第8章 特种加工 8.1 特种加工概述  8.2 特种加工方法

第1节 特种加工概述 特种加工是指除常规切削加工以外的新的加工方法，这种加工方法利用电、磁、声、光、化学等能量或其各种组合作用在工件的被加工部位上，实现对材料的去除、变形、改变性能和镀覆，从而达到加工目的。 8.1.1 特种加工的产生和发展 1.特种加工的产生 材料愈来愈难加工，零件结构和形状愈来愈复杂、对表面粗糙度和精度的要求愈来愈高，因而对机械制造部门提出了加工超硬材料、复杂表面和超精零件等一系列新的要求。

2.特种加工的特点 不用机械能，加工作用力极小，可进行微细加工、无大面积热应变等。 3.特种加工的发展趋势 1）充分融合现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术等高新技术，使加工设备向自动化和柔性化方向发展。 2）大力开发新的特种加工方法，包括微细加工和复合加工。

8.1.2 特种加工对机械制造工艺技术的影响 1）提高了材料的可加工性； 2）改变了零件的工艺路线； 3）缩短了新产品的试制周期； 4）对产品和零件的结构设计产生较大影响； 5）需重新评估传统结构工艺性。

第2节 特种加工方法 特种加工方法可按其能量来源和加工原理分为电火花加工、电化学加工、高能束加工、物料切蚀加工、化学加工、成形加工和复合加工等多种门类的加工。 8.2.1 电火花加工 电火花加工又称放电加工（简称EDM），它利用电、热能对零件进行加工。 1.电火花加工的原理 电火花加工是利用脉冲放电对导电材料进行蚀除，以获得一定形状和尺寸的加工方法。其加工原理如图8-1所示。

电火花加工的基本设备是电火花穿孔成型加工机床，它由床身、立柱、工作台、工作液槽、主轴头、工具电极夹具、工作液循环过滤系统等主要部件组成。 2.电火花加工的特点及应用 1）可用硬度低的紫铜或石墨作为工具电极对任何硬、脆、高熔点的导电材料进行加工，具有以柔克刚的功能； 2）可以加工特殊和形状复杂的表面，常用于注塑模、压铸模等型腔模的加工； 3）无明显的机械切削力，适宜于加工薄壁、窄槽和细微精密零件； 4）由于脉冲电源的输出脉冲参数可任意调节，因而能在同一台床子上连续进行粗加工、半精加工和精加工。

8.2.2 电火花线切割加工 电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种加工工艺（简称WEDM）。其工具电极为金属丝（钼丝或铜丝），在金属丝与工件间施加脉冲电压，利用脉冲放电对工件进行切割加工，因而也称线切割。 1.电火花线切割加工的原理 电火花线切割加工的电蚀原理与电火花加工的原理相同，其加工原理如图8-2所示。 电火花线切割加工的基本设备是数控电火花切割机，它由床身部分、坐标工作台部分（一般均采用十字和滚动导轨、滚动丝杠）、走丝机构和锥度切割装置等主要部件组成。

2.电火花线切割加工的特点和应用 1）可切割各种高硬度材料，用于加工淬火后的模具、硬质合金模具和强磁材料； 2）由于采用数控技术，可编程切割形状复杂的型腔，易于实现CAD/CAM； 3）由于几乎无切削力，故可切割极薄工件； 4）由于金属丝直径小，因而加工时省料，特别适宜于切割贵重金属材料； 5）试制新产品时，可直接将某些板类工件切割出，省去了模具、刀具、工夹具等工装，使开发产品周期明显缩短。

8.2.3 电解加工 电解加工（简称ECM）是电化学加工中的主要加工方法，已成功应用于国防、航空航天、汽车、拖拉机等领域的工业生产。 1.电解加工的原理 电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理将工件加工成形的，如图8-3所示为加工示意图。 电解加工的成形原理如图8-4所示。 电解加工的基本设备包括直流设备、电解加工机床和电解液系统三个部分。

2.电解加工的特点和应用 1）加工范围广，可加工高硬度、高强度和高韧性的各类导电材料，可加工汽轮机叶片、叶轮等复杂型面； 2）生产率高； 3）能以简单的直线进给运动一次完成复杂型腔表面的加工，不产生变形和残余应力，也无飞边、毛刺等； 4）可获得较好的表面粗糙度，加工精度不高； 5）加工过程中，工具阴极在理论上不会损耗，可长期使用。

8.2.4 超声加工 超声加工也称超声波加工（简称USM），超声加工不仅能加工金属导电材料，而且更适宜加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，还可以用于清洗和探伤等。 1. 超声加工的原理和特点 超声波特点： 1）超声波能传递很大的能量； 2）当超声波在液态介质中传播时，在介质中连续形成压缩和稀疏区域，产生压力正负交变的液压冲击和空化现象； 3）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射； 4）超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。

超声加工的基本原理见图8-5所示。超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及空化作用的综合结果。 超声加工设备为超声加工机床，它由超声发生器、超声振动系统、机床本体（由工作头、加压机构和工作进给机构、工作台等组成）、工作液及循环系统和换能器冷却系统等主要部件组成。 2.超声加工的特点和应用 1）适宜加工各种硬脆材料，特别是非金属材料； 2）能以简单的进给运动加工复杂的表面； 3）由于切削力很小，因而其工件的残余应力和加工变形很小，表面质量好，表面粗糙度可达Ra1～0.1μm，加工精度可达0.01～0.02mm。可以加工微细结构，如薄型、窄缝和低刚度零件。

8.2.5 激光加工 激光加工是利用光能经透镜聚焦以极高的能量密度靠光热效应加工各种材料的一种新工艺（简称LBM）。 1.激光加工的原理 激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的高强度平行单色光。由于光束的发散角通常不超过0.1°，因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸相近的焦点上，焦点处的能量密度可达108～1010W/cm2，温度可高达摄氏1万度，从而使任何材料均在瞬时（＜10－3s ）被急剧熔化乃至汽化，并产生强烈的冲击波被喷发出去，从而达到切除材料的目的。 常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。如图8-6为固体激光器结构示意图。

2.激光加工的特点和应用 1）由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工任何材料； 2）激光束可调焦到微米级，其输出功率可以调节，因此，激光可用于精细加工； 3）激光属非接触式加工，无明显机械切削力，因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小，易实现自动化等优点； 4）能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工。

8.2.6 电子束和离子束加工 电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用于精细加工领域，尤其是微电子领域。 1.电子束加工的原理 如图8-7所示为电子束加工原理图。 2. 电子束加工的特点 1）电子束加工属于精细加工 ； 2）加工范围广 ，加工质量好； 3）生产率高； 4）加工过程易于实现自动化。

3.离子束加工原理和特点 离子束加工的物理基础是，当离子束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。 离子束加工装置中的主要系统是离子源，如图8-8是其中一种，称为考夫曼型离子源。 4.离子束加工应用 1）刻蚀加工； 2）镀膜加工； 3）离子注入加工。

思考题 1.试简述特种加工的产生与发展以及对机械制造工艺技 术的主要影响。 2.试述电火化加工的原理和特点。

图8-1电火花加工原理示意图 1—工具电极 2—工作液箱 3—工件电极 4—工作液 5—绝缘垫 6—伺服电机 返回文档

1—进电装置 2—导向轮 3—金属丝 4—工件 5—X轴步进电动机 6—Y轴步进电动机 7—横向工作台 8—纵向工作台 图8-2 电火花线切割工作原理示意图 1—进电装置 2—导向轮 3—金属丝 4—工件 5—X轴步进电动机 6—Y轴步进电动机 7—横向工作台 8—纵向工作台 返回文档

1—直流电源 2—工具阴极 3—工件阳极 4—电解液泵 5—电解液 图8-3 电解加工示意图 1—直流电源 2—工具阴极 3—工件阳极 4—电解液泵 5—电解液 返回文档

a) b) 图8-4 电解加工成形原理 返回文档

图8-5 超声加工原理图 1—工具 2—工件 3—磨料悬浮 4、5—变幅杆 6—换能器 7—超声波发生器 返回文档

1—全反射镜 2—工作物质 3—玻璃套管 4—部分反射镜 5—聚光镜 6—氙灯 7—电源 图8—6 固体激光器结构示意图 1—全反射镜 2—工作物质 3—玻璃套管 4—部分反射镜 5—聚光镜 6—氙灯 7—电源 返回文档

1—电源及控制系统 2—抽真空系统 3—电子枪系统 4—聚焦系统 5—电子束 6—工件 图8-7 电子束加工原理图 1—电源及控制系统 2—抽真空系统 3—电子枪系统 4—聚焦系统 5—电子束 6—工件 返回文档

1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 图8-8 考夫曼型离子源 1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10—电离室 返回文档