《金屬切削機床》-教學單元9

9-1電火花加工機床簡介一、電火花加工機床原理電火花加工是利用工具電極和工件電極間瞬時火花放電所產生的高溫熔蝕工件表面材料來實現加工的。電火花加工機床一般由脈沖電源、自動進給機構、機床本體及工作液循環過濾系統等部分組成。如圖9-1所示，工件固定在機床工作臺上。脈沖電源提供加工所需的能量，其兩極分別接在工具電極1與工件3上。當工具電極與工件在進給機構的驅動下在工作液4中相互靠近時，極間電壓擊穿間隙而產生火花放電，釋放大量的熱。工件表層吸收熱量后達到很高的溫度(10000℃以上)，其局部材料因熔化甚至氣化而被蝕除下來，形成一個微小的凹坑。下一頁返回9-1電火花加工機床簡介

工作液循環過濾系統強迫清潔的工作液以一定的壓力通過工具電極與工件之間的間隙，及時排除電蝕產物，并將電蝕產物從工作液中過濾出去。多次放電的結果，工件表面產生大量凹坑。工具電極在進給機構6的驅動下不斷下降，其輪廓形狀便被“復印”到工件上(工具電極材料盡管也會被蝕除，但其速度遠小于工件材料)。1.電火花加工的特點

(1)可用硬度低的紫銅或石墨作為工具電極對任何硬、脆、高熔點的導電材料進行加具有以柔克剛的功能;(2)可以加工特殊和形狀復雜的表面，常用于注塑模、壓鑄模等型腔模的加工;上一頁下一頁返回9-1電火花加工機床簡介

(3)無明顯的機械切削力，適宜于加工薄壁、窄槽和細微精密零件;(4)由于脈沖電源的輸出脈沖參數可任意調節，因而能在同一臺床子上連續進行粗加半精加工和精加工。2.電火花加工應用范圍

(1)加工硬、脆、韌、軟和高熔點的導電材料;(2)加工半導體材料及非導電材料;(3)加工各種型孔、曲線孔和微小孔;(4)加工各種立體曲面型腔，如鍛模、壓鑄模、塑料模的模膛;(5)用來進行切斷、切割以及進行表面強化、刻寫、打印銘牌和標記等。上一頁下一頁返回9-1電火花加工機床簡介

圖9-2為電火花加工機床組成示意圖。二、電火花線切割機床電火花線切割加工是在電火花加工基礎上發展起來的一種加工工藝(簡稱WEDM)。其工具電極為金屬絲(鉑絲或銅絲)，在金屬絲與工件間施加脈沖電壓，利用脈沖放電對工件進行切割加工，因而也稱線切割。圖9-3為電火花線切割加工原理。電火花線切割加工的特點和應用:(l)可切割各種高硬度材料，用于加工淬火后的模具、硬質合金模具和強磁材利；

(2)由于采用數控技術，可編程切割形狀復雜的型腔，易于實現CAD/CAM;上一頁下一頁返回9-1電火花加工機床簡介(3)由于幾乎無切削力，可切割極薄工件;(4)由于金屬絲直徑小，因而加工時省料，適于切割貴重金屬材料;(5)試制新產品時，可直接將某些板類工件切割出，使開發產品周期縮短。線切割機床的結構大同小異，如圖9-4大致可分為主機、脈沖電源和數控裝置三大部分。上一頁返回9-2電解加工機床簡介一、電解加工原理電解加工是利用金屬在電解液中產生陽極溶解的電化學原理對工件進行成型加工的一種方法。工件接直流電源正極，工具接負極。當工具陰極向工件不斷進給時，在面對陰極的工件表面上，金屬材料按陰極型面的形狀不斷溶解，電解產物被高速電解液帶走，于是工具型面的形狀就相應地“復印”在工件上。如圖9-5所示為電解加工的成型原理圖。如圖9-6所示電解加工機床加工示意圖。電解加工的基本設備包括直流設備、電解加工機床和電解液系統三個部分。

下一頁返回9-2電解加工機床簡介二、電解加工特點

(1)工作電壓小，工作電流大;(2)以簡單的進給運動一次加工出形狀復雜的型面或型腔;(3)可加工難加工材料;(4)生產率較高，約為電火花加工的5-10倍;(5)加工中無機械切削力或切削熱，適于易變形或薄壁零件的加工;(6)平均加工公差可達0.1mm左右;(7)附屬設備多，占地面積大，造價高;(8)電解液既腐蝕機床，又容易污染環境。上一頁下一頁返回9-2電解加工機床簡介三、電解加工機床應用范圍電解加工主要用于加工型孔、型腔、復雜型面、小直徑深孔、膛線以及進行去毛刺、刻印等。上一頁下一頁返回9-3激光加工機床簡介

激光加工是利用光能經透鏡聚焦以極高的能量密度靠光熱效應加工各種材料的一種新工藝(簡稱LBM)。一、激光加工的原理激光是一束相同頻率、相同方向和嚴格位相關系的高強度平行單色光。由于光束的發散角通常不超過0.10，因此在理論上可聚焦到直徑為光波波長尺寸相近的焦點上，焦點處的能量密度溫度可高達攝氏1萬度，從而使任何材料均在瞬時被急劇熔化乃至汽化，并產生強烈的沖擊波被噴發出去，從而達到切除材料的日的。常用的激光器按激活介質的種類可分為固體激光器和氣體激光器。如圖9-7為固體激光器結構示意圖。

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原理:對工件的激光加工由激光加工機完成。激光加工機通常由激光器、電源、光學系統和機械系統等組成。激光器(常用的有固體激光器和氣體激光器)把電能轉變為光能，產生所需的激光束，經光學系統聚焦后，照射在工件上進行加工。工件固定在三坐標精密工作臺上，由數控系統控制和驅動，完成加工所需的進給運動。圖9-8為激光加工機床示意圖。二、激光加工的特點

(1)由于激光加工的功率密度高，幾乎可以加工任何材料;(2)激光束可調焦到微米級，其輸出功率可以調節，因此，激光可用于精細加工;上一頁下一頁返回9-3激光加工機床簡介(3)激光屬非接觸式加工，無明顯機械切削力，因而具有無工具損耗、加工速度快、熱影響區小、熱變形和加工變形小，易實現自動化等優點;(4)能透過透視窗孔對隔離室或真空室內的零件進行加工。

(5)激光切割的切縫窄，切割邊緣質量好。三、激光加工機床的應用應用范圍激光加工已廣泛用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、發散式氣冷沖片的多孔蒙皮、發動機噴油嘴、航空發動機葉片等的小孔加工以及多種金屬材料和非金屬材料的切割加工。上一頁返回9-4超聲波加工機床簡介一、超聲波加工原理超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或干磨料中，產生磨料的沖擊，拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用來去除材料，以及利用超聲振動使工件相互結合的加工方法。

1.超聲加工的基本原理超聲加工是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。加工原理如圖9-9所示。加工時，在工具6和工件7之間加人液體(水或煤油等)和磨料混合的懸浮液8，并使工具以很小的力F輕輕壓在工件上。下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介

超聲換能器4產生16000Hz以上的超聲頻縱向振動，并借助于變幅桿把振幅放大到，驅動工具端面作超聲振動，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很細的微粒，從工件上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料很少，但由于每秒鐘打擊的次數多達16000次以上，所以仍有一定的加工速度。與此同時，工作液受工具端面超聲振動作用而產生的高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化”作用，促使工作液鉆人被加工材料的微裂縫處，加劇了機械破壞作用。上一頁下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介

所謂空化作用，是指當工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內形成負壓和局部真空，在工作液體內形成很多微空腔，當工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓沖擊波，可以強化加工過程。此外，正負交變的液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強迫循環，使變鈍了的磨粒及時得到更新。由此可見，超聲加工是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結果，其中磨粒的撞擊作用是主要的。既然超聲加工是基于局部撞擊作用，因此就不難理解，越是脆硬的材料，受撞擊作用遭受的破壞愈大，愈易超聲加工。相反，脆性和硬度不大的韌性材料，由于它的緩沖作用而難以加工。上一頁下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介

根據這個道理，人們可以合理選擇工具材料，使之既能撞擊磨粒，又不致使自身受到很大破壞，例如用45鋼作工具即可滿足上述要求。2.超聲加工的特點

(1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導電的硬質金屬材料如淬火鋼、硬質合金等，也能進行加工、但加工生產率較低。

(2)由于工具可用較軟的材料、做成較復雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復雜的相對運動，因此超聲加工機床的結構比較簡單，只需一個方向進給，操作和維修方便。上一頁下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介(3)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度一也較好，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。二、超聲加工設備及其組成部分超聲加工設備又稱超聲加工裝置，見圖9-10。它們的功率大小和結構形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發生器、超聲振動系統、機床本身和磨料工作液循環系統。其主要組成如下:(1)超聲發生器。超聲發生器也稱超聲波或超聲頻發生器，其作用是將工頻交流電轉變為有一定功率頻的超聲頻電振蕩，以提供工具端面往復振動和去除被加工材料的能量。上一頁下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介

(2)聲學部件。聲學部件的作用是把高頻電能轉變為機械能，使工具端面作高頻率小振幅的振動以進行加工。

(3)機床。超聲加工機床一般比較簡單，包括支撐聲學部件的機架及工作臺，使工具以一定壓力作用在工件上的進給機構，以及床體等部分。

(4)磨料工作液及其循環系統。簡單的超聲波加工裝置，其磨料是靠人工輸送和更換的，即在加工前將懸浮磨料的工作液澆注堆積在加工區，加工過程中定時抬起工具并補充磨料。效果較好而又最常用的工作液是水，為了提高表面質量，有時也用煤油或機油作工作液。磨粉常用碳化硼、碳化硅或氧化鋁等。上一頁下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介

在加工難切削材料時，常將超聲振動與其他加工方法配合進行復合加工，如超聲車削、超聲磨削、超聲電解加工、超聲線切割等。這些復合加工方法把兩種甚至多種加工方法結合在一起，能起到取長補短的作用，使加工效率、加工精度及工件的表面質量顯著提高。三、超聲加工的應用超聲加工從20世紀50年代開始實用性研究以來，其應用日益廣泛。隨著科技和材料工業的發展，新技術、新材料將不斷涌現，超聲加工的應用也會進一步拓寬，發揮更大的作用。日前，生產上多用于以下幾個方面:(1)成型加工。超聲加工適于加工各種硬脆材料的圓孔、型孔、型腔、溝槽、異形貫通孔、彎曲孔、微細孔、套料等。上一頁下一頁返回9-4超聲波加工機床簡介

(2)切割加工。超聲精密切割半導體、鐵氧體、石英、寶石、陶瓷、金剛石等硬脆材料，比用金剛石刀具切割具有切片薄、切日窄、精度高、生產率高、經濟性好的優點。

(3)焊接加工。超聲焊接是利用超聲頻振動作用，去除工件表面的氧化膜，使新的本體表面顯露出來，并在兩個被焊工