1、第九章 特種加工 特種加工是指那些不屬于傳統加工工藝（切削、磨削）范疇的加工方法。泛指用電能、熱能、光能、電化學能、化學能、聲能等能量達到去除材料的加工方法。參考書： 劉晉春、趙家齊、趙萬生 主編. 特種加工（第四版）. 2005，1 劉晉春、白基成、郭永豐 主編. 特種加工（第五版）. 2008，7 其它相關書籍第一節(jié) 概論 一、特種加工的產生及發(fā)展 特種加工的提出目的：難切削材料的加工復雜表面的加工1.超精、光整或有特殊要求的零件加工切削加工的本質和特點：刀具材料比工件硬靠機械能把工件上多余的材料切除特種加工的特點：主要依靠其它能量（如電、化學、光、聲、熱等）去除材料工具硬度可低于被加工材

2、料硬度A. 加工過程中工具和工件間不存在明顯的機械切削力 二、特種加工的分類 三、特種加工對材料可加工性和結構工藝性的影響 提高了材料的可加工性零件結構工藝性衡量標準有影響某些特種加工方法已成為微細加工和納米加工的主要手段。例如，電子束加工、離子束加工 第二節(jié) 激光加工 一、激光加工的原理和特點 （一）激光 激光是一種能量密度大的單色光。（二）激光特性強度高。比太陽表面亮度高二百多億倍。單色性好。譜線寬=10-8nm相干性好。激光相干長度可達幾十公里，而單色性很強的氪燈所發(fā)出的光，相干長度只有78cm。1.方向性好。 （三）激光加工的原理和特點聚焦后，激光加工的功率密度可達1081010W/c

3、m2，幾乎可以熔化、汽化任何材料。可進行精密微細加工。工具為激光束，是非接觸加工。沒有機械力，沒有工具磨損，易于實現自動化。重復精度和表面粗糙度不易保證。1.加工中產生的氣體及飛濺物，要注意通風抽走。 二、激光加工設備 大恒激光切割、雕刻機床（一）激光加工機床的組成激光器、激光器電源、光學系統、機械系統（二）激光加工常用激光器按激活介質種類分：固體激光器、氣體激光器按工作方式分：連續(xù)激光器、脈沖激光器 二氧化碳激光器二氧化碳激光器：二氧化碳為工作介質連續(xù)輸出功率可達萬瓦。是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。效率為20以上。譜線：10.6m紅外線 三、激光加工工藝和應用 （一）激光打孔打微小孔：

4、化學纖維噴絲模孔，鐘表及儀表寶石軸承孔。直徑可小到0.01mm，深徑比可達50：1。焦點位置：一般激光實際焦點在工件表面或略微低于工件表面為宜。4、激光多次照射激光照射一次，加工深度大約是孔徑的5倍，而且錐度較大。多次照射能在不擴大孔徑的情況下將孔打深（光管效應） 。 （二）激光切割切削原理與打孔一樣。不同之處是，工件與激光束之間要相對移動。 第三節(jié) 快速成型技術 RP：Rapid Prototyping國外：80年代后期發(fā)展起來國內：90年代初開始發(fā)展制造理念：增材加工法，面積成體 世界上首部3D打印汽車Urbee 2一、光敏樹脂液相固化成形 SL: Stereolithography又稱：

5、光固化立體造型、立體光刻1、成形原理液態(tài)光敏樹脂在激光（波長325nm、30mW）照射下，迅速發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大，材料從液態(tài)變成固態(tài)。單層高度：0.1mm 2、特點和成形材料特點：技術成熟；精度高、表面質量好；原材料利用率近100；能制造形狀復雜、特別精細的零件。成形材料：自由基光敏樹脂、陽離子光敏樹脂、混雜型光敏樹脂（多用）3、成形設備和應用華中科技大學：HRPL-1型；清華大學：CPS-250型；西安交通大學：LPS-600型、LPS-350型 二、選擇性激光粉末燒結成形 SLS: Selected Laser Sintering由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C. R. Dec

6、hard 于1989年研制成功。1、成形工藝原理利用粉末材料在激光照射下燒結成形，在計算機控制下層層堆積成形。 2、特點和成形材料特點：材料適應面廣，無需支撐。 3、設備和應用北京隆源公司、華中科技大學、清華大學 北京隆源快速成形設備AFS-320AFS-450三、 薄片分層疊加成形 LOM: Laminated Object Manufacturing又稱疊層實體制造或分層實體制造由美國Helisys公司于1986年研制成功1、工藝原理 2、特點和成形材料特點：易于制造大型、實體零件，無需支撐成形材料：紙、塑料薄膜、薄鋼板3、設備 華中科技大學四、熔絲堆積成形 FDM: Fused Depo

7、sition Modeling由美國學者1988年研制成功，由美國Stratasys公司推出商品化機器。1、工藝原理利用熱塑性材料的熱熔性、粘結性，在計算機控制下層層堆積成型。 2、特點和成形材料特點：不用激光，因此使用、維護簡單，成本較低。用蠟成形的零件原型，可直接用于失蠟鑄造。用ABS工程塑料制造的零件原型具有較高強度，而在產品設計、測試、評估等方面廣泛應用。成形材料支撐材料美國Stratasys公司 FDM Dimension SST第四節(jié) 電火花成型加工 一、電火花加工基本原理及其分類（一）電火花加工原理和設備組成原理：工具和工件（正、負電極）之間脈沖性火花放電形成電腐蝕，來蝕除多余金

8、屬，以達到對零件尺寸、形狀、表面質量預定的加工要求。 電腐蝕除金屬材料的條件：工件被加工表面、工具電極表面間有合適的放電間隙：幾微米間隙：幾微米幾百微米幾百微米火花放電必須是瞬時脈沖放電，放電延續(xù)時間：11000sI.火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質中進行，如電火花液、煤油等（二）電火花加工的特點及其應用優(yōu)點：l適于任何難切削加工材料l可以加工特殊及復雜形狀的表面和零件不足：l主要用于加工金屬材料l加工速度慢l存在電極損耗二、影響材料放電腐蝕的主要因素1、極性效應 由于正、負極性不同而彼此電蝕量不一樣的現象叫做極性效應。 正極性工件接正極 負極性工件接負極 2、電參數對電蝕量的影響 電參

9、數：電壓脈沖寬度、電流脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖頻率、峰值電流、峰值電壓、極性等。 提供電蝕量和生產率的途徑：提供脈沖頻率；增加單個脈沖能量；間隙脈沖間隔。 3、工作液對電蝕量的影響 工作液作用：形成火花穿放通道；幫助電蝕產物的排除；冷卻。4、其它因素 加工鋼：應選銅電極，鋼電極不好。 三、電火花機床 機床結構： 第五節(jié) 電火花線切割加工 Wire Cut Electrical Discharge Machining 簡稱WEDM 一、工作原理、特點和應用范圍（一）線切割加工原理利用移動的細金屬絲（鉬絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成形。根據電極絲的運動速度，電火花線切割機床分為：高速走

10、絲機床和低速走絲（慢走絲）機床兩種。 (1) 高速走絲機床：810 m/s，我國生產、使用 (2) 低速走絲機床：低于0.2 m/s，國外生產、使用 電極絲直徑電極絲直徑高速走絲：0.060.20mm鉬絲低速走絲：0.3mm鍍鋅黃銅絲，精加工用0.03mm鉬絲（二）特點與電火花成形加工共性特點：電壓、電流波形相似加工機理、生產率、表面粗糙度等工藝規(guī)律，材料可加工性等相似與電火花成形加工不同特點：脈沖寬度、平均電流不能太大，工件接電源正極。采用水或水基工作液。一般沒有穩(wěn)定的放電狀態(tài)。電極與工件間存在“疏松接觸”式輕壓放電現象。無成形工件電極材料利用率高 電極損耗對加工精度影響小（三）應用 加工模

11、具 加工精度：快走絲0.010.02mm； 慢走絲0.0020.005mm 加工電火花成形加工用電極 加工零件 二、加工設備 機床組成：床身、工作臺、運絲機構、絲架、工作液箱、附件、夾具等 三、線切割加工工藝擴展 （一）加工工藝就工藝可能性而言，分為三類：切割直壁二維型面等錐角三維曲面切割可變錐度、上下異形面切割 （二）擴展應用 第六節(jié) 超聲加工 一、超聲加工的基本原理和特點 1、超聲波及其特性人耳可感受的聲波頻率范圍：20Hz20kHz超聲波：20kHz超聲波和聲波一樣，可在氣體、液體、固體介質中縱向傳播。鐵中傳播速度c=5850m/sfc2、超聲波加工基本原理 3、超聲波加工特點適于加工各

12、種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料。機床結構簡單，只一個方向進給，操作、維修簡單。切削力小、切削熱很小，表面粗糙度好。二、超聲加工設備 （一）超聲發(fā)生器（超聲電源） （二）聲學振動系統作用：把高頻電能轉變?yōu)闄C械能，使工具端面作高頻率小振幅振動，以進行加工。包括：換能器、變幅桿、工具1、換能器(1) 壓電效應超聲波換能器壓電效應超聲波換能器 壓電效應：機械變形電荷，電荷（電壓）電荷（電壓）機械變形機械變形(2) 磁致伸縮效應超聲波換能器磁致伸縮效應超聲波換能器鎳、鐵、鈷及其合金的長度能隨其所處磁場強度的變化而伸縮的現象稱為磁致伸縮效應。其中，鎳在磁場中縮短，鐵在磁場中伸長。 2、變幅桿（振幅擴大棒）壓電或磁致伸縮的變形量很小：0.0050.01mm超聲波加工需要振幅：0.010.1mm 為了獲得較大的振幅，應使變幅桿的固有振動頻率和外激振動頻率相等，處于共振狀態(tài)。為此，在設計、制造變幅桿時，應使其長度L等于超聲波振動的半波長或其整倍數。式中，超聲波波長；c超聲波在介質中的傳播速度（在鋼中c5050m/s）f超聲波頻率，1600025000Hz 由此計算出超聲波在鋼中傳播的波長為0.20.31m，故鋼變幅桿的長度應為100160mm。 fcL2123、工具工具的形狀和尺寸決定于被加工表面的形狀和尺寸，它們相差一個“加工間隙”（稍