第七章 其他特种加工技术第七章 其他特种加工技术
7.1 电化学加工技术
7.2 激光加工技术
7.3 超声波加工技术
7.4 其他常用特种加工技术习题第七章 其他特种加工技术
7.1 电化学加工技术
7.1.1 电化学加工的原理与特点
1,电化学加工的原理图 7-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜 (Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜 (CuCl2)的水溶液中，此时水 (H2O)
离解为氢氧根负离子 OH－和氢正离子 H+,CuCl2离解为两个氯负离子 2Cl－和二价铜正离子 Cu2+。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片 (电极 )和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动,Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。
第七章 其他特种加工技术在阳极表面 Cu原子失掉电子而成为 Cu2+正离子进入溶液 。 溶液中正,负离子的定向移动称为电荷迁移 。
在阳,阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应 。 这种利用电化学反应原理对金属进行加工 (图
7-1中阳极上为电解蚀除,阴极上为电镀沉积,常用以提炼纯铜 )的方法即电化学加工 。
第七章 其他特种加工技术图 7-1 电解 (电镀 )液中的电化学反应
i e e i
2
1
1— 阳极； 2— 阴极
OH
－
Cl
－
H
＋
Cu
2 ＋
第七章 其他特种加工技术
2,电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第 Ⅰ 类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第 Ⅱ 类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 Ⅲ 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工 (其中还含有电火花放电作用 )。电化学加工的类别如表 7-1所示。
本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削，其它的电化学加工请参考相关资料。
第七章 其他特种加工技术表 7-1 电化学加工分类类别 加工方法及原理 应 用
Ⅰ
电解加工 ( 阳极溶解 )
电化学抛光 ( 阳极溶解 )
用于形状尺寸加工用于表面加工
Ⅱ
电镀 ( 阴极沉积 )
电铸 ( 阴极沉积 )
用于表面加工用于形状尺寸加工
Ⅲ
电极磨削 ( 阳极溶解、机械磨削 )
电解放电加工 ( 阳极溶解、电火花蚀除 )
用于形状尺寸加工用于形状尺寸加工第七章 其他特种加工技术
3,电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围,因电解和电镀两大类工艺的不同而不同 。
电解加工可以加工复杂成型模具和零件,例如汽车,
拖拉机连杆等各种型腔锻模,航空,航天发动机的扭曲叶片,汽轮机定子,转子的扭曲叶片,炮筒内管的螺旋,膛线,(来复线 ),齿轮,液压件内孔的电解去毛刺及扩孔,
抛光等 。
电镀,电铸可以复制复杂,精细的表面 。
第七章 其他特种加工技术
7.1.2 电解加工
1,电解加工的原理及特点
1) 基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”
来将工件成型的。如图 7-2所示，在工件 (阳极 )与工具 (阴极 )
之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙 (0.1～ 0.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，
工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。
第七章 其他特种加工技术随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。
图 7-2 电解加工原理图
1
2
3
4
5
V
A
1— 直流电源； 2— 工具电极； 3— 工件阳极；
4— 电解液泵； 5— 电解液
－
＋
第七章 其他特种加工技术
2) 特点电解加工与其他加工方法相比较,它具有下列特点,
(1) 能加工各种硬度和强度的材料 。 只要是金属,不管其硬度和强度多大,都可加工 。
(2) 生产率高,约为电火花加工的 5～ 10倍,在某些情况下,比切削加工的生产率还高,且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制 。
(3) 表面质量好,电解加工不产生残余应力和变质层,
又没有飞边,刀痕和毛刺 。 在正常情况下,表面粗糙度 Ra
可达 0.2～ 1.25 μm。
第七章 其他特种加工技术
(4) 阴极工具在理论上不损耗,基本上可长期使用 。
电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制,尺寸精度一般只能达到 0.15～ 0.30 mm。 此外,电解液对设备有腐蚀作用,电解液的处理也较困难 。
2,电解加工设备电解加工的基本设备包括直流电源,机床及电解液系统三大部分 。
1) 直流电源电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源,其主要特点及应用见表 7-2。
第七章 其他特种加工技术表 7-2 直流电源的特点及应用分 类 特 点 应用场合硅整流电源
1,可靠性、稳定性好；
2,调节灵敏度较低；
3,稳压精度不高国内生产现场占一定比例晶闸管电源
1,灵敏度高，稳压精度高；
2,效率高，节省金属材料；
3,稳定性、可靠性较差国外生产中普遍采用，也占相当比例第七章 其他特种加工技术
2) 机床电解加工机床的任务是安装夹具,工件和阴极工具,
并实现其相对运动,传送电和电解液 。 电解加工过程中虽没有机械切削力,但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的,因此要求机床要有足够的刚性；要保证进给系统的稳定性,如果进给速度不稳定,阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同,影响加工精度；电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触,因此机床要有好的防腐措施和安全措施 。
第七章 其他特种加工技术
3) 电解液系统在电解加工过程中,电解液不仅作为导电介质传递电流,而且在电场的作用下进行化学反应,使阳极溶解能顺利而有效地进行,这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的 。 同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务,起到更新和冷却的作用 。
电解液可分为中性盐溶液,酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类 。 其中中性盐溶液的腐蚀性较小,使用时较为安全,
故应用最广 。 常用的电解液有 NaCl,NaNO3,NaClO3 三种 。
第七章 其他特种加工技术
NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。
NaNO3电解液在浓度低于 30%时,对设备,机床腐蚀性很小,使用安全 。 但生产效率低,需较大电源功率,故适用于成型精度要求较高的工件加工 。
NaClO3电解液的散蚀能力小,故加工精度高,对机床,设备等的腐蚀很小,广泛地应用于高精度零件的成型加工 。 然而,
NaClO3是一种强氧化剂,虽不自燃,但遇热分解的氧气能助燃,因此使用时要注意防火安全 。
第七章 其他特种加工技术
3,电解加工应用日前,电解加工主要应用在深孔加工,叶片 (型面 )加工,锻模 (型腔 )加工,管件内孔抛光,各种型孔的倒圆和去毛刺,整体叶轮的加工等方面 。
图 7-3是用电解加工整体叶轮,叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的 。 加工完一个叶片,退出阴极,经分度后再加工下一个叶片 。
第七章 其他特种加工技术图 7-3 电解加工整体叶轮空心水套管叶片阴极片分度阴极片进给电解液第七章 其他特种加工技术
7.1.3 电铸成型
1,电铸成型原理及特点
1) 成型原理与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。
但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。
第七章 其他特种加工技术电铸原理如图 7-4所示,在直流电源的作用下,金属盐溶液中的金属离子在阴极获得电子而沉积在阴极母模的表面 。 阳极的金属原子失去电子而成为正离子,
源源不断地补充到电铸液中,使溶液中的金属离子浓度保持基本不变 。 当母模上的电铸层达到所需的厚度时取出,将电铸层与型芯分离,即可获得型面与型芯凹,凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面 。
第七章 其他特种加工技术图 7-4 电铸成型的原理
4
5
6
3 6 V
7
8910
1
2
3
1— 镀槽； 2— 阳极； 3— 蒸馏水瓶；
4— 直流电源； 5— 加热管；
6— 恒温装置； 7— 温度计； 8— 母模；
9— 电铸层； 1 0 — 玻璃管第七章 其他特种加工技术
2) 特点
(1) 复制精度高,可以做出机械加工不可能加工出的细微形状 (如微细花纹,复杂形状等 ),表面粗糙度
Ra可达 0.1 μm,一般不需抛光即可使用 。
(2) 母模材料不限于金属,有时还可用制品零件直接作为母模 。
(3) 表面硬度可达 35～ 50HRC,所以电铸型腔使用寿命长 。
(4) 电铸可获得高纯度的金属制品，如电铸铜，它纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电加工。
第七章 其他特种加工技术
(5) 电铸时,金属沉积速度缓慢,制造周期长 。 如电铸镍,一般需要一周左右 。
(6) 电铸层厚度不易均匀,且厚度较薄,仅为 4～ 8 mm
左右 。 电铸层一般都具有较大的应力,所以大型电铸件变形显著,且不易承受大的冲击载荷 。 这样,就使电铸成型的应用受到一定的限制 。
2,电铸设备铸设备 (如图 7-4所示 )主要包括电铸槽,直流电源,搅拌和循环过滤系统,恒温控制系统等 。
第七章 其他特种加工技术
1) 电铸槽电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则 。
一般用钢板焊接,内衬铅板或聚氯乙烯薄板等 。
2) 直流电源电铸采用低电压大电流的直流电源 。 常用硅整流,电压为 6～ 12 V左右,并可调 。
3) 搅拌和循环过滤系统为了降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度，最好在阴极运动的同时加速溶液的搅拌。搅拌的方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等。循环过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进行过滤。
第七章 其他特种加工技术
4) 恒温控制系统电铸时间很长,所以必须设置恒温控制设备 。 它包括加热设备 (加热玻璃管,电炉等 )和冷却设备 (冷水或冷冻机等 )。
3,电铸的应用电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能,已在航空,
仪器仪表,精密机械,模具制造等方面发挥日益重要的作用 。
图 7-5为刻度盘模具型腔电铸过程 。 其中图 (a)为电铸过程中的阴极母模简图,图 (b)为母模进行引导线及包扎绝缘处理图,图 (c)为电铸,图 (d)为电铸产品后处理图 。
第七章 其他特种加工技术图 7-5 刻度盘模具型腔电铸过程
10 6
M
3
6
28
1 × 4 5 °
7590
56
( a ) ( b )
1
2
3 4
5
0,9 1,1
10 ～ 20
＋ －
( c )
8
( d )
1
6
7
1— 母模；
2— 绝缘板；
3— 螺钉；
4— 导电杆；
5— 塑料管；
6— 铸件；
7— 铜套；
8— 芯轴
1,0
第七章 其他特种加工技术
7.1.4 电解磨削
1,加工原理及特点
1) 加工原理电解磨削是电解加工的 —种特殊形式,是电解与机械的复合加工方法 。 它是靠金属的溶解 (占 95%～ 98%)
和机械磨削 (占 2%～ 5%)的综合作用来实现加工的 。
加工原理如图 7-6所示 。 加工过程中,磨轮 (砂轮 )
不断旋转,磨轮上凸出的砂粒与工件接触,形成磨轮与工件间的电解间隙 。 电解液不断供给,磨轮在旋转中,将工件表面由电化学反应生成的钝化膜除去,继续进行电化学反应,如此反复不断,直到加工完毕 。
第七章 其他特种加工技术电解磨削的阳极溶解机理与普通电解加工的阳极溶解机理是相同的 。 不同之处在于：电解磨削中,阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的,电解液腐蚀力较弱；而一般电解加工中的阳极钝化膜的去除,
是靠高电流密度去破坏 (不断溶解 )或靠活性离子 (如氯离子 )进行活化,再由高速流动的电解液冲刷带走的 。
第七章 其他特种加工技术图 7-6 电解磨削加工原理图
7
6
8
5
4
32
1
9
12
5
13
11
10
1— 直流电源； 2— 绝缘主轴；
3— 磨轮； 4— 电解液喷嘴；
5— 工件； 6— 电解液泵；
7— 电解液箱； 8— 机床本体；
9— 工作台； 1 0 — 磨料；
1 1 — 结合剂； 1 2 — 电解间隙；
1 3 — 电解液第七章 其他特种加工技术
2) 特点
(1) 磨削力小,生产率高 。 这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工的优点 。
(2) 加工精度高,表面加工质量好 。 因为电解磨削加工中,一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到的,故能获得比电解加工好的加工精度；另一方面,材料的去除主要靠电解加工,加工中产生的磨削力较小,不会产生磨削毛刺,裂纹等现象,故加工工件的表面质量好 。
(3) 设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。
第七章 其他特种加工技术
2,电解磨削的应用电解磨削广泛应用于平面磨削,成型磨削和内外圆磨削 。 图 7-7(a),(b)分别为立轴矩台平面磨削,卧轴矩台平面磨削的示意图 。 图 7-8为电解成型磨削示意图,其磨削原理是将导电磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型,然后进行电解磨削 。
第七章 其他特种加工技术图 7-7 平面磨削示意图
＋
－
－
＋
( a ) ( b )
第七章 其他特种加工技术图 7-8 电解成型磨削原理图
2
1
3
4
5
1— 绝缘层； 2— 磨轮；
3— 喷嘴； 4— 工件；
5— 加工电源第七章 其他特种加工技术
7.2 激光加工技术
1,激光加工的原理与特点
1) 激光加工的原理激光是一种强度高,方向性好,单色性好的相干光 。 由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的 (微米甚至亚微米 )小斑点上,加上它本身强度高,
故可以使其焦点处的功率密度达到 107～ 1011 W/cm2,温度可达 10 000℃ 以上 。 在这样的高温下,任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的冲击 。 因此,激光加工 (如图 7-9所示 )是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程 。
第七章 其他特种加工技术图 7-9 激光加工示意图
1 2 3
4
5
6
1— 激光器； 2— 激光束；
3— 全反射棱镜； 4— 聚焦物镜；
5— 工件； 6— 工作台第七章 其他特种加工技术
2) 激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：
(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,可进行微细和精密加工,
如微细窄缝和微型孔的加工 。
(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 。
第七章 其他特种加工技术
2,激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器,导光聚焦系统和加工机
(激光加工系统 )三部分组成 。
1) 激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。
由于 He-Ne(氦 — 氖 )气体激光器所产生的激光不仅容易控制，
而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、
YAG(掺钕钇铝石榴石 )等固体激光器。
第七章 其他特种加工技术
2) 导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求,光束经放大,整形,聚焦后作用于加工部位,这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统 。
3) 激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，
许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。
第七章 其他特种加工技术
3,激光加工的应用
1) 激光打孔随着近代工业技术的发展,硬度大,熔点高的材料应用越来越多,并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔,例如,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉丝模具,化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等 。 这类加工任务,用常规的机械加工方法很困难,有的甚至是不可能的,而用激光打孔,则能比较好地完成任务 。
第七章 其他特种加工技术激光打孔中,要详细了解打孔的材料及打孔要求 。
从理论上讲,激光可以在任何材料的不同位置,打出浅至几微米,深至二十几毫米以上的小孔,但具体到某一台打孔机,它的打孔范围是有限的 。 所以,在打孔之前,最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解,以确定能否打孔 。
激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间,
焦距与发散角,焦点位置,光斑内能量分布,照射次数及工件材料等因素有关 。 在实际加工中应合理选择这些工艺参数 。
第七章 其他特种加工技术
2) 激光切割激光切割 (如图 7-10所示 )的原理与激光打孔相似,但工件与激光束要相对移动 。 在实际加工中,采用工作台数控技术,可以实现激光数控切割 。
激光切割大多采用大功率的 CO2激光器,对于精细切割,也可采用 YAG激光器 。
激光可以切割金属,也可以切割非金属 。 在激光切割过程中,由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力,再加上激光切割切缝小,便于自动控制,故在实际中常用来加工玻璃,陶瓷,各种精密细小的零部件 。
第七章 其他特种加工技术平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图 7-10 CO2气体激光器切割钛合金示意图第七章 其他特种加工技术激光切割过程中,影响激光切割参数的主要因素有激光功率,吹气压力,材料厚度等 。
3) 激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时变成热能,使工件表面迅速产生蒸发,
从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形,以作为永久防伪标志 (如图 7-11所示 )。
第七章 其他特种加工技术图 7-11 振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜
Y 轴马达透镜第七章 其他特种加工技术激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属,塑料,玻璃,陶瓷,木材,皮革等各种材料；标记清晰,
永久,美观,并能有效防伪；标刻速度快,运行成本低,无污染,可显著提高被标刻产品的档次 。
激光打标广泛应用于电子元器件,汽 (摩托 )车配件,医疗器械,通讯器材,计算机外围设备,钟表等产品和烟酒食品防伪等行业 。
第七章 其他特种加工技术
4) 激光焊接当激光的功率密度为 105～ 107 W/cm2,照射时间约为
1/100 s左右时,可进行激光焊接 。 激光焊接一般无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域,热熔,在一起即可,如图 7-
12所示 。
激光焊接速度快,热影响区小,焊接质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻璃进行焊接 。
第七章 其他特种加工技术图 7-12 激光焊接过程示意图
1
2
3
4
1— 激光； 2— 被焊接零件；
3— 被熔化金属； 4— 已冷却的熔池第七章 其他特种加工技术图 7-13 激光表面强化处理应用实例淬硬表面淬硬表面
( a ) 圆锥表面 ( b ) 铸铁凸轮轴表面第七章 其他特种加工技术
5) 激光表面处理当激光的功率密度约为 103～ 105 W/cm2时,便可实现对铸铁,中碳钢,甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火 。 淬火层深度一般为 0.7～ 1.1 mm,淬火层硬度比常规淬火约高 20%。 激光淬火变形小,还能解决低碳钢的表面淬火强化问题 。 图 7-13为激光表面淬火处理应用实例 。
第七章 其他特种加工技术
7.3 超声波加工技术
1,超声波加工的原理与特点
1) 加工原理超声波加工是利用振动频率超过 16 000 Hz的工具头,通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法,
其加工原理如图 7-14所示 。
第七章 其他特种加工技术图 7-14 超声波加工原理图加工力工具工件振动方向磨料＋工作液 工具振幅第七章 其他特种加工技术当工具以 16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时,
磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨料的搅动,使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外,磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和,空化现象,。
所谓空化现象,是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时,加工间隙内形成负压和局部真空,在磨料液内形成很多微空腔；当工具端面以很大的加速度接近工件表面时,空泡闭合,引起极强的液压冲击波,从而使脆性材料产生局部疲劳,引起显微裂纹 。
第七章 其他特种加工技术这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，随着加工的不断进行，工具的形状就逐渐,复制,在工件上。由此可见，
超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。
2) 特点超声波加工的主要特点如下：
(1) 适合于加工各种硬脆材料,特别是某些不导电的非金属材料,例玻璃,陶瓷,石英,硅,玛瑙,宝石,金刚石等 。
也可以加工淬火钢和硬质合金等材料,但效率相对较低 。
(2) 由于工具材料硬度很高,故易于制造形状复杂的型孔 。
第七章 其他特种加工技术
(3) 加工时宏观切削力很小,不会引起变形,烧伤 。 表面粗糙度 Ra值很小,可达 0.2 μm,加工精度可达 0.05～ 0.02 mm,而且可以加工薄壁,窄缝,低刚度的零件 。
(4) 加工机床结构和工具均较简单,操作维修方便 。
(5) 生产率较低 。 这是超声波加工的一大缺点 。
第七章 其他特种加工技术
2,超声波加工设备超声波加工装置如图 7-15所示 。 尽管不同功率大小,不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相同,但一般都由高频发生器,超声振动系统 (声学部件 ),机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成 。
第七章 其他特种加工技术图 7-15 超声波加工装置
1
2
3
4
5
6
7
8
1— 冷却器； 2— 磨料悬浮液抽出； 3— 工具；
4— 工件； 5— 磨料悬浮液送出； 6— 变幅杆；
7— 换能器； 8— 高频发生器第七章 其他特种加工技术
1) 高频发生器高频发生器即超声波发生器,其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡,以供给工具往复运动和加工工件的能量 。
2) 声学部件声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，
并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。
第七章 其他特种加工技术由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过 0.005～ 0.01 mm，而超声波加工却需要 0.01～ 0.1 mm的振幅，因此必须用上粗下细 (按指数曲线设计 )的变幅杆放大振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。
变幅杆的常见形式如图 7-16所示,加工中工具头与变幅杆相连,其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击 。 工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料,如 45#钢,这样可以减少工具的相对磨损 。 工具的尺寸和形状取决于被加工表面,它们相差一个加工间隙值 (略大于磨料直径 )。
第七章 其他特种加工技术
( a ) 锥形 ( b ) 指数形 ( c ) 阶梯形图 7-16 几种形式的变幅杆第七章 其他特种加工技术
3) 机床本体和磨料工作液循环系统超声波加工机床的本体一般很简单,包括支撑声学部件的机架,工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物 。 常用的磨料有碳化硼,碳化硅,氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水,有时用煤油或机油 。 磨料的粒度大小取决于加工精度,表面粗糙度及生产率的要求 。
第七章 其他特种加工技术
3,超声波加工的应用超声波加工的生产率虽然比电火花,电解加工等低,但其加工精度和表面粗糙度都比它们好,而且能加工半导体,非导体的脆硬材料,如玻璃,石英,宝石,锗,硅甚至金刚石等 。 在实际生产中,超声波广泛应用于型 (腔 )孔加工 (如图 7-17所示 ),切割加工 (如图
7-18所示 ),清洗 (如图 7-19所示 )等方面 。
第七章 其他特种加工技术图 7-17 超声波加工的型孔、腔孔类型
( a ) 加工圆孔 ( b ) 加工型腔 ( c ) 加工异形孔 ( d ) 套料加工 ( e ) 加工微细孔第七章 其他特种加工技术图 7-18 超声波切割加工
1
2
3
4 5
4
3
2
1
( a ) 超声切割单晶硅片示意图
1— 变幅杆； 2— 工具 ( 薄钢片 ) ；
3— 磨料液； 4— 工件 ( 单晶硅 )
( b ) 刀具
1— 变幅杆； 2— 焊缝； 3— 铆钉；
4— 导向片； 5— 软钢刀片
( c ) 切割成的陶瓷模块第七章 其他特种加工技术图 7-19 超声波清洗装置
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1— 清洗槽；
2— 变幅杆；
3— 压紧螺钉；
4— 压电陶瓷换能器；
5— 镍片 ( ＋ ) ；
6— 镍片 ( － ) ；
7— 接线螺钉；
8— 垫圈；
9— 钢垫块第七章 其他特种加工技术
7.4 其他常用特种加工技术
7.4.1 电子束加工
1,加工原理电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的,如图 7-20所示 。 在真空条件下,将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上,电子的动能绝大部分转变为热能,使材料局部瞬时熔融,汽化蒸发而去除 。
第七章 其他特种加工技术图 7-20 电子束加工原理电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统第七章 其他特种加工技术控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达到不同的加工目的 。 如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度,使材料熔化和汽化,
就可进行打孔,切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,即可进行电子束光刻加工 。
第七章 其他特种加工技术
2,特点与应用电子束加工的特点如下：
(1) 电子束能够极其微细地聚焦 (可达 l～ 0.1 μm),故可进行微细加工 。
(2) 加工材料的范围广 。 由于电子束能量密度高,可使任何材料瞬时熔化,汽化且机械力的作用极小,不易产生变形和应力,故能加工各种力学性能的导体,半导体和非导体材料 。
(3) 加工在真空中进行,污染少,加工表面不易被氧化 。
(4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统,价格较贵,故在生产中受到一定程度的限制 。
第七章 其他特种加工技术由于上述特点,电子束加工常应用于加工微细小孔,
异型孔 (如图 7-21所示 )及特殊曲面 。 图 7-22所示为电子束加工弯曲的型面 。 其原理为：电子束在磁场中受力,在工件内部弯曲,工件同时移动,即可加工曲面 Ⅰ ；随后改变磁场极性,即可加工曲面 Ⅱ ；在工件实体部位内加工,即可得到弯槽 Ⅲ ；当工件固定不动,先后改变磁场极性,二次加工,即可得到一个入口,两个出口的弯孔 Ⅳ 。 拉制电子束速度和磁场强度,即可控制曲率半径 。
第七章 其他特种加工技术图 7-21 电子束加工的喷丝头异形孔
0,0 3 ～ 0,0 7 m m
第七章 其他特种加工技术图 7-22 电子束加工曲面、穿孔
1
3
2
3
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
1— 工件；
2— 工件运动方向；
3— 电子束第七章 其他特种加工技术
7.4.2 离子束加工
1,加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工,它的加工原理与电子束加工原理基本类似,也是在真空条件下,将离子源产生的离子束经过加速,聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的 。 所不同的是离子带正电荷,其质量比电子大数千倍乃至数万倍,故在电场中加速较慢,但一旦加至较高速度,就比电子束具有更大的撞击动能 。 离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的 。
第七章 其他特种加工技术离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应,溅射效应和注入效应 。 离子束加工可分为四类 。
1) 离子刻蚀离子轰击工件,将工件表面的原子逐个剥离,又称离子铣削,其实质是一种原子尺度的切削加工 。
2) 离子溅射沉积离子轰击靶材,将靶材原子击出,沉积在靶材附近的工件上,使工件表面镀上一层薄膜 。
3) 离子镀 (又称离子溅射辅助沉积 )
离子同时轰击靶材和工件表面,目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力 。
第七章 其他特种加工技术
4) 离子注入离子束直接轰击被加工材料,由于离子能量相当大,离子就钻入被加工材料的表层 。 工件表面层含有注入离子后,
就改变了化学成分,从而改变了工件表面层的机械物理性能 。
2,特点及应用离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密,最微细的加工 。 离子刻蚀可达纳米级精度,离子镀膜可控制在亚微米级精度,离子注入的深度和浓度亦可精确地控制 。
(2) 离子束加工在高真空中进行,污染少,特别适宜于对易氧化的金属,合金和半导体材料进行加工 。
第七章 其他特种加工技术
(3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的,是一种微观作用,所以加工应力和变形极小,
适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工 。
在目前的工业生产中,离子束加工主要应用于刻蚀加工 (如加工空气轴承的沟槽,加工极薄材料等 ),镀膜加工 (如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料 ),注入加工 (如某些特殊的半导体器件 )等 。
第七章 其他特种加工技术习题
1,请比较说明各种特种加工方法的加工原理 。
2,请分析比较各种特种加工方法的应用范围 。
7.1 电化学加工技术
7.2 激光加工技术
7.3 超声波加工技术
7.4 其他常用特种加工技术习题第七章 其他特种加工技术
7.1 电化学加工技术
7.1.1 电化学加工的原理与特点
1,电化学加工的原理图 7-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜 (Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜 (CuCl2)的水溶液中，此时水 (H2O)
离解为氢氧根负离子 OH－和氢正离子 H+,CuCl2离解为两个氯负离子 2Cl－和二价铜正离子 Cu2+。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片 (电极 )和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动,Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。
第七章 其他特种加工技术在阳极表面 Cu原子失掉电子而成为 Cu2+正离子进入溶液 。 溶液中正,负离子的定向移动称为电荷迁移 。
在阳,阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应 。 这种利用电化学反应原理对金属进行加工 (图
7-1中阳极上为电解蚀除,阴极上为电镀沉积,常用以提炼纯铜 )的方法即电化学加工 。
第七章 其他特种加工技术图 7-1 电解 (电镀 )液中的电化学反应
i e e i
2
1
1— 阳极； 2— 阴极
OH
－
Cl
－
H
＋
Cu
2 ＋
第七章 其他特种加工技术
2,电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第 Ⅰ 类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第 Ⅱ 类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 Ⅲ 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工 (其中还含有电火花放电作用 )。电化学加工的类别如表 7-1所示。
本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削，其它的电化学加工请参考相关资料。
第七章 其他特种加工技术表 7-1 电化学加工分类类别 加工方法及原理 应 用
Ⅰ
电解加工 ( 阳极溶解 )
电化学抛光 ( 阳极溶解 )
用于形状尺寸加工用于表面加工
Ⅱ
电镀 ( 阴极沉积 )
电铸 ( 阴极沉积 )
用于表面加工用于形状尺寸加工
Ⅲ
电极磨削 ( 阳极溶解、机械磨削 )
电解放电加工 ( 阳极溶解、电火花蚀除 )
用于形状尺寸加工用于形状尺寸加工第七章 其他特种加工技术
3,电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围,因电解和电镀两大类工艺的不同而不同 。
电解加工可以加工复杂成型模具和零件,例如汽车,
拖拉机连杆等各种型腔锻模,航空,航天发动机的扭曲叶片,汽轮机定子,转子的扭曲叶片,炮筒内管的螺旋,膛线,(来复线 ),齿轮,液压件内孔的电解去毛刺及扩孔,
抛光等 。
电镀,电铸可以复制复杂,精细的表面 。
第七章 其他特种加工技术
7.1.2 电解加工
1,电解加工的原理及特点
1) 基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”
来将工件成型的。如图 7-2所示，在工件 (阳极 )与工具 (阴极 )
之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙 (0.1～ 0.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，
工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。
第七章 其他特种加工技术随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。
图 7-2 电解加工原理图
1
2
3
4
5
V
A
1— 直流电源； 2— 工具电极； 3— 工件阳极；
4— 电解液泵； 5— 电解液
－
＋
第七章 其他特种加工技术
2) 特点电解加工与其他加工方法相比较,它具有下列特点,
(1) 能加工各种硬度和强度的材料 。 只要是金属,不管其硬度和强度多大,都可加工 。
(2) 生产率高,约为电火花加工的 5～ 10倍,在某些情况下,比切削加工的生产率还高,且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制 。
(3) 表面质量好,电解加工不产生残余应力和变质层,
又没有飞边,刀痕和毛刺 。 在正常情况下,表面粗糙度 Ra
可达 0.2～ 1.25 μm。
第七章 其他特种加工技术
(4) 阴极工具在理论上不损耗,基本上可长期使用 。
电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制,尺寸精度一般只能达到 0.15～ 0.30 mm。 此外,电解液对设备有腐蚀作用,电解液的处理也较困难 。
2,电解加工设备电解加工的基本设备包括直流电源,机床及电解液系统三大部分 。
1) 直流电源电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源,其主要特点及应用见表 7-2。
第七章 其他特种加工技术表 7-2 直流电源的特点及应用分 类 特 点 应用场合硅整流电源
1,可靠性、稳定性好；
2,调节灵敏度较低；
3,稳压精度不高国内生产现场占一定比例晶闸管电源
1,灵敏度高，稳压精度高；
2,效率高，节省金属材料；
3,稳定性、可靠性较差国外生产中普遍采用，也占相当比例第七章 其他特种加工技术
2) 机床电解加工机床的任务是安装夹具,工件和阴极工具,
并实现其相对运动,传送电和电解液 。 电解加工过程中虽没有机械切削力,但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的,因此要求机床要有足够的刚性；要保证进给系统的稳定性,如果进给速度不稳定,阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同,影响加工精度；电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触,因此机床要有好的防腐措施和安全措施 。
第七章 其他特种加工技术
3) 电解液系统在电解加工过程中,电解液不仅作为导电介质传递电流,而且在电场的作用下进行化学反应,使阳极溶解能顺利而有效地进行,这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的 。 同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务,起到更新和冷却的作用 。
电解液可分为中性盐溶液,酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类 。 其中中性盐溶液的腐蚀性较小,使用时较为安全,
故应用最广 。 常用的电解液有 NaCl,NaNO3,NaClO3 三种 。
第七章 其他特种加工技术
NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。
NaNO3电解液在浓度低于 30%时,对设备,机床腐蚀性很小,使用安全 。 但生产效率低,需较大电源功率,故适用于成型精度要求较高的工件加工 。
NaClO3电解液的散蚀能力小,故加工精度高,对机床,设备等的腐蚀很小,广泛地应用于高精度零件的成型加工 。 然而,
NaClO3是一种强氧化剂,虽不自燃,但遇热分解的氧气能助燃,因此使用时要注意防火安全 。
第七章 其他特种加工技术
3,电解加工应用日前,电解加工主要应用在深孔加工,叶片 (型面 )加工,锻模 (型腔 )加工,管件内孔抛光,各种型孔的倒圆和去毛刺,整体叶轮的加工等方面 。
图 7-3是用电解加工整体叶轮,叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的 。 加工完一个叶片,退出阴极,经分度后再加工下一个叶片 。
第七章 其他特种加工技术图 7-3 电解加工整体叶轮空心水套管叶片阴极片分度阴极片进给电解液第七章 其他特种加工技术
7.1.3 电铸成型
1,电铸成型原理及特点
1) 成型原理与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。
但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。
第七章 其他特种加工技术电铸原理如图 7-4所示,在直流电源的作用下,金属盐溶液中的金属离子在阴极获得电子而沉积在阴极母模的表面 。 阳极的金属原子失去电子而成为正离子,
源源不断地补充到电铸液中,使溶液中的金属离子浓度保持基本不变 。 当母模上的电铸层达到所需的厚度时取出,将电铸层与型芯分离,即可获得型面与型芯凹,凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面 。
第七章 其他特种加工技术图 7-4 电铸成型的原理
4
5
6
3 6 V
7
8910
1
2
3
1— 镀槽； 2— 阳极； 3— 蒸馏水瓶；
4— 直流电源； 5— 加热管；
6— 恒温装置； 7— 温度计； 8— 母模；
9— 电铸层； 1 0 — 玻璃管第七章 其他特种加工技术
2) 特点
(1) 复制精度高,可以做出机械加工不可能加工出的细微形状 (如微细花纹,复杂形状等 ),表面粗糙度
Ra可达 0.1 μm,一般不需抛光即可使用 。
(2) 母模材料不限于金属,有时还可用制品零件直接作为母模 。
(3) 表面硬度可达 35～ 50HRC,所以电铸型腔使用寿命长 。
(4) 电铸可获得高纯度的金属制品，如电铸铜，它纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电加工。
第七章 其他特种加工技术
(5) 电铸时,金属沉积速度缓慢,制造周期长 。 如电铸镍,一般需要一周左右 。
(6) 电铸层厚度不易均匀,且厚度较薄,仅为 4～ 8 mm
左右 。 电铸层一般都具有较大的应力,所以大型电铸件变形显著,且不易承受大的冲击载荷 。 这样,就使电铸成型的应用受到一定的限制 。
2,电铸设备铸设备 (如图 7-4所示 )主要包括电铸槽,直流电源,搅拌和循环过滤系统,恒温控制系统等 。
第七章 其他特种加工技术
1) 电铸槽电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则 。
一般用钢板焊接,内衬铅板或聚氯乙烯薄板等 。
2) 直流电源电铸采用低电压大电流的直流电源 。 常用硅整流,电压为 6～ 12 V左右,并可调 。
3) 搅拌和循环过滤系统为了降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度，最好在阴极运动的同时加速溶液的搅拌。搅拌的方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等。循环过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进行过滤。
第七章 其他特种加工技术
4) 恒温控制系统电铸时间很长,所以必须设置恒温控制设备 。 它包括加热设备 (加热玻璃管,电炉等 )和冷却设备 (冷水或冷冻机等 )。
3,电铸的应用电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能,已在航空,
仪器仪表,精密机械,模具制造等方面发挥日益重要的作用 。
图 7-5为刻度盘模具型腔电铸过程 。 其中图 (a)为电铸过程中的阴极母模简图,图 (b)为母模进行引导线及包扎绝缘处理图,图 (c)为电铸,图 (d)为电铸产品后处理图 。
第七章 其他特种加工技术图 7-5 刻度盘模具型腔电铸过程
10 6
M
3
6
28
1 × 4 5 °
7590
56
( a ) ( b )
1
2
3 4
5
0,9 1,1
10 ～ 20
＋ －
( c )
8
( d )
1
6
7
1— 母模；
2— 绝缘板；
3— 螺钉；
4— 导电杆；
5— 塑料管；
6— 铸件；
7— 铜套；
8— 芯轴
1,0
第七章 其他特种加工技术
7.1.4 电解磨削
1,加工原理及特点
1) 加工原理电解磨削是电解加工的 —种特殊形式,是电解与机械的复合加工方法 。 它是靠金属的溶解 (占 95%～ 98%)
和机械磨削 (占 2%～ 5%)的综合作用来实现加工的 。
加工原理如图 7-6所示 。 加工过程中,磨轮 (砂轮 )
不断旋转,磨轮上凸出的砂粒与工件接触,形成磨轮与工件间的电解间隙 。 电解液不断供给,磨轮在旋转中,将工件表面由电化学反应生成的钝化膜除去,继续进行电化学反应,如此反复不断,直到加工完毕 。
第七章 其他特种加工技术电解磨削的阳极溶解机理与普通电解加工的阳极溶解机理是相同的 。 不同之处在于：电解磨削中,阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的,电解液腐蚀力较弱；而一般电解加工中的阳极钝化膜的去除,
是靠高电流密度去破坏 (不断溶解 )或靠活性离子 (如氯离子 )进行活化,再由高速流动的电解液冲刷带走的 。
第七章 其他特种加工技术图 7-6 电解磨削加工原理图
7
6
8
5
4
32
1
9
12
5
13
11
10
1— 直流电源； 2— 绝缘主轴；
3— 磨轮； 4— 电解液喷嘴；
5— 工件； 6— 电解液泵；
7— 电解液箱； 8— 机床本体；
9— 工作台； 1 0 — 磨料；
1 1 — 结合剂； 1 2 — 电解间隙；
1 3 — 电解液第七章 其他特种加工技术
2) 特点
(1) 磨削力小,生产率高 。 这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工的优点 。
(2) 加工精度高,表面加工质量好 。 因为电解磨削加工中,一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到的,故能获得比电解加工好的加工精度；另一方面,材料的去除主要靠电解加工,加工中产生的磨削力较小,不会产生磨削毛刺,裂纹等现象,故加工工件的表面质量好 。
(3) 设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。
第七章 其他特种加工技术
2,电解磨削的应用电解磨削广泛应用于平面磨削,成型磨削和内外圆磨削 。 图 7-7(a),(b)分别为立轴矩台平面磨削,卧轴矩台平面磨削的示意图 。 图 7-8为电解成型磨削示意图,其磨削原理是将导电磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型,然后进行电解磨削 。
第七章 其他特种加工技术图 7-7 平面磨削示意图
＋
－
－
＋
( a ) ( b )
第七章 其他特种加工技术图 7-8 电解成型磨削原理图
2
1
3
4
5
1— 绝缘层； 2— 磨轮；
3— 喷嘴； 4— 工件；
5— 加工电源第七章 其他特种加工技术
7.2 激光加工技术
1,激光加工的原理与特点
1) 激光加工的原理激光是一种强度高,方向性好,单色性好的相干光 。 由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的 (微米甚至亚微米 )小斑点上,加上它本身强度高,
故可以使其焦点处的功率密度达到 107～ 1011 W/cm2,温度可达 10 000℃ 以上 。 在这样的高温下,任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的冲击 。 因此,激光加工 (如图 7-9所示 )是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程 。
第七章 其他特种加工技术图 7-9 激光加工示意图
1 2 3
4
5
6
1— 激光器； 2— 激光束；
3— 全反射棱镜； 4— 聚焦物镜；
5— 工件； 6— 工作台第七章 其他特种加工技术
2) 激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：
(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,可进行微细和精密加工,
如微细窄缝和微型孔的加工 。
(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 。
第七章 其他特种加工技术
2,激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器,导光聚焦系统和加工机
(激光加工系统 )三部分组成 。
1) 激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。
由于 He-Ne(氦 — 氖 )气体激光器所产生的激光不仅容易控制，
而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、
YAG(掺钕钇铝石榴石 )等固体激光器。
第七章 其他特种加工技术
2) 导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求,光束经放大,整形,聚焦后作用于加工部位,这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统 。
3) 激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，
许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。
第七章 其他特种加工技术
3,激光加工的应用
1) 激光打孔随着近代工业技术的发展,硬度大,熔点高的材料应用越来越多,并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔,例如,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉丝模具,化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等 。 这类加工任务,用常规的机械加工方法很困难,有的甚至是不可能的,而用激光打孔,则能比较好地完成任务 。
第七章 其他特种加工技术激光打孔中,要详细了解打孔的材料及打孔要求 。
从理论上讲,激光可以在任何材料的不同位置,打出浅至几微米,深至二十几毫米以上的小孔,但具体到某一台打孔机,它的打孔范围是有限的 。 所以,在打孔之前,最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解,以确定能否打孔 。
激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间,
焦距与发散角,焦点位置,光斑内能量分布,照射次数及工件材料等因素有关 。 在实际加工中应合理选择这些工艺参数 。
第七章 其他特种加工技术
2) 激光切割激光切割 (如图 7-10所示 )的原理与激光打孔相似,但工件与激光束要相对移动 。 在实际加工中,采用工作台数控技术,可以实现激光数控切割 。
激光切割大多采用大功率的 CO2激光器,对于精细切割,也可采用 YAG激光器 。
激光可以切割金属,也可以切割非金属 。 在激光切割过程中,由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力,再加上激光切割切缝小,便于自动控制,故在实际中常用来加工玻璃,陶瓷,各种精密细小的零部件 。
第七章 其他特种加工技术平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图 7-10 CO2气体激光器切割钛合金示意图第七章 其他特种加工技术激光切割过程中,影响激光切割参数的主要因素有激光功率,吹气压力,材料厚度等 。
3) 激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时变成热能,使工件表面迅速产生蒸发,
从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形,以作为永久防伪标志 (如图 7-11所示 )。
第七章 其他特种加工技术图 7-11 振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜
Y 轴马达透镜第七章 其他特种加工技术激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属,塑料,玻璃,陶瓷,木材,皮革等各种材料；标记清晰,
永久,美观,并能有效防伪；标刻速度快,运行成本低,无污染,可显著提高被标刻产品的档次 。
激光打标广泛应用于电子元器件,汽 (摩托 )车配件,医疗器械,通讯器材,计算机外围设备,钟表等产品和烟酒食品防伪等行业 。
第七章 其他特种加工技术
4) 激光焊接当激光的功率密度为 105～ 107 W/cm2,照射时间约为
1/100 s左右时,可进行激光焊接 。 激光焊接一般无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域,热熔,在一起即可,如图 7-
12所示 。
激光焊接速度快,热影响区小,焊接质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻璃进行焊接 。
第七章 其他特种加工技术图 7-12 激光焊接过程示意图
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1— 激光； 2— 被焊接零件；
3— 被熔化金属； 4— 已冷却的熔池第七章 其他特种加工技术图 7-13 激光表面强化处理应用实例淬硬表面淬硬表面
( a ) 圆锥表面 ( b ) 铸铁凸轮轴表面第七章 其他特种加工技术
5) 激光表面处理当激光的功率密度约为 103～ 105 W/cm2时,便可实现对铸铁,中碳钢,甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火 。 淬火层深度一般为 0.7～ 1.1 mm,淬火层硬度比常规淬火约高 20%。 激光淬火变形小,还能解决低碳钢的表面淬火强化问题 。 图 7-13为激光表面淬火处理应用实例 。
第七章 其他特种加工技术
7.3 超声波加工技术
1,超声波加工的原理与特点
1) 加工原理超声波加工是利用振动频率超过 16 000 Hz的工具头,通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法,
其加工原理如图 7-14所示 。
第七章 其他特种加工技术图 7-14 超声波加工原理图加工力工具工件振动方向磨料＋工作液 工具振幅第七章 其他特种加工技术当工具以 16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时,
磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨料的搅动,使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外,磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和,空化现象,。
所谓空化现象,是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时,加工间隙内形成负压和局部真空,在磨料液内形成很多微空腔；当工具端面以很大的加速度接近工件表面时,空泡闭合,引起极强的液压冲击波,从而使脆性材料产生局部疲劳,引起显微裂纹 。
第七章 其他特种加工技术这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，随着加工的不断进行，工具的形状就逐渐,复制,在工件上。由此可见，
超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。
2) 特点超声波加工的主要特点如下：
(1) 适合于加工各种硬脆材料,特别是某些不导电的非金属材料,例玻璃,陶瓷,石英,硅,玛瑙,宝石,金刚石等 。
也可以加工淬火钢和硬质合金等材料,但效率相对较低 。
(2) 由于工具材料硬度很高,故易于制造形状复杂的型孔 。
第七章 其他特种加工技术
(3) 加工时宏观切削力很小,不会引起变形,烧伤 。 表面粗糙度 Ra值很小,可达 0.2 μm,加工精度可达 0.05～ 0.02 mm,而且可以加工薄壁,窄缝,低刚度的零件 。
(4) 加工机床结构和工具均较简单,操作维修方便 。
(5) 生产率较低 。 这是超声波加工的一大缺点 。
第七章 其他特种加工技术
2,超声波加工设备超声波加工装置如图 7-15所示 。 尽管不同功率大小,不同公司生产的超声波加工设备在结构形式上各不相同,但一般都由高频发生器,超声振动系统 (声学部件 ),机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成 。
第七章 其他特种加工技术图 7-15 超声波加工装置
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1— 冷却器； 2— 磨料悬浮液抽出； 3— 工具；
4— 工件； 5— 磨料悬浮液送出； 6— 变幅杆；
7— 换能器； 8— 高频发生器第七章 其他特种加工技术
1) 高频发生器高频发生器即超声波发生器,其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡,以供给工具往复运动和加工工件的能量 。
2) 声学部件声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，
并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。
第七章 其他特种加工技术由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过 0.005～ 0.01 mm，而超声波加工却需要 0.01～ 0.1 mm的振幅，因此必须用上粗下细 (按指数曲线设计 )的变幅杆放大振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。
变幅杆的常见形式如图 7-16所示,加工中工具头与变幅杆相连,其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击 。 工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料,如 45#钢,这样可以减少工具的相对磨损 。 工具的尺寸和形状取决于被加工表面,它们相差一个加工间隙值 (略大于磨料直径 )。
第七章 其他特种加工技术
( a ) 锥形 ( b ) 指数形 ( c ) 阶梯形图 7-16 几种形式的变幅杆第七章 其他特种加工技术
3) 机床本体和磨料工作液循环系统超声波加工机床的本体一般很简单,包括支撑声学部件的机架,工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物 。 常用的磨料有碳化硼,碳化硅,氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水,有时用煤油或机油 。 磨料的粒度大小取决于加工精度,表面粗糙度及生产率的要求 。
第七章 其他特种加工技术
3,超声波加工的应用超声波加工的生产率虽然比电火花,电解加工等低,但其加工精度和表面粗糙度都比它们好,而且能加工半导体,非导体的脆硬材料,如玻璃,石英,宝石,锗,硅甚至金刚石等 。 在实际生产中,超声波广泛应用于型 (腔 )孔加工 (如图 7-17所示 ),切割加工 (如图
7-18所示 ),清洗 (如图 7-19所示 )等方面 。
第七章 其他特种加工技术图 7-17 超声波加工的型孔、腔孔类型
( a ) 加工圆孔 ( b ) 加工型腔 ( c ) 加工异形孔 ( d ) 套料加工 ( e ) 加工微细孔第七章 其他特种加工技术图 7-18 超声波切割加工
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( a ) 超声切割单晶硅片示意图
1— 变幅杆； 2— 工具 ( 薄钢片 ) ；
3— 磨料液； 4— 工件 ( 单晶硅 )
( b ) 刀具
1— 变幅杆； 2— 焊缝； 3— 铆钉；
4— 导向片； 5— 软钢刀片
( c ) 切割成的陶瓷模块第七章 其他特种加工技术图 7-19 超声波清洗装置
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1— 清洗槽；
2— 变幅杆；
3— 压紧螺钉；
4— 压电陶瓷换能器；
5— 镍片 ( ＋ ) ；
6— 镍片 ( － ) ；
7— 接线螺钉；
8— 垫圈；
9— 钢垫块第七章 其他特种加工技术
7.4 其他常用特种加工技术
7.4.1 电子束加工
1,加工原理电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的,如图 7-20所示 。 在真空条件下,将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上,电子的动能绝大部分转变为热能,使材料局部瞬时熔融,汽化蒸发而去除 。
第七章 其他特种加工技术图 7-20 电子束加工原理电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统第七章 其他特种加工技术控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达到不同的加工目的 。 如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度,使材料熔化和汽化,
就可进行打孔,切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,即可进行电子束光刻加工 。
第七章 其他特种加工技术
2,特点与应用电子束加工的特点如下：
(1) 电子束能够极其微细地聚焦 (可达 l～ 0.1 μm),故可进行微细加工 。
(2) 加工材料的范围广 。 由于电子束能量密度高,可使任何材料瞬时熔化,汽化且机械力的作用极小,不易产生变形和应力,故能加工各种力学性能的导体,半导体和非导体材料 。
(3) 加工在真空中进行,污染少,加工表面不易被氧化 。
(4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统,价格较贵,故在生产中受到一定程度的限制 。
第七章 其他特种加工技术由于上述特点,电子束加工常应用于加工微细小孔,
异型孔 (如图 7-21所示 )及特殊曲面 。 图 7-22所示为电子束加工弯曲的型面 。 其原理为：电子束在磁场中受力,在工件内部弯曲,工件同时移动,即可加工曲面 Ⅰ ；随后改变磁场极性,即可加工曲面 Ⅱ ；在工件实体部位内加工,即可得到弯槽 Ⅲ ；当工件固定不动,先后改变磁场极性,二次加工,即可得到一个入口,两个出口的弯孔 Ⅳ 。 拉制电子束速度和磁场强度,即可控制曲率半径 。
第七章 其他特种加工技术图 7-21 电子束加工的喷丝头异形孔
0,0 3 ～ 0,0 7 m m
第七章 其他特种加工技术图 7-22 电子束加工曲面、穿孔
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2
3
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
1— 工件；
2— 工件运动方向；
3— 电子束第七章 其他特种加工技术
7.4.2 离子束加工
1,加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工,它的加工原理与电子束加工原理基本类似,也是在真空条件下,将离子源产生的离子束经过加速,聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的 。 所不同的是离子带正电荷,其质量比电子大数千倍乃至数万倍,故在电场中加速较慢,但一旦加至较高速度,就比电子束具有更大的撞击动能 。 离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的 。
第七章 其他特种加工技术离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应,溅射效应和注入效应 。 离子束加工可分为四类 。
1) 离子刻蚀离子轰击工件,将工件表面的原子逐个剥离,又称离子铣削,其实质是一种原子尺度的切削加工 。
2) 离子溅射沉积离子轰击靶材,将靶材原子击出,沉积在靶材附近的工件上,使工件表面镀上一层薄膜 。
3) 离子镀 (又称离子溅射辅助沉积 )
离子同时轰击靶材和工件表面,目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力 。
第七章 其他特种加工技术
4) 离子注入离子束直接轰击被加工材料,由于离子能量相当大,离子就钻入被加工材料的表层 。 工件表面层含有注入离子后,
就改变了化学成分,从而改变了工件表面层的机械物理性能 。
2,特点及应用离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密,最微细的加工 。 离子刻蚀可达纳米级精度,离子镀膜可控制在亚微米级精度,离子注入的深度和浓度亦可精确地控制 。
(2) 离子束加工在高真空中进行,污染少,特别适宜于对易氧化的金属,合金和半导体材料进行加工 。
第七章 其他特种加工技术
(3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的,是一种微观作用,所以加工应力和变形极小,
适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工 。
在目前的工业生产中,离子束加工主要应用于刻蚀加工 (如加工空气轴承的沟槽,加工极薄材料等 ),镀膜加工 (如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料 ),注入加工 (如某些特殊的半导体器件 )等 。
第七章 其他特种加工技术习题
1,请比较说明各种特种加工方法的加工原理 。
2,请分析比较各种特种加工方法的应用范围 。
