材料成型及加工工艺 材料成型及加工工艺 * 目录 CONTENTS 水射流切割 1 电火花线 水射流切割又称液体机械加工。 切割原理：超高压水射流切割机是将普通的水通过一个超高压加压器，将水加压至300MPa，然后通过通道直径为0.3mm的水喷嘴产生一道约3倍音速的水射流，在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料，如纸类、海绵、纤维等，若混入一定比例的磨料可增加其切割力，则几乎可以切割任意材料. 水喷射加工装置示意图 喷嘴 阀 控制器 蓄能器 供水器 过滤器 泵 增压器 液压装置 排水器 工件 射流 d 水射流切割-实例 1 * 水射流切割-实例 1 * 标准产量： 这个工艺不需要模具，对于独立项目和大规模生产都十分适合。 单件价格与资金投入： 不需要模具，可从软件直接导入，而且不需要单件的附加投入，因此初期准备的费用很低。需要切割的形状也可以嵌套在片材上，以最大化片材的的表面面积，就和在面卷上割出饼干形状的做法一样。 生产速度： 一部射流切割机可以以160毫米/分钟的速度切割13毫米厚的钛金属片材。 加工后的表面： 经过加工后的表面会有类似沙漠的痕迹，但是不会留下类似激光切割的灼烧痕迹。 种类/加工形状的复杂程度： 可以用来加工复杂而精准的形状，但是由于加工的水压很高，厚度不足的片材可能会在切割时出现变形的情况。 水射流切割 1 * 产品尺寸： 大部分的工业切割作业都是在切削床上进行的，因此可以进行作业的材料尺寸会受到限制。标准的材料大小可以达到3米× 3米，厚度的最高限视材料而定。 容差： 射流的精确程度可以达到0.1毫米。当切割比较后的材料时，射流可能会稍微偏离切入点。 相关材料： 可以处理的材料种类很多——玻璃、塑料、陶瓷、石头、甚至是纸张。还可以用来切割三明治和其他食物。但是吸水材料是不适合用水射流切割进行处理的。 典型产品： 装饰性的石板或岩石。水射流切割在水下同样有效。 相似工艺： 模切。这种技术也可以作为与激光切割相对的冷处理手段。 工艺优缺点： 这是冷加工手段，不会加热被处理的材料。 没有物理模具接触，所以切割边缘不会变形。 可以在任何材质，任何厚度的材料上加工出很精巧的细节。 加工过程不会产生污染环境的废物。 在切割比较厚的的材料时，射流可能会在割穿材料的偏离原来的路径。 水射流切割 1 * 电火花线切割（EDM）基于一种火花切割技术，简称线切割，一般用来切割非常坚硬的金属，即用电火花融化被处理的材料。电火花是由一条细金属线产生的，而切割的线路则是由实现编制好的程序控制。切割电极并不接触材料，因此电火花可以击穿电极与材料间的空隙并融化被处理的材料。去离子水同时会被喷射到熔点上，其作用是冷却材料，同时清理切割点的残渣。 RAM电火花切割是利用安装在机械手臂上的石墨电极，直接在需要处理的材料上进行切割的一项技术。 电火花切割原理：利用上下高速移动的金属导线（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。 * 电火花线 * 电火花线 电火花线 * 标准产量： 整个处理过程和要处理的形状都可以手动控制或者由CAD文件确定。因此此项技术可以用来处理单件材料或被用于大规模生产。 单件价格与资金投入： 不需要模具。 生产速度： 最新的电火花切割处理可以以最快400平方毫米/分钟的速度进行切割作业，不过切割速度也受材料的导电性能和材料的厚度影响。一片50毫米厚的钢板的加工速度大概为4毫米/分钟。 加工后的表面： 电火花线切割以其精良的加工质量而著称。 种类/加工形状的复杂程度： 精妙的火花线可以在最坚硬的材料上切割出复杂的形状。 * 电火花线 产品尺寸： 取决于所加工的材料、发电机功率、供电能力。电火花切割技术可以割穿500毫米厚的大块金属。由于其加工速度低于1毫米/分钟，因此加工这样的材料相当耗费时间的。 容差： 电火花线切割的精确度极高，而且其精确度可以达到亚微米级。 相关材料： 仅限于可传导的金属。此工艺适合加工硬金属，因为硬金属不会影响切割速度。 典型产品： 一般应用在工业加工非常坚硬的材料上。还包括切割超级坚硬的太空工业零件。 相似工艺： 激光切割和电子束切割。 工艺优缺点： 适合在非常难切割的金属材料上加工复杂的形状。 整个处理过程不需要使用外力。 不会有炫光。 耗费时间。 所要处理的材料必须有导电性能。 * 电火花线 激光切割包括激光束加工，是将每平方厘米中的数百万瓦特的光照能量聚集在切割点上，以此来熔化、切割所要处理的材料。激光切割属于热切割方法之一。 激光束加工则是利用多维度激光头在立体的物体上进行切割作业。都可以对常规工具无法加工的材料或零件进行精确的切割加工。由于没有物理接触，因此所要加工的材料不需要太多的固定。 激光切割 3 * 激光切割的主要工艺 汽化切割：在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。 熔化切割：当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。 氧化熔化切割：熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。 控制断裂切割：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。 激光切割-工艺 3 * 激光切割-实例 3 * 激光切割-实例 3 * 标准产量： 适合小批量生产。 单件价格与资金投入： 由于不需要制作模具，而且切割线路是由CAD文件控制的，因此资金投入量较低。 生产速度： 其作业厚度与材料的种类和厚度有着直接的关系。初略地估计，切割0.5毫米到10毫米厚的钛合金的速度是2.5毫米/分钟到12毫米/分钟。 加工后的表面： 在木材上加工后会留下灼烧的痕迹，加工金属材料则无需加工后期处理。不过，由于抛光的金属表面会降低激光的切割效率，在进行切割加工之前，金属材料最好不要进行抛光处理。 种类/加工形状的复杂程度： 取决于辅助加工的机械，可以选择水平的激光切割或者多维度的激光切割头，这样就可以加工出复杂的立体形态。这种方法就被称为激光束加工。 激光切割 3 * 容差： 容差极高，可以在任意材料上加工直径为0.025毫米的孔洞。 相关材料： 经常使用在各种坚硬的钢材上，比如不锈钢或者高碳钢。由于铜、铝、金和银等材料的导热性能较好，因此这些材料相对比较难以进行切割。非金属材质也可以用激光切割，这些材料包括木材、纸张、塑料或者陶瓷。玻璃和陶瓷尤其适合用激光来进行切割，而其他的切割方式都很难在这两种材质上切割出很复杂的形状来。 典型产品： 模型零件、外科手术用具、木质玩具、金属网或过滤网。经过激光切割的陶瓷可以作为工业绝缘体，而激光切割的玻璃或金属则可以用来生产家具。 相似工艺： 水射流切割、模切、电子束加工、等离子弧切割。 工艺优缺点： 无需模具，只要很少的固定，而且可以提供连续的、高精度的切割。 适合较多种的材料。 切割表面无需后期加工。 对于可加工材料的厚度要求很高，如果超过许可的厚度，会出现很严重的问题。 对于大批量生产来说比较耗时，因此激光切割更加适合单件加工或小批量生产。 激光切割 3 * 氧乙炔切割又称氧气切割、气焊、气体切割或火焰切割式气割。切割原理：火焰把工件切割处的金属预热到它的燃烧点，然后以高速纯氧气流猛吹。这时金属就发生剧烈氧化，所产生的热量把金属氧化物熔化成液体。同时，氧气气流又把氧化物的熔液吹走， 工件就被切出了整齐的缺口。只要把割炬向前移动，就能把工件连续切开。 * 氧乙炔切割 4 * 由于切割方法利用了氧化作用，过薄或过窄的材料容易因热而产生变形，因此不适合这种加工方法。 这种切割加工可以手动进行，也可以应用于自动化生产。手动加工时，工人需要在整个过程中需要佩戴防护面具。平时工人用这项工艺可能大多是在进行焊接作业，而不是切割材料。 氧切割的设备简单，操作灵活方便，可用于切割碳钢和普通低合金钢，准确地切出直线，圆以及各种复杂的形状，切割厚度的范围较大。同时还易于实现自动化，特别是随着数控技术和光电跟踪技术以及更高质量割嘴的应用，这种趋势越来越明显。 氧乙炔切割的条件： 氧乙炔切割 4 （1）金属的燃烧点应低于其熔点。 （2）金属氧化物的熔点应低于金属的熔点。 （3）金属燃烧时要放出足够的热量。 （4）金属的导热性不能过高。 （5）生成的氧化物流动性要好。 * 氧乙炔切割-实例 4 * 标准产量： 相比其他切割金属的手段，这种热切割对小批量生产来说是非常经济的。 单件价格与资金投入： 除非事先要求使用切割样品，否则一般是不需要模具的。在自动化处理的过程中，所要加工的外形信息可以由CAD文件提供。以上两个因素意味着这种工艺的成本低廉。 生产速度： 加工的素的取决于要加工的材料种类和它的厚度。整个加工可以手动进行，也可以高度自动化。在多焰头的，并且全部自动控制的情况下，切割速度可以达到3米/分钟。 加工后的表面: 由于切割时间的长短是可以控制的，因此这种切割技术可以形成不同精细程度的切割表面。也就是说，更长的切割时间可以形成更加精细的切割边缘。切割边缘的质量还取决于所处理的材料种类，不过总体来说，等离子弧切割所形成的结果是最好的。 种类/加工形状的复杂程度： 这个加工工艺非常适合厚重的金属材料。厚度在8毫米以下的金属会在加热后产生变形，同样的情况，也会在加工比较窄的材料时发生。与其他的切割作业一样，在材料中切割出形状（就像在面团上切出饼干一样），而加工后的余料则可以进行经济的循环利用。切割作业的角度一般是垂直与加工表面的。其他加工角度也可以进行作业，不过相对与等离子弧切割来说，氧乙炔切割的准备工序相对复杂。 氧乙炔切割 4 产品尺寸： 手动操作此工艺的话，对所加工的材料是没有体积限制的。而对于自动化加工来说，能加工的材料体积会受加工机械体积的限制。 容差： 这取决于材料的厚度，但是由“拇指规则”来看，在加工材料的厚度为6毫米到35毫米时，其误差为±1.5毫米。 相关材料： 可操作的材料仅限于铁质金属和钛金属。 典型产品： 重工业建筑，包括船舶和机械零件。 相似工艺： 电子束加工，等离子弧切割，激光切割和水射流切割。 * 氧乙炔切割 4 氧乙炔切割 4 适合加工很厚的金属板材。 适合徒手加工或者自动化加工。 可以加工的材料比较有限。 * 工艺优缺点： * 四大切割工艺图示： 总结 谢谢聆听！ * 结束 材料成型及加工工艺 材料成型及加工工艺

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