第三章 各种特种加工技术简介-final

1、第三章 各种特种加工技术简介3.1电解加工1.电解加工的基本原理 电解加工就是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学腐蚀原理对工件进行成形加工的一种方法(也称电化学加工)。3.1电解加工1.电解加工的基本原理 图为电解加工原理图。工件接阳极，工具(铜或不锈钢)接阴极，两极间加(624v)r的直流电压，工具阴极连续缓慢均匀向工件进给，极间保持0.11mm间隙。具有一定压力(0.52MPa)的电解液(1020%的食盐水)从两极间隙中高速(560 m/s)流过。阳极工件表面的金属逐渐按阴极型面的形状溶解电解产物被高速电解液带走，于是在工件表面上加工出与阴极型面基本相似的形状。2.电解加工的工艺特点(

2、1)电解加工能以简单的进给运动，一次加工出形状复杂的型面和型腔(如锻模、叶片等)；(2)可加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、高温合金等；(3)加工型面和型腔的效率比电火花加工高510倍；(4)加工中无机械切削力或切削热，加工面质量好、无残余应力和毛刺；2.电解加工的工艺特点(5)加工中阴极损耗小，一般可加工上千个零件；(6)因影响电解加工的因素很多，故难于实现高精度的稳定加工。尺寸精度低于电火花加工，且不易控制，一般型孔加工为：0.030.05mm，型腔加工为0.050.2mm；(7)电解液对机床有腐蚀作用，设备费用高，电解产物的处理和回收较困难，污染较严重。3应用 能加

3、工各种深孔型孔型腔和复杂 成型表面.如炮管膛线、叶片型面、模具 型腔与花键、异型孔及复杂零件的薄壁 结构等。 电解去毛刺 电解刻字电解磨削 Electrochemical Grinding 它靠阳极金属的电化学溶 解(占95%98%)和机械磨削作用(占2%5%)相结合进行复合加工。3.2 超声波加工1.超声波加工原理 超声波比声波能量大得多，它对其传播方向上的障碍物产生很大的压力，能量强度可达几十瓦到几百瓦每平方厘米，因此用超声波可进行机械加工。超声波加工正是利用超声振动(16kHz-30kHz)的工具冲击磨料对工件进行加工的一种方法，其加工原理如图所示。 超声波发生器产生超声频电振荡，由能量

4、转换器将其转变为超声频机械振动。机械振动的振幅很小，不能用来进行机械加工，需要再通过振幅扩大棒将振幅扩大。 加工时，工具固定在振幅扩大棒端头，获得超声频机械振动，在工具与工件之间不断地注入悬浮液，当工具与工件接触时，由于工具高速冲击悬浮液，使悬浮液中的液体分子及固体磨粒以极高的速度冲击工件被加工面，冲击加速度可达重力加速度的一万倍左右，在加工面上产生很大的瞬间压力，通过磨料的作用使工件局部材料破碎成粉末被打击下来。与此同时，由于悬浮液的扰动，磨料还以很高的速度和频率抛光研磨工件的加工面。悬浮液的循环流动，可使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒，工具逐渐向工件伸入，工具形状就可复制在工件上

5、。 工具材料常用不淬火的45钢。工具的形状和尺寸应比被加工面的形状和尺寸相差一个“加工间隙”。磨料常用碳化硼、碳化硅、氧化铝或金刚石粉等。工具振动频率一般选择在1625kHz，工具端部的振幅一般是2080m。2.超声波加工的特点 (1) 超声波加工主要适于加工各种硬脆材料，特别是不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等。对于难以切削加工的高硬度、高强度的金属材料，如淬火钢、硬质合金等，也可加工，但效率较低。因为超声波加工主要是靠磨粒的冲击作用，材料越硬、越脆加工效率越高，对于韧性好的材料，由于缓冲作用大则不易加工； (2)易于加工各种形状复杂的型孔、型腔和成形表面，也可进行套料、切

6、割和雕刻等； (3)对工件的宏观作用力小、热影响小，可加工某些不能承受较大切削力的薄壁、薄片等零件； (4)工具材料的硬度可低于工件硬度； (5)超声波加工能获得较好的加工质量。尺寸精度可达0.010.05mm，表面粗糙度Ra值为0.40.1m。 3. 应用 不导电硬脆材料、也可加工各种高硬度与高强度的金属材料。 要求较高的模具的抛磨精加工。各种圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细孔、套料等。 3.3 离子束加工 IBM1 基本原理 离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子束经加速与聚焦，使之打到工件表面。离子带正电荷，其质量比电子大千、万倍,比电子束具有更大的撞击动能，它是靠

7、微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的。 加速到1万几万电子伏特-离子铣削 加速到几十万电子伏特-离子镀膜 -离子注入氩 2 特点 离子束流密度与离子能量可精确控制，可进行“原子级加工”或“毫微米级加工”，是所有特种加工方法中最精密最微细的加工方法,是当代毫微米加工技术的基础. 在真空中加工,污染少，工件材料不易氧化. 加工应力与变形极小，质量高. 设备费用贵，加工效率低，应用受到一定限制. 3. 应用 （1）刻蚀加工 离子刻蚀加工是逐个原子剥离的过程，剥离速度大约每秒一层到几十层原子。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜。离子束还可用于刻蚀集成

8、电路等器件的高精度图形。 （2）镀膜加工 热应力少，结合力强，膜层不易脱落。离子镀镀层组织细密，针孔气泡少。 离子镀可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨损膜、装饰膜和电气膜等。（3）注入加工 离子注入是向工件表面直接注入离子，注入量可精确控制，深度可达以上。离子注入在半导体方面得到了广泛的应用。用硼、磷等“杂质”离子注入半导体材料可以改变导电型式成P型或型，可制造出一些通常热扩散难以得到的、各种特殊要求的半导体器件。离子注入还可以显著改善金属表面的耐蚀、耐磨和润滑性能。 4. 电子束技术应用 （1）电子束焊接 （2）电子束表面改性 （3）电子束固化

9、 3.4 砂带磨削 利用高速运转的环形砂带加工工件表面的磨削。一般在砂带磨床上进行。 砂带围绕在具有一定弹性的压轮和张紧轮上，由压轮驱动回转作连续切削运动，工件放在传送带或工作台上作进给运动。当工件接触砂带或通过压轮下的磨削区时，即被砂带磨去表面的一层材料. 砂带磨削具有许多其它磨削加工方式所不具备的优势：磨削效率高达96%，是所有磨削加工方式中最高的；磨削比高(比砂轮磨削高10倍以上)；可实现磨削、研磨、抛光等多重加工效果，加工精度高，表面质量好；磨削力和磨削振动较小，机床、磨头结构及加工工艺简单，加工成本低。 使用砂轮进行数控磨削时，需对砂轮进行修整和补偿(与在数控车床上进行“刀补”类似)

10、，这就需要在数控机床上设置昂贵的电子对刀测头，对机床精度也提出了更高要求。而采用砂带磨削工艺只需事先精确测定磨头上接触轮的位置，设计好砂带厚度，使用时定期更换砂带即可实现加工。 目前工业发达国家采用砂带磨削已占磨削加工总量的30%左右。所用砂带品种繁多、规格各异，几乎可适用于所有材料的加工。虽然砂带磨削工艺在国内尚未普及，但已形成了一定水平的砂带生产能力；清华大学、重庆大学等高校与一些机床厂合作研制了多种砂带磨削机床，具备了较强的砂带磨头研制能力。由于陶瓷刀片的生产量大面广，因此用砂带磨削工艺取代砂轮磨削工艺加工陶瓷刀片具有良好的经济、技术效益。 3.5 激光加工1.激光加工的基本原理 激光是

11、一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达1071011wcm2，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去，这就是激光加工的工作原理。 图是利用固体激光器加工的原理示意图。当激光工作物质(如红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等)受到光泵(即激励脉冲氙灯)的激发后，吸收特定波长的光，在一定条件下可形成工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态，这种现象称为粒子数反转。此时，一旦有少数激发粒

12、子自发辐射发出光子，即可感应所有其它激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大。并通过谐振腔的反馈作用产生振荡，由谐振腔一端输出激光。通过透镜将激光束聚焦到待加工表面上，即可对工件进行加工。1全反射镜2工作物质 3光泵 4部分反射镜 5透镜 6 工件 2.特点（1）光点小，强度高、能量集中，热影响区小。（2）不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更 方便。（3）激光束易于聚焦导向，光束可聚到0.00lmm， 便于自动化控制。（4）不接触加工工件，对工件变形小。（5）加工材料范围广。可加工陶瓷、玻璃、 宝石、金刚石、硬质合金、石英等各种金 属和非金属材料，特别是难加工材料。 (6)加工性能好。工件可以离开

13、加工机械而透过透 明材料加工，不需要真空。 (7)价格比较昂贵。另外激光对人体有害，应采取 防护措施。3.应用（1）激光焊接（2）激光打孔:孔径0.011mm.（3）激光切割:厚度大,割缝宽度仅为 0.10.2mm.一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。 其优点：其优点：应用之一：激光焊接应用之一：激光焊接1 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。的材料实施焊接。 2 2）在激光焊接过程中无机械接触）在

14、激光焊接过程中无机械接触, ,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形易保证焊接部位不因热压缩而发生变形 3 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。 二、下图所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。二、下图所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。 图图 阴极芯的激光焊接设备原理图阴极芯的激光焊接设备原理图 1:1:光束分束器；光束分束器；2:2:聚焦透镜；聚焦透镜；3 3：阴极芯：阴极芯应用之一：激光焊接应用之一：激光焊接三、激光热导焊三、激光热导焊 1 1）激光热导焊的原理激光热导焊的原理2 2）激

15、光热导焊的工艺以及部分参数激光热导焊的工艺以及部分参数热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。 激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密

16、度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见下图。激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见下图。图图 激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系速度、熔化深度的关系应用之一：激光焊接应用之一：激光焊接三、激光热导焊三、激光热导焊 2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数激光热导焊的工艺以及部分参数脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之

17、则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。宽度。 离焦量对焊接质量的影响：离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。 正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方 脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影

18、响脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响应用之一：激光焊接应用之一：激光焊接四、激光深熔焊四、激光深熔焊 1 1）激光深熔焊的原理激光深熔焊的原理2 2）激光深熔焊工艺参数激光深熔焊工艺参数3 3）激光焊接过程中的几种效应激光焊接过程中的几种效应五、激光焊的优点五、激光焊的优点 当激光功率密度达到当激光功率密度达到10106 610107 7WWcmcm2 2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（如图所示），孔内金属蒸汽压力与散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（如图所示），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动

19、态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。 临界功率密度：临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度功率密度 图图 深熔焊深熔焊小小孔示意图孔示意图 激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。 应用之二：激光打孔应用之二：激光打孔一、激光打孔原理一、激光打孔原理 激光打孔机的基本结构包括

20、激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（如图所示）。（如图所示）。 二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 脉冲宽度对打孔的影响脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。图图 激光打孔机的基本结构示意图激光打孔机的基本结构示意图应用之二：应用

21、之二： 激光打孔激光打孔二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（如图所示）。降低，以至打成盲孔（如图所示）。 图图 离焦量对打孔质量的影响离焦量对打孔质量的影响应用之二：应用之二： 激光打孔激光打孔二、激光打孔工艺参数的影

22、响二、激光打孔工艺参数的影响 被加工材料对打孔的影响被加工材料对打孔的影响 脉冲激光的重复频率对打孔的影响脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调用调QQ方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光

23、器。的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。 应用之三：激光切割应用之三：激光切割一、激光切割的原理与特点一、激光切割的原理与特点 1 1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm0.1mm）使焦点处）使焦点处达到很高功率密度（可超过达到很高功率密度（可超过10106 6W/cmW/cm2 2）。）。如图所示为激光切割头的结构，除了如图所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。 2 2、激光切割的特点：、激光切割的特点： 图图 激光切割头的结构示意

24、图激光切割头的结构示意图应用之三：应用之三： 激光切割激光切割二、激光切割分类及其机理二、激光切割分类及其机理 激光功率激光功率: : 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律 汽化切割汽化切割: :工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为10108 8/cm/

25、cm2 2左右，是无熔化材料的切割方式左右，是无熔化材料的切割方式 熔化切割熔化切割: : 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为10107 7/cm/cm2 2左右左右 氧助熔化切割氧助熔化切割: : 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。压力将氧化物从切缝中