特种加工工艺.docx

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特种加工工艺

特种加工工艺

第一节概述

随着科学技术、工业生产的发展及各种新兴产业的涌现，工业产品内涵和外延都在扩大；正向着高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化、环保（绿色）化及人本化方向发展，制造技术本身也应适应这些新的要求而发展，传统机械制造技术和工艺方法面临着更多、更新、更难的问题。

体现在：

1）新型材料及传统的难加工材料，如碳素纤维增强复合材料、工业陶瓷、硬质合金、钛合金、耐热钢、镍合金、钨钼合金、不锈钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、耐高温的金属或非金属材料的加工；

2）各种特殊复杂表面，如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣和锻压模的立体成型表面，各种冲模冷拔模上特殊断面的异型孔，炮管内膛线，喷油嘴、棚网、喷丝头上的小孔、窄缝、特殊用途的弯孔等的加工；

3）各种超精、光整或具有特殊要求的零件，如对表面质量和精度要求很高的航天、航空陀螺仪，伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性组件等低刚度零件的加工。

上述工艺问题仅仅依靠传统的切削加工方法很难、甚至根本无法解决。

特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。

特种加工与传统切削加工的不同点是：

1）主要依靠机械能以外的能量（如电、化学、光、声、热等）去除材料；多数属于“熔溶加工”的范畴。

2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；

3）加工过程中工具和工件之间不存在显着的机械切削力；

4）主运动的速度一般都较低；理论上，某些方法可能成为“纳米加工”的重要手段；

5）加工后的表面边缘无毛刺残留。

微观形貌“圆滑”；

特种加工又被称为非传统或非常规加工，英译：

Non-traditional（conventional）Machining，简写：

NTM或NCM。

特种加工方法种类很多，而且还在继续研究和发展。

目前在生产中应用的特种加工方法很多，它们的基本原理、特性及适用范围见表7-1。

本章着重讲述其中几种。

表7－1常用特种加工方法

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月表5-9）

特种加工方法

加工所用能量

可加工的材料

工具损耗率（％）

金属去除率/mm3min-1

尺寸精度/mm

表面粗糙度Ra/µm

特殊要求

主要适用范围

最低／平均

平均／最高

平均／最高

平均／最高

电火花加工

电热能

任何导电的金属材，如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢等

1／50

30／3000

0.05／0.005

10／0.16

各种冲、压、锻模及三维成型曲面的加工

电火花线切割

电热能

极小（可补偿）

5／20

0.02／0.005

5／0.63

各种冲模及二维曲面的成型截割

电化学加工

电、化学能

无

100／10000

0.I／0.03

2.5／0.16

机床、夹具、工件需采取防锈防蚀措施

锻模及各种二维、三维成型表面加工

电化学机械

电、化、机械能

1／50

1／100

0..02／0.001

1.25／0.04

硬质合金等难加工材料的磨削

超声加工

声、机械能

任何脆硬的金属及非金属材料

0.1／10

1／50

0.03／0.005

0.63／0.16

石英、玻璃、锗、

硅、硬质合金等脆硬材料的加工、研磨

快速成形

光、热、化学

树脂、塑料、陶瓷、金属、纸张、ABS

无

增材制造

制造各种模型

激光加工

光、热能

任何材料

不损耗

瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高

0.0I／0.001

10／1.25

加工精密小孔、小缝及薄板材成型切割、刻蚀

电子束加工

电、热能

需在真空中加工

离于束加工

电、热能

很低

／0.01µm

0.01

表面超精、超微量加工、抛光、刻蚀、材料改性、镀覆

第二节电火花加工

电火花加工又称放电加工、电蚀加工（E1ectro－DischargeMachining，简称EDM），是一种利用脉冲放电产生的热能进行加工的方法。

其加工过程为：

使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属熔解、气化而蚀除材料。

放电过程可见到火花，故称之为电火花加工，日本、英、美称之为放电加工，其发明国家—原苏联称电蚀加工。

一、电火花加工基本原理、装置及特点

1．电火花加工的基本原理与装置

电火花加工的原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的加工要求。

图7-1所示是电火花加工系统图。

工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。

自动进给调节装置3（此处为液压缸及活塞）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙。

当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，形成一个小凹坑，如图7-2所示。

其中图a表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图b表示多次脉冲放电后的电极表面。

脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t0），工作液恢复绝缘，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。

这样连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。

整个加工表面是由无数个小凹坑所组成。

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-43）

图7-1电火花加工原理与设备组成

1.工件2.脉冲电源.进给调节装置4.工具5.工作液6.过滤器7.工作液泵

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-44）

图7－2电火花加工表面局部

a）单个脉冲放电b）多个脉冲放电

要达到上述加工目的，设备装置必需以下三个条件：

1）工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙（通常约为几微米至几百微米）。

间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。

间隙过小，会形成短路，不能产生火花放电，而且会烧伤电极。

2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7~10-3s。

这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内；否则，象持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。

为此，电火花加工必须采用脉冲电源。

图7-3为脉冲电源的电压波形，图中ti为脉冲宽度，t0为脉冲间隔，tp为脉冲周期，ui为脉冲峰值电压或空载电压。

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-45）

图7－3脉冲电源电压波形

3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。

液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度（103~107Ω·cm）以有利于产生脉冲性的火花放电，同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。

2．电火花加工的特点

⑴电火花加工的优点：

1）适合于难切削材料的加工可以突破传统切削加工对刀具的限制，实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工象聚晶金刚石、立方氮化硼一类超硬材料。

目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。

2）可以加工特殊及复杂形状的零件由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。

由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。

数控技术电火花加工可以简单形状的电极加工复杂形状零件。

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；

⑵电火花加工的局限性

1）一般加工速度较慢安排工艺时可采用机械加工去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率。

最近新的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率甚至高于切削加工。

2）存在电极损耗和二次放电电极损耗多集中在尖角或底面，最近的机床产品已能将电极相对损耗比降至0.1％，甚至更小；电蚀产物在排除过程中与工具电极距离太小时会引起二次放电，形成加工斜度，影响成型精度，图7-4。

二次放电甚至会使得加工无法继续。

图7－4电火花加工的加工斜度和圆角现象

3）最小角部半径有限制一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙（通常为0.02~0.3mm），若电极有损耗或采用平动、摇动加工则角部半径还要增大。

二、影响电火花加工精度和表面质量的主要因素

与传统的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到电火花加工的精度。

另外，与电火花加工工艺有关的主要因素是放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定等。

电火花加工时工具电极与工件之间放电间隙大小实际上是变化的，电参数对放电间隙的影响非常显着，精加工放电间隙一般只有0.01mm（单面），而粗加工时则可达0.5mm以上。

目前，电火花加工的精度为0.01~0.05mm。

影响表面粗糙度的因素主要有：

脉冲能量越大，加工速度越高，Ra值越大；工件材料越硬、熔点越高，Ra值越小；工具电极的表面粗糙度越大，工件的Ra值越大；

三、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、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类，它们的特点及用途如表7-2所示。

四、电火花线切割加工

电火花线切割加工（WireCutEDM，简称WEDM）是在电火花加工基础上，50年代末在原苏联发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，有时简称线切割。

它已获得广泛的应用，目前国内外线切割机床已占电加工机床的60％以上。

表7-2电火花加工工艺方法分类

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月表5-10）

类别

工艺

特点

用途

示意图

I

电火花穿孔成型加工

1.工具和工件问主要只有一个相对的伺服进给运动

2.工具为成型电极，与被加工表面有相同的截面或形状

1.型腔加工：

加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件

2.穿孔加工：

加工各种冲模，挤压模、粉末

冶金模、各种异形孔及微孔等。

约占电火花机床总数的30％，典型机床有D7125，D7140等电火花穿孔成型机床

II

电火花线切割加工

1.工具电极为顺电极丝轴线移动着的线状电极

2.工具与工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动

1.切割各种冲模和具有直纹面的零件

2.下料、截割和窄缝加工。

约占电火花机床总数的60％，典型机床有DK7725‚DK7732数控电火花线切割机床

见下小节

III

电火花内孔外圆和成形磨削

1.工具与工件有相对的旋转运动

2.工具与工件间有径向和轴向的进给运动

1.加工高精度、良好表面粗糙度的小孔如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、钻套等

2.加工外圆、小模数滚刀等。

约占电火花机床总数的3％，典型机床有D6310电火花小孔内圆磨床等

IV

电火花同步共轭回转加工

1.成型工具与工件均作旋转运动，但二者角速度相等或成整倍数，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度

2.工具相对工件可作纵、横进给运动

以同步回转，展成回转、倍角速度回转等不同方式，加工各种复杂型面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规、高精度、高对称度、良好表面粗糙度的内、外回转体表面，约占电火花机床总数的1％，典型机床有JN—2，JN—8内外螺纹加工机床等

V

电火花高速小孔加工

1.采用细管（＞Ф0.3mm）电极，管内冲入高压水基工作液

2.细管电极旋转

3.穿孔速度极高（60mm／min）

1.钱切割预穿丝孔

2.深径比很大的小孔，如喷咀等。

约占电火花机床1％，典型机床有D7003A电火花高速小孔加工机床

VI

电火花表面强化、刻字

1.工具在工件表面上振动

2.工具相对工件移动

1.模具、刀、量具刃口表面强化和镀覆

2.电火花刻字、打印记。

约占电火花机床总数的2％∽3％，典型机床有D9105电火花强化机等

1．线切割加工的工作原理与装置

图7-5a、b为高速走丝电火花线切割工艺及装置的示意图。

利用细钼丝或铜丝4作工具电极进行切割，贮丝简7使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源3供给。

在电极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，把工件切割成型。

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-46）

图7－5电火花线切割原理及设备构成

a）电火花切割工艺b）电火花切割装置

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

根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：

一类是高速走丝电火花线切割机床（WEDM—HS），这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8~10m／s，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独有的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花线切割机床（WEDM—LS），如图7-6所示。

这类机床的电极丝作低速单向运动，走丝速度低于0.2m／s，这是国外生产和使用的主要机种。

此外，电火花线切割机床还可按控制方式分为：

靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字过程控制等；按加工尺寸范围分：

大、中、小型以及普通型与专用型等。

目前国内外95％以上的线切割机床都已采用不同水平的微机数控系统，从单片机、单板机到微型计算机系统，有的还具有自动编程功能。

目前的线切割加工机多数都具有锥度切割、自动穿丝和找正功能。

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-47）

图7－6低速走丝线切割加工设备组成

1－脉冲电源2－工件3－工作液箱4－纯水5－奔6－新丝放丝筒

7－工作台8－x轴电动机9－数控装置10－Y轴电动机11－废丝卷筒

2．线切割加工的特点

电火花线切割加工过程的工艺和机理与电火花穿孔成型加工有很多共同的地方，又有它独特的地方，其特点表现在：

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。

在电极丝和工件之间存在着某种电化学产生的绝缘薄膜介质，当电极丝被顶弯所造成的压力和电极丝相对工件的移动摩擦使这种介质减薄到可被击穿的程度，才发生火花放电。

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；

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；

正因为有许多突出的长处，电火花线切割加工在国内外发展很快，得到广泛的应用。

3．线切割加工的应用范围

线切割加工为新产品试制、精密零件及模县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）加工模具适用于各种形状的冲模，调整不同的间隙补偿量，只需一次编程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等，模具配合间隙、加工精度通常都能达到要求。

此外，还可加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模具；

2）加工电火花成型加工用的电极一般用铜钨、银钨合金类材料作穿孔加工的电极、带锥度型腔加工的电极用线切割加工特别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极；

3）加工零件在试制新产品时，用线切割在板料上直接割出零件，例如切割特殊微电机硅钢片定转子铁心，由于不需另行制造模具，可大大缩短制造周期、降低成本。

加工薄件时还可多片叠在一起加工。

在零件制造方面，可用于加工品种多，数量少的零件，特殊难加工材料的零件，材料试验样件，各种型孔、凸轮、样板、成型刀具。

同时还可进行微细加工，异形槽的加工等。

4．电火花线切割编程技术

数字过程控制电火花线切割加工过程是数控加工的一种，这里对数控编程作简单介绍。

⑴五指令3B程序格式目前高速走丝线切割机床一般采用3B（个别扩充为4B或5B）格式，而低速走丝线切割机床通常采用国际上通用的ISO或EIA（美国电子工业协会）格式。

我国生产的线切割控制系统也将逐步采用ISO代码。

常见的平面图形很多都是由直线或圆弧线段组成的。

任何复杂的图形都要分解为直线段和圆弧段依次编程。

编程时需用的参数有五个：

起点或终点坐标值X、Y；计数长度J（切割长度在X轴或Y轴上的投影长度）；计数方向G；轨迹的类型（被称为加工指令）Z。

我国数控线切割机床统一采用五指令3B程序格式，即

BxByBjGZ

式中B——分隔符，用以区分、隔离x、y和j等数码，B后的数字为0时，0可以不写；

x、y——直线的终点或圆弧起点的坐标值，编程时均取绝对值，以µm为单位；

j——计数长度（µm）；

G——计数方向，分Gx或Gy，即可按X或Y方向计数，工作台在该方向每走1µm

即计数累减1，当累减到计数长度J＝0时，这段程序即加工完毕。

Z——加工指令，分为直线L与圆弧R两大类；直线又按走向和终点所在象限而分

为L1、L2、L3、L4四种；圆弧又按第一步进入的象限及走向的顺、逆圆而分

为SR1、SR2、SR3、S4、及NR1、NR2、NR3、NR4八种，如图7-7所示。

图7－7直线和圆弧的加工指令

⑵直线的编程方法

1）把直线的起点作为坐标的原点；

2）把直线的终点坐标值作为x、x，可用公约数将x、y缩小整倍数；

3）计数长度j按计数方向Gx或Gy取X值或Y值，计数长度要和计数方向一并考虑；

4）计数方向的选取应取此程序最后一步的轴向方向；不能预知时，一般选取与终点处的走向较平行的轴向作为计数方向，这样可减小编程误差与加工误差；对直线而言，取X、Y中较大的绝对值和轴向作为计数长度j和计数方向；

5）加工指令按直线走向和终点所在象限不同而分为L1、L2、L3、L4，其中与+X轴重合的直线算作L1，与+Y轴重合的算作L2，与-X轴重合的算作L3，与-Y轴重合的算作L4。

与X、Y轴重合的直线编程时X、Y均可作0，且在B后可不写。

⑶圆弧的编程方法

1）把圆弧的圆心作为坐标原点；

2）把圆弧的起点坐标值作为x、y，均取绝对值，单位为µm；

3）计数长度j按计数方向取X或Y轴上的投影值。

如果圆弧较长，跨越两个以上象限，则分别取计数方向X轴（或Y轴）上各个象限投影值的绝对值相累加，作为该方向总的计数长度，也要和选计数方向一并考虑；

4）计数方向同样也取与该圆弧终点时走向较平行的轴向作为计数方向，以减少编程和加工误差。

对圆弧来说，取终点坐标中绝对值较小的轴向作为计数方向（与直线相反）。

最好也取最后一步的轴向为计数方向。

⑷工件编程举例：

图7-8所示的轨迹由三条直线和一条圆弧组成，故分四条程序编制（不考虑切人路线）。

图7-8编程图形

1）直线AB坐标原点取在A点，X、Y均作0计，AB与X轴正向重合，程序为：

BBB40000GxL1

2）斜线BC坐标原点取在B点，终点C的坐标值是X＝10000，y＝90000，程序为：

B1B9B90000GyL1

3）圆弧CD坐标原点取在圆心O，起点C的坐标为X＝30000，Y＝40000，故程序为：

B30000B40000B60000GxNR1

4）斜线DA坐标原点取在D点，终点A的坐标为X＝10000，Y＝90000，程序为：

B1B9B90000GyL4

以上程序列表如表7-3。

顺序

B

X

B

Y

B

J

G

1

2

3

4

5

B

B

B

B

B

1

30000

1

B

B

B

B

B

9

40000

9

B

B

B

B

B

40000

90000

60000

90000

Gx

Gy

Gx

Gy

L1

L1

NR1

L4

D

表7-3程序表

目前的线切割机床多数实现了自动编程的功能，对于复杂的图案、书法文字或手写签名，一般采用数字化仪扫描图形输入计算机，实现加工。

第三节电化学加工

一、电化学加工概述

电化学加工（E1ectrochemicalMachining，简称ECM）分四类：

⑴工件（作为阳极）溶解去除金属材料的电解加工——工件材料减少，包括电解加工和电解抛光；

⑵工件（作为阴极）表层沉积金属的电镀、涂覆——工件材料增加，包括电镀、局部涂镀、电铸和复合电镀；

⑶工件作为阳极溶解去除大量材料，具有磨、研等机械作用的阴极对阳极的进一步去除材料使阳极活化而形成的电化学机械复合工艺，有电解磨削、电解珩磨、电解研磨；

⑷其他复合工艺，如电解电火花复合工艺、电解电火花机械复合工艺。

虽然有关的基本理论在19世纪末已经建立，但真正在工业上得到大规模应用还是20世纪30~50年代以后的事。

电化学加工过程的电化学反应如图7-9所示。

当两金属片接上电源并插入任何导电的溶液中（例如水中加入少许NaCl），即形成通路，导线和溶液中均有电流流过。

然而金属导线和溶液是两类性质不同的导体。

金属导电体是靠自由电子在外电场作用下按一定方向移动而导电的，是电子导体，或称第一类导体。

导电溶液是靠溶液中的正负离子移动而导电的，是离子导体，或称第二类导体。

例如，上述的NaCl溶液即为离子导体，溶液中含有正离子Na+和负离子C1-，还有少量的H+和（OH）-。

两类导体构成通路时，在金属片（电极）和溶液的界面上，必定有交换电子的电化学反应。

如果所接的是直流电源，则溶液中的离子将作定向移动，正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应。

负离子移向阳极，在阳极表面失掉电子而进行氧化反应（也可能是阳极金属原子失掉电子而成为正离子进入溶液）。

溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移，在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称之为电化学反应，利用这种电化学作用为基础对金属进行加工（包括电解和镀覆）的方法即电化学加工。

这里我们主要讲述电解加工。

（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图5-49）

图7-9电解加工中的电化学反应

二、阳极溶解——电解加工

1．电解加工原理及其特点

图7-10为电解加工实施原理图。

加工时，工件接直流电源的极，工具接电源的负极。

工具向工件缓慢进给，使两极之间保持较