第 9 章特种加工

第9章特种加工 主要内容 9.1 特种加工方法的特点与分类 9.2 电火花加工 9.3 电火花线切割加工 9.4 电解加工 9.5 超声波加工 9.6 激光加工 9.7 电子束加工 9.8 离子束加工

9.1 特种加工方法的特点与分类 高强度、高硬度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工第一，解决各种难加工材料的问题对机械制造技术提出了新的要求如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、注射模的立体成型表面等第二，解决各种复杂表面的加工问题第三，解决各种超精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，以及低刚度零件的加工。

人们研究探索出了许多新的加工方法，直接利用电能、声能、光能、化学能、热能等进行加工，这些方法统称为特种加工。人们研究探索出了许多新的加工方法，直接利用电能、声能、光能、化学能、热能等进行加工，这些方法统称为特种加工。特种加工的主要特点: （1）不是依靠机械能去除材料。（2）工具硬度可以低于被加工材料硬度。（3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。特种加工已经成为当前机械制造领域不可缺少的加工方法，为新产品设计与开发提供了许多加工手段，为新材料的研制提供了应用基础。本章只简略介绍几种常用的特种加工方法。

9.2 电火花加工 • 1. 电火花加工的原理 • 电火花加工（Electrical Discharge Machining,简称EDM）是通过工具电极和工件之间产生脉冲性的火花放电，靠放电的瞬间局部产生高温把金属蚀除下来。由于在放电过程中可见到火花，故称之为电火花加工。

图11-1 电火花加工原理示意图1-自动进给调节装置 2-工具 3-工作液 4-工件 5-工作液泵 6-脉冲电源

电火花加工

2. 电火花加工的特点 （1）适合于难切削材料的加工，能“以柔克刚” （2）工具电极与工件不接触，两者间作用力很小（3）脉冲参数可调节，能在同一机床连续进行粗、半精、精加工，加工过程易于自动控制（4）主要用于加工金属等导电材料，在一定条件下也可以加工半导体和非金属材料 (5）电极的耗损影响加工精度

加工各种金属及合金材料、特殊热敏感材料、半导体材料等；加工各种金属及合金材料、特殊热敏感材料、半导体材料等； • 3. 电火花加工的应用加工各种形状复杂的型腔和型孔，如各种模具的型腔、型孔，样板、成形刀具以及小孔（直径0.01mm）、异型孔等；加工范围已达到小至十微米的孔、缝，大到几米的大型模具和零件

9.3 电火花线切割加工 • 1. 电火花线切割加工的原理电火花线切割加工（Wire Cut EDM,简称WEDM）是在电火花加工基础上发展起来的一种工艺方法，其基本原理是利用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。

图11-2 电火花线切割原理1-绝缘底板 2-工件 3-脉冲电源4-钼丝 5-导向轮 6-支架 7-贮丝筒

电火花线切割加工过程

（1）无需特定形状的工具电极，节约了电极设计、制造费用，缩短了生产准备时间（1）无需特定形状的工具电极，节约了电极设计、制造费用，缩短了生产准备时间 • 2. 线切割加工的特点（2）由于加工表面的几何轮廓由CNC控制的运动获得，容易获得复杂的平面形状（3）电极丝在加工中不断移动，使电极丝损耗较少，有利于提高加工精度

（4）由于电极丝较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状工件，由于切缝很窄，金属去除量少，可对工件套料加工，材料利用率高，节约贵重金属（4）由于电极丝较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状工件，由于切缝很窄，金属去除量少，可对工件套料加工，材料利用率高，节约贵重金属（5）不同工件只需编制不同程序，易实现自动化（6）不能加工盲孔类零件表面和阶梯形表面（立体形状表面）

3. 线切割加工的应用 加工各种硬质合金和淬火钢的冲模、拉丝模、冷拔模、样板、成形刀具、各种形状复杂的零件、窄缝和栅网等。将许多同样零件叠起来加工，并获得一致的尺寸，加工精密细小零件其经济效果尤其显著。

9.4 电解加工 • 1. 电解加工的原理利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理来去除工件上多余材料图11-3 电解加工示意图 1-工具阴极 2-工件阳极3-电解液泵 4-电解液 5-直流电源

（1）加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制，可加工硬质合金、耐热合金等（1）加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制，可加工硬质合金、耐热合金等 • 2. 电解加工的特点（2）电解加工的生产率高，约为电火花加工的5~10倍（3）加工过程中工具阴极不耗损，可长期使用 (4）不易达到较高的精度和加工稳定性，难以实现窄缝、小孔的加工（5）电极工具设计与制造麻烦，工件必须是导电材料（6）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用，需要防腐和无害化处理

3. 电解加工的应用 电解加工在各种膛线、花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具型腔等方面得到了广泛的应用。由于机床费用较高，一般在加工难加工材料、型面复杂、批量大的零件时选用，而单件小批生产多采用电火花加工。

9.5 超声波加工 • 1. 超声波加工的原理超声波加工（Ultrasonic Machining,简称USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种方法。图11-4 超声波加工原理示意图1-超声波发生器 2-换能器 3-振幅扩大器4-工具 5-工件 6-磨料悬浮液

（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、宝石、金刚石等。（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、宝石、金刚石等。（2）工具可用较软的材料做较复杂的形状。（3）工具与工件相对运动简单，使机床结构简单。（4）切削力小、切削热少，不会引起变形及烧伤，加工精度与表面质量也较好。 • 2. 超声波加工的特点：

超声波加工的应用 超声波加工广泛就用于加工半导体和非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、金刚石等；由于其加工精度和表面粗糙度优于电火花、电解加工，因此电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金零件，还常用超声抛磨进行光整加工；此外，还可以用于套料、清洗、焊接和探伤等。

9.6 激光加工 激光加工（Laser Beam Machining,简称LBM）是用高强度、高亮度、方向性好、单色性好的相干光，通过一系列的光学系统聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米至几十微米），获得极高的能量密度（108~1010W/cm2）和10000℃以上的高温，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到去除材料的目的。

1. 激光加工的原理 图11-5 固体激光器加工简图1-全反射镜 2-激光工作物质 3-激励能源4-部分反射镜 5-透镜 6-工件

（1）对材料的适应性强。激光加工的功率密度是各种加工方法中最高的一种，激光加工几乎可以用于任何金属材料和非金属材料，如高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆性材料。（2）打孔速度极快，热影响区小。通常打一个孔只需0.001s,易于实现加工自动化和流水作业。（3）激光加工不需要加工工具。由于它属非接触加工，工件无变形，对刚性差的零件可实现高精度加工。（4）激光能聚焦成极细的光束，能加工深而小的微孔和窄缝（直径几微米，深度与直径比可达10以上），适于精微加工。（5）可穿越介质进行加工。可以透过由玻璃等光学透明介质制成的窗口对隔离室或真空室内的工件进行加工。 • 2. 激光加工的特点

3. 激光加工的应用 激光加工可用于打孔、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。已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性，受到广泛的重视。

9.7 电子束加工 • 1. 电子束加工的原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106~109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而使材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走，如图11-6所示。

图11-6 电子束加工原理及设备组成1-电源及控制系统 2-抽真空系统3-电子枪系统4-聚焦系统 5-电子束 6-工件

（1）电子束可以微细地聚焦，是一种精密微细的加工方法。（2）能量密度高，生产效率高，是非接触式加工，不产生应力和变形，加工材料范围广。（3）可以通过电场或磁场对电子束的强度、位置、聚焦等直接进行控制，整个加工系统易实现自动化。（4）污染少，表面不氧化，特适合加工易氧化的材料。（5）整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。（1）电子束可以微细地聚焦，是一种精密微细的加工方法。（2）能量密度高，生产效率高，是非接触式加工，不产生应力和变形，加工材料范围广。（3）可以通过电场或磁场对电子束的强度、位置、聚焦等直接进行控制，整个加工系统易实现自动化。（4）污染少，表面不氧化，特适合加工易氧化的材料。（5）整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。 • 2. 电子束加工的特点

3. 电子束加工的应用 电子束加工按其能量密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。例如在0.1mm厚的不锈钢板上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000个孔。

9.8 离子束加工 离子束加工的原理和电子束加工基本相似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦，使之冲击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大几个数量级（如氩离子的质量是电子的7.2万倍），所以离子在加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的冲击动能，它是利用微观的机械冲击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工除具有电子束加工的特点外，还由于离子束密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级（1纳米为0.001um）的加工精度。

微孔、窄槽的加工

第 9 章特种加工