第8章-机械零件的精密制造与特种加工课件.ppt

1、第8章 机械零件的精密加工与特种加工 通过本章的学习，使读者了解这些通过本章的学习，使读者了解这些加工方法的特点、应用范围，掌握其加加工方法的特点、应用范围，掌握其加工原理、加工设备及加工工艺。工原理、加工设备及加工工艺。教学目标教学目标 (1)(1)一般加工。一般加工。指加工精度在指加工精度在10 m10 m左右，相当于左右，相当于公差等级公差等级IT5IT5IT7IT7，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa值值0.2 m0.2 m0.8 0.8 mm的加工方法，如车、铣、刨、磨、铰等工艺方法。的加工方法，如车、铣、刨、磨、铰等工艺方法。适用于汽车、机床等一般机械制造行业。适用于汽车、机床等一般机

2、械制造行业。8.18.1精密与超精密加工精密与超精密加工8.1.1概述概述1.1.精密与超精密加工的范畴精密与超精密加工的范畴(2)(2)精密加工。加工精度在精密加工。加工精度在10 m10 m0.1 m0.1 m，公差，公差等级在等级在IT5IT5以上，表面粗糙度以上，表面粗糙度R Ra a值在值在0.1 m0.1 m以下的以下的加工方法，如精密车削、精密磨削、研磨、珩磨、加工方法，如精密车削、精密磨削、研磨、珩磨、抛光等。抛光等。(3)(3)超精密加工。指加工精度在超精密加工。指加工精度在0.1 m0.1 m0.01 m0.01 m，表面粗糙度表面粗糙度R Ra a值在值在0.05 m0.

3、05 m0.03 m0.03 m的加工方法的加工方法(或称为亚微米级加工或称为亚微米级加工)，而加工精度高于，而加工精度高于0.01 m0.01 m，表面粗糙度表面粗糙度RaRa值小于值小于0.005 m0.005 m，被认为是纳米级，被认为是纳米级加工范围，它是当前超精密加工技术研究的主要加工范围，它是当前超精密加工技术研究的主要目标。超精密加工多用于精密元件制造，是标志目标。超精密加工多用于精密元件制造，是标志一个国家制造工业水平的重要指标之一。一个国家制造工业水平的重要指标之一。2.2.常用精密与超精密加工方法常用精密与超精密加工方法 精密与超精密加工主要分为两类：精密与超精密加工主要分

4、为两类：一是采用金刚石刀具对工件进行超精密的微一是采用金刚石刀具对工件进行超精密的微细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、抛光、精密和超精密磨削等；抛光、精密和超精密磨削等；二是采用激光加工、微波加工、等离子加工、二是采用激光加工、微波加工、等离子加工、超声波加工、光刻等特种加工方法。另外，现在超声波加工、光刻等特种加工方法。另外，现在经常提及的微细加工是指制造微小尺寸零件的生经常提及的微细加工是指制造微小尺寸零件的生产加工技术，是超精密加工的一个分支。产加工技术，是超精密加工的一个分支。3.3.影响精密和超精密加工的主要因素影响精密和超精密加工的

5、主要因素8.1.2 8.1.2 金刚石刀具的超精密切削金刚石刀具的超精密切削1.1.金刚石刀具及其刃磨金刚石刀具及其刃磨 金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹紧或金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹紧或黏结方式固定在刀体上所构成的。金刚石刀具黏结方式固定在刀体上所构成的。金刚石刀具的刃磨可采用的刃磨可采用320320号天然金刚石粉与号天然金刚石粉与L-ANl5L-ANl5全损全损耗系统用油配制的研磨剂，在高磷铸铁盘上进耗系统用油配制的研磨剂，在高磷铸铁盘上进行行。2.2.超精密机床及其结构超精密机床及其结构超精密机超精密机床的特点床的特点 总体布局总体布局 主轴部件主轴部件 床身导轨床身导轨 进给系统

6、进给系统主轴箱带动工件做主轴箱带动工件做Z Z向向(即铅垂即铅垂方向方向)运动，刀架溜板做运动，刀架溜板做X X向向(即水平方向即水平方向)运动运动 绝大多数超精密机床都采用空绝大多数超精密机床都采用空气轴承主轴部件少数大型超精气轴承主轴部件少数大型超精密机床采用液体静压轴承主轴密机床采用液体静压轴承主轴部件部件超精密机床的床身和导轨多采超精密机床的床身和导轨多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、用热膨胀系数低、阻尼特性好、尺寸稳定的花岗岩制造。导轨尺寸稳定的花岗岩制造。导轨的形式有压力润滑的的形式有压力润滑的V V平面平面导轨、液体静压导轨、气浮和导轨、液体静压导轨、气浮和气静压导轨气静压导轨通常

7、采用直流或交流伺服电动通常采用直流或交流伺服电动机通过精密丝杠带动导轨上的机通过精密丝杠带动导轨上的运动件。运动件。3.3.超精密切削的应用超精密切削的应用 金刚石超精密切削主要用于铝、铜金刚石超精密切削主要用于铝、铜及其合金的加工，如加工高密度硬磁盘及其合金的加工，如加工高密度硬磁盘的铝合金片基，平面度达的铝合金片基，平面度达0.20.2 m m，表面，表面粗糙度达粗糙度达RaRa值值0.0030.003 m m。8.1.3 8.1.3 光整加工光整加工 光整加工是生产中常用的精密加工方光整加工是生产中常用的精密加工方法，通常是在精车、精铣、精铰和精磨的法，通常是在精车、精铣、精铰和精磨的基

8、础上进行的加工，它可以获得比普通加基础上进行的加工，它可以获得比普通加工更高的精度和更小的表面粗糙度，常用工更高的精度和更小的表面粗糙度，常用的光整加工方法有研磨、珩磨和超精加工的光整加工方法有研磨、珩磨和超精加工等。等。8.2 8.2 精密与超精密加工精密与超精密加工8.2.1 8.2.1 概述概述1.1.特种加工的产生及特点特种加工的产生及特点 特种加工是随着生产和科学的发展，新材料、新特种加工是随着生产和科学的发展，新材料、新结构的不断出现，对某些特殊要求也越来越高，对机结构的不断出现，对某些特殊要求也越来越高，对机械制造部门提出了新的要求，切削加工方法面临严峻械制造部门提出了新的要求，

9、切削加工方法面临严峻的挑战的形势下产生的。特种加工的挑战的形势下产生的。特种加工(Non-Traditional(Non-Traditional MachiningMachining，简称，简称NTM)NTM)，国外称作非传统加工或非常规，国外称作非传统加工或非常规机械加工机械加工(Non-Conventional Machining(Non-Conventional Machining，简称，简称NCM)NCM)。特种加工的产生及特点特种加工的产生及特点(1)主要用机械能以外的其他能量(如电、化学、光、声、热能等)去除工件毛坯上多余的材料。(2)(2)工具的硬度可以低于被加工材料的硬工具的硬

10、度可以低于被加工材料的硬度。度。(3)(3)加工中工件和所用的工具不受显著的加工中工件和所用的工具不受显著的切削力的作用。切削力的作用。2.2.特种加工的分类特种加工的分类 8.2.28.2.2电火花及线切割加工电火花及线切割加工 电火花加工电火花加工(Electrical Discharge Mach-(Electrical Discharge Mach-iningining，简称，简称EDM)EDM)又称电腐蚀加工、放电加工，又称电腐蚀加工、放电加工，是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电产生的瞬时高温将电极对表面材之间脉冲放电产生的瞬

11、时高温将电极对表面材料蚀除下来，对工件进行加工的方法。料蚀除下来，对工件进行加工的方法。1.1.电火花加工电火花加工 电火花加工是基于工具电极和工件之间脉冲性火花放电时的电蚀现电火花加工是基于工具电极和工件之间脉冲性火花放电时的电蚀现象蚀除多余金属，对零件进行加工的。如图所示，脉冲电源象蚀除多余金属，对零件进行加工的。如图所示，脉冲电源2 2的两个输出的两个输出端分别接工件电极端分别接工件电极1 1和工具电极和工具电极4 4，自动进给调节装置，自动进给调节装置3 3使二者之间保持预使二者之间保持预定的放电间隙。加工时，两极间加上适当的脉冲电压。由于工具和工件的定的放电间隙。加工时，两极间加上适

12、当的脉冲电压。由于工具和工件的表面不是绝对光滑，而是呈微观的凹凸不平状，故二者表面上各点之间的表面不是绝对光滑，而是呈微观的凹凸不平状，故二者表面上各点之间的实际间隙是大小不等的。当脉冲电压升高时，使实际间隙最小处或绝缘强实际间隙是大小不等的。当脉冲电压升高时，使实际间隙最小处或绝缘强度最低处被击穿，在该局部产生火花放电。在微小的区域内由放电产生的度最低处被击穿，在该局部产生火花放电。在微小的区域内由放电产生的瞬间高温使工件和工具表面的材料产生程度不同的熔化和汽化现象。与此瞬间高温使工件和工具表面的材料产生程度不同的熔化和汽化现象。与此同时，放电处的绝缘液体也被局部加热，迅速汽化，体积膨胀，随

13、之产生同时，放电处的绝缘液体也被局部加热，迅速汽化，体积膨胀，随之产生很高的压力，将已经熔化、汽化的材料从工件和工具的表面蚀除掉，在二很高的压力，将已经熔化、汽化的材料从工件和工具的表面蚀除掉，在二者的表面形成一微小的凹坑。者的表面形成一微小的凹坑。电火花加工的特点电火花加工的特点 无显著切削力，适合于具有小孔、薄壁、窄槽以及各种复无显著切削力，适合于具有小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂形状的型孔、型腔和曲线孔等几何表面和低刚度结构的杂形状的型孔、型腔和曲线孔等几何表面和低刚度结构的零件加工和精密微细加工。零件加工和精密微细加工。脉冲放电时间短，工件表面受热影响很小，不会产生热变脉冲放电时间短，工

14、件表面受热影响很小，不会产生热变形，很适合加工热敏性材料。形，很适合加工热敏性材料。脉冲参数可以任意调节，可以在同一台机床上通过改变电脉冲参数可以任意调节，可以在同一台机床上通过改变电参数，连续进行粗、半精和精加工；便于实现自动控制和参数，连续进行粗、半精和精加工；便于实现自动控制和加工的自动化。加工的自动化。加工速度慢，而且加工速度与表面质量之间矛盾突出，工加工速度慢，而且加工速度与表面质量之间矛盾突出，工具电极存在损耗，大多集中于底部和角部，影响成形精度，具电极存在损耗，大多集中于底部和角部，影响成形精度，最小角部半径受到限制。最小角部半径受到限制。z 电火花穿孔加工。电火花穿孔加工。一般

15、指贯通的二维型孔加工，是电火花加一般指贯通的二维型孔加工，是电火花加工中应用最广的一种。常用来加工型孔工中应用最广的一种。常用来加工型孔(圆孔、方孔、多边圆孔、方孔、多边形孔、异形孔形孔、异形孔)、曲线孔、曲线孔(弯孔、螺旋孔弯孔、螺旋孔)、小孔、微孔等。、小孔、微孔等。z 电火花加工型腔。电火花加工型腔。一般指三维型腔和型面的加工。一般指三维型腔和型面的加工。z 由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械(特别是特别是模具制造模具制造)、宇航、

16、航空、电子、电机电器、精密机械、仪、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，以解决难加工材料及复器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。2.电火花线切割加工电火花线切割加工 电火花线切割加工电火花线切割加工(Wire Cut EDM(Wire Cut EDM，简称，简称WEDM)WEDM)又称又称“线切割线切割”，它是通过线状工具电极与工件间，它是通过线状工具电极与工件间规

17、定的相对运动，把工件切割成形，加工时线状工规定的相对运动，把工件切割成形，加工时线状工具电极沿自身方向做往复或单向运行，如图所示。具电极沿自身方向做往复或单向运行，如图所示。它利用一根做正反向交替运动的细金属丝作工具电它利用一根做正反向交替运动的细金属丝作工具电极，在线电极与工件间通以脉冲电流并浇以工作液极，在线电极与工件间通以脉冲电流并浇以工作液介质，线电极一边卷绕一边与工件之间发生火花放介质，线电极一边卷绕一边与工件之间发生火花放电，使工件产生电蚀而进行切割加工。目前线切割电，使工件产生电蚀而进行切割加工。目前线切割机床普遍采用计算机数字控制机床普遍采用计算机数字控制 (CNC)(CNC)

18、装置。装置。无须特定形状的工具电极，降低、节约了生产成本及准备无须特定形状的工具电极，降低、节约了生产成本及准备工时。工时。加工表面的几何轮廓是由加工表面的几何轮廓是由CNCCNC装置控制，可切割复杂表面。装置控制，可切割复杂表面。可加工细微的几何形状，切缝及内角半径都很小。可加工细微的几何形状，切缝及内角半径都很小。总蚀除量少，余料可利用，材料利用率高，对加工贵重金总蚀除量少，余料可利用，材料利用率高，对加工贵重金属有着重要意义。属有着重要意义。在同样的电参数下，比穿孔加工生产效率高，自动化程度在同样的电参数下，比穿孔加工生产效率高，自动化程度高，操作使用方便。高，操作使用方便。线切割的缺点

19、是不能加工盲孔类零件表面和阶梯成形线切割的缺点是不能加工盲孔类零件表面和阶梯成形(立体立体成形成形)表面。表面。线切割工艺特点线切割工艺特点线切割的应用线切割的应用 电火花线切割的应用十分广泛，已经显示出电火花线切割的应用十分广泛，已经显示出越来越重要的作用。如加工各种硬质合金和淬硬越来越重要的作用。如加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、拉丝模、冷拔模、弯曲模、挤压模等，钢的冲模、拉丝模、冷拔模、弯曲模、挤压模等，加工带锥度型腔的电极、微细复杂形状的电极和加工带锥度型腔的电极、微细复杂形状的电极和各种样板、成形刀具等，加工各种形状复杂的零各种样板、成形刀具等，加工各种形状复杂的零件、直纹曲面、窄缝

20、和栅网等，加工各种稀有、件、直纹曲面、窄缝和栅网等，加工各种稀有、贵重金属和难加工材料，它还可将许多同样零件贵重金属和难加工材料，它还可将许多同样零件叠加起来加工，并获得一致的尺寸。叠加起来加工，并获得一致的尺寸。1-1-工件倾斜、数控回转线工件倾斜、数控回转线切割加工的双曲面零件切割加工的双曲面零件2-2-数控三轴联动加分度线切数控三轴联动加分度线切割加工扭转四方锥台割加工扭转四方锥台 3-3-数控往复移动加转动线切割数控往复移动加转动线切割加工正弦曲面加工正弦曲面 4-4-数控移动加转动线切割加数控移动加转动线切割加工窄螺旋槽工窄螺旋槽 5-5-数控二轴联动加数控二轴联动加分度线切割加工宝

21、塔分度线切割加工宝塔 6-6-数控移动加转动线切数控移动加转动线切割加工螺旋曲面割加工螺旋曲面 8.2.3 8.2.3 激光加工激光加工 激光加工(Laser Beam Machining，简称LBM)是利用光能量进行加工的一种方法。可以用于打孔，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；不需要加工工具，加工速度快、表面变形小，可以加工硬、脆、软、韧、难熔的金属和非金属等各种材料。目前已发展到大尺寸和厚材料的加工，其应用范围也越来越广泛。激光的特性单色性好单色性好 强度高强度高相干性好相干性好方向性好方向性好激光加工的基本原理是通过激光的聚焦，照射在激光加工的基本原理是通过激光

22、的聚焦，照射在工件上，将光能转换为热能，把工件材料熔化或工件上，将光能转换为热能，把工件材料熔化或汽化，达到去除材料的目的，从而完成加工过程。汽化，达到去除材料的目的，从而完成加工过程。激光加工的工作原理如图所示。激光器将电能转激光加工的工作原理如图所示。激光器将电能转换为光能并释放出激光束，激光束经过棱镜反射换为光能并释放出激光束，激光束经过棱镜反射后，再经聚焦物镜聚焦，照射在工件上，工件材后，再经聚焦物镜聚焦，照射在工件上，工件材料经高温照射的部分被熔化或汽化，通过工作台料经高温照射的部分被熔化或汽化，通过工作台的移动，来控制激光照射的时间、范围，从而控的移动，来控制激光照射的时间、范围，从而控制零件的形状、尺寸。制零件的形状、尺寸。2 2 激光加工的原理激光加工的原理对材料的适应性强。对材料的适应性强。打孔速度极快，热影响区小。打孔速度极快，热影响区小。属于非接触加工。属于非接触加工。穿越介质进行加工。穿越介质进行加工。在节能、环保等方面也有很大优越性。在节能、环保等方面也有很大优越性。激光加工的工艺特点激光加工的工艺特点 激光加工的应用激光加工的应用激光打孔激光打孔激光切割激光切割激光打标激光打标激光焊接激光焊接激光表面处理激光表面处理