11-3 特种加工（课件）《机械制造工艺基础》上好课（劳动版·第八版）

《机械制造工艺基础》(劳动版)第八版 上好课—中职专业课 第十一章 数控加工与特种加工 11-3 特种加工 教学目标 知识目标 1. 掌握特种加工的定义、核心特征； 2. 熟练掌握电火花加工、激光加工的定义、设备组成、加工原理； 能力目标 1. 能够识读特种加工设备结构原理图、加工示意图，识别核心设备部件； 2. 能够根据零件材质、加工需求，合理选择对应的特种加工工艺； 情感目标 1. 了解现代机械制造先进工艺，拓宽机械制造认知视野； 2. 培养严谨的工艺思维、精益求精的工匠精神； 教学引入 如何加工这样的零件？ 面对这种结构复杂、精度要求高的零件，结合我们已有的机械加工知识，不妨深入思考以下两个关键问题： 传统设备的局限？ 难切削材料的挑战？ 教学引入 传统切削加工的核心逻辑 加工过程完全依赖刀具和工件之间的机械切削力，且必须满足“刀具硬度 > 工件硬度”的前提条件，这是其最根本的技术约束。 复杂结构难加工 加工精度瓶颈 材料硬度受限 知识讲授——特种加工 特种加工是指直接利用电能、热能、光能、化学能、电化学能及声能等能量，或组合使用这些能量，来去除或增加材料，以达到零件的形状、尺寸和表面质量要求的非传统加工方法。 核心特征一：不依赖机械能 加工过程主要依靠电、热、光等能量形式实现材料的去除或沉积，而非传统加工中依靠机械能（切削力）来切除材料。 核心特征二：工具硬度可低于工件 加工中工具与工件间不存在显著的机械切削力，因此工具的硬度可以远低于工件，甚至无需传统意义上的“刀具”，解决了超硬材料加工难题。 知识讲授——特种加工 vs 传统加工 传统切削加工 特种加工 01. 核心能量来源 完全依赖机械能，通过刀具对工件施加切削力来去除材料，是传统机械加工的核心能量形式，受机械结构和力学性能制约。 01. 核心能量来源 突破机械能限制，综合利用电能、热能、光能、化学能及声能等多种能量形式，可实现更复杂、更精细的能量调控与材料作用。 02. 工具硬度要求 遵循“刀硬工软”原则，刀具硬度必须大于工件硬度才能进行切削，因此无法加工硬度高于刀具的超硬材料，存在天然的材料限制。 02. 工具硬度要求 工具硬度可小于甚至远低于工件硬度，部分工艺（如激光、电火花）甚至无需实体工具接触工件，彻底打破了硬度匹配的传统限制。 知识讲授——电火花成形加工 采用成形工具电极，在液体介质中依靠工件与电极间的脉冲火花放电，使工件材料熔化、汽化，从而形成与电极形状相对应的型腔或型面的精密加工方法。 机床主体 是加工的基础载体，主要由床身、立柱、主轴头和工作台等部件组成，提供稳定的机械支撑。 脉冲电源 加工的能量来源，负责提供高频脉冲电能，控制放电过程的脉冲宽度、间隔和峰值电流。 工作液系统 提供绝缘介质，同时排出加工中产生的电蚀产物，冷却电极与工件，保证加工稳定进行。 知识讲授——电火花加工视频演示 知识讲授——电火花成形加工机床结构 核心结构：机械本体与数控系统 主要由立柱、主轴头、工作台、床身及数控电源柜组成。 加工原理：脉冲放电的热效应加工 脉冲电源在工具电极与工件间产生火花放电，瞬间高温使金属局部熔化、汽化，蚀除材料。 工艺特点：“以柔克刚”的非接触加工 加工中无宏观切削力，可加工高强度、高硬度的导电材料，特别适用于复杂型腔、小孔、窄缝等传统切削难以加工的形状。 知识讲授——电火花成形加工原理 极间放电的物理条件 电极与工件在绝缘工作液中靠近至微米级间隙，脉冲电压击穿介质，形成瞬间的放电通道，为后续能量释放创造条件。 高温能量的集中释放 放电通道中瞬时产生10000~12000℃的高温，使局部金属材料迅速熔化甚至汽化，完成工件表面微小区域的蚀除。 介质恢复与重复成形 单次放电后介质绝缘强度快速恢复，蚀除产物被工作液冲走。通过无数次重复放电，最终在工件上复制出工具电极的形状。 知识讲授——放电与击穿 01. 保持间隙：精密调控 自动进给装置实时调节工具电极与工件的相对位置，使两者始终维持几微米到几十微米的微小放电间隙，为后续放电创造条件。 02. 施加电压：脉冲赋能 高频脉冲电源在电极与工件之间施加周期性变化的电压，使两极间的电场强度不断累积，直至达到介质击穿所需的临界场强。 03. 介质击穿：火花放电 当电压突破介质绝缘强度时，工作液被电离击穿，形成放电通道，产生瞬时高温火花，使局部金属材料迅速熔化、汽化并被蚀除。 知识讲授——蚀除与抛离 01. 高温蚀除 放电通道内瞬间产生10000 ~ 12000℃的极高温，这种能量密度足以让工件表面的局部金属迅速发生物理相变，从固态直接熔化为液态，甚至进一步汽化为气态。 02. 金属抛离 处于熔化和汽化状态的金属，在放电产生的急剧热膨胀与局部微爆炸力的双重作用下，被瞬间抛入周围的工作液中，迅速冷却形成微小的固体颗粒，随后被循环的工作液带走。 知识讲授——电火花成形加工的应用 突破材料硬度的限制 电火花成形加工依靠电蚀作用去除材料，因此可加工任何导电材料，完全不受工件材料硬度、强度、脆性等力学性能的制约。 聚焦难切削特种材料 特别适用于加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、钛合金等高强度、高韧性、高硬度的难切削金属材料，解决传统加工的痛点。 高端刀具与模具的精密加工 广泛应用于人造聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)刀具的型面加工，以及各类精密模具的型腔、型孔加工。 知识讲授——电火花成形加工的应用 加工复杂形状的零件 电火花加工利用电极与工件间的脉冲放电蚀除材料，无宏观切削力，因此能突破传统机械加工限制，精准加工各类复杂的型腔、型孔、曲面及细微结构。 模具型腔 各类注塑、压铸模具的复杂曲面与型腔加工。 异形孔件 化纤喷丝板的细微异形孔、滤网微孔加工。 航空叶片 航空发动机涡轮叶片的冷却孔道加工。 知识讲授——电火花成形加工的应用 01. 加工薄壁、弹性等易变形零件 电火花成形加工过程中工具电极与工件之间无宏观切削力作用，不会因受力导致薄壁、弹性类工件产生形变，能精准加工出高精度的复杂结构。 02. 实现表面强化和镜面加工 通过精准调整电参数，可在工件表面形成均匀的硬化层，显著提升耐磨性；同时配合特定加工工艺，能够实现微米级的表面粗糙度，达成高精度的镜面加工效果。 知识讲授——电火花线切割加工 01. 加工原理 利用连续移动的细金属丝（电极丝）作为工具电极，对工件进行脉冲火花放电，通过电腐蚀作用切割出所需形状的特种加工方法。 02. 主流设备类型 快走丝机床：电极丝往复循环使用，加工效率较高，成本较低，适合一般精度要求的加工场景。 慢走丝机床：电极丝单向运动、一次性使用，加工精度高、表面质量好，用于精密模具与零件加工。 知识讲授——电火花线切割加工原理 核心电极 采用连续移动的细金属丝作为工具电极，常用材料为钼丝或铜丝，替代了成形加工中的成型电极。 极性设置 工件接脉冲电源的正极，电极丝接负极，通过两极间持续的脉冲放电，产生高温使金属局部熔化和气化。 放电蚀除 原理与电火花成形加工一致，利用脉冲放电时的电腐蚀现象，逐步蚀除工件材料，达到加工目的。 轨迹控制 数控工作台带动工件按预定程序轨迹运动，电极丝像“无形的锯子”，精准切割出复杂的工件轮廓。 知识讲授——电火花线切割的特点 加工范围广 能加工形状复杂的二维轮廓，尤其适合新产品试制、单件及小批量生产，灵活性极强。 材料利用率高 加工切缝极窄，对原材料的损耗非常小，能有效节约贵重或稀有金属材料，降低成本。 无需成形电极 加工前无需制作复杂的成形电极，仅需编制数控程序即可加工，大幅缩短生产准备周期。 仅限导电材料 原理上依赖电蚀作用，因此只能加工具有导电性能的金属材料，无法加工非金属绝缘材料。 知识讲授——电火花线切割的应用 核心领域：模具制造 广泛应用于冲裁模、拉丝模、粉末冶金模等各类模具的凸模与凹模加工，是模具成型制造中不可或缺的关键工艺。 研发助力：新产品快速试制 可直接根据设计图纸切割出零件实物，无需复杂的工装夹具，能极大缩短新产品的研发周期，快速验证设计可行性。 工艺优势：精密特殊零件加工 擅长加工传统切削难以处理的、带有窄缝、尖角、复杂型腔的精密零件，在航空航天、精密仪器等领域应用广泛。 知识讲授——激光加工 利用能量密度极高的激光束照射工件表面，使被照射区域的材料迅速熔化、汽化并被冲击波吹走，从而实现材料去除的一种非接触式精密加工方法。 亮度极高 激光能量高度集中，可在极小的光斑内产生极高的功率密度。 方向性强 光束发散角极小，几乎呈平行直线传播，能精准聚焦于加工点。 单色性优 波长单一，频率纯，聚焦性能极佳，加工精度和一致性更高。 知识讲授——激光加工原理 01. 能量转换：电光激发 电源将电能输入激光发生器，通过激励源作用于工作物质，使其发生粒子数反转，最终辐射出高强度、高方向性的激光束。 02. 光束传输：精准聚焦 利用反射镜、聚焦镜等光学元件组成的光路系统，将激光束引导、整形并聚焦，使能量高度集中在工件表面的指定加工位置。 03. 材料蚀除：热作用加工 聚焦的激光束产生极高的能量密度，使工件材料在瞬间发生熔化、汽化甚至电离，从而实现切割、打孔、焊接等加工目的。 知识讲授——激光加工操作演示 知识讲授——激光加工设备组成 激光器 设备的“心脏”，负责产生高能量密度的激光束，是实现材料加工的能源核心部件。 光学系统 设备的“手臂”，通过反射镜、聚焦镜等元件，将激光束精准传输并聚焦到工件加工表面。 机床系统 设备的“平台”，用于稳固承载工件，并按预设轨迹带动工件或激光头移动，保障加工精度。 控制系统 设备的“大脑”，通过数控软件协调激光器、机床和光学系统的运行，精准控制加工的全过程。 知识讲授——激光加工的特点 加工范围广 适用材料极为广泛，几乎可以加工所有金属材料，同时也能处理陶瓷、玻璃、金刚石等硬度极高或性质特殊的非金属材料。 加工精度高 激光聚焦后的光斑极小，可达到微米级甚至亚微米级，能实现超精细的加工，满足精密零部件、微电子器件等高要求的制造需求。 无接触加工 加工过程中无需刀具接触工件，不存在刀具磨损问题，也不会产生切削力，从根本上避免了工件因受力而产生的变形与损伤。 加工速度快，效率高 激光能量集中，加工过程迅速，能显著缩短单件加工时间；同时易于实现自动化连续操作，大幅提升整体生产效率与产能。 知识讲授——激光加工的应用 激光打孔：突破传统的微孔加工技术 利用激光的高能量密度，可在几乎所有材料表面加工出孔径小至几微米的微孔，具有加工速度快、热影响区小、无接触应力、精度极高的特点，解决了传统机械加工难以实现的超微孔制造难题。 精密模具与轴承 广泛用于金刚石拉丝模、宝石轴承等超硬材料的微孔成型，保证了材料的强度与孔径精度。 航空航天与动力 在航空发动机叶片冷却孔、燃油喷油嘴等关键部件上批量加工微孔，大幅提升设备的性能与可靠性。 知识讲授——激光加工的应用 01. 激光切割：高效精密的成型技术 可对各类金属与非金属板材进行加工，具备切缝窄、速度快、精度高的特点。广泛应用于钣金加工、广告字制作、精密机械零件下料等工业场景，是替代传统剪冲工艺的主流方案。 02. 激光焊接 利用激光的高能量密度产生的热量，实现材料局部熔化和原子间结合，焊接过程热影响区小，焊缝美观且强度高。 03. 表面强化处理 通过激光对工件表面进行淬火、熔覆、合金化等处理，显著提升材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，延长工件寿命。 知识讲授——师生互动 电火花成形加工和电火花线切割都属于电火花加工，原理相近，那大家思考一下，工厂在加工模具型腔和模具轮廓时，分别会选用哪一种工艺？简单说说理由？ 01. 特种加工 直接利用电能、热能、光能等能量形式，通过非传统的加工方式去除或增加材料，以达到改变工件形状、尺寸和表面性能的加工方法。 02. 电火花成形加工 利用成形电极和工件之间产生的脉冲放电现象进行电蚀，从而对型腔类工件进行加工的工艺方法，适用于复杂曲面和型腔的成型加工。 03. 电火花线切割加工 以连续移动的细金属丝为电极，与工件之间产生脉冲放电，从而切割出所需工件轮廓的加工方法，常用于复杂二维轮廓和窄缝的精密加工。 04. 激光加工 利用聚焦后的高能量密度激光束照射工件表面，使材料瞬间熔化、汽化而去除，可实现打孔、切割、焊接、表面改性等多种加工需求。 知识点背诵 传动部分 知识点背诵 电火花成形 主要用于加工各类复杂的型腔模具，以及硬质合金、淬火钢等传统切削方法难以加工的导电材料，能获得较高的加工精度和表面质量。 电火花线切割 适用于加工冲裁模具、样板、凸轮、成形刀具等，尤其擅长处理复杂的二维轮廓零件，加工过程无需制作成型电极，灵活性极高。 激光加工 可完成微孔加工、精密零件切割、材料焊接及表面热处理等工艺，不受材料硬度限制，加工速度快、热影响区小，精度与自动化程度高。 单项选择题 1.不属于特种加工的是？（ ） A. 电火花加工 B. 激光加工 C. 车削加工 D. 电解加工 正确答案：C 车削加工依靠刀具机械切削力去除材料，属于传统切削加工；电火花加工、激光加工、电解加工均利用电、光、化学等能量加工，属于特种加工。 课后练习 正确答案：B 电火花加工依靠电极与工件之间脉冲火花放电产生瞬时高温蚀除金属，是其核心原理。 课后练习 单项选择题 2.电火花加工的核心原理？（ ） A. 机械切削 B. 脉冲放电 C. 激光照射 D. 化学腐蚀 单项选择题 3.可加工玻璃陶瓷的方法？（ ） A. 电火花成形 B. 电火花线切割 C. 激光加工 D. 以上都不能 正确答案：C 玻璃、陶瓷属于非金属绝缘材料，电火花成形、线切割均依赖导电材料脉冲放电实现加工，无法使用；激光加工依靠光能转化热能，可加工金属、玻璃、陶瓷等各类材料。 课后练习 1.简述电火花线切割加工的主要应用范围。 课后练习 1.各类模具加工，如冲裁凸模、凹模、卸料板等模具零件； 2.新产品试制，可直接切割零件，缩短试制周期； 3.加工精密小型零件、窄槽、异型型孔等结构； 4.对贵重金属进行下料切割，减少材料损耗。 课堂小结 1. 熟练背诵本节课核心知识点； 2. 独立整理电火花成形加工与线切割加工的异同对比表格； 3. 简述电火花成形加工的加工原理及应用范围； 课后作业 感谢观看 Lavf57.71.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf62.3.100 $