特种加工课件

1、机械工程机械工程特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形 、改变性能或被镀覆等。特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重 要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。电火花成型线切割加工激光加工 超声波加工电子束加工离子束加工 超声波加工英文简称为 （Ultrasonic Machining）USM，是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工。常用于穿孔、切割、焊接、套料和

2、抛光。 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具端面产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。适合于加工各种不导电的硬脆材料，例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进行加工，但加工生产率较低。对于橡胶则不可进行加工。加工精度较高。由于去除加工材料是靠磨料对工件表面撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，公差可达 0.0

3、08mm之内，表面粗糙度 Ra值一般在 0.10.4 m之间。由于工具和工件不做复杂相对运动，工具与工件不用旋转，因此易于加工出各种与工具形状相一致的复杂形状内表面和成形表面。超声波加工机床的结构也比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修方便。超声波加工面积不大，工具头磨损较大，虽然具有一定的生产速度，但生产率较低。（1）成形加工：超声波加工目前在各工业部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔、弯曲孔、刻槽、落料、复杂沟槽等。（2）切割加工：一般加工方法用于普通机械加工切割脆硬的半导体材料是很困难的，采用超声波切割则较为有效，而且超声波精密切割半导体、氧化铁、石英等，精度高

4、、生产率高、经济性好，并且可以利用多刃刀具，切割单晶硅片，一次可以切割加工1020 片。（3）超声波焊接加工：超声波焊接是利用超声频振动作用，使被焊接工件的两个表面在高速振动撞击下，去除工件表面的氧化膜，使该表面摩擦发热黏结在一起。因此它不仅可以加工金属，而且可以加工尼龙、塑料等制品。例如在机械制造业中，利用超声波焊接加工的双联齿轮。特点：不需要外加热和焊剂，热影响小、外加压力也小，不产生污染，工艺性和经济性也好。因此，该种方法可焊接直径或厚度很小的材料(可达0.0150.03mm)，焊接材料不仅仅限于金属，还可以焊接塑料、纤维等制品。目前在大规模的集成电路制造中已广泛采用该中加工方法。（4）

5、超声波清洗：超声波清洗的原理主要是基于清洗液在超声波的振动作用下，使液体分子产生往复高频振动，引起空化效应（存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程）的结果。眼镜、精密仪器零件等。 电子束加工（Electron Beam Machining,EBM）人们通常把利用高能量的电子束对材料进行工艺处理的各种方法统称为电子束加工。电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效应或辐照化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。 在真空条件下，电子枪射出高速运动的电子束，电子束通过一极或多极汇聚形成高能束流，经电磁透镜聚焦后轰击工件表面，由于高能束流冲击

6、工件表面时，电子的动能瞬间大部分转变为热能。由于光斑直径极小(其直径在微米级或更小)，在轰击处形成局部高温，可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内，温度升高到几千摄氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸发而实现加工目的。所以电子束加工是通过热效应进行的。束斑极小。由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至聚焦到 0.1m，加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。能量密度很高。去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。适合于加工精微深孔和狭缝等，速度快，效率高。可控性好。可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，可加工出斜孔、弯孔及特殊表面，便于实现自动化生产。生产率很高。电子束的能量密

7、度高，而且能量利用率可达90%以上。无污染。电子束加工是在真空中进行。电子束加工有一定的局限性，一般只用来加工小孔、小缝及微小的特形表面，且需要一套专用设备和数万伏的高压真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。（1）电子束打孔 目前，电子束打孔的最小直径已达1 m 。适用于各种材料。同时生产率极高。可加工各种异型孔、斜度孔、锥孔、弯孔。 在喷气发动机燃烧室罩、机翼的吸附屏、化纤喷丝头、人造革透气孔、塑料上的孔，不但用电子束来加工，而且效率高。加工异型孔极其方便。 利用磁场对电子束方向进行偏转，控制合适的曲率半径，从而得到所需的弯孔或弯缝。（2）电子束焊接 电子束焊接是电子束加工技术中发展最快

8、、应用最广的一种，已经成为工业生产中不可缺少的焊接方法。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，焊接过程不需要填充物(焊条)，焊接过程又是在真空中完成。因此焊缝中的化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。 焊缝深宽比高、焊接速度高、工件热变形小、焊缝物理性能好、可焊材料范围广等特点。航空航天领域的焊接基本都是使用电子束。电子束焊接还常用于传感器以及电器元件的连接和封接。（3）电子束热处理 电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之

9、一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达 0.30.8mm。（4）电子束刻蚀 集成电子器件、集成光学器件、表面声波器以及微机械元器件的图形制作技术中，为制造多层固体组件，可用电子束刻出许多微细沟槽和孔。刻蚀工艺过程如下：a.工件预处理。刻蚀前，在工件表面涂上抗蚀剂，厚度0.01m，此图层为掩模层。b.电子束扫描曝光。即用聚焦后电子束斑直径为0.31m，可在0.5 5mm范围内扫描。由于照射区与未照射区化学性质及相对分子质量的差异，故在掩模层上形成“潜图”。c.显影。将曝光后的掩模层放入显影液中，则可得到电子束扫描的图形。(4)

10、电子束成形加工 电子束成形技术与激光快速制造的成型原理基本相同，差别就是热源不同。电子束成型具有加工效率高、零件变形小、成型过程中不需要金属支撑、微观组织致密等优点。 现主要应用于航空航天用复杂结构TC4零件和医疗领域中人骨修复 离子束加工的基本原理 离子束加工的原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，将氩、氪、氙等隋性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，以其动能轰击工件表面的加工部位，实现去除材料的加工。由于离子的质量大，故离子束轰击工件表面，比电子束具有更大的能量。 离子束加工主要是一种无热过程。当入射离子碰到工件材料时，撞击原子、分子。因离子与原子之间的碰撞接近于弹性碰撞

11、，使离子所损失的能量传递给原子、分子，其中一部分能量使工件产生溅射、抛出，其余能量转变为材料晶格的振动能。（1）易于精确控制，加工精度高。离子束可通过离子光学系统进行聚焦扫描，使微离子束的聚焦光斑直径在1 m 以内进行加工。（2）加工应力小、变形小。（3）加工所产生的污染少。（4）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，它是一种微观作用，宏观应力很小，所以加工应力、变形等极小，加工质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。（1）离子束蚀刻 离子刻蚀是从工件上去除材的溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的镀合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。（2）溅射镀膜 溅射镀膜是基于离子轰击靶材时的溅射效应。在镀膜的工艺领域中占有极为重要的地位。（3）离子镀 离子镀是在真空蒸镀和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。离子镀这种真空镀膜技术是在膜层在沉积的同时受到高能粒子束的轰击。这种粒子流的组成可以是离子，也可以是通过能量交换而形成的高能中性粒子。