《特种加工》第六版课后习题答案

1、第一章 绪论1 .从特种加工的发生和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是“物极必反有哪些事例是坏事有时变为好事答:这种事例还是很多的.以物极必反来说，人们发明了螺旋桨式 飞机,并不断加大螺旋桨的转速和功率以提高飞机的飞行速度和飞行 高度.但后来人们发现证实螺旋桨原理本身限制了飞机很难达到音速 和超音速，随着飞行高度愈高，空气愈稀薄，螺旋桨的效率愈来愈低，更 不可能在宇宙空间中飞行.于是人们采用爆竹升空的简单原理研制出 喷气式发动机取代了螺旋桨式飞行器，实现了洲际和太空飞行.由轮船 发展成气垫船，也有类似规律.以坏事变好事来说，火花放电会把接触 器、继电器等电器开关的触点烧毛、损蚀 ，而利用脉冲

2、电源瞬时、局 部的火花放电高温可用作又t加工材料的尺寸加工 .同样，铝饭盒盛放咸 菜日久会腐蚀穿孔，钢铁器皿、小刀等在潮湿的环境下会腐蚀.钢铁在 风吹雨淋时遭受锈蚀，海洋船舰的钢铁船体为了防止海水的腐蚀，得消 耗巨资进行防锈、防蚀.人们研究清楚钢铁电化学锈蚀的原理后，创造 了选择性阳极溶解的电解加工方法.这些都是坏事变好事的实例.2 .试列举几种采用特种加工工艺之后，对材料的可加工性和结构 工艺性产生重大影响的实例.答:这类实例是很多的，例如：硬质合金历来被认为是可加工性 较差的材料，因为普通刀具和砂轮无法对它进行切削磨削加工，只有碳 化硅和金刚石砂轮才能对硬质合金进行磨削.可是用电火花成形加

3、工 或电火花线切割加工却可轻而易举地加工出各式内外圆、平面、小孔、深孔、窄梢等复杂表面，其生产效率往往高于普通磨削加工的生产率. 更有甚者,金刚石和聚晶金刚石是世界上最硬的材料 ，过去把它作为刀具和拉丝模具等材料只有用金刚石砂轮或磨料自己磨自己，磨削时金刚石工具损耗很大，正是硬碰硬两败俱伤，确实是可加工性极差.但 特种加工中电火花可成形加工聚晶金刚石刀具，工具，而激光加工则不但削铁如泥而且可削金刚石如泥”.在激光加工面前，金刚石的可加 工性和钢铁差不多了 .对过去传统概念上的可加工性，的确需要重新评 价.(2)对结构工艺性，过去认为方孔，小孔，小深孔，深梢,窄缝以及细长 杆，薄壁等低刚度零件的

4、结构工艺性很差，在结构设计时应尽量避免. 对E字形的硅钢片硬质合金冲模，由于90*内角很又t磨削，因此常采用 多块硬质合金拼镶结构的冲模.但采用电火花成形加工或线切割数控 加工，则很容易加工成整体硬质合金的E形硅钢片冲模，特种加工可使某些结构工艺性由差变好.3 .工艺和特种加工工艺之间有何关系(应该说如何正确处理常规 工艺和特种加工之间的差别)答:一般而言，常规工艺是在切削，磨削，研磨等技术进步中形成和 发展起来的行之有效的实用工艺，而且今后也始终是主流工艺.但是随 着难加工白新材料，复杂表面和有特殊要求的零件愈来愈多，常规，传统工艺必然会有所不适应.所以可以认为特种加工工艺是常规加工工 艺的

5、补充和发展.特种加工工艺可以在特定的条件下取代一部分常规 加工工艺，但不可能取代和排斥主流的常规加工工艺.第二章电火花加工1 .两金属在 在真空中火花放电；(2)在空气中；(3)在纯水(蒸储水 或去离子水)中;(4)在线切割乳化液中；(5)在煤油中火花放电时，在宏观 和微观过程以及电蚀产物方面有何相同和相异之处答:(1)两金属在真空中火花放电时，当电压(电位差)超过一定时即产生击穿，电子由-极逸出飞向+极,由于真空中没有物质阻挡电 子的运动,所以没有正离子形成，没有发热的放电通道的概念，示波器, 显象管中电子流的运动与此类似.基本上没有“电蚀产物”生成.(2)两金 属在空气中放电的例子是电火花

6、表面强化，涂覆.电焊，等离子切割，等离子焊等，也是在空气中放电，利用电子流在空气中撞击气体原子形成 放电通道，在通道中和工件表面产生大量的热能用于强化，涂覆，切割和焊接.(3)在纯水，蒸储水或去离子水中，两金属间电火花放电与在煤 油中类似，只是水分子，原子受电子，正离子撞击发热气化，最后分解为 氧原子和氢原子(分子)，而不像煤油中会分解出碳原子(碳黑微粒)和氢 气等.(4),(5)在乳化液中和煤油中放电过程，详见教材中有关章节，不再 另行论述.2 .有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花 加工的脉冲直流电源 在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用 的脉冲直流电源(提示:轧辐电火

7、花对磨，齿轮电火花跑合时，不考虑电 极相对磨损的情况下，可用工频交流电源；在电火花磨削，切割下料等 工具，工件间有高速相对运动时，可用直流电源代替脉冲电源，但为什 么)答：如提示所述，在不需要极性效应”，不需要考虑电极损耗率等 的情况下，可以直接用220V的50HZ交流电作为脉冲电源进行轧辐电 火花对磨和齿轮电火花跑合等.不过回路中应串接限流电阻，限制放电 电流不要过大.如需精规准对磨或跑合，则可在交流工频电源上并联 RC电路(R=500-1000,C=0.1-0.01)再接到两个工件上.在用高速转动的 金属轮或圆片作电火花磨削，电火花切割，下料时，如果可以不计电极 损耗率，则就可以用全波整流

8、或整流后并联电解电容滤波的直流电源 进行电火花磨削.由于工具电极高速转动，所以一般不会产生稳定电弧 烧伤工件.最好是经调压变压器降压到5-100V再整流供磨削之用，一则可以调节电压或电流，二则和220V交流电源隔离，以保障人身避免 触电的危险.3 .电火花加工时的自动进给系统和车，钻，磨削时的自动进给系统， 在原理上，本质上有何不同为什么会引起这种不同答:电火花加工时工具电极和工件间并不接触，火花放电时需通过 自动调节系统保持一定的放电间隙，而车，钻，磨削时是接触加工，靠切 削力把多余的金属除去，因此进给系统是刚性的，等速的，一般不需要 自动调节.4 .电火花共钝同步回转加工和电火花磨削在原理

9、上有何不同工具电极和工件上的瞬间放电之间有无相对移动加工内螺纹时为什么不会乱扣用铜螺杆做工具电极，在内孔中用平动法加工内螺纹，在 原理上和共钝同步回转法有何异同答:不同之处在于电火花共钝同步回转加工时：(1)工具电极和工件的转动方向相同；(2)转速严格相等(或成倍角，比例关系);(3)工具和 工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动.而电火花磨削时工具和工件可以同向或反向转动；工具和工件的转速并不相同，磨削点之间有很 大的相对移动.加工内螺纹时淇所以不会乱扣，是因为加工中工具电 极和工件的转向和转速相等，工具和工件圆周表面上有着“各点对应 的关系，所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会

10、乱 扣”.在内孔中用平动法加工内螺纹，本质上和共钝同步回转法相同，不 同之处在于平动法加工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中 作公转行星式运动 淇内外圆上各点对应”的规则仍然存在.5,电火花加工时，什么叫做间隙蚀除特性曲线粗，中,精加工时，间隙蚀除特性曲线有何不同脉冲电源的空载电压不一样时(例如80V,100V,300V三种不同的空载电压），间隙曲线有何不同 试定性，半 定量地作图分析之.答:间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大 小（间隙平均电压的大小）之间的关系，此关系可以定量地用作图法画 成间隙蚀除特性曲线.粗，中，精加工时，由于脉宽，峰值电流等电规准不 同，同样大小间

11、隙的蚀除速度也就不一样，总的来说,粗加工时蚀除速度较大，上凹的间隙蚀除特性曲线就高于中，精加工的曲线.当脉冲电 源的空载电压不一样时，例如电压较高为300V时，其击穿间隙，平均放 电间隙都大于100V或80V的放电间隙，因此横坐标上的A点（电火花 击穿间隙）将大于100V或80V时的间隙.间隙特征曲线原点不动，整个 曲线稍向右移 同理,80V空载电压的间隙特征曲线的 A点将偏向左 边.S/ m/V6,在电火花加工机床上用 中10mm的纯铜杆加工 中10mm的铁杆， 加工时两杆的中心矩偏距 5mm,选用二200 s, i=5.4A,各用正极性和负 极性加工10min,试画出加工后两杆的形状，尺寸

12、，电极侧面间隙大小 和表面粗糙度值（提示:利用电火花加工工艺参数曲线图表来测算）.答: 加工示意图见图2-1a.设先用正极性加工，加工后的图形见图b,负极损 耗较大;负极性加工后的图形见图c,正极工具损耗较小.具体数据请自 行在图中标明，并与书中工艺曲线图表进行对照比较）.图2-17,电火花加工一个纪年章浅型腔花模具，设花纹模电极的面积为 10mm /- I. ft ） ll iv f .KC i 1?2 过Xj- Xn作法在录与雉给方有3 在归进给方向柿 于fr的线上取x印1 .激光为什么比普通光有更大的加工瞬时能量和功率密度为什么称它为激光答:因为激光器可在较长时间吸收，积聚某一波长光的能

13、量，然后 在很短的时间内放出，并且通过光学透镜将大面积光通道上的激光束 聚焦在很小的焦点上，经过时间上和空间上的两次能量集中，所以能达 到很大的瞬时能量和功率密度.其所以称之为激光，是因为激光器中 的工作物质吸收某一波长的光能，达到粒子数反转之后，再受到这一波 长的光照后，就会瞬时受激，产生跃迁,并发出与此波长相同的激光.2 .试述激光加工的能量转换过程，即如何从电能具体转换为光能 又转化为热能来蚀除材料的答:固体激光器一般都用亮度很高的氤灯将电能转变为光能，使激光器内的工作物质如红宝石中的铭离子，被玻璃或铉亿铝石榴石（YAG） 中的被离子吸收光能，达到粒子数反转状态，经触发而产生功率密度很

14、大的强激光，照射到工件上的光能转换为热能，使材料气化而蚀除材 料.3 .固体，气体等不同激光器的能量转换过程是否相同如不相同，则具体有何不同答:并不完全相同.固体激光器有由电能点燃氤灯等强光源（光泵）, 将电能转换为能使激光器吸收的一般光，到一定程度后发出激光.而气 体激光器则直接由电激励激光物质，例如二氧化碳分子，使之连续产生 激光.4 .不同波长的红外线，红光，绿光，紫光，紫外线光能转换为热能的 效率有何不同答:不同波长 濒率的光所含的能量E=hv其中v为光的频率，h为普 朗克常数.可见光所含的能量和其频率成正比.但照射到物体上后光能 转换成热能的大小，即光能转换的频率，却随波长（频率）和

15、物体对该光 波的吸收率不同而不同.例如红光或红外线照射到人体皮肤上，人们感 觉到远比绿光，紫光更温暖，因为皮肤吸收红光的效率远比其他广博为 高.同样激光打孔，切割时，影响光能转换为热能效率的因素，除材料对 该光波的吸收率外，还有反射率也起很大作用，因此很难加工反射率很 高的光洁镜面.5 .从激光产生的原理来思考，分析，它以后如何被逐步应用于精密 测量，加工，表面热处理，甚至激光信息存储，激光通信，激光计算机等技 术领域的 这些应用的共同技术基础是什么可以从中获得哪些启迪答:激光之所以能广泛应用于上述高，新技术中，主要是基于它的 一系列固有的特点，例如单色性，相干性，方向性极好，瞬时功率，能量密

16、 度极大等技术基础.以激光通信为例，由于光的频率高，波长短,发射角 小，故具有下列优点：（1）信息容量大，传送路数多.因为信息容量和信息 道的带宽成正比.带宽愈宽容量愈大.光波的频率极高，约可容纳100亿 个通话线路;若每个电视台占用10MHz带宽,则可同时播送1000万套 电视节目而互不干扰.这是过去任何一种通信系统所不能达到的巨大 通信容量.（2）通信距离远，保密性能好.由天线发射的波束，其发散角和 入/成正比（讷波长,D为天线直径）.所以波长愈短，天线愈大，发射就愈 小.例如，对于波长为1 m的光波，若用直径20cm的透镜（就是激光的发 射天线），那么发射角就只是1.1,而对于微波来说，

17、即使使用庞大的天线 发射角仍有几度.由于激光束发射角很小，能量集中在狭小的范围内， 以此可以把信息传送到很远的距离.这对空间通信，宇宙通信有重要的 意义.激光束不仅发射角小，而且可以采用不可见光，因此敌人不易从中截获，保密性能好.(3)结构轻便，设备经济.由于激光的发散角小，方向 性好，光通信所需的发射天线和接收天线都可以做得很小.一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤.而功能类似的微波天线，重量以十吨, 百吨计.激光电视与普通电视相比，后者存在着屏幕小，亮度低,设备庞 大等缺点.而激光电视则：(1)摄像时无需外部照明，免除了庞大的照明 设备，因而轻便,激动,还可以拍摄完全处于黑暗中的景物.以

18、其狭窄的 光束迅速扫描，即使在黑暗中也难于觉察.若采用不可见的紫外光或红 外光,则肉眼根本无法发现，保密性极高.(2)激光摄像无需成像光学系 统.物体不管多远，都在焦点上.其有效范围仅受短距离的视觉和长距 离的信号功率的限制.至于显示过程，在普通电视中，传递的电视图象 显示在显象管的荧光屏上.而在激光电视中，图象可以通过显示器在普 通的电影屏幕上.由于激光具有很高的亮度，所以激光电视图象的亮度 很高，可以在白天普通的房子里观看，不需要暗室设备.(3)激光显示不 需要在真空条件下工作，显示图象的屏幕单独摆在大气空间，这样电视 图象就可以放得很大.根据现有水平，图象面积可达3Mm甚至更大.看电视和

19、看电影一样.这是激光电视的一个重要特色.由于激光束很平 行，激光显示的清晰度可以做得比较高.由于激光的颜色很纯，因而所显示图象色彩鲜艳.以上给人的启迪是：任何一种物理化学现象，只要 有它一定的与众不同的特点，就有可能发展成为一种有用的新技术，所 谓天生其物，比有其用.第六章电子束和离子束加工1 .电子束加工和离子束加工在原理上和在应用范围上有何异同 答:二者在原理上的相同点是基于带电粒子于真空中在电磁场的 加速，控制作用下，对工件进行撞击而进行加工.其不同处在于电子束 加工加速转换成电能，在撞击工件时动能转换成热能使金属熔化，气化而被蚀除.而离子束加工是电能使质量较大的正离子加速后，打到工件

20、表面，是靠机械撞击能量使工件表面的原子层变形，破坏或切除分离，并不发热.在工艺上:有离子刻蚀，渐射沉积，离子镀，离子注入（表面改性） 等多种形式，而不象电子束加工，有打孔,切割,焊接,热处理等形式.2 .电子束加工，离子束加工和激光加工相比各自的使用范围如何，三者各有什么优缺点答:三者都适用于精密，微细加工，但电子束，离子束需在真空中进 行,因此加工表面不会被氧化，污染，特别适合于清洁,洁净加工.离 子束主要用于精微表面工程,激光因可在空气中加工，不受空间结构 的限制，故也适用于大型工件的切割，热处理等工艺.3 .子束，离子束，激光束三者相比，哪种束流和相应的加工工艺能聚 焦得更细最细的焦点直

21、径大约是多少答:激光聚焦后焦点的直径取决于光的波长.波长为0.69 m的红色 激光，聚焦的光斑直径很难小于1 m,因为聚焦透镜有像差等误差.二氧 化碳气体激光器发光1.06 m的红外激光,其焦点光斑直径更大.波长较 短的绿色激光和准分子激光器可获得较小的焦点，常用于精密，微细加 工.电子束最佳时可获得0.25 m的聚焦直径.可用于制作大规模集成电 路的光刻.如果用波长很短的X光射线（波长为10-9-10-10即1-0.1nm）, 可得到0.1 m左右的聚焦直径.4 .电子束加工装置和示波器，电视机的原理有何异同之处答:它们都有一个电子枪用来发射电子，使电子奔向高电压的正极， 而后再用线圈（电磁

22、透镜）进行聚焦，用电场进行偏转，控制扫描出图形 来.只不过电子束加工装置的功率较大，而示波器，电视机的功率较小而已.彩色电视机因有红，蓝,黄三种基本色，故需有三个电子枪，结构和 控制更为复杂.第七章超声加工1、超声加工时的进给系统有何特点答:超声加工时的进给系统是靠重锤通过杠杆使工具轻轻压在工 件上，靠轻微的压力使工具端面和磨粒与工件表面接触，工件表面去掉 多少，进给多少，是悬浮式的柔性进给系统，而不是刚性的进给系统实 现的，它与机械加工和电火花加工的进给系统不一样.2 .一共振频率为25KHz的磁致伸缩型超声清洗器，底面中心点的 最大振幅为0.01mm,试计算该点最大速度和最大加速度.它是重

23、力加 速度g的多少倍如果是共振频率为50KHz的压电陶瓷型超声清洗器， 底面中心点的最大振幅为0.005mm则最大速度和加速度又是多少答:按教材中超声振动时的最大速度 Vmax和最大加速度amax计算公式Vmax=wA=2兀 fA=2 兀 X 25000 x 0.01=1570.8mm/s=1.57m/s,amax=w A=4 兀 25000 0.01=246.74 俅6mm/s =246740m/s，是地心加速度 g=9.8m/s 的25000倍.如果共振频率增加为一倍f=50KHZ,振幅减小成一半A=0.005mm,贝U Vmax=1.57X2/2=1.57mm/s,amax=246740

24、M/2=493480m/s 是地 心加速度g的5000倍.3 .试判断超声加工时：(1)工具整体在作超声振动；(2)只有工具端面 在作超声振动；(3)工具各个横截面都在作超声振动，单个截面同一时 间的振幅并不一样；(4)工具各个横截面依次都在作“原地踏步”式的振 动.以上各点，哪种说法最确切 有无更确切的说法答:以上说法中，(3)比较确切，超声波在工具(变幅杆)内传递时，各 个横截面都在作超声振动，单个截面在同一时间的振幅不一样，有的截 面始终为零(如固定超声系统的驻波点)，有的有时振幅最大，如工具端 面的加工点.最确切的说法是，应按教材中的超声波在固体中的传播过程,各质点都在传播方向上振动，

25、但传到端面后波在反射，两者的合成 运动才是各质点的实际运动.4 .超声波为什么能强化工艺过程，试举出几种超声波在工业，农 业或其他行业中的应用.答:超声波因具有较大的瞬时速度，尤其是瞬时加速度，故可用作 强化工艺过程.如工业中的粉碎（使物质颗粒细化），乳化.在农业上可用 强超声处理种子优化品种，在医学上可用强超声波击碎人体内的肾结 石，胆结石等等.第八章快速成型加工1 .快速成型的工艺原理与常规加工工艺有何不同具有什么优点答:快速成型在工艺原理上是增材法，与切削加工，电火花蚀除， 电化学阳极溶解等减材法”不同.其特点是整个工艺过程建立在激光 （断层）扫描，数控技术,计算机CAD技术,高分子材料等高科技基础之 上,因此工艺先进，柔性好，生产周期短.2 .试对常用的快速成型工艺作一优缺点比较.答:下表是4种快速成形工艺的综合比较.几种最常用的快速成形 工艺优缺点比较有关指标工艺精度表面质量材料价格材料利用率运 行成本生产效率设备费用市场占有率液相固化SL法好优较贵接近 100%较高高较贵70粉末烧结SLS法一般一般较贵接近100%较高一 般较贵10纸片叠层LOM法一般较差较便宜较差较低高较便宜 7