1、第九章现代制造技术第一节特 种 加 工传统的切削加工是通过刀具利用机械能,切去工件上多余材料完成加工的,因而刀具的硬度必须高于被加工工件的硬度,否则无法进行加工。1)不是主要依靠机械能,而是主要利用电、化学、光、声、热等能量来去除金属材料。2)工具硬度可以低于被加工材料的硬度。3)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。目前用于生产(尺寸加工)的特种加工方法主要有电火花加工、电子束加工、离子束加工、等离子束加工、电解加工、超声加工、激光加工、化学加工、液力加工等。图9-1电火花加工原理示意图1工件2脉冲电源3自动进给调节装置4工具5工作液6过滤器7工作液泵1.电火花加工的原理和特点电火
2、花加工是在一定的介质中通过工具电极和工件电极之间脉冲性的火花放电,靠放电时局部、瞬间产生的高温把金属切除下来的一种加工方法。一、电火花加工图9-2电火花加工表面局部放大图1)必须有足够的火花放电强度,否则金属只能发热而不能被熔化和汽化。2)火花放电必须是瞬间的脉冲性放电,把每一次放电点局限于很小范围,使产生的热量来不及扩散到非加工区。3)火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质(煤油、皂化液、离子水等)中进行,以利于产生脉冲放电,排出切屑和冷却电极。4)工具电极和工件电极间必须保持一定的间隙(数微米至数百微米),也就是使工具电极随金属蚀除而连续地送进,并始终保持这一间隙。间隙过小易形成短路,间隙
3、过大则不能击穿放电。电火花加工的主要特点:1)可以加工传统切削加工方法难以加工或无法加工的特殊材料、复杂形状的工件。2)加工时工具电极与工件不直接接触,两者之间无“切削力”,不受工具和工件刚度的限制,有利于实现微细加工。3)工具电极可用较软的纯铜、石墨等容易加工的材料制造。4)工件几乎不受热影响。2.电火花加工方法及应用(1)电火花成形加工电火花成形加工是利用火花放电蚀除金属的原理,用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法。图9-3电火花线切割加工示意图1传动轮2支架3导向轮4钼丝5脉冲电源6工件7绝缘底板1)利用工具电极相对工件以不同的运动方式相组合,可实现包括齿轮和螺纹加工及电火花磨削等,见
4、表9-1。微机控制的五坐标数控电火花机床,可把各种运动方式和成形、穿孔加工组合在一起。表9-1其他电火花加工方法的图示及说明表9-1其他电火花加工方法的图示及说明表9-1其他电火花加工方法的图示及说明2)工具电极和工件在气体介质中进行放电的电火花加工方法,如金属电火花表面强化,电火花刻字等。3)工件为非金属材料的加工方法,如半导体与高阻抗材料的加工等。1.电解加工的原理及其特点二、电解加工电解加工是继电火花加工之后应用较广泛的一项新工艺。电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件加工成形的。1)加工范围广。既不受金属材料本身硬度和强度的限制,可以加工硬质合金、淬火钢、耐热合金等高
5、硬度、高强度及韧性金属材料,也可加工各种复杂型面工件,如叶片、模具等。2)电解加工的生产率较高,约为电火花的510倍,在某些情况下,比切削加工的生产率还高,且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。3)可以达到较好的表面(表面粗糙度Ra1.250.2m)和0.2mm左右的平均加工精度,且不产生毛刺。4)加工中无热作用及机械切削力的作用,加工面不产生应力、变形及变质层。5)加工中阴极工具在理论上不会损耗,可长期使用。电解加工的主要缺点和局限性为:1)不易达到较高的加工精度和加工稳定性。2)电解加工机床需有足够的刚性和防腐蚀性能,附属设备多,占地面积较大。3)电解产物需进行妥善处理,否则将污
6、染环境。2.电解加工的应用电解加工在机械制造业中已广泛应用于下述几方面:1.超声波加工的工作原理超声加工是利用工具端作超声频振动,通过磨料悬浮液加工使工件成形的一种方法,工作原理如图9-6所示。三、超声加工超声加工也称为超声波加工。图9-6超声加工原理示意图1工具2工件3磨料悬浮液4、5变幅杆6换能器7超声发生器1)适合于加工各种硬脆材料,特别是不导电的非金属材料,如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅)石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等,也能进行加工,但加工生产率较低。2)由于工具可用较软的材料,做成较复杂的形状,故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运
7、动,因此超声加工机床的结构比较简单,操作、维修方便。2.超声加工的特点与应用3)由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用,故工件表面的宏观切削力很小,切削应力、切削热很小,不会引起变形及烧伤,表面粗糙度也较低(Ra0.11m),加工精度可达0.010.02mm,而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。超声加工除用于工件的成形加工外还可以用于清洗、焊接和探伤等。四、激光加工1.激光的特性普通光源(如白炽灯、日光灯、氙灯、氪灯等)的发光是以自发辐射为主。1)强度高,红宝石脉冲激光器的亮度比高压脉冲氙灯高370亿倍,比太阳表面的亮度也要高200多亿倍。2)单色性好,激光的波长(或者频率)是某一确定
8、的数值,或严格地讲是波长的范围(谱线宽度)非常小。3)相干性好,激光源先后发出的两束光波,在空间产生干涉现象的时间或所走的路程(相干长度)很长。某些单色性很好的激光器所发出的光,其相干长度可达到几十公里。而单色性很好的氪灯所发出的光,相干长度仅为78cm。4)方向性好,激光束的发射角很小,几乎是一束平行光。2.激光加工的工作原理激光加工的基本设备包括电源、激光器、光学系统及机械系统等四部分。图9-7激光加工的工作原理示意图1激光器2光阑3反射镜4聚焦镜5工件6工作台7电源1)不需要直接接触的加工工具,所以不存在工具损耗问题,适宜自动化生产系统。2)由于激光的功率密度高,几乎能加工所有的材料,如
9、各种金属材料、陶瓷、石英、金刚石及半导体等。3)激光加工是非接触加工,加工速度快,热影响区小,适用于微细加工,如加工深而小的微孔和窄缝(直径可小至几微米,深度与直径之比可达100以上)。3.激光加工的特点及应用割、焊接等就可以在同一台机床上进行。激光技术的发展,正在改变着某些领域的生产方式,使其生产效率大大提高,而随着激光技术与数控技术的密切结合,激光加工技术的应用将会得到更快、更广泛的发展。4)通用性强。同一台激光加工装置,可做多种加工用。如打孔、切第二节数 控 加 工数控加工技术是为了实现机床控制自动化要求而发展的。一、数控机床的组成1.控制介质数控机床工作时,不要工人去直接操作机床,但又
10、必须执行人们的意图,这就必须在人和数控机床之间建立某种联系,这种联系的媒介物称为控制介质。2.数控装置数控装置是数控机床的中枢,在普通数控机床(NC机床)中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。3.伺服机构伺服机构的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床执行机构运动部件的运动,实现对加工轨迹的控制,最后加工出符合图样要求的零件。4.机床执行机构机床执行机构包括机床上的工作台、刀架、主轴、机动夹具、冷却系统等,用于实现加工零件时工件相对于刀具的运动和冷却等。5.检测反馈系统检测反馈系统的作用是测量运动部件位移量并反馈到数控装置,形成闭环系统。二、数控加工技术的特点数控加工技术的
11、主要特点如下:1)零件的加工精度高,尺寸一致性好由于数控机床本身的精密度高,特别是有的数控机床具有加工过程自动检测和误差补偿等功能,因而能可靠地保证加工精度和尺寸的稳定性。2)生产效率高。数控加工过程是一种自动加工过程,不需要工人直接操作机床。加工中零件的装夹次数少。一次装夹可加工出很多表面,可省去划线找正和检测等许多中间工序。加工复杂零件时,效率可提高510倍,劳动强度也低。3)特别适合加工形状复杂的轮廓表面。可加工如叶片、叶轮及成形模具等具有复杂空间曲面的零件。4)有利于实现计算机辅助制造。目前在机械制造业中,CAD/CAM的应用日趋广泛,而数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造系统的基础
12、。5)对操作者(不含编程人员)技术水平的要求相对较低。6)初始投资大,加工成本高。数控机床的价格一般比同规格的普通机床高出许多,机床备件的价格也很高,加上零件加工进行编程、调整和试加工等的准备时间较长,因而使零件的加工成本大大高于普通机床。此外,数控机床是技术密集型的机电一体化产品,数控加工技术的复杂性和综合性加大了维修工作的难度,需要配备素质较高的维修人员和维修装备。三、柔性制造系统(FMS)众所周知,高度机械化的自动线具有很高的生产率,但缺乏柔性,不允许加工对象的设计有任何变化。1)能适应加工零件生产数量和工艺要求的变化。2)具有高度的自动化程度、稳定性和可靠性,能实现24h无人自动连续运
13、转。3)提高设备的利用率,减少调整、准备等辅助时间,提高生产率。4)降低直接劳动成本,提高经济效益。1.计算机辅助制造(CAM)把计算机用于毛坯制造、机械加工、热处理、表面处理、装配、运输、质量管理、生产计划、作业调度、工艺生产准备等有关制造过程的各个阶段,称为计算机辅助制造CAM(Computer Aided Manufacturing)。1)直接应用,即用于制造过程的监视和控制。2)间接应用,例如,用计算机制订工艺规程,编制数控程序、切削加工数据库和各种标准文件库的管理、仓库管理、生产管理、成本四、计算机辅助制造(CAM)和计算机集成制造系统(CIMS)核算等。2.计算机集成制造系统数控机
14、床,仅是一个实现了操作循环自动化的零件加工机床;数控加工中心由于能自动换刀,是实现零件部分或全部机械加工过程的自动化;柔性制造系统是灵活可变,能适应加工多种产品的自动化生产系统;计算机辅助制造则是把所有较低的各级手段集成为统一的自动化制造过程。的。它是一个机械工厂全盘集成自动化的设想,即借助于计算机技术,使机械制造生产过程的各个组成部分(从经营决策、产品开发、生产准备、生产实施到生产经营管理全部过程)有机地结合成一个整体,以实现生产的柔性化、优化、自动化和集成化,达到高效率、高质量、低成本和灵活生产的目的。目前,CIMS还在发展和完善之中。CIMS的这一概念模型是由美国的麦钦特(M.E.Merchant)最早提出
