工程五特種加工設(shè)備及

加工方法的選擇

任務(wù)1特種加工概述

1.1特種加工的產(chǎn)生及開展

傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工已有很久的歷史。切削加工的本質(zhì)和特點(diǎn)是：一是利用的刀具材料比工件更硬；二是利用機(jī)械能把工件上多余的材料切除。但是當(dāng)工件材料愈來愈硬，加工外表愈來愈復(fù)雜時(shí)，原先行之有效的切削加工對保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量已力不從心，甚至變得無能為力了。于是人們開始探索其他加工方法。

正因?yàn)樘胤N加工工藝具有上述特點(diǎn)，所以就總體而言，特種加工可以加工任何硬度、強(qiáng)度、韌性、脆性的金屬或非金屬材料，且專長于加工復(fù)雜、微細(xì)外表、高硬度和低剛度的零件。表5-1常用特種加工方法的綜合比較(4)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方便，在同一臺機(jī)床上可以連續(xù)進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工。

(5)電極材料不必比工件材料硬，可以以柔克剛。目前電極材料多采用紫銅或石墨，因此工具電極較容易制造。

(6)只能對導(dǎo)電材料進(jìn)行加工，且加工過程中有電極損耗，對加工精度有影響。圖5-4階梯工具電極加工示意圖圖5-6多電極加工法穩(wěn)定保持在小孔中心，不會(huì)產(chǎn)生短路故障，可以加工出直線度和圓柱度很好的小深孔。從原理上，小深孔的深徑比取決于管狀電極的長度，只要有足夠長的管狀電極，就能加工出極深的小孔。加工時(shí)管狀電極做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，管狀電極中通入高壓工作液(自來水、去離子水、蒸餾水、乳化液或煤油)，起冷卻和排屑作用。任務(wù)3電?化?學(xué)?加?工

假設(shè)兩金屬片接上電源并插入導(dǎo)電溶液中，即形成通路。在金屬片(電極)和溶液的界面上，必有交換電子的電化學(xué)反響。利用這種電化學(xué)反響為根底對金屬進(jìn)行加工的方法即為電化學(xué)加工。

電化學(xué)加工是利用電化學(xué)反響改變金屬外表形態(tài)的加工方法，按其作用可分為三大類：第一類是利用電化學(xué)陽極溶解來進(jìn)行加工，如電解加工、電解拋光等；第二類是利用電化學(xué)陰極鍍覆來進(jìn)行加工，如電鍍、電鑄等；第三類是電化學(xué)加工和其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工，如電解磨削、電化學(xué)陽極機(jī)械加工等。本任務(wù)主要介紹電解加工、電解磨削、電鑄加工及涂鍍加工。3.1電解加工

3.1.1電解加工的根本原理

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的原理，將工件加工成型的加工方法。加工時(shí)，工件接直流電源的陽極，工具接電源的陰極。工具向工件緩慢進(jìn)給，使兩極間保持較小的間隙(0.1mm～1mm)，在間隙間通過高速流動(dòng)的電解液。這時(shí)陽極工件的金屬被逐漸電解腐蝕，電解產(chǎn)物被電解液沖走。電解加工的原理如圖5-9所示。圖5-9電解加工的原理陽極、陰極間各點(diǎn)距離不等，電流密度也不等，圖5-9(b)中以豎線的疏密代表電流密度的大小。在加工開始時(shí)，陽、陰極距離較近的地方電流密度較大，電解液的流速也較高，陽極溶解速度也就較快。由于工具相對工件不斷進(jìn)給，工件外表就不斷被電解，電解產(chǎn)物不斷被電解液沖走，最后使電解間隙逐漸趨于均勻，直至工件外表形成與陰極外表根本相似的形狀為止，工具電極的形狀即被復(fù)制到工件上，如圖5-9(c)所示。(4)加工過程中無熱及機(jī)械切削力的作用，所以在加工面上不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形及加工硬化層，適于加工易變形或薄壁零件。

(5)加工過程中工具電極在理論上不損耗，可長期使用。

電解加工的主要缺點(diǎn)如下：

(1)不易到達(dá)較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。其原因一是工具陰極制造困難，二是影響電解加工穩(wěn)定性的參數(shù)很多，難以控制。

(2)電解加工的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，機(jī)床需要足夠的剛性、防腐蝕性和平安性，造價(jià)較高。

(3)電解產(chǎn)物需進(jìn)行妥善處理，否那么將污染環(huán)境。3.1.3電解加工的應(yīng)用

電解加工的類型很多，在各種槍炮的膛線、花鍵孔、深孔、內(nèi)齒輪、鏈輪、葉片、異形零件及模具等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。3.2電解磨削

3.2.1電解磨削的根本原理

電解磨削是電解加工的一種特殊形式，是電解與機(jī)械的復(fù)合加工方法。它是靠金屬的溶解(占95%～98%)和機(jī)械磨削(占2%～5%)的綜合作用來實(shí)現(xiàn)加工的。其加工原理如圖5-10所示。圖5-10電解磨削的加工原理加工過程中，磨輪(砂輪)不斷旋轉(zhuǎn)，磨輪上凸出的砂粒與工件接觸，形成磨輪與工件間的電解間隙。電解液不斷供給，磨輪在旋轉(zhuǎn)中，將工件外表由電化學(xué)反響生成的鈍化膜除去，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反響，如此反復(fù)不斷，直到加工完畢。

電解磨削的陽極溶解機(jī)理與普通電解加工的陽極溶解機(jī)理是相同的。不同之處在于：電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠磨輪的機(jī)械加工去除的，電解液腐蝕力較弱；而一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞(不斷溶解)或靠活性離子(如氯離子)進(jìn)行活化，再由高速流動(dòng)的電解液沖刷帶走的。3.2.3電解磨削的應(yīng)用

電解磨削廣泛應(yīng)用于平面磨削、成型磨削和內(nèi)外圓磨削。圖5-11(a)、(b)分別為立軸矩臺平面磨削、臥軸矩臺平面磨削的示意圖。圖5-11(c)為電解成型磨削的示意圖，其磨削原理是將導(dǎo)電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進(jìn)行預(yù)先成型，然后進(jìn)行電解磨削。圖5-11電解磨削的應(yīng)用3.3電鑄加工

3.3.1電鑄加工的根本原理

電鑄加工是采用電鍍的原理，使金屬離子復(fù)原、沉積在一定形狀和尺寸的原模外表上，然后將鑄殼從原模上剝離并嵌入模套而成為所需要的模具型面。

電鑄和電鍍的根本原理雖然相同，但目的和要求相差甚大。電鍍的目的是對基體外表進(jìn)行裝飾，防止腐蝕，鍍層厚度一般為0.005mm～0.05mm，外表要求平整、光亮，要求鍍層與基體的接合牢固，但無嚴(yán)格的尺寸精度要求。電鑄的目的是復(fù)制型面，用于成型加工，鑄層厚度為0.05mm～6mm，有形狀和尺寸精度要求，電鑄層和基體(原模)的接合不牢固而且必須能夠分開。電鑄加工的原理如圖5-12所示。用可導(dǎo)電的原模作陰極，用電鑄材料(如紫銅)作陽極，用其金屬鹽(如硫酸銅)溶液作電鑄液。在直流電源作用下電鑄液中的金屬離子在陰極復(fù)原成金屬，沉積于原模外表；而陽極金屬那么源源不斷地失去電子成為金屬正離子溶解到電鑄鍍液中進(jìn)行補(bǔ)充，使溶液中金屬離子的濃度保持不變。當(dāng)陰極原模電鑄層逐漸加厚到達(dá)要求的厚度時(shí)即可取出，與原模別離，便可獲得與原模樣面凹凸相反的電鑄件。圖5-12電鑄加工的原理3.3.2電鑄加工的特點(diǎn)

電鑄加工的特點(diǎn)是：

(1)仿形精度高。能準(zhǔn)確、精密地復(fù)制復(fù)雜型面和細(xì)微紋路，復(fù)制品尺寸精度高，外表粗糙度Ra小于0.1μm，且同一原模生產(chǎn)的電鑄件一致性好。但電鑄件的強(qiáng)度不高，一般為1.4MPa～1.6MPa，硬度也較低，一般為35HRC～50HRC。

(2)借助石膏、石蠟、環(huán)氧樹脂等作原模，可把復(fù)雜的內(nèi)外表復(fù)制為外外表，外外表復(fù)制為內(nèi)外表，然后再電鑄復(fù)制，適應(yīng)性廣泛。(3)使用設(shè)備簡單，操作容易。

(4)電鑄速度慢，生產(chǎn)周期長(幾十到上百小時(shí))，效率低，尖角或凹槽處鑄層不均勻，電鑄件不能承受大的沖擊負(fù)荷等，大而薄的型腔易變形。

3.3.3電鑄加工的應(yīng)用

電鑄加工主要用于加工模具型腔或制造形狀復(fù)雜、精度高的空心零件和薄壁零件等。圖5-13涂鍍加工原理圖3.4.2涂鍍加工的特點(diǎn)

涂鍍加工的特點(diǎn)是：

(1)無需鍍槽，可對局部外表涂鍍，設(shè)備簡單，操作方便，不受工件大小及形狀的限制，甚至不必拆下零件即可在現(xiàn)場對其局部刷鍍。

(2)涂液種類及可涂鍍的金屬比槽鍍的多，選用更改方便，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)合鍍層，一套設(shè)備可涂鍍金、銀、銅、鐵、鎳、鎢、銦等金屬。

(3)涂鍍與根本金屬的接合力比槽鍍的牢固，涂鍍速度快(鍍液中離子濃度高)，且鍍層厚度可控性強(qiáng)。

(4)工件與鍍筆間有相對運(yùn)動(dòng)，故一般需人工操作，很難實(shí)現(xiàn)高效率的大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)。3.4.3涂鍍加工的應(yīng)用

涂鍍加工主要用于修復(fù)零件磨損外表的尺寸和零件外表的劃傷、凹坑、斑蝕、孔洞等缺陷，實(shí)施超差品修復(fù)，也可用于在大型、復(fù)雜、單件小批工件的外表局部鍍鎳、銅、鋅、鎘、鎢、金、銀等防腐層、耐腐層等，改善外表性能。4.1超聲波加工的根本原理

超聲波是指頻率超過16kHz的聲波，它具有傳遞強(qiáng)能量的特性，可對傳播方向上的障礙物施加壓力。當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時(shí)，將以極高的頻率壓迫液體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，連續(xù)形成壓縮和稀疏區(qū)域從而產(chǎn)生液壓沖擊，引起鄰近的固體物質(zhì)分散、破碎。

超聲波加工就是利用超聲波這種能夠傳遞很強(qiáng)能量的特點(diǎn)，通過產(chǎn)生超聲振動(dòng)的裝置，帶開工件和工具之間的磨料懸浮液沖擊和拋磨工件的被加工部位，使材料局部破壞成粉末，從而獲得所需型面的加工方法。超聲波加工的根本原理如圖5-14所示，加工時(shí)工具以一定的靜壓力作用于工件上，在工具和工件之間參加磨料懸浮液(水或煤油和磨料的混合物)。超聲發(fā)生器發(fā)出的超聲頻電振蕩(16kHz以上)經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換成同頻的軸向機(jī)械振動(dòng)，并借助變幅桿把振幅放大到0.02mm～0.08mm，驅(qū)開工具端面作超聲振動(dòng)，迫使工作液中懸浮的磨粒以極大的速度不斷撞擊、拋磨被加工外表，把加工區(qū)的材料粉碎成非常細(xì)小的微粒，并從工件上去除下來。在這一過程中，工作液受工具端面的超聲頻電振蕩作用而產(chǎn)生高頻、交變的液壓沖擊，使磨料懸浮液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，不但帶走了從工件上去除下來的微粒，而且使鈍化了的磨料及時(shí)更新。隨著工具不斷地軸向進(jìn)給，工具端面的形狀就被復(fù)制到工件上，從而得到與工具端部形狀相同的型孔或型腔。圖5-14超聲波加工原理(2)由于工具材料較軟，容易做成形狀復(fù)雜的工具，且加工時(shí)工具和工件不需做比較復(fù)雜的相對運(yùn)動(dòng)，因此，超聲波加工設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作、維修方便。

(3)由于去除加工余量是靠極小的磨粒瞬時(shí)、局部的撞擊作用，因此工件加工外表受宏觀作用力很小，熱影響也小，不會(huì)引起變形和燒傷。其外表粗糙度Ra可達(dá)0.08mm，加工精度可達(dá)0.01mm～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的工件。任務(wù)5高?能?束?加?工

5.1激光加工

5.1.1激光加工的根本原理

激光是通過入射光子激發(fā)處于亞穩(wěn)態(tài)的較高能級的原子、離子或分子使之躍遷到低能級時(shí)完成受激輻射所發(fā)出的加強(qiáng)光。因此，激光與普通光相比具有強(qiáng)度高、方向性好、相干性和單色性好等特點(diǎn)。由于激光的單色性好和具有很小的發(fā)散角，所以可通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，其功率密度可達(dá)107?W/cm2～1011?W/cm2，溫度可達(dá)10000℃，可將材料在瞬間(10-3s)熔化和蒸發(fā)，工件外表不斷吸收激光能量，凹坑處的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力猛然增大，熔融物被產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波噴濺出去。圖5-15所示為利用固體激光器加工的原理示意圖。

因此，激光加工是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。圖5-15利用固體激光器加工的原理示意圖5.1.2激光加工的特點(diǎn)

激光加工的特點(diǎn)是：

(1)加工材料范圍廣。激光幾乎對所有的金屬材料和非金屬材料都可進(jìn)行加工，特別適于加工高熔點(diǎn)材料、耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。

(2)激光加工屬于非接觸加工，無受力變形；受熱區(qū)域小，工件熱變形小，加工精度高。

(3)工件可離開加工機(jī)進(jìn)行加工，并可通過空氣、稀有氣體或光學(xué)透明介質(zhì)進(jìn)行加工。例如，可通過玻璃對隔離室內(nèi)的工件進(jìn)行加工或?qū)φ婵展軆?nèi)的工件進(jìn)行焊接。(4)可進(jìn)行微細(xì)加工。激光可聚焦形成微米級光斑，輸出功率大小可調(diào)節(jié)，常用于精密微細(xì)加工，最高加工精度可達(dá)0.001mm，外表粗糙度Ra可達(dá)0.4μm～0.1μm。激光聚焦后可實(shí)現(xiàn)直徑0.01mm的小孔加工和窄縫切割。在大規(guī)模集成電路的制作中，可用激光進(jìn)行切片。

(5)加工速度快，加工效率高。如在寶石上打孔，激光加工時(shí)間僅為機(jī)械加工方法的1%。

(6)不僅可以進(jìn)行打孔和切割，也可進(jìn)行焊接、熱處理等工作。

(7)可控性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(8)能源消耗少，無加工污染，在節(jié)能、環(huán)保等方面有較大優(yōu)勢。5.2電?子?束?加?工

5.2.1電子束加工的根本原理

電子束加工是利用高速電子的沖擊動(dòng)能來加工工件的加工方法，如圖5-16所示。電子束加工的根本原理是：在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的經(jīng)加速、聚焦后能量密度為

106?W/cm2～109?W/cm2的極細(xì)電子束流高速?zèng)_擊工件外表上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)將大局部能量轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料到達(dá)幾千攝氏度，致使材料局部熔化或汽化蒸發(fā)，以去除材料。圖5-16所示為電子束加工原理示意圖。圖5-16電子束加工原理示意圖控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以到達(dá)不同的加工目的。例如，只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。5.2.2電子束加工的特點(diǎn)

電子束加工的特點(diǎn)是：

(1)電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)1μm～0.1μm)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。

(2)加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時(shí)熔化、汽化且機(jī)械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，故能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。

(3)加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工外表不易被氧化。

(4)電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，故在生產(chǎn)中受到了一定程度的限制。5.2.3電子束加工的應(yīng)用

電子束加工根據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，可分別用于打孔、切割、焊接、蝕刻、熱處理和光刻等加工。5.3離?子?束?加?工

5.3.1離子束加工的根本原理

與電子束加工類似，離子束加工也是在真空條件下利用離子源(離子槍)產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件外表