－电解电源 4－工具 5－钝化膜图 18-14 超声调制激光复合加工
1－工件 2－透镜 3－激光 4－半反射镜 5－工作物质
6－全反射镜 7－变幅杆 8－换能器 9－超声波发生器
2,超声调制激光复合加工超声调制激光打孔的工作原理如图 18-14所示。
本 章 结 束
