第6章 精密与特种加工技术

第6章精密与特种加工技术

精密加工：加工精度在1~0.1μm，加工表面粗糙度在Ra0.1~0.02μm之间的加工方法。超精密加工：加工精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工方法。微细加工和超微细加工：微米工艺：微细尺寸的精密加工纳米工艺：超微细尺寸的超精密加工加工方法：金刚石精密和超精密切削加工、精密和超精密砂轮磨削、研磨、珩磨及镜面磨等。外圆表面加工方案

IT5Ra0.2～0.006μmIT5Ra0.08～0.008μmRa1.25～0.008μm典型加工表面路线选择

内孔表面加工方案

平面加工方案

特种加工(NTM，Non-TraditionalMachining)，也被称为非传统加工技术，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。

随着社会生产的需要和科学技术的进步，20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工。后来，由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。如电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等特种加工的特点及发展

与传统的机械加工相比，特种加工的不同点是：(1)不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料。(2)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。(3)加工能量容易控制，机床运动简单，便于实现特殊形状零件的加工和微细加工。(4)各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。

特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。6.1精密与特种加工方法及其分类

按照加工成形的原理和特点来分类，可分为去除加工、结合加工和变形加工三大类，它们既涵盖了利用刀具进行的切削加工和磨削加工等传统加工方法，又涵盖了非传统加工方法中的利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的特种加工方法，而且还包括了利用多种加工方法的复合作用形成的复合加工方法。1）去除加工（分离加工）：从工件上除去一部分材料2）结合加工：利用各种方法把工件结合在一起。附着加工（沉积加工）：在工件表面覆盖一层物质改变工件表面性能注入加工（渗入加工）：工件表层注入某些物质，使其与基材结合，改变工件表面的各种特性连接加工：把工件通过物理和化学的方法连接在一起3）变形加工（流动加工）：利用力、热手段是工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能6.2常用精密加工技术6.2.1精密切削加工

精密切削加工是从金刚石切削开始的。起先人们应用天然金刚石车刀对铝、铜和其他有色金属及其合金进行切削加工，可以得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚石精密车削加工方法。精密车削中，金刚石超精密车削可达到尺寸精度0.1μm,表面粗糙度Ra0.02~0.005μm。世界头号钻石“库利南”重3106克拉，像拳头大；中国头号钻石“常林钻石”重158克拉，像核桃大。

金刚石的硬度是碳化硅的3倍，耐磨性是氧化铝的5倍，抗压强度是碳化钨的20倍，传声速率是刚的3倍，传热率是银的4倍

1．金刚石刀具和精密切削加工原理金刚石刀具的两个关键问题：晶面的选择：晶体各向异性，不同晶面耐磨性不同刃口半径：决定最小切削厚度。刃口钝圆半径为2nm，极薄切削厚度可达10nm切削机理：

金刚石刀具的精密切削加工原理与一般切削有较大的差别。因为采用金刚石刀具切削时，其背吃刀量、进给量很小，一般切削厚度在1μm以下，背吃刀量小于材料的晶粒尺寸，切削是在晶粒内进行，因此要求切削力很大，才能克服晶体内部的原子、分子结合力。同时在切削时产生大量的热，因此刀具要有高强度，高耐热性。工件上已加工表面与待加工表面之间的垂直距离叫背吃刀量。工件每转一转，车刀沿进给方向移动的距离叫进给量金刚石刀具的特点：具有高硬度、高强度、良好的耐磨性和导热性，与非铁金属的摩擦系数低，能磨出锋利的刀刃金刚石刀具不适宜加工钢铁材料，适合铜、铝的超精密加工价格昂贵，易脆，不适合一般加工2．影响金刚石超精密切削的因素1）金刚石刀具的结构和几何参数图6-1金刚石刀具的切削刃的几何形状和几何角度图6-2金刚石刀具的刀头固定2）机床的精度、刚度和微位移主轴采用空气或液体静压轴承静压轴承：滑动轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。特点是在任何轴的转速下具有极高的旋转精度和高的承载能力导轨、微量进给机构、环境等3）切削用量（是指切削速度、进给量和切削深度三者的总称，这三者又称切削用量三要素。）

切削速度v：在切削加工中，刀刃上选定点相对于工件的主运动速度。

v=

πdn/1000

(m/min)

d---完成主运动的刀具或工件的最大直径（mm）

n---主运动的转速（r/min）

高切削速度、小背吃刀量、小进给量LODTM结构

20世纪50年代末期，随着国防技术和尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术，当时称为“SPDT技术”（SignalPointDiamondTurning）或者“微英尺技术”。

1微英尺=0.025μm

目前,世界上超精密加工最高水平的三台大型超精密机床分别是:美国LLL国家实验室的DTM-3型卧式大型光学金刚石车床、LODTM型立式大型光学金刚石车床和英国Cranfield公司研制成功的OAGM-2500型超精密机床。美国LLL实验室的LODTMLLL=LowrenceLivermoreNationalLaboratory（美国劳伦斯里弗莫尔国立研究所）https:///（LargeOpticDiamondTurningMachine，大型光学金刚石车床）

LODTM由美国国防部高等研究计划局（DARPA）投资1300万美元，LLNL实验室和空军Wright航空研究所等单位合作研制。

1980年3月开始到1983年7月初步制成加工光学零件的LODTM大型光学金刚石切削机床（LargeOpticalDiamondTurningMachine），历时40个月。1984年LODTM正式研制成功。该机床可加工大型金属反光镜的范围：尺寸：Φ1625*500mm重量：1360kg超精密加工史上的经典之作。这是一台最大加工直径为1.625m的立式车床，定位精度可达28nm，借助在线误差补偿能力，可实现长度超过1m、而直线度误差只有士25nm的加工。

机床结构：立式（减小工件重量产生的变形）机床主轴：油静压径向轴承,液体静压止推轴承,柔性连接驱动方式机床导轨：X轴为V一平面液体静压导轨Z轴为平面空气静压导轨机床底座：6.4x4.6xl.5m3

的花岗岩,花岗岩热膨胀系数低,稳定性好,对振动的衰减能力比钢强15倍。机床结构特点：LODTM机床精度设计精度：半径方向形状误差27.9nm圆度和平面度12.5nm加工表面的粗糙度Ra≤4.2nm当金刚石车刀切削超精度的铝、铜、硅、金或镍的薄丝时，工件在水平旋台上1s内旋转约50次。LODTM能产生公差28nm的部件．比普通的机床精确1000倍。LODTM主要系统微进给装置

LODTM的微进给装置使用的是快速电致伸缩式微量进给装置FTS（FastToolServo）。该装置与机床的控制系统相连，形成闭环控制系统，可用于误差补偿。

装置移动部分380g，自振频率1kHz,再现分辨率为2.5nm，最大位移量±1.27μ

m／100V。1-压电伸缩传感器2-制成弹性膜3-差动电容器4-基体5-微位移部分在线测量系统

机床大行程的测量是由7个激干涉仪完成，选用HP(Hewlett-Parkard)平面镜干涉仪为系统的光学测量部分，基于干涉仪的外差信号，一个数字相位细分电路提供所需的0.635nm的分辨率,一个激光源为所需7个激光干涉仪提供输人光束，为达到精确的测量，使用碘稳定He-Ne激光为波长基准。X向：4路，测量大溜座的x向位移，包括位移、歪斜和倾斜。z向：3路，测量刀座垂直运动时的位移和歪斜。隔振系统1.4个空气隔振垫（隔振弹簧）其中的两个内部相连，受力时自动平衡三点支撑2.花岗岩底座3.恒温水靠重力流动到机床各部分4.隔振沟，隔振墙和单独地基温度控制系统恒温室：铝制框架和绝热塑料护墙板空气温度控制在±0.005℃变化范围内

LODTM护栏中的气温精确保持在20℃。工件在机床安装后至少在12h后才能开始操作，以消散机械师留下的体温。当切割一个零件时，所有员工都停LODTM护栏外面。LODTM机床周围的空气温度测量记录LODTM机床恒温水温度测量记录球形反射镜LODOM加工的美国宇航局用的抛物面镜家宇航局工程师HolIyCagle在LODTM上检查SPARCLE初级反射镜3．金刚石刀具精密切削的应用金刚石刀具精密切削铜、铝及其合金等软金属是当前最有成效的精密和超精密加工方法。它的出现，解决了不少难以加工的高精度元器件问题。如：计算机磁盘、球面轴承、非球面镜等各种镜面零件

计算机磁盘基片一般为铝合金，其刚性差，技术要求高，加工难度很大。磁盘工作时，转速高达3000-6000r/min而磁头在盘面上的浮起高度仅为0.3微米左右。为了保证工作时浮动良好，旋转的磁盘不致于碰撞固定的磁头，须使磁盘表面及磁头工作表面的精度达到浮起高度的5%以下。因此，对磁盘基片提出了非常高的表面粗糙度、旋转方向波度及径向平直度要求。一般均采用国外专用磁盘精密车床加工。且分为粗、精两道工序，其中粗加工多采用人造金刚石烧结体材料(PCD)刀具加工，精加工多采用天然金刚石车刀。最后获得镜面的车削效果。6.2.2精密磨削加工

精密磨削加工是指利用细粒压的磨粒或微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，得到高加工精度和小表面粗糙度值，它是用微小的多刃刀具剔除细微切屑的一种加工方法。“只要工夫深，铁杵磨成针”

“如切如磋，如琢如磨”

《孔子》中引申意为：君子的自我修养就像加工骨器,切了还要磋；就象加工玉器,琢了还得磨。

《诗经·国风·卫风》

研磨加工在我国是有着悠久历史的。远在上古时代的打磨石斧，磨制骨针和各种材料的装饰物原始公社和母系社会末期我国就出现了十分兴盛的制陶业当时用的绘画材料主要是含有氧化铁的矿物材料，这种绘画材料也是通过研磨加工后调制而成的。在陕西半坡遗址博物馆的出土文物中就有六千年前的很精致的研磨工具，是当时加工绘画材料的石研钵和石杵河南郑州地区出土的加工谷物的石磨盘和石磨棒曾经震惊世界，这种花岗岩质的研磨工具本身就是通过艰难的研磨加工制成的。西汉梁王墓的金缕玉衣是由3000多个铜钱大小的玉片用金丝缀成，每片打有4个1mm大小的孔，共12000多个小孔精密和超精密磨料磨具砂轮是由磨料加结合剂用制造陶瓷的工艺方法制成的。它由磨料，结合剂，气孔三元素组成。决定砂轮特性的五个要素分别是：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。1.磨料：砂轮中磨粒的材料。硬度、耐热性和韧性

磨料种类：氧化物系（刚玉系）、碳化物系和高硬磨料系三类。氧化物系磨料主要成分是三氧化二铝；碳化物系磨料通常以碳化硅、碳化硼等为肌体；高硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼(CBN)。

2.粒度：指磨料颗粒的尺寸大小

60号粒度表示磨粒能通过每英寸(25.4mm)长度上有60个孔眼的筛网。微粉的粒度以该颗粒最大尺寸的微米数表示。如尺寸为20μm的微粉，其粒度号为W20

粗磨使用颗粒较粗的磨粒，精磨使用颗粒较细的磨粒。当工件材料软，塑性大或磨削接触面积大时，为避免砂轮堵塞或发热过多而引起工件表面烧伤，也常采用较粗的磨粒。3.结合剂：将磨料粘接成砂轮的粘接材料。使砂轮具有一定的强度、气孔、硬度和抗腐蚀、抗潮湿等性能。陶瓷结合剂（代号V）

树脂结合剂（代号B）橡胶结合剂（代号R）

金属结合剂（代号M）4.硬度：结合剂粘接砂轮的牢固程度。砂轮的硬度不同于磨料的硬度。砂轮硬，磨粒不易脱落；砂轮软，磨粒易于脱落。

砂轮硬度的选择：（1）工件硬度

工件材料硬，砂轮硬度应选软一些，以使磨钝的磨粒尽快脱落，保持工作磨粒的锐利，避免工件因磨削温度过高而产生烧伤。但是磨削较软的材料时，由于这些材料易使砂轮堵塞，故选用软些的砂轮，可使堵塞处较易脱落。（2）加工接触面

砂轮与工件磨削接触面大时，砂轮硬度应选软些，使磨粒容易脱落，以防止砂轮堵塞。（3）砂轮粒度

砂轮粒度号大，砂轮硬度应选软些，以防止砂轮堵塞（4）精磨和成形磨

精磨和成形磨时，应选硬一些砂轮，以利于保持砂轮的廓形。5.组织：磨料的含量。反应磨料、结合剂和气孔三者间的体积比例关系。

磨粒在砂轮总体积中所占比例越大，砂轮组织越紧密，气孔越小。砂轮组织级别分为紧密、中等、疏松三大类。

表示方法：

磨粒率：磨料在砂轮体积中所占的百分数

气孔率：气孔在砂轮体积中所占的百分数组织对磨削加工的影响：组织松，排屑方便，砂轮不易堵塞，磨削效率高，气孔还可将切削液带入磨削区域，降低温度，减少工件的发热变形和避免产生烧伤。组织紧，砂轮轮廓形状易于保证，可提高表面精度降低粗糙度6.形状和尺寸7.强度：通常用安全速度表示1．研磨

研磨是一种传统的光整、精密加工方法，属于游离磨粒切削加工。研磨将微细的自由磨粒及油液或油脂涂于或嵌在研磨工具表面上，磨粒在一定的压力作用下，通过滚动、刮擦、挤压及研磨剂的化学作用，起到切除细微材料层的作用，以达到高级几何精度和优良表面粗糙度的加工方法。1）研磨的机理

研磨过程中磨粒的滚轧和微切削作用随着工件和研具的材质、磨粒、研磨压力和研磨液等研磨条件的不同而不同，所产生的研磨表面的状态也不同。研磨时磨料的工作状态1）磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧效果；2）磨粒压入到研具表面，用露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划，实现微切削加工；3）磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。硬脆材料的研磨一部分磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面，用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工；另一部分磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动，产生滚轧效果。在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产生微裂纹。当纵横交错的裂纹扩展并产生脆性崩碎形成磨屑，达到表面去除的目的。研磨脆硬材料时，要控制产生裂纹的大小和均匀性。通过选择磨粒的粒度及控制粒度的均匀性，可避免产生特别大的加工缺陷。金属材料的研磨当金属表面用硬度计压头压入时，只在表面产生塑性变形的压坑，不会发生脆性材料那样的破碎和裂纹。研磨时，磨粒的研磨作用相当于极微量切削和磨削时的状态。磨粒是游离状态的，其与工件仅是断续的研磨状态。研磨表面不会产生裂纹。但研磨铝、铜等软质材料时，磨粒会被压入工件材料内，影响表面质量。2）研磨的方法按操作方式分为：a.手工研磨b.机械研磨图6-4研磨机1—上研盘；2—工件；3—隔板；4—下研盘3）研磨盘

研磨盘是涂敷或嵌入磨料的载体，以发挥磨粒切削作用，同时又是研磨表面的成形工具。研磨过程中研磨盘与工件是相互修整的，研磨盘本身的几何精度按一定程度“复制”到工件上，因此对研磨盘加工面的几何精度要求很高。研具是使工件研磨成形的工具，同时又是研磨剂的载体，硬度应低于工件的硬度，又有一定的耐磨性，研具应有足够的刚度，其工作表面要有较高的几何精度。研具在研磨过程中也受到切削和磨损，如操作得当，使工件的加工精度能高于研具的原始精度。4）研磨剂

研磨剂是由磨料、研磨液及辅料按一定的比例调配而成的混合剂。研磨剂常配制成液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研磨皂）三种。磨料系列与用途系列磨料名称代号特性适用范围

氧化铝系棕刚玉A棕褐色，硬度高，韧性大，价格便宜粗、精研磨钢、铸铁和黄铜白刚玉WA白色，硬度比棕刚玉高，韧性比棕刚玉差精研磨淬火钢，高速钢、高碳钢及薄壁零件铬刚玉PA玫瑰红或紫红色，韧性比白刚玉高，磨削粗糙度值低研磨量具、仪表零件等单晶刚玉SA淡黄色或白色，硬度和韧性比白刚玉高研磨不锈钢，高钒钢等强度高韧性大的材料碳化物系黑碳化硅C黑色有光泽，硬度比白高，脆而锋利，导热性和导电性良好研磨铸铁、黄铜、铝、耐火材料及非金属材料绿碳化硅GC绿色，硬度和脆性比黑色碳化高具有良好的导热性和导电性研磨硬质合金、宝石、陶瓷、玻璃等材料碳化硼BC灰黑色，硬度仅次于金刚石，耐磨性好

精研磨和抛光硬质合金，人造宝石等硬质材料磨料系列与用途（续）系列磨料名称代号特性适用范围金刚石系人造金石

无色透明或淡黄色、黄绿色、黑色，硬度高，比天然金刚石脆，表面粗糙粗、精研磨硬质合金、人造金刚石、半导体等天然金石

硬度高，价格昂贵其他氧化铁红色至暗红，比氧化铬软精研磨或抛光钢、玻璃等材料

氧化铬

深绿色常用研磨料粒度号研磨加工类型可达到表面粗糙度Ra/μm100＃～240＃最初的研磨加工W40～W20粗研磨加工0.4～0.2W14～W7半精研磨加工0.2～0.1W5以下精磨加工0.1以下5）研磨用量

研磨用量是指研磨表面单位面积上所承受的压力和工件与研具的相对滑动速度。研磨压力过小，研磨效率降低；研磨压力过大，研具磨损加快，研磨表面粗糙度升高，效率反而降低。对于滑动速度来说，在一定的范围内，研磨作用随滑动速度的提高而增强。但过高的滑动速度不仅会造成发热现象，甚至烧伤被研表面，且加剧研具磨损，直接影响加工精度。6）对被加工工件的要求

研磨的精度和粗糙度，很大程度上取决于工件研磨前的加工质量。一般研磨余量仅留0.01～0.02mm。若研磨前工件的误差过大，就难以纠正，若余量过大，应分粗、精两道工序研磨。研磨的基本原理包含着物理和化学的综合作用。1）物理作用：研磨时要求研具材料要比被研磨的工件要软，这样受到一定压力后，研磨剂中微小颗粒（磨料）被压嵌在研具表面上。这些微小的磨料具有较高的硬度，像无数刀刃。由于研具和工件的相对运动，使半固定或浮动磨粒在工件和研具之间做运动轨迹很少重复的滑动和滚动，因而对工件产生微量的切削作用，均匀地从工件表面切一层极薄的金属。借助于研具的精确型面，可使工件逐渐得到准确的尺寸精度及合格的表面粗糙度。2）化学作用：有的研磨剂还起化学作用，例如：采用氧化铬、硬脂酸等化学研磨剂进行研磨时，与空气接触的工件表面，很快就形成一层极薄的氧化膜，而且氧化膜又容易被研磨掉，这就是研磨的化学作用。获得高质量平面研磨抛光的工艺规律研磨运动轨迹应均匀分布且不重叠—由研磨机的行星运动保证。研磨盘要求材质均匀，并有微细孔容纳微粉磨料，修形后可获得平面度很高的研磨表面。软质（半软质）研磨盘：容易获得粗糙度极小和变质层小的表面，但平面度不高。使用金刚石超硬磨料研磨和抛光效率更高。研磨平面度要求很高的零件时，可使用浮动研磨盘，以消除误差。为提高效率，可在研磨剂中加化学活性物质。避免粗磨料、空气中灰尘等混入，否则将使研磨表面划伤，达不到高质量研磨要求。2．超精研加工

超精研加工简称“超精加工”，一般是指在良好的润滑条件下，被加工工件按一定的速度旋转，油石（用磨料和粘合剂等制成的条状固结磨具）按一定的压力弹性地压在工件加工表面上，并在垂直于工件旋转方向按一定规律作往复振荡运动的一种能够自动完成的光整加工方法。

超精研采用的是细粒度、低硬度的油石，在一定压力和切削速度下对工件的表面进行的一种光整加工方法。精研时有三种运动：工件低速回转、油石往复振动及轴向进给。超精研时加入冷却润滑液，可以起到冷却、润滑、清理切削和形成油膜作用。开始表面粗糙不平，仅有少数小面积接触，接触面上的比压大，不能形成完整的油膜，随着加工润滑油膜形成，油石运动仅起到抛光的作用。图6-6超精研加工1）超精研加工原理（1）切削阶段磨石表面与工件表面的凸峰接触时，由于接触面积较小，单位面积上的压力较大，在一定压力作用下，磨石首先受到工件的“反切削”作用，使磨石表面的部分磨粒脱落和碎裂，露出一些新的锋利的磨粒和刃边。与此同时，工件表面的凸峰受到快速切削，通过切削与反切削作用除去工件表面上的凸峰和磨削变质层。这一阶段被称为切削阶段，在这个阶段切除了大部分的金属余量。超精研加工整个过程包括三个阶段：修整、恒定切削、磨光（也有分为切削阶段或自锐阶段、半切削阶段、光整阶段）。（2）半切削阶段随着加工的继续进行，工件表面逐渐被磨平。这时，磨石与工件表面接触面积增加，单位面积上的压力减小，切削深度减小，切削能力减弱。同时，磨石表面的气孔被堵塞，磨石处于半切削状态。这一阶段被称为半切削阶段，在半切削阶段工件表面切削痕迹变浅，并出现较暗的光泽。（3）光整阶段这是超精加工的最后阶段。随着工件表面被逐步磨平，磨石与工件表面的接触面积进一步增大，并且，磨石与工件表面之间逐渐被润滑油膜隔离，单位面积上的压力很小，已不足以使磨石自锐，切削作用减小，最后趋于自动停止切削。这一阶段被称为光整阶段。光整阶段工作表面无切削痕迹，出现全面光泽2）磨具油石油石在超精加工中有切削性能和抛光性能。特点是：细粒度、硬度低、组织疏松3）工艺参数的选择（1）最大切削角（2）油石的振摆频率和振幅（3）工件的圆周速度（4）油石的压强（5）油石的轴向进给量珩磨是磨削加工的特殊形式，又是精加工中一种高效加工方法。它是一种低速磨削法，常用于内孔表面的光整、精加工，也可用于外圆或齿形表面的加工。这种工艺不仅能去除较大的加工余量，而且是一种提高零件尺寸、几何形状精度和表面粗糙度的有效加工方法。图6-7珩磨加工1—工件；2—珩磨头3．珩磨1）内孔珩磨的加工原理珩磨孔时，工件固定不动，珩磨头在孔中回转，并作轴向往复运动，通过珩磨头上的涨缩机构，可使油石径向伸出，向孔壁施加一定的压力，这样就使得油石在孔面上形成交叉且不重复的切削轨迹，从而切除一层薄金属，实现珩磨加工（1）珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石，由涨开机构（有旋转式和推进式两种）将油石沿径向涨开，使其压向工件孔壁，以便产生一定的面接触。同时使珩磨头旋转和往复运动，零件不动;或珩磨头只作旋转运动，工件往复运动，从而实现珩磨。（2）为提高珩磨质量，在大多数情况下，珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的，或用刚性连接而配用浮动夹具，这样，加工时珩磨头以工件孔壁作导向。以减少珩磨机主轴回转中心与被加工孔的同轴度误差对珩磨质量的影响。珩磨加工的特点:（1）加工精度高：特别是一些中小型的光通孔，其圆柱度可达0.001mm以内。一些壁厚不均匀的零件，如连杆，其圆度能达0.002mm。珩磨比磨削加工精度高，磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外，会产生偏差，特别是小孔加工，磨削比珩磨精度更差。珩磨一般只能提高被加工件的形状精度，要想提高零件的位置精度，需要采取一些必要的措施。（2）表面质量好:表面为交叉网纹，有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率（孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比），因而能承受较大载荷，耐磨损，从而提高了产品的使用寿命。珩磨速度低（是磨削速度的几十分之一），且油石与孔是面接触，因此每一个磨粒的平均磨削压力小，这样工件的发热量很小，工件表面几乎无热损伤和变质层，变形小。（3）加工范围广:主要加工各种圆柱形孔：光通孔。轴向和径向有间断的孔，如有径向孔或槽的孔、键槽孔、花键孔。用外圆珩磨工具可以珩磨圆柱体，但其去除的余量远远小于内圆珩磨的余量。几乎可以加工任何材料，特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用。同时也提高了珩磨加工的效率。2）油石及珩磨液珩磨质量及生产率与油石的硬度、磨料性质和粘接剂有着密切的关系。3）工艺参数珩磨内孔时，珩磨速度v、切削角

（交叉角）和油石压力F的选择主要依据工件的材料和表面粗糙度的要求而定。6.3特种加工技术

特种加工有别于传统切削加工的特点：（1）加工中工具不与工件接触，没有切削力的影响，工具硬度可以低于工件材料的硬度。（2）加工能量容易控制。（3）便于实现特殊形状零件加工及微细加工。（4）机床运动简单。6.3.1电火花成形加工电火花加工（ElectricalDischargeMachining）又称为放电加工或电蚀加工。它是利用工具电极和工件电极之间的脉冲火花放电所产生的局部瞬时高温使工件材料被熔化及汽化，进而材料表面形成电腐蚀坑穴的一种加工方法。是在20世纪40年代开始研究和逐步应用到生产中的。电火花加工工艺方法分类按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削、电火花同步共轭回转加工、电火花表面强化与刻字。前四类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；最后一类属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。电火花穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。

工件电极和工具电极均浸泡在工作介质中，工具电极在自动进给调节装置的驱动下，与工件电极间保持一定的放电间隙。电极的表面（微观）是凹凸不平的，当脉冲电压加到两极上时，某一相对间隙最小处或绝缘强度最低处的工作液将最先被电离为负电子和正离子而被击穿，形成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工件和工具表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t0），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。1.电火花成形加工原理1）极性效应在电火花放电加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。正极性加工：负极性加工：

为了充分地利用极性效应，最大限度地降低工具电极的损耗，应合理选用工具电极的材料，根据电极对材料的物理性能、加工要求选用最佳的电参数，正确地选用极性，使工件的蚀除速度最高，工具损耗尽可能小。2.影响电火花成形加工中的工艺因素（1）影响放电蚀除量的主要因素2）电参数电火花加工脉冲电源的可控参数有：脉宽、脉间、峰值电流、开路电压、脉冲的前沿上升率和后沿下降率。对蚀除量影响的综合作用规律可以用脉冲能量的大小和变化率来描述。

无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比的关系。某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和。可用公式表示为由此可见，提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲能量，设法提高系数

单位时间内工件的蚀除量称之为加工速度，一般采用体积加工速度来表示，即被加工掉的体积除以加工时间

提高脉冲频率，靠缩小脉冲停歇时间，但脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离、排除电蚀产物及气泡来恢复其介电性能，以致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常运行。增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增加可提高加工速度，但同时会使表面粗糙度变坏和降低加工精度，一般只用于粗加工和半精加工的场合。提高工艺系数K的途径，合理选用电极材料、电参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等，从而提高有效脉冲利用率，达到提高工艺系数的目的。3）金属材料热学常数热学常数是指熔点、沸点、热导率、比热容、熔化潜热、气化潜热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、气化潜热愈高，电蚀量将愈小，愈难加工；导热系数愈大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位，降低了本身的蚀除量。总之，电极的蚀除量与电极材料的导热系数以及其他热学常数、单个脉冲能量、脉冲能量变化率有密切关系。生产中多用铜和石墨等材料作为工具电极。4）工作液工作液的作用压缩放电通道，提高放电的能量密度，提高蚀除效果。加速极间介质的冷却和消电离过程，防止电弧放电。加剧放电时的流体动力过程，以利于蚀除金属的抛出。通过工作液的流动，加速蚀除金属的排出，以保持放电工作稳定。改变工件表面层的理化性质。常用的工作液

（2）影响加工精度的主要因素

影响加工精度的主要因素有放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定性和“二次放电”。电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙，如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正工具电极的尺寸，对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。然而，放电间隙的大小实际上是变化的，影响着加工精度。除此之外，间隙大小对复杂形状的加工表面、棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。因此，应缩小放电间隙，这样不但能提高仿形精度，而且放电间隙越小，可能产生的间隙变化量也越小；另外还必须尽可能使加工过程稳定。

工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。

“二次放电”是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝方面。工具电极损耗速度

采用相对损耗或损耗比θ作为衡量工具电极耐损耗的指标。即上式中加工速度和损耗速度均以mm3/min为单位计算，则θ为体积相对损耗。如以g/min为单位计算，则θ为重量相对损耗；如以mm/min为单位计算，则θ为直线相对损耗。每种电极材料都有一最佳峰值电流宽度与熔坑的最大体积对应。合理选择工具电极的材料，以确保工具电极的最佳峰值电流宽度偏离工件电极的最佳峰值电流宽度，以工件电极的最佳峰值电流宽度作为依据选择加工脉冲的参数，可以保证电极的低损耗。（3）影响表面质量的主要因素1）表面粗糙度电火花加工表面是由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，特别有利于保存润滑油,表面的润滑性和耐磨性能均比机械加工表面好。表面粗糙度评定指标常用微观不平度的平均算术偏差Ra和不平度的最大高度值Rmax，在数值大小上，Rmax约是（4～5）Ra。对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量。因为脉冲能量大，每次脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙度变差。

工件材料对加工表面粗糙度也有影响。熔点高的材料（硬质合金），在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料（钢）好。精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极的加工表面粗糙度较差。2）表面变质层和表面力学性能电火花加工过程中，在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料表面层的化学成分、微观结构发生了很大的变化，形成一层通常存在残余应力和微观裂纹的变质层。对于熔化、气化材料，可将变质层分为熔化凝固层和热影响层。

熔化凝固层位于工件表面最上层，它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液快速冷却而凝固。熔化凝固层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，大约为1～2倍的Rmax，但一般不超过0.1mm。

热影响层介于熔化凝固层和基体之间。热影响层的金属材料并没有熔化，只是受到高温的影响，使材料的金相组织发生了变化，它和基体材料之间并没有明显的界限。热影响层中靠近熔化凝固层部分，由于受到高温作用并迅速冷却，形成淬火区，其厚度与具体条件有关，一般为2～3倍的Rmax

。显微裂纹一般仅在熔化层内出现，只有在脉冲很大情况下才有可能扩展到热影响层。表面变质层的形成导致电火花加工表面力学性能的改变，通常硬度和耐磨性能提高，而抗疲劳性能下降。要提高表面完整性，必须设法减小表面变质层的厚度。3.电火花加工的特点1）适合无法采用刀具切削或切削加工困难的场合，可加工特殊及复杂形状的零件，如深槽狭缝、异形孔等2）加工时，工具电极和工件不直接接触，工具电极可比工件材料软，因此工具电极容易制造。适用的材料范围广。3）脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。4）直接利用电能进行加工，便于实现自动化。5）加工时工具电极有损耗，因此对加工形状和尺寸精度有影响6）适合热敏材料加工，加工放电时间短，工件表面受热影响下，不易产生热变形4.电火花成形加工应用电火花成型加工穿孔加工型腔加工冲模（包括凸凹模及卸料板、固定板）粉末冶金模挤压模（型孔）型孔零件小孔深孔型腔模（锻模、压铸模、塑料模、胶木模）型腔零件（1）电火花穿孔加工

电火花穿孔加工可以应用在冲裁模、拉丝模、粉末冶金模、挤压模等各种精密零件和模具的圆孔、异形孔及小孔、深孔的成形加工。穿孔加工的精度主要决定于工具电极的尺寸精度及放电间隙。小孔电火花加工小孔加工的特点：1）加工面积小，深度大，直径一般为Φ0.05～Φ2mm，深径比达20以上；2）小孔加工排屑困难。

小孔加工由于工具电极截面积小，容易变形；不易散热，排屑又困难，因此电极损耗大。工具电极应选择刚性好、容易矫直、加工稳定性好和损耗小的材料，如铜钨合金丝、钨丝、钼丝、铜丝等。加工时为了避免电极弯曲变形，还需设置工具电极的导向装置。为了改善小孔加工时的排屑条件，常采用电磁振动头，使工具电极丝沿轴向振动，或采用超声波振动头，使工具电极端面有轴向高频振动，进行电火花超声波复合加工，可大大提高生产率。电火花高速小孔加工是近年来发展起来的。其工作原理是采用管状电极，加工时电极作回转和轴向进给运动，管电极中通入1～5MPa的高压工作液。由于高压工作液能迅速将电极产物排除，且能强化火花放电的蚀除作用，此加工方法的最大特点是加工速度高，一般小孔加工速度可达60mm/min左右，比普通钻孔速度还要快。最适合加工0.3～3mm左右的小孔且深径比可超过100。型腔模的电火花加工型腔加工困难（盲孔）1）工作液循环和电蚀产物排出条件差2）电极耗损后无法靠主轴进给补偿精度，金属蚀除量大3）加工面积变化大，加工中的电规准变化范围也较大4）型腔复杂，电极耗损不均，对加工精度影响大对型腔模的电火花加工，既要求蚀除量大，加工速度高，又要求电极耗损低，并保证所要求的精度和表面粗糙度。型腔模的电火花加工型腔模电火花加工主要有单极平动法、多电极更换法和分解电极加工法等。（1）单电极平动法采用一个电极完成型腔的粗、中、精加工的。首先采用低损耗、高生产率的粗规准进行加工，然后用平动头作平面小圆运动，按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准。与此同时，依次加大电极的平动量，以补偿前后两个加工规准之间型腔侧面放电间隙差和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿型修光，完成整个型腔模的加工。1)型腔模电火花加工的工艺方法特点：方便快捷、成本低

，但难以获得高精度型腔，尤其是清楞、清角的型腔。

是最为常用的加工方法。（2）多电极更换法采用多个电极依次更换加工同一个型腔，每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。一般用两个电极进行粗、精加工就可满足要求；当型腔模的精度和表面质量要求很高时，才采用三个或更多电极进行加工，但要求多个电极的一致性好、制造精度高；另外，更换电极时要求定位装夹精度高。（2）特点：加工精度高，表面质量好，可得到棱角分明的型腔。但电极制造精度高、安装调整复杂，成本较高。一般多电极更换法只用于精密型腔的加工。例如盒式磁带、收录机、电视机等机壳的磨具，都是用多个电极加工出来的。（3）分解电极法是单极平动法和多电极更换加工法的综合应用。根据型腔的几何形状，把电极分解成主型腔和副型腔电极分别制造。先加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位的副型腔。（2）特点：可根据主型腔和局部型腔的不同要求，合理选用电极材料和加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量，同时简化电极制造，便于修整电极。但更换电极时主型腔电极和局部型腔电极之间要求有精确的定位。2．其他电火花加工1）电火花小孔磨削

有时要加工一些直径很小且很深的孔，工件材料加工性能又很差，对这类小孔的精加工用机械磨削的方法很难进行，而用电火花磨削的方法可以满足加工要求。图6-15电火花磨削1-工件；2-工作液；3-脉冲电源；4-工具电极2）电火花共轭回转精密加工

电火花共轭回转精密加工是在加工过程中，工具电极与工件电极之间附加了满足被加工型面要求的共轭回转运动的电火花加工工艺。这种方法是在1970年由中国的孙昌树所发明的。

目前主要应用在以下几方面：（1）各类螺纹环规和塞规，特别适于硬质合金材料及内螺纹的加工。（2）精密内外齿轮加工，特别适于非标内齿轮加工。（3）精密内外锥螺纹、内锥面油槽等的加工。（4）静压轴承油枪、回转泵体的高精度成形的加工等。（5）梳刀、精密斜齿条的加工等。3）电火花表面强化和刻字电火花表面强化是一种对工件表面进行强化处理的工艺方法。这种方法是利用工具电极和工件在空气中或其他气体介质中火花放电，使工具（电极）上熔化的材料扩散，从而改变工件表面的力学性能，达到表面强化和刻字的目的。图6-17电火花表面强化原理

1-脉冲电源；2-振动器；3-振动器电源；4-电极；5-工件1)电火花线切割加工的原理电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理一样，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理，实现零部件的加工。不同的是，电火花线切割加工不需要制造复杂的成形电极，而是利用移动的细金属丝（钼丝或铜丝）作为工具电极，工件按照预定的轨迹运动，“切割”出所需要的各种尺寸和形状。3电火花线切割加工图6-19线切割加工原理2)电火花线切割加工设备电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统和机床附件等几部分组成。（1）机床本体机床本体由床身、坐标工作台、运丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具等几部分组成。1）机床床身：一般为铸件、是坐标工作台、绕丝机构及丝架的支承和固定基础。2）坐标工作台部分：一般采用“十”字滑板、滚动导轨和丝杆传动副将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动，通过两个坐标方向各自的进给移动，可合成获得各种平面图形曲线轨迹。3）走丝机构：走丝系统使电极丝以一定的速度运动并保持一定的张力。（2）脉冲电源线切割加工脉冲电源的脉宽较窄（2～60μs），单个脉冲能量、平均电流（1～5A）一般较小。（3）工作液循环系统目前，快走丝线切割工作液广泛采用的是乳化液，其加工速度快。慢走丝线切割机床采用的工作液是去离子水和煤油。工作液循环装置一般由工作液泵、液箱、过滤器、管道和流量控制阀等组成。对快速走丝机床，通常采用浇注式供液方式，而对慢速走丝机床，近年来有些采用浸泡式供液方式。（4）控制系统3)线切割加工特点及应用（1）加工特点1）不需要制造复杂的成形电极。2）通过计算机控制，能够方便快捷地加工薄壁、窄槽、异形孔等复杂结构零件。3）一般采用精规准一次加工成形，在加工过程中大都不需要转换加工规准。4）由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小。5）工作液多采用水基乳化液，很少使用煤油，不易引燃起火，容易实现安全无人操作运行。6）电火花线切割不能加工型腔、盲孔类零件（2）应用1）适用于各种形式的冲裁模及挤压模、粉末冶金模、塑压模等。2）高硬度材料零件的加工。3）特殊形状零件的加工。4）可以加工电火花成形加工用的铜、铜钨、银钨合金等材料电极。电火花线切割加工与电火花成形加工有哪些相同点和不同点？

电化学加工(ElectrochemicalMachining简称ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。6.3.2电化学加工电解液中的电化学反应

电化学反应过程将两铜片插入氯化铜（CuCl2）水溶液中，当两铜片分别连接直流电源的正、负极时，即形成导电通路。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Cu+2。在外电场的作用下，金属导体及溶液中的自由电子定向运动，铜片电极和溶液的界面上将发生得失电子的电化学反应。溶液中的Cu2+正离子向阴极移动，在阴极表面得到电子而发生还原反应，沉积出铜。阳极表面，Cu原子失去电子发生氧化反应，成为Cu2+正离子进入溶液。电化学加工的原理在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应即称为电化学反应，利用这种电化学反应作用加工金属的方法就是电化学加工。其中，阳极上为电化学溶解，阴极上为电化学沉积。电化学加工分类：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1所示。表1电化学加工分类

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，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。电化学加工的适用范围BliskMachining

整体叶盘加工BladeMachining

叶片加工Holedrilling

钻孔Electrolyticcavitymachining电解型腔加工ElectrolyteFull-formShaping电解全成形加工Electroforming

电铸1)电解加工的特点(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0.2～1.25μm，平均加工精度±1mm左右。(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0.15～0.30mm。此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。1.电解加工2）电解加工的原理及特点

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6-20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(0.1～0.8mm)，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。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6-20电解加工设备结构3)电解液电解液的作用电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体。电解液的主要作用是：(1)与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系，实现所要求的电解加工过程，同时所含导电离子也是电解池中传送电流的介质，这是其最基本的作用。(2)排除电解产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行。(3)及时带走电解加工过程中所产生的热量，使加工区不致过热而引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。对电解液的要求对电解液总的要求是加工精度和效率高、表面质量好、实用性强。对电解液的基本要求包括以下四个主要方面：(1)电化学特性方面（电导率高，正负离子并存，可以保证用较低的加工电压获得较大的加工电流）。(2)物理特性方面（高溶解度、大电离度、低粘度等）。(3)稳定性方面（性能稳定，操作安全，腐蚀性低）。(4)实用性方面（价格低廉、对环境污染少，寿命长等）。常用电解液及其选择原则电解液选择的原则粗加工重点解决效率；精加工侧重加工精度和表面质量；高温合金叶片侧重保加工精度；钛合金则侧重表面质量。2)常用电解液常用的电解液为中性电解液中的NaCl(氯化钠）、NaNO3(硝酸钠)及NaClO3（氯酸钠）三种。电解液参数对加工过程的影响浓度↑导电率↑散蚀能力↑电解液的温度电解液的粘度粘度↑流动性↓不易排屑↑散热能力↓生产率↓加工效率↑加工质量↓电解液的浓度4）电解加工设备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，为保证加工中电参数选择的需要，电源电压在一定范围能连续可调并且保持稳定。(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。它与一般金属切削机床相比，有其特殊要求：（a）有足够的刚性（b）稳定的进给速度（c）防腐绝缘与好的安全措施(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。

5）影响电解加工的工艺因素（1）影响加工速度的主要因素。电解加工的加工速度指阳极的溶解速度。

ν-工件阳极的蚀除速度

η-电流效率

ω-被电解金属的体积电化学当量

i-电流密度电化学当量愈大，蚀除速度就越高。电流密度越高，生产率越高，但在增加电流密度的同时，电压也随着增高，因此应以不击穿加工间隙、引起火花放电、造成局部短路为度。加工间隙越小，电解液的电阻越小，电流密度越大，蚀除速度也就越高。但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动受阻、蚀除物排除不畅，以至产生局部短路，反而使生产率下降，因此间隙较小时应加大电解液的流速和压力。电流效率会受电源电压、电解液种类、工件材料的化学成分和组织结构等因素的影响。（2）影响加工精度的主要因素。影响加工精度的主要因素包括加工间隙的大小、均匀性及稳定性。另外还与机床、工艺装备、工具阴极、工件、工艺参数等诸多因素有关。

（3）影响表面质量的主要因素。影响电解加工表面质量的因素较多也较复杂。（a）工件材料的合金成分、金相组织和热处理状态（b）工艺参数:电流密度、电解液的流速大小和温度高低（c）工具阴极的表面质量（d）工件表面必须除油去锈（e）电解液必须经过滤沉淀，不含固体颗粒杂质。6)电解加工工艺及其应用

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。

(1)深孔扩孔加工

深径比大于5的深孔，用传统切削加工方法加工，刀具磨损严重，表面质量差，加工效率低。目前采用电解加工方法加工φ4×2000mm、φ100×8000mm的深孔，加工精度高，表面粗糙度低，生产率高。电解加工深孔，按工具阴极的运动方式可分为固定式和移动式两种。优点：设备简单，操作方便，生产率高缺点：电源功率较大，加工精度及Ra不太均匀，阴极刚性弱（2）型孔加工

对一些形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆、半圆等形状的通孔和不通孔，机械加工很困难，可采用电解加工。多采用端面进给方式,阴极侧面须绝缘。内锥面高度1.5～3.5mm

（3）型腔加工

用于尺寸较大、形状复杂的型腔加工，生产率高，表面质量好，但加工精度不太高。多用于锻模型腔加工，精度控制在±0.1～0.2mm。阴极设计制造是关键。用成型精度高的电解液或混气加工时，阴极设计较易。为使流场均匀，阴极对应处加开增液孔。

近年发展用简单形状电极的数控电解加工，柔性好，减少准备时间，电源容量小，但加工速度降低（4）

型面加工

涡轮发动机、增压器、汽轮机等的叶片，叶身型面形状比较复杂、要求精度高，加工批量大，采用机械加工难度大，生产率低，加工周期长，而采用电解加工则不受叶片材料硬度和韧性的限制，在一次行程中就可加工出复杂的叶身型面，生产率高，表面粗糙度小。电解加工整体叶轮在我国已得到普遍应用,叶轮强度高，质量好，加工周期大大缩短。（5）电解刻字电解刻字则可以在那些常规的机械刻字不能进行的表面上刻字。电解刻字时，字头接阴极，工件接阳极，二者保持大约0.1mm的电解间隙，中间滴注少量的钝化型电解液，在大约1-2s的时间内完成工件表面刻出黑色的印记。

（6）电解倒棱去毛刺

智能控制的电化学齿轮修形工艺源于电解去毛刺和倒圆角机加工中去毛刺工作量很大，电解去毛刺效率高，节省费用。加工原理是尖角处电流密度最高。去毛刺时间与加工电压、加工间隙及电解液参数有关（7）电解抛光

电解抛光也是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解对工件表面进行腐蚀抛光的，它只是一种表面光整加工方法，用于改善工件的表面粗糙度和表面物理力学性能，而不用于对工件形状和尺寸加工。它和电解加工的主要区别是工件和工具之间的加工间隙大，这样有利于表面的均匀溶解；电流密度也比较小；电解液一般不流动，必要时加以搅拌。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。比电解加工的加工精度高，表面粗糙度小，比机械磨削的生产率高。与电解磨削相近似的还有电解珩磨和电解研磨。加工原理如图所示。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。4.电解磨削图

电解磨削加工原理图

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；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。2)电解磨削的特点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。3）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。下图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。电解成型磨削原理图4）电解珩磨

电解珩磨是电解加工和机械珩磨结合的一种复合加工，其中电解起主要作用。对于小孔、深孔、薄壁筒等零件，可以采用电解珩磨。齿轮的电解珩磨已在生产中得到应用，电解珩轮是由金属齿片和珩轮齿片相间而组成的。电解研磨:电解加工与机械加工结合。电解研磨加工采用钝化型电解液。利用机械研磨能去除表面微观不平度各高点的钝化膜，使其露出基体金属并再次形成新的钝化膜，实现表面的镜面加工。电解研磨：固定磨料加工和流动磨料加工。可以加工碳钢、合金钢和不锈钢。目前已应用于金属冷轧轧辊、大型船用柴油机轴类零件、大型不锈钢化工容器内壁以及不锈钢太阳能电池基板的镜面加工。5）电解研磨(电解超精加工）1)电铸加工特点(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0.1μm，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。(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4～8mm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.电铸加工2)电铸加工原理

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。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。

电铸原理如图6-23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。图6-23电铸加工的原理1-电铸槽；2-阳极；3-直流电源；4-电铸层；5-原模；6-搅拌器；7-电铸液；8-过滤器；9-泵；10-加热器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。电铸加工主要用于：a.复制精细的表面轮廓花纹。b.复制注塑用的模具、电火花型腔加工用的电极工具。c.制造复杂、高精度的空心零件和薄壁零件。d.制造表面粗糙度标准样板、反光镜、表盘、异形孔喷嘴等特殊零件。4)电铸加工的工艺过程电铸的生产率低，时间较长。电流密度大易使沉积金属的结晶粗大，强度降低。一般每小时的电铸金属层0.02-0.5mm。电铸通常用的金属为铜、镍和铁三种。原模表面处理电铸至规定尺寸衬背处理脱模清洗干燥成品电铸过程中的要点:1）溶液必须连续过滤，以除去电解质水解或硬水形成的沉淀、阳极夹杂物和尘土等固体悬浮物，防止电铸件产生孔、疏松、瘤斑和凹坑等缺陷。2）必须搅拌电铸液，降低浓差极化，以增大电流密度，缩短电铸时间。3）电铸件凸出部分电场强，镀层厚，凹入部分电场弱，镀层薄。4）要严格控制电铸液成分、浓度、酸碱度、温度、电流密度等。电铸加工应用实例：筛网的制造电铸是制造各种筛网、滤网最有效的方法。（孔眼尺寸大到数十毫米，小至5μm)典型的是电铸电动剃须刀的网罩。网罩的加工大致如下：1）制造原模2）对原模进行化学处理，获得钝化层3）弯曲成形4）电铸5）脱模制作各种网罩制作各种低刚度件各种微型图案3涂镀加工（电刷镀加工）涂镀又称刷镀或无槽电镀，是在金属工件表面局部快速电化学沉积金属的新技术。镀层厚度可以达到0.001mm-0.5mm,下图为其原理图。1-工件2-镀液3-电源4-镀笔5-棉套6-容器1)工作原理：转动的工件1接直流电源3的负极；正极与镀笔4相接；镀笔端部的不溶性石墨电极用外包尼龙布的脱脂棉套5包住；镀液2饱蘸在脱脂棉中或另再浇注，多余的镀液流回容器6。2)涂镀的基本设备涂镀设备主要包括电源、镀笔、镀液及泵、回转台等。电源：与电解类似。要自动记录所耗电荷量，它与镀层厚度成正比，可以控制厚度直流电源能方便改变极性，可在涂镀前对工件表面电解处理电源中有短路快速切断保护和过载保护，避免镀笔和工件偶然接触短路b.镀笔：手柄和阳极组成。阳极用石墨，外包脱脂棉和耐磨棉布c.镀液d.回转台：用于涂镀回转体工件表面3)涂镀加工的特点：a)不需要镀槽，可以对局部表面涂镀，设备、操作简单，机动灵活性强，可在现场就地施工，不易受工件大小、形状的限制；甚至不必拆下零件即可对其局部刷镀。b)涂镀液种类、可涂镀的金属比槽镀多，选用更改方便，易于实现复合镀层，一套设备可镀积金、银、铜、铁、锡、镍、钨铟等多种金属。c)镀层与基体金属的结合力比槽镀的牢固，涂镀速度比槽镀快(镀液中离子浓度高)，镀层厚薄可控性强。d)因工件与镀笔之间有相对运动，故一般都需人工操作，很难实现高效率的大批量、自动化生产。4)涂镀技术主要的应用范围为：a)修复零件磨损表面，恢复尺寸和几何形状，实施超差品补救。例如各种轴、轴瓦、套类零件磨损后，以及加工中尺寸超差报废时，可用表面涂镀以恢复尺寸。b)填补零件表面上的划伤、凹坑、斑蚀、孔洞等缺陷，例如机床导轨、活塞液压缸、印制电路板的修补。c)大型、复杂、单个小批工件的表面局部镀镍、铜、锌、镉、钨、金、银等防腐层、耐蚀层等，故善表面性能。例如各类塑料模具表面涂镀镍层后，很易抛光至Ra0.1μm甚至更佳的表面粗糙度。激光的产生

激光最初被译作“莱塞”，即英语“Laser”，是“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”(意为“辐射的受激发射光放大”)的缩写。后来在20世纪60年代初期，由钱学森建议，把光受激发射器改称为“激光”或“激光器”。世界上第一台红宝石激光器由美国科学家梅曼于1960年发明成功，随后各种激光器不断涌现，我国科学家王之江也于1961年在长春光机所研究成功我国第一台激光器。激光器作为20世纪四大发明之一(原子能、半导体、计算机、激光器

)，它为人们科学研究、生产提供一个新的方法，也给人类的生活提供了很大方便，特别在是进入20世纪80年代以来，激光加工技术在工业上获得广泛的应用，成为工业上不可缺少的一种方法。6.3.3激光加工

激光具有与普通光源很不相同的特性，一般称为激光的四性：方向性好、单色性好、相干性好以及高亮度。

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、外表处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究领域一般可分为:激光加工体系包括激光器、导光体系、加工机床、控制体系及检测体系。激光加工工艺包括切割、焊接、外表处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。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107～1011W/cm2，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬