1、YCF正版可修改PPT（中職）模具制造技術第四章模具零件的特種加工教學課件第四章 模具零件的特種加工第一節 電火花成型加工第二節 電火花線切割加工第三節 電化學加工第四節 其他加工技術簡介第四章 模具零件的特種加工本章概述隨著模具行業的發展，傳統的機加工工藝有時已經不能滿足需求，因此近些年發展出了幾種特種加工工藝。這些特種加工工藝有著很好的發展前景，我們有必要了解一下。本章介紹了幾種特種加工技術和工藝，包括電火花成型加工、電火花線切割加工、電化學加工及其他幾種特種加工技術。著重介紹了它們的原理、特點及應用。教學目標1.掌握電火花成型加工、電火花線切割加工、電化學加工的原理、特點及應用。2.了解

2、電火花成型加工、電火花線切割加工工藝所使用機床的結構特點。3.了解超聲波加工、激光加工、電子束加工的原理、特點及應用。4.嘗試綜合利用本章所述幾種加工工藝對不同零件進行加工。下一頁返回第一節 電火花成型加工電火花加工是在液體介質中進行的，機床的自動進給調節裝置使工件和工具電極之間保持適當的放電間隙，當工具電極和工件之間施加很強的脈沖電壓(達到間隙中介質的擊穿電壓)時，會擊穿介質絕緣強度最低處。由于放電區域很小，放電時間極短，所以，能量高度集中，使放電區的溫度瞬時高達1000012000，工件表面和工具電極表面的金屬局部熔化、甚至汽化蒸發。局部熔化和汽化的金屬在爆炸力的作用下拋入工作液中，并被冷

3、卻為金屬小顆粒，然后被工作液迅速沖離工作區，從而使工件表面形成一個微小的凹坑。一次放電后，介質的絕緣強度恢復等待下一次放電。如此反復使工件表面不斷被蝕除，并在工件上復制出工具電極的形狀，從而達到成型加工的目的。下一頁返回第一節 電火花成型加工一、電火花加工的原理電火花加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產生瞬時高溫，使局部金屬熔化，甚至汽化，從而將金屬蝕除下來。這一過程大致分為以下幾個階段:上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工1.極間介質的電離、擊穿，形成放電通道放電通道是由大量帶正電和負電的粒子以及中型粒子組成，帶電粒子高速運動，

4、相互碰撞，產生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達到10000以上。由于放電開始階段通道截面很小，而通道內有高溫熱膨脹形成的壓力高達幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴展，產生一個強烈的沖擊波向四周傳播。在放電的同時還伴隨著光效應和聲效應，這就形成了肉眼所能看到的電火花。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工2.電極材料的熔化，汽化熱膨脹液體介質被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負極，粒子間相互撞擊，產生大量的熱能，使通道瞬間達到很高的溫度。通道高溫首先使工作液汽化，進而汽化，然后高溫向四周擴散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化直至沸騰汽化。汽化后的工作

5、液和金屬蒸汽瞬間體積猛增，形成了爆炸的特性。所以在觀察電火花加工時，可以看到工件與工具電極間有冒煙現象并聽到輕微的爆炸聲。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工3.電極材料的拋出正負電極間產生的電火花現象，使放電通道產生高溫高壓。通道中心的壓力最高，工作液和金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸汽被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作液中。加工中看到的橘紅色火花就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工4.極間介質的消電離在電火花放電加工過程中產生的電蝕產物如果來不及排除和擴散，那么產生的熱量將不能及時傳出，使該處介質局部過熱，局部

6、過熱的工作液高溫分解、結碳，使加工無法進行，并燒壞電極。因此為了保證電火花加工過程的正常進行，在兩次放電之間必須有足夠的時間間隔讓電蝕產物充分排出，恢復放電通道的絕緣性，使工作液介質消電離。實際上，電火花加工的過程遠比上述復雜，它是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學和膠體化學等綜合作用的過程。到目前為止，人們對電火花加工過程的了解還有限，需要進一步研究。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工要使放電腐蝕原理用于對導電材料進行尺寸加工，必須具備以下幾個基本條件:(1)工具電極和工件被加工表面之間必須保持一定的放電間隙，這一間隙隨加工條件而定，通常約為幾微米至幾百微米。如果間隙過小，很容易形成短路

7、接觸，不能產生火花放電;如果間隙過大，極間電壓不能擊穿極間介質，同樣不會產生火花放電。因此，加工中必須用自動進給調節機構來保證加工間隙隨工作狀態而變化。(2)火花放電必須在一定絕緣性能的液體介質中進行，例如，煤油、皂化液或去離子水等。液體介質又稱工作液，有壓縮放電通道的作用，同時液體介質還能把電火花加工過程中產生的金屬屑、炭黑等電蝕產物從放電間隙中排出去，并且對電極和工件有較好的冷卻作用。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工(3)火花放電是瞬時的脈沖性放電，放電的持續時間一般為11000 s。由于放電時間短，能量集中，使放電時產生的熱量來不及擴散到電極材料內部，放電點集中在很小范圍內。如果放

8、電時間過長，就會形成持續電弧放電，使加工表面材料大范圍熔化燒傷而無法用作尺寸加工。(4)在先后兩次脈沖放電之間，應有足夠的停歇時間，排除電蝕產物，使極間介質充分消電離，恢復介電性能，以保證每次脈沖放電不在同點進行，避免發生局部燒傷現象，使重復性脈沖放電順利進行。如圖4-1所示為矩形波脈沖電源的電壓波形。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工以上這些問題的解決是通過圖4-2所示的電火花加工原理來實現的。工件1和工具4分別與脈沖電源2的兩輸出端相連接。自動進給調節裝置3(此處為電動機及絲杠螺母機構)使工具和工件間經常保持一很小的放電間隙，若脈沖電壓加到兩極之間，便在當時條件下相對某一間隙最小處或絕

9、緣強度最低處擊穿介質，在該局部產生火花放電，放電點處產生瞬時高溫使工具和工件表面都蝕除掉一小部分金屬，各自形成一個小凹坑。脈沖放電結束后，經過一段間隔時間(即脈沖間隔)，使工作液恢復絕緣后，第二個脈沖電壓又加到兩極上，又會在當時極間距離相對最近或絕緣強度最弱處擊穿放電，又電蝕出一個小凹坑。如此連續不斷地重復放電，工具電極不斷地向工件進給就可把工具的形狀復制到工件上，加工出所需要的零件，整個加工表面由無數個小凹坑組成。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工二、電火花加工的分類按照工具電極的形式及其與工件之間相對運動的特征，可將電火花加工方式分為五類:利用成型工具電極，相對工件作簡單進給運動的電火

10、花成型加工;利用軸向移動的金屬絲作工具電極，工件按所需形狀和尺寸作軌跡運動，以切割導電材料的電火花線切割加工;利用金屬絲或成型導電磨輪作工具電極，進行小孔磨削或成型磨削的電火花磨削;用于加工螺紋環規、螺紋塞規、齒輪等的電火花共扼回轉加工;小孔加工、刻印、表面合金化、表面強化等其他種類的加工。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工三、電火花加工的特點脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機械加工方法難以加工或無法加工的特殊材料和復雜形狀的工件，不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響;脈沖放電持續時間極短，放電時產生的熱量傳導擴散范圍小，材料受熱影響范圍小; 放電加工中，工具電極和工件不直接接觸，沒

11、有機械切削力，因此適合低剛度工件的加工和微細加工，由于可以簡單地將工具電極的形狀復制到工件上，因此適用于復雜表面形狀的加工;上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工直接利用電能加工，易于實現加工過程的自動控制和無人化操作，并可減少機械加工工序，勞動強度低，使用維護方便;加工時，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小，工具電極材料不需比工件材料硬，因此，工具電極制造容易。由于電火花加工具有許多傳統切削加工所無法比擬的優點，因此其應用領域日益擴大，目前已廣泛應用于機械(特別是模具制造)、航空、電子、電機電器、精密機械、儀器儀表等工業，以解決難加工材料及復雜形狀零件的加工問題。加工范圍從小至

12、幾微米的孔、縫、小軸到大到幾米的超大型模具和零件。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工四、電火花加工的應用基于上述特點，電火花加工的主要用途有以下幾項。制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模;加工小孔、畸形孔以及在硬質合金上加工螺紋螺孔;在金屬板材上切割出零件;加工窄縫;磨削平面和圓面;其他(如強化金屬表面，取出折斷的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面復雜的零件等)。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工五、電火花機床簡介電火花加工機床主要由機床本體、脈沖電源、自動進給調節系統、工作液過濾和循環系統等部分組成，如圖4-3所示。在電火花加工過程中，脈沖電源的作用是把工頻正弦交流電流轉變成頻率較高的單向

13、脈沖電流，向工件和工具電極間的加工間隙提供所需要的放電能量以蝕除金屬。脈沖電源的性能直接關系到電火花加工的加工速度、表面質量、加工精度、工具電極損耗等工藝指標。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工電火花成型加工的自動進給調節系統，主要包含伺服進給系統和參數控制系統。伺服進給系統主要用于控制放電間隙的大小，而參數控制系統主要用于控制電火花成型加工中的各種參數(如放電電流、脈沖寬度、脈沖間隔等)，以便能夠獲得最佳的加工工藝指標等。上一頁下一頁返回第一節 電火花成型加工工作液過濾和循環系統:電火花加工中的蝕除產物，一部分以氣態形式拋出，其余大部分是以球狀固體微粒分散地懸浮在工作液中，直徑一般為幾微

14、米。隨著電火花加工的進行，蝕除產物越來越多，充斥在電極和工件之間，或粘連在電極和工件的表面上。蝕除產物的聚集，會與電極或工件形成二次放電。這就破壞了電火花加工的穩定性，降低了加工速度，影響了加工精度和表面粗糙度。為了改善電火花加工的條件，一種辦法是使電極振動，以加強排屑作用;另一種辦法是對工作液進行強迫循環過濾，以改善間隙狀態。上一頁返回第二節 電火花線切割加工一、電火花線切割加工的原理電火花線切割機(Wire cut Electrical Discharge Machining, WEDM )，屬電加工范疇，是由前蘇聯拉扎林科夫婦研究開關觸點受火花放電腐蝕損壞的現象和原因時，發現電火花的瞬時

15、高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開創和發明了電火花加工方法。線切割機也于1960年發明于前蘇聯，我國是第一個用于工業生產的國家。其基本物理原理是自由正離子和電子在場中積累，很快形成一個被電離的導電通道。在這個階段，兩板間形成電流。下一頁返回第二節 電火花線切割加工導致粒子間發生無數次碰撞，形成一個等離子區，并很快升高到8000一12000的高溫，在兩導體表面瞬間熔化一些材料，同時，由于電極和電介液的汽化，形成一個氣泡，并且它的壓力規則上升直到非常高。然后電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內向爆炸，產生的動力把熔化的物質拋出彈坑，然后被腐蝕的材料在電介液中重新凝結成小的球體，并被電介

16、液排走。然后通過NC控制的監測和管控，伺服機構執行，使這種放電現象均勻一致，從而達到加工物被加工，使之成為合乎要求的尺寸大小及形狀精度的產品。原理示意圖如圖4-4所示。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工電火花數控線切割加工的過程中主要包含下列三部分內容:1.電火花線切割加工時電極絲和工件之間的脈沖放電電火花線切割時電極絲接脈沖電源的負極，工件接脈沖電源的正極。在正負極之間加上脈沖電源，當來一個電脈沖時，在電極絲和工件之間產生一次火花放電，在放電通道的中心溫度瞬時可高達10000以上，高溫使工件金屬熔化，甚至有少量汽化，高溫也使電極絲和工件之間的工作液部分產生汽化，這些汽化后的工作液和金屬

17、蒸汽瞬間迅速熱膨脹，并具有爆炸的特性。這種熱膨脹和局部微爆炸，將熔化和汽化了的金屬材料拋出而實現對工件材料進行電蝕切割加工。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工為了電火花加工的順利進行，必須創造條件保證每來一個電脈沖時在電極絲和工件之間產生的是火花放電而不是電弧放電。首先，必須使兩個電脈沖之間有足夠的間隔時間，使放電間隙中的介質消電離。其次，為了保證火花放電時電極絲不被燒斷，必須向放電間隙注入大量工作液，以便電極絲得到充分冷卻。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工2.電火花線切割加工的走絲運動為了避免火花放電總在電極絲的局部位置而被燒斷，影響加工質量和生產效率。在加工過程中電極絲沿軸向

18、作走絲運動。鑰絲整齊地纏繞在儲絲筒上，并形成一個閉合狀態，走絲電機帶動儲絲筒轉動時，通過導絲輪使鑰絲作軸線運動。3. X,Y坐標工作臺運動工件安裝在上下兩層的X,Y坐標工作臺上，分別由步進電動機驅動作數控運動。工件相對于電極絲的運動軌跡，是由線切割編程所決定的。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工二、電火花線切割加工的分類電火花線切割機按走絲速度可分為高速往復走絲電火花線切割機(Reciprocating type High Speed Wire cut Electrical Discharge Machining俗稱“快走絲”)、低速單向走絲電火花線切割機(Low Speed one-w

19、ay walk Wire cut Electrical Discharge Machining俗稱“慢走絲”)和立式自旋轉電火花線切割機(Vertical Wire Electrical Discharge Machining machine tool With Rotation Wire)三類。又可按工作臺形式分成單立柱十字工作臺型和雙立柱型(俗稱龍門型)。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工三、電火花線切割加工的特點1.電火花線切割加工的特點適于機械加工方法難以加工的材料的加工，如淬火鋼、硬質合金、耐熱合金等;線為工具電極，節約了電極設計和制造費用和時間，能方便地加工形狀復雜的外形和通

20、孔，能進行套料加工，沖模加工的凸凹模間隙可以任意調節;雖然加工的對象主要是平面形狀，但是除了有金屬絲直徑決定的內側腳的最小直徑R(金屬線半徑+放電間隙)這樣的限制外，任何復雜的開頭都可以加工;輪廓加工所需加工的余量少，能有效地節約貴重的材料;上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工可無視電極絲損耗(高速走絲切割采用低損耗脈沖電源，慢速走絲線切割采用單向連續供絲，在加工區總是保持新電極絲加工)，加工精度高;依靠微型計算機控制電極絲軌跡和間隙補償功能，同時加工凹凸兩種模具時，間隙可任意調節；無論被加工工件的硬度如何，只要是導體或半導體的材料都能實現加工;任何復雜開頭的零件，只要能編制加工程序就可以

21、進行加工，因而很適合小批零件和試制品的生產加工，加工周期短，應用靈活。2.電火花線切割加工的缺點被加工材料必須導電;不能加工盲孔。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工四、電火花線切割加工的應用1.試制新產品在新產品開發過程中需要單件的樣品，使用線切割直接切割出零件，無需模具，這樣可以大大縮短新產品的開發周期并降低試制成本。如在沖壓生產時，未開出落料模時，先用線切割加工的樣板進行成型等后續加工，得到驗證后再制造落料模。2.加工材料或形狀特殊的零件電火花線切割加工的應用線切割廣泛用于加工硬質合金、淬火鋼模具零件、樣板、各種形狀復雜的細小零件、窄縫等。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工如形

22、狀復雜、帶有尖角窄縫的小型凹模的型孔可采用整體結構在淬火后加工，既能保證模具精度，也可簡化模具設計和制造。此外，電火花線切割還可加工除盲孔以外的其他難加工的金屬零件。3.加工模具零件電火花線切割加工主要應用于沖模、擠壓模、塑料模、電火花型腔模的電極加工等，由于電火花線切割加工速度和精度的迅速提高，目前已達到可與坐標磨床相競爭的程度。例如，中小型沖模，材料為模具鋼，過去用分開模和曲線磨削的方法加工，現在改用電火花線切割整體加工的方法，制造周期可縮短3/45/4，成本降低2/33/4，配合精度高，不需要熟練的操作工作。因此，一些工業發達國家的精密沖的磨削等工序，已被電火花和電火花線切割加工所代替。

23、上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工五、電火花線切割機床簡介電火花線切割加工設備主要由機床本體、脈沖電源、控制系統、工作液循環系統和機床附件等幾部分組成。圖4-5和圖4-6分別為高速和低速走絲線切割加工設備組成圖。1.機床本體機床本體由床身、坐標工作臺、走絲機構、絲架、工作液箱、附件和夾具等幾部分組成。床身一般為鑄件，是坐標工作臺、走絲機構及絲架的支承和固定基礎。通常采用箱式結構，應有足夠的強度和剛度。床身內部安置電源和工作液箱，考慮電源的發熱和工作液泵的振動，有些機床將電源和工作液箱移出床身外另行安放。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工電火花線切割機床最終都是通過坐標工作臺與電極絲

24、的相對運動來完成對零件加工的。為保證機床精度，對導軌的精度、剛度和耐磨性有較高的要求。一般都采用“十”字滑板、滾動導軌和絲桿傳動副將電動機的旋轉運動變為工作臺的直線運動，通過X,Y兩個坐標方向各自的進給移動，可合成獲得各種平面圖形曲線軌跡。為保證工作臺的定位精度和靈敏度，傳動絲桿和螺母之間必須消除間隙。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工在電火花線切割加工時，電極絲需要不停地移動，這個移動是由走絲機構來完成的。走絲系統使電極絲以一定的速度運動并保持一定的張力。在高速走絲機床上，一定長度的電極絲平整地卷繞在儲絲筒上，絲張力與盤繞時的拉緊力有關，儲絲筒通過聯軸器與驅動電動機相連。電動機帶動儲絲

25、筒由專門的換向裝置控制做正反向交替運轉，同時沿軸向移動，走絲速度等于儲絲筒周邊的線速度，通常為810 m/s。在運動過程中，電極絲由絲架支撐，并依靠導輪保持電極絲與工作臺垂直或傾斜一定的幾何角度(錐度切割時)。圖4-7為高速走絲線切割加工走絲系統結構示意圖。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工低速走絲系統如圖4-8所示。從未使用的金屬絲筒2(繞有13 kg金屬絲)靠廢絲卷絲輪1使金屬絲以較低的速度(通常0. 2 m/s以下)移動。為了提供一定的張力(225 N，在走絲路徑中裝有一個機械式或電磁式張力電動機4和電極絲張力調節器5。走絲系統中通常還裝有斷絲檢測微動開關，可以實現斷絲時能自動停車

26、并報警。用過的電極絲集中到卷絲筒上或送到專門的收集器中。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工為了減輕電極絲的振動，應使其跨度盡可能小(按工件厚度調整)，通常在工件的上下采用藍寶石V形導向器或圓孔金剛石模導向器，其附近裝有進電部分，工作液一般通過進電區和導向器再進入加工區，可使全部電極絲的通電部分都能冷卻。近年來的機床上還裝有靠高壓水射流沖刷引導的自動穿絲機構，能使電極絲經一個導向器穿過工件上的穿絲孔而被傳送到另一個導向器，在必要時也能自動切斷并再穿絲，為無人連續切割創造了條件。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工2.脈沖電源電火花線切割加工脈沖電源與電火花成型加工所用的電源在原理上相同

27、，不過受加工表面粗糙度和電極絲允許承載電流的限制，線切割加工脈沖電源的脈寬較窄(260s )，單個脈沖能量、平均電流(15A)一般較小，所以線切割加工總是采用正極性加工。脈沖電源的形式種類很多，如晶體管矩形波脈沖電源、高頻分組脈沖電源、并聯電容型脈沖電源和低損耗電源等，快、慢走絲線切割機床的脈沖電源也有所不同。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工3.工作液循環系統在線切割加工中，工作液對加工工藝指標的影響很大，如對切割速度、表面粗糙度、加工精度等都有影響。電火花線切割對工作液的要求是:有一定的介電能力、較好的消電離能力和滅弧能力、滲透性好、生產效率高、穩定性好、對電極絲壽命的影響小，還應有

28、較好的洗滌性能、防腐蝕性能、潤滑性能，對人體無害、價格便宜、使用安全等。低速走絲線切割機床大多采用去離子水做工作液，只有在特殊精加工時才采用絕緣性能較高的煤油。高速走絲線切割機床使用的工作液是專用乳化液，目前商品化供應的乳化液有DX-1,DX-2, DX-3等多種，各有其特點，有的適于快速加工，有的適于大厚度切割，也有的是在原來工作液中添加某些化學成分來改善其切割表面粗糙度或增加防銹能力等。上一頁下一頁返回第二節 電火花線切割加工工作液循環系統與過濾裝置是電火花線切割機床不可或缺的一部分，其作用是及時地從加工區域中排除電蝕產物，并連續地充分供給清潔的工作液。工作液循環裝置一般由工作液泵、液箱、

29、過濾器、管道和流量控制閥等組成。對高速走絲機床，通常采用澆注式供液方式，而對低速走絲機床，近年來有些采用浸泡式供液方式。上一頁返回第三節 電化學加工電化學加工(Electro Chemical Machining, ECM)是利用電極在電解液中發生的電化學作用對金屬材料進行成型加工，已經被廣泛地應用于復雜型面、型孔的加工以及去毛刺等工藝。一、電化學加工的原理圖4 -9所示為電化學加工的原理。兩片金屬銅(Cu)板浸在導電溶液，例如氯化銅( CuCl2)的水溶液中，此時水(H2O)離解為氫氧根負離子OH和氫正離子H+ , CuCl2離解為兩個氯負離子2Cl和二價銅正離子Cu2+。下一頁返回第三節

30、電化學加工當兩個銅片接上直流電形成導電通路時，導線和溶液中均有電流流過，在金屬片(電極)和溶液的界面上就會有交換電子的反應，即電化學反應。溶液中的離子將做定向移動，Cu2+正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進行還原反應，沉積出銅。在陽極表面Cu原子失掉電子而成為Cu2+正離子進入溶液。溶液中正、負離子的定向移動稱為電荷遷移。在陽、陰電極表面發生得失電子的化學反應稱為電化學反應。這種利用電化學反應原理對金屬進行加工，圖4-9中陽極上為電解蝕除，陰極上為電鍍沉積)的方法即電化學加工。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工二、電化學加工的分類電化學加工按其作用原理可分為三大類。第I類是利用電化學陽極溶解

31、來進行加工，主要有電解加工、電解拋光等;第類是利用電化學陰極沉積、涂覆進行加工，主要有電鍍、涂鍍、電鑄等;第類是利用電化學加工與其他加工方法相結合的電化學復合加工工藝，目前主要由電化學加工與機械加工相結合，如電解磨削、電化學陽極機械加工(還包含有電火花放電作用)。電化學加工分類及應用如表4-1所示。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工以下將重點介紹電解加工、電鑄加工和電解磨削三種工藝方法的原理、特點和應用。三、電解加工電解加工是利用金屬在電解液中產生陽極溶解的原理實現金屬零件的成型加工。1.電解加工的原理電解加工機理如圖4-10所示。以工件為陽極(接直流電源的正極)、工具為陰極(接直流電源的負極

32、)，兩極之間加1020 V的直流電壓，具有一定壓力(0. 52 MPa)的電解液以550 m/s的速度從兩極之間的縫隙( 0. 11 mm)沖過，使兩極之間形成導電通路，兩極和電解液之間就有電流通過。金屬工件表面在電化學反應的作用下，不斷地溶解到電解液中，電解產生物則被高速流動的電解液帶走。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工2.電解加工的特點電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點:能加工各種硬度和強度的材料，只要是金屬，不管其硬度和強度多大，都可加工;生產率高，為電火花加工的5-10倍，在某些情況下，比切削加工的生產率還高，且加工生產率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制;表面質量好，電解

33、加工不產生殘余應力和變質層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達0. 2-1.25m;陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。電解加工當前存在的主要問題是加工精度難以嚴格控制，尺寸精度一般只能達到0.15-0. 30 mm。此外，電解液對設備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工3.電解加工應用目前，電解加工主要應用在深孔加工、葉片(型面)加工、鍛模(型腔)加工、管件內孔拋光、各種型孔的倒圓和去毛刺、整體葉輪的加工等方面。圖4-11是用電解加工整體葉輪，葉輪上的葉片是采用套料法逐個加工的。加工完一個葉片，退出陰極，經分度后再加工下一個葉片。上

34、一頁下一頁返回第三節 電化學加工四、電鑄加工1.電鑄加工的原理與大家熟知的電鍍原理相似，電鑄成型是利用電化學過程中的陰極沉積現象來進行成型加工的，即在原模上通過電化學方法沉積金屬，然后分離以制造或復制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時要求得到與基體結合牢固的金屬鍍層，以達到防護、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠大于電鍍層。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工電鑄加工的原理如圖4-12所示，在直流電源的作用下，陽極上的金屬原子交出電子成為正金屬離子進入鍍液:M-2e-M2+，并進一步在陰極上獲得電子成為金屬原子而沉積鍍覆在陰極原模表面: M2+ +2e- M，陽極金屬源源

35、不斷成為金屬離子補充溶解進入電鑄鍍液，保持電解液中金屬離子的質量分數基本不變，陰極原模上電鑄層逐漸加厚，當達到預定厚度時即可取出，設法與原模分離，即可獲得與原模型面凹凸相反的電鑄件。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工2.電鑄加工的特點復制精度高，可以做出機械加工不可能加工出的細微形狀(如微細花紋、復雜形狀等)，表面粗糙度Ra可達0. 1m，一般不需拋光即可使用;母模材料不限于金屬，有時還可用制品零件直接作為母模;表面硬度可達3550HRC，所以電鑄型腔使用壽命長;電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導電性能，十分有利于電加工;電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長，如電鑄鎳

36、，一般需要一周左右;電鑄層厚度不易均勻，且厚度較薄，僅為48 mm，電鑄層一般都具有較大的應力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應用受到一定的限制。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工3.電鑄加工的應用電鑄具有極高的復制精度和良好的機械性能，已在航空、儀器儀表、精密機械、模具制造等方面發揮日益重要的作用。電鑄也是制造各種篩網、濾網最有效的方法，因為它無需使用專用設備就可獲得各種形狀的孔眼，孔眼的尺寸大至數十毫米，小至5mm。其中典型的就是電鑄電動剃須刀的網罩。網罩的加工大致如下，如圖4-13表示電動剃須刀多孔網罩電鑄的工藝過程。上一頁下一頁返回第三節 電化學加

37、工制造原模，在銅或銘板上涂布感光膠，再將照相底板與它緊貼，進行曝光、顯影、定影后，即獲得帶有規定圖形絕緣層的原模。對原模進行化學處理，以獲得鈍化層，使電鑄后的網罩容易與原模分離。彎曲成型，將原模彎成所需形狀。電鑄，一般控制鎳層的硬度為維氏硬度500550 HV之間，硬度過高，則容易發脆。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工五、電解磨削電解磨削是電解加工的一種特殊形式，是電解與機械的復合加工方法。它是靠金屬的溶解(占95%98%)和機械磨削(占2%5%)的綜合作用來實現加工的。1.電解磨削加工原理電解磨削加工原理如圖4-14所示。加工過程中，磨輪(砂輪)不斷旋轉，磨輪上凸出的砂粒與工件接觸，形成磨

38、輪與工件間的電解間隙。電解液不斷供給，磨輪在旋轉中，將工件表面由電化學反應生成的鈍化膜除去，繼續進行電化學反應，如此反復不斷，直到加工完畢。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工電解磨削的陽極溶解機理與普通電解加工的陽極溶解機理是相同的。不同之處在于:電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠磨輪的機械加工去除的，電解液腐蝕力較弱;而一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞(不斷溶解)或靠活性離子(如氯離子)進行活化，再由高速流動的電解液沖刷帶走的。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工2.電解磨削加工的特點電解磨削具有以下特點:磨削力小，生產率高，這是由于電解磨削具有電解加工和機械磨削加工的優點

39、;加工精度高，表面加工質量好，因為電解磨削加工中，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電解加工好的加工精度，另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產生的磨削力較小，不會產生磨削毛刺、裂紋等現象，故加工工件的表面質量好;設備投資較高，其原因是電解磨削機床需加電解液過濾裝置、抽風裝置、防腐處理設備等。上一頁下一頁返回第三節 電化學加工3.電解磨削加工的應用電解磨削廣泛應用于平面磨削、成型磨削和內外圓磨削。圖4-15 (a),(b)分別為立軸矩臺平面磨削、臥軸矩臺平面磨削的示意圖。圖4-16為電解成型磨削示意圖，其磨削原理是將導電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進行預先成型，然后進

40、行電解磨削。上一頁返回第四節 其他加工技術簡介本節簡要介紹一下其他加工技術，包括超聲波加工、激光加工、電子束加工等。這些特種加工技術是近幾年剛發展出來的新工藝，有很好的應用前景。我們有必要了解一下它們的原理、特點及應用。一、超聲波加工超聲波加工是利用工具端面做超聲振動，通過磨料懸浮液對工件進行加工的方法。1.超聲波加工的原理超聲波加工是利用振動頻率超過16 000 Hz的工具頭，通過懸浮液磨料對工件進行成型加工的一種方法，其加工原理如圖4-17所示。下一頁返回第四節 其他加工技術簡介當工具以16 000 Hz以上的振動頻率作用于懸浮液磨料時，磨料便以極高的速度強力沖擊加工表面;同時由于懸浮液磨

41、料的攪動，使磨粒以高速度拋磨工件表面;此外，磨料液受工具端面的超聲振動而產生交變的沖擊波和“空化現象”。所謂空化現象，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，在磨料液內形成很多微空腔;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，從而使脆性材料產生局部疲勞，引起顯微裂紋。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介2.超聲波加工的特點超聲波加工的主要特點如下:(1)適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。可以加工淬火鋼和硬質合金等材料，但效率相對較低。(2)工具材料硬度很高，故易

42、于制造形狀復雜的型孔。(3)加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra很小，可達0. 2m，加工精度可達0.050. 02 mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。(4)加工機床結構和工具均較簡單，操作維修方便。(5)生產率較低。這是超聲波加工的一大缺點。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介3.超聲波加工的應用超聲波加工的生產率雖然比電火花、電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能加工半導體、非導體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。在實際生產中，超聲波廣泛應用于型(腔)孔加工(如圖4-18所示)、切割加工(如圖4-19所示)、清洗(如圖4

43、-20所示)等方面。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介二、激光加工1.激光加工的原理激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強度高，故可以使其焦點處的功率密度達到1071 011 W/cm2 ,溫度可達10 000以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產生方向性很強的沖擊。因此，激光加工(如圖4-21所示)是工件在光熱效應下產生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介2.激光加工的特點激光加工的特點主要

44、有以下幾個方面:幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工;激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工;可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其他地點進行加工;加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形;無需加工工具和特殊環境，便于自動控制連續加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介3.激光加工在模具制造中的應用(1)激光打孔激光打孔的成型過程是材料在激光熱源照射下產生的一系列熱物理現象綜合的結果。利用激光幾乎可以在任何材料上打微型小孔，目前已應用于火箭發動機和柴油機的燃料噴嘴加工、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛

45、石拉絲模加工等方面。(2)激光切割激光可用于切割各種各樣的材料。既可以切割金屬，也可以切割非金屬;既可以切割無機物，也可以切割皮革之類的有機物。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介(3)表面強化與修復為了提高模具的使用壽命，常常需要對模具表面進行強化處理。采用激光技術來強化和修復模具，具有柔性大(可對大型模具進行局部淬火)、表面強度高(比常規熱處理硬度高5%15%，并且均勻)、變形小、對不需要強化的部位影響小、工藝周期短和工藝簡單等優點。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介（4）激光疊加制造 激光疊加制造的原理為：將激光切割的、按立體造型剖切的、形狀逐漸發生變化的多層薄板疊加，并使其形

46、成所需要的模具幾何形體，可作為拉深模、成型模。(5)快速模具制造激光快速成型技術(Rapid Protoyping, RP)是20世紀80年代后發展起來的一項新興技術，它是近20年來制造領域的一次重大突破，有關這方面的內容將在以后章節作詳細的論述。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介三、電子束加工1.加工原理電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的，如圖4-22所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大部分轉變為熱能，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發而去除。控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行

47、電子束熱處理;使材料局部熔化就可以進行電子束焊接;提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進行打孔、切割等加工;利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產生化學變化的原理，即可進行電子束光刻加工。上一頁下一頁返回第四節 其他加工技術簡介2.電子束加工的特點電子束加工的特點如下:電子束能夠極其微細地聚焦(可達10.1m)，故可進行微細加工;加工材料的范圍廣，由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時熔化、汽化且機械力的作用極小，不易產生變形和應力，故能加工各種力學性能的導體、半導體和非導體材料;加工在真空中進行，污染少，加工表面不易被氧化;電子束加工需要整套的專用設備和真空系統，價格較貴，故在生產

48、中受到一定程度的限制。上一頁返回小錦囊 電火花加工、電火花線切割加工的異同點電火花加工和電火花線切割加工存在較多的共同之處，使人容易混淆。下面特對兩者的異同點進行總結，供大家參考。1.共同特點(1)二者的加工原理相同，都是通過電火花放電產生的熱來熔解去除金屬的，所以二者加工材料的難易與材料的硬度無關，加工中不存在顯著的機械切削力。(2)二者的加工機理、生產率、表面粗糙度等工藝規律基本相似，可以加工硬質合金等一切導電材料。(3)最小角部半徑有限制。電火花加工中最小角部半徑為加工間隙，線切割加工中最小角部半徑為電極絲的半徑加上加工間隙。下一頁返回小錦囊2.不同特點(1)從加工原理來看，電火花加工是將電極形狀復制到工件上的一種工藝方法。在實際中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工);而線切割加工是利用移動的細金屬導線(銅絲或鉑絲)做電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成型的一種工藝方法。(2)從產品