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课题C-1 特种加工及其发展概述
一、实训目的及要求：
1. 了解特种加工在制造业中的发展过程及应用 2、掌握特种加工的原理、特点及分类
二、实训设备工具及量具：
多媒体教学+实训场地
三、实训内容及步骤： （一）. 特种加工概述：
特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。 对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即 将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。
（二）. 特种加工的特点：
1、不用机械能 ，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。
2、非接触加工， 不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。
3、微细加工 ，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。
4、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变， 可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。
5、两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工 ，其综合加工效果明显，且便于推广使用。 6、特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。 7、特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分
随着特种加工技术的发展，一方面计算机技术、信息技术、自动化技术等在特种加工中已获得广泛应用，逐步实现了加工工艺及加工过程的系统化集成；另一方面，特种加工能充分体现学科的综合性，学科(声、光、电、热、化学等)和专业之间不断渗透、交叉、融合，因此，特种加工技术本身同样趋于系统化集成的发展方向。这二方面说明，特种加工技术已成为先进制造技术的重要组成部分。一些发达国家也非常重视特种加工技术的发展，如日本
2 《特种加工机床操作技能实训教程》 把特种加工技术和数控技术作为跨世纪发展先进制造技术的二大支柱。特种加工技术已成为衡量一个国家先进制造技术水平和能力的重要标志。这是特点之一。
8、特种加工具有独特的加工机理
特种加工不是依靠刀具、磨具等进行加工，而主要依靠电能、热能、光能、声能、磁能、化学能及液动力能等进行加工，其加工机理与金属切削机床完全不同。能量的发生与转换、使能过程的控制是特种加工高新技术的重要部分。这是特点之二。
9、 增材加工是特种加工的重要发展方向
金属切削机床、特种加工机床一大部分是减材加工。我国从二十世纪八十年代末发展起来的快速成形(RP)加工技术是属于特种加工技术的一种增材加工的新领域。它利用分层制造原理(离散堆积)及分层处理软件，理论上可以制造任意复杂形状的零、部件，能适应高科技、个性化、小批量生产的需要，增材加工的RP加工技术已成为特种加工的特点之三。
10、 特种加工可以进行二种或二种以上能量的复合加工
一般来说，“组合加工”是指在一台机床上二种不同加工形式(能量)在加工过程中交替使用的加工方式；“复合加工”是指在一台机床上实现二种或二种以上能量(形式)在加工过程中同时作用的加工方式，例如，电能和声能、化学能和电能、光能和化学能、化学能和电能及机械能等复合，以获得高效或精密加工的效果，这是特点之四。
11、特种加工技术应用领域的重要性和特殊性
特种加工适用于各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、微细等金属和非金属材料的加工，以及各种新型、特殊材料的加工，在航空航天、军工、汽车、模具、冶金、机械、电子、轻纺、交通等工业中解决了大量传统机械加工难于解决的关键、特殊的加工难题。所以在国民经济的众多关键制造工业中发挥着极其重要的不可替代的作用。例如，在航空航天工业中各类复杂深小孔加工、发动机蜂窝环、叶片、整体叶轮加工、特殊材料的切割加工、钛合金加工等等。在军事工业中，例如核武器及高新技术武器几乎全是特殊材料和高新技术材料，各种零件的成形加工、各种孔加工、精密薄材加工等特种加工发挥着特殊重要的作用。这是特点之五。
12、 特种加工机床产量世界第一
由于特种加工机床应用领域的广泛性和重要性，在我国已形成由生产企业、大专院校、研究院所200多个单位组成的特种加工机床行业，其电火花加工机床的年产量就约达30000台之多，其产量为世界第一。是名副其实的生产大国(但不是生产强国)这是特点之六。
（三）、 特种加工的基本分类：
特种加工机床范围较广，有几十个门类。其中主要有： 1. 电火花加工（EDM）； 2. 电化学加工（ECM）； 3. 电解磨削加工（ECG）； 4. 化学加工（CHM）； 5. 电弧加工（EAM）； 6. 激光加工（LBM）； 7；超声加工（USM）； 8. 离子束加工（IBM）； 9. 电子束加工（EBM）； 10. 等离子弧加工（PAM）； 11. 快速成型加工（RPM）； 12；磨料射流加工（AJM）等等。
《特种加工机床操作技能实训教程》
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特种加工机床原属金属切削加工机床范畴，但由于特种加工机床与金属切削加工机床机理完全不同，机床功能部件的性能不同，以及它在国民经济中重要地位和作用等原因，2003年国家标准化管理委员会明确为与金切机床并行的独立的机床体系。与其他先进制造技术一样，特种加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的发展潜力和应用前景。依据加工能量的来源及作用形式列举各种常用的特种加工方法。
（四）、特种加工的基本简介： 1、电火花加工
（1）.电火花加工基本原理
电火花加工又称放电加工，也有称为电脉冲加工的，它是一种直接利用热能和电能进行加工的工艺。电火花加工与金属切削加工的原理完全不同，在加工过程中，工具和工件不接触，而是靠工具和工件之间的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉。由于放电过程可见到火花，所以称为电火花加工。
工件与工具电极分别连接到脉冲电源的两个不同极性的电极上。当两电极间加上脉冲电压后，当工件和电极间保持适当的间隙，就会把工件与工具电极之间的工作液介质击穿，形成放电通道。放电通道中产生瞬时高温，使工件表面材料熔化甚至气化，同时也使工作液介质气化，在放电间隙处迅速热膨胀并产生爆炸，工件表面一小部分材料被蚀除抛，形成微小的电蚀坑。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，使工作液恢复绝缘。脉冲电压反复作用在工件和工具电极上，上述过程不断重复进行，工件材料就逐渐被蚀除掉。伺服系统不断地调整工具电极与工件的相对位置，自动进给，保证脉冲放电正常进行。
即加工原理为：
两极之间 + 火花放电 + 电腐蚀 + 去除材料 创造条件：
（1）.工具与工件之间保持适当间隙（自动进给调节系统）。 （2）.火花放电必须是脉冲性放电（采用脉冲电源）。 （3）.在有一定绝缘性能的介质中放电（液体绝缘介质）。
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1—工件 2—脉冲电源 3—自动进给调节系统 4—工具 5—工作液 6—过滤器 7—工作液泵
图C1-1 电火花加工原理示意图
4 《特种加工机床操作技能实训教程》 加工条件：
（1）.必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙； （2）.放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行； （3）.脉冲波形基本是单向的；
（4）.有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或气化 。
（2）.电火花加工过程
（1）、放电通道的形成。极间介质的电离、击穿，形成放电通道； （2）、能量的转换和传递。介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀； （3）、电蚀屑的抛出。电极材料的抛出；
（4）、间隙介质的消电离。极间介质的电离消除。
（3）. 电火花加工工艺方法分类（见下表）
表C1-1 类别 1 2 3 4 5 工艺方法 穿孔成形加工 电火花线切割加内孔、外圆成形同步共轭回转加高速小孔加工 特 点 工具为成形电极 工具为线状电极 相对旋转运动、 均作旋转运动 细管电极旋转、 工具在工件上振动 用 途 型腔加工、冲模 冲模、直纹面、窄缝、精密小孔、外圆 精密螺纹、异形齿轮、深小孔、喷嘴、穿丝孔 备 注 约占电机床总数占总数60% 占总数3% 占总数1% 占总数2% 6 表面强化、刻字 工具相对工件移动 工具刃口强化、刻字 占总数2%～3% （4）.电火花加工的特点：
（1）、适合于用传统机械加工方法难以加工的材料 加工，表现出“以柔克刚”的特点。 （2）、可加工特殊及复杂形状的零件。 （3）、可实现加工过程自动化。
（4）、可以改进结构设计，改善结构的工艺性。 （5）、可以改变零件的工艺路线。
（5）.电火花加工的局限性
（1）、主要用于金属材料的加工。即导电体 （2）、加工效率比较低。 （3）、加工精度受限制。
（4）、加工表面有变质层甚至微裂纹。 （5）、最小角部半径的限制。 （6）、外部加工条件的限制。 （7）、加工表面的“光泽”问题。
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（6）.电火花加工机床
电火花加工机床可分为：线切割机床、电火花成型机机床（如图C1-2、图C1-3所示）。
图C1-2 线切割机床 图C1-3 电火花成型机机床
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（7）.线切割机床作品展示（如图C1-4所示）：
图C1-4 线切割机床作品
6 《特种加工机床操作技能实训教程》 （8）.电火花成型机机床作品展示（如图C1-5所示）：
图C1-5 电火花成型机机床作品展示
2、超声加工
超声加工（USM，Ultrasonic Machining）是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。
早期的超声加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的。但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。
近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以1000—5000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用于航空、原子能工业，效果良好。
（l）、超声波的特性
声波是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16—16000Hz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波， 高于16000Hz则称为超声波。具有如下特性：
①、超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关，可用公式表示 C=λf （5－1）
式中 C--超声波传播速度（m／S）； λ--波长（m）； f--频率（HZ）。
《特种加工机床操作技能实训教程》
②、超声波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位移为 x＝A*cos（ω*t + ψ） （5－2） 式中 x--质点运动的位移（m）； A--振幅（m）；
ω--圆频率（rad／S）； t--时间（s）；
ψ--振动的相位角（rad）。
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③、超声波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能量来表示，超声加工中的能量强度高达几百瓦／平方厘米，且90％作用于工件表面。
④、超声波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得更大的超声加工能量。这是因为，超声波在同一弹性杆的一端向另一端传播时，在不同介质的介面上会产生一次或多次波的反射，结果在有限长弹性杆，将存在若干个周期相同、振幅相等、传播方向相同或相反的波。于是在弹性杆传播的波，会出现波叠加，致使某处振动始终加强，或某处振动始终减弱，产生波的干涉现象。
⑤、超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行。因超声波通过悬浮磨粒的液体介质时，会使液体介质连续地产生压缩和稀疏区域，由于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩展而增大，内部压力下降，与此同时，受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用，又使气体空腔压缩而提高压力，于是，转人压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击波。由于进行的时间极短，因此，会产生更大的冲击力作用于工件表面，从而加速磨粒的切蚀过程。
（2）、超声加工的基本原理
超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0．005~0．01mm，再经变幅杆放大至0．05~0．lmm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等赃工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工
（3）、超声加工的特点
①、适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。
②、由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra0．63—0．08um，尺寸精度可达正负0．03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。
③、工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。
④、超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低
8 《特种加工机床操作技能实训教程》 （4）、超声加工的应用
①、加工型孔、型腔
主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等（如图C1-6所示）。
图C1-6
②、加工型孔、型腔
加工异形孔、套料加工、加工微细孔（如图C1-7所示）。
图C1-7
③、切割加工
用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难，采用超声切割较为有效（如图C1-8、9、10、11所示）。
图C1-8 超声切割单晶硅片 图C1-9 超声波切割金刚石
1-换能器；2-变幅杆；3-工具头；4-金刚石；5-切割工具；6-重锤
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图C1-10 成批切槽刀具 图C1-11 切割成的陶瓷模块
3、电子束离子束加工
（1）. 电子束离子束加工概述：
电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。国外定型生产的 40kV～300kV的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能； “ 苏 -27 ” 及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。
国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的 CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。
（2）. 电子束加工原理
经电磁透镜聚焦的高能电子束流在真空条件下直接轰击工件表面，使加工区域材料熔化和气化从而实现加工 （3）.电子束加工应用
①、窄缝加工（如图C1-12所示）
图C1-12
10 《特种加工机床操作技能实训教程》 ②、曲面加工（如图C1-13所示）
图C1-13
③、刻蚀（如图C1-14所示）
④、焊接（如图C1-15所示） 图C1-14
图C1-15
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（4）、离子束加工
①、表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。 美国及欧洲国家目前多数用微波 ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。
②、等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。
③、真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。
离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。
离子束原理
• • •
在真空下，离子源产生的粒子束经过加速聚焦，使之打到工件表面 离子：带正电荷、质量大 机械撞击能
离子束加工分类及应用
按利用的物理效能和达到的目的分类：
• • • •
离子刻蚀 离子溅射沉积 离子镀 离子注入
5）、激光加工 激光的特性
（1)、强度高 （2)、单色性好 （3）、相干性好 （4)、向性好
激光加工的原理与特点
12 《特种加工机床操作技能实训教程》 （1) 、激光加工的原理
1 234561—激光器；3—全反射棱5—工件；61-激光器 2-激光束 3-全反射棱镜 4-聚焦物镜 5-工件 6-工作台
图C1-17 激光加工示意图
激光加工的特点
①、 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。 ②、 激光能聚焦成极小的光斑。
③、 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。 ④、 加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。
⑤、 无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。
激光加工的应用
①、激光打孔 ②、激光切割 ③、激光打标 ④、 激光焊接 ⑤、 激光表面处理
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14 《特种加工机床操作技能实训教程》
平面镜
激光器聚焦透镜激光束
喷嘴辅助气体钛合金
图C1-18 CO2气体激光器切割钛合金示意图
激光束 光束准直振镜Y轴马达透镜图C1-19 振镜式激光打标原理
123 41—激光；3—被熔化1-激光 2-被焊接零件 3-被熔化金属 4-已冷却的熔池 图C1-20
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淬硬表面淬硬表面(a) 圆锥表面(b) 铸铁凸轮轴表面图C1-21 激光表面强化处理应用实例
四、实训教学过程安排：
1. 该课题实训指导教师认真负责学生实训考勤；
2. 讲解本课题实训教学目的、实训内容、方法步骤及相关的专业知识点； 3. 有必要可播放相关教学视频辅助教学；
4. 实训指导教师必须进行本实训有关安全操作教育； 5. 学生分组按实训教程要求进行操作实训； 6. 布置学生的实训作业单填写工作； 7. 清理实训工作现场； 8. 实训总结。
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