精密制造和特种加工技术-习题及答案 第六章 其他特种加工

第六章其他特种加工一、按作用原理分类，电化学加工可分为哪几类？各包括哪些加工方法？有何用途？按加工原理可以将电化学加工分为以下三大类(1)利用电化学反应过程中阳极金属的溶解作用来进行加工，主要有电解加工、电化学抛光等，用于内外表面形状、尺寸及去毛刺等加工。(2)利用电化学反应过程中阴极金属的沉积来进行加工，主要有电铸加工、电镀加工等，用于表面加工、装饰、尺寸修复、磨具制造、精密图案及印制电路板复制等加工。(3)利用电化学加工与其他加工方法结合的电化学复合加工工艺进行加工，主要有电解磨削、电解放电加工等，用于形状和尺寸加工、表面光整加工、镜面加工、高速切割等。二、电解液按酸碱度分为哪几大类？常用的电解液有哪几种？各有什么特点？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。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO33种。NaCl电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率很高，在加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，因此应用很广。NaCl电解液的缺点是电解能力强，但散腐蚀能力也强，使得距离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度低；对机床、设备腐蚀性大，因此适用于加工速度快而精度要求不高的工件。NaNO3电解液在浓度低于30%时，对机床、设备腐蚀性很小，使用安全，但生产效率低，需较大电源功率，因此适用于加工成型精度要求较高的工件。NaCIO3电解液的散蚀能力小，加工精度高，对机床、设备腐蚀性很小，适用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。三、在电解加工中，电解液的作用是什么？对电解液有哪些基本要求？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，使阳极溶解能顺利有效地进行。此外，电解液还担负着及时将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。因此电解液对电解加工的生产率、加工精度和加工表面质量等工艺指标有着重要的影响。由于电解液对电解加工过程有着重大的影响，因此对电解液有以下要求。(1)电导率要高，流动性要好，可以保证用较低的加工电压获得较大的加工电流；能在较低的压力下得到较高的流速，减少发热。(2)电解质在溶液中的电离度和溶解度要大。一般来说，电解液中的阳离子总是具有标准电极电位，如Na+、K+等离子。(3)阳极的电解产物应是不溶性的化合物，这样便于处理，不会在阴极表面沉积。(4)性能稳定，操作使用安全;对设备产生的腐蚀作用小；不易燃，不爆炸，对环境的污染和人体的危害要小。(5)价格低廉，适应性广，使用寿命长。四、对电解加工机床有哪些基本要求？①机床刚性强。②进给速度稳定性高。③设备耐腐蚀性好。④电气系统抗干扰性强。⑤大电流、传导性好。⑥安全措施完备。五、电铸加工的原理是什么？请阐述电铸加工工艺过程。电铸加工是利用电化学过程中的阴极沉积原理来进行加工的，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。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。电铸加工的工艺过程一般为原模制作→原模表面处理→电铸至规定厚度→衬背处理→脱模→清洗干燥→检测。六、试阐述激光加工的原理和特性。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、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，加上激光的强度高，因此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，任何材料都将瞬时熔化甚至汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。2.激光加工的特点(1)几乎所有金属和非金属材料都町以进行激光加工。(2)激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。(3)可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其他地点进行加工。(4)激光加工时不需要刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。(5)无须加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。七、试阐述激光切割的激光与材料的作用过程。激光切割的原理与激光打孔的原理相似，但工件与激光束要进行相对移动。在实际加工中，采用工作台数控技术,可以实现数控激光切割。激光切割大多采用输出功率在10kW以上的大功率的二氧化碳气体激光器，对于精密切割，也可采用YAG激光器（输出功率可达5kW)。激光既可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中，由于激光对切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割的切缝小，便于自动控制，因此在实际加工中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。二氧化碳气体激光器切割钛合金示意图如图所示。八、查相关文献全面了解激光加工工艺及其应用情况。1.激光打孔2.激光切割3.激光打标4.激光焊接5.激光表面处理九、试阐述电子束加工和离子束加工的基本原理、加工特点及应用场合。两者有什么不同？为什么？电子束加工的基本原理：电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使加工材料局部瞬时熔化、汽化而去除。电子束加工的特点如下。(1）电子束能够极其微细地聚焦(可达1～0.1um)，因此可进行微细加工。(2）加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，因此采用电子束加工能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(3）电子束加工在真空中进行，因此污染少，加工表面不易氧化。(4）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，因此在生产中受到一定程度的限制。应用：电子束加工常用于加工微细小孔、异形孔及特殊曲面。离子束加工的基本原理：离子束加工也是一种新兴的特种加工，其原理与电子束加工的原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，因此在电场中加速较慢，但一旦加速至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械撞击将能量转化为热能进行加工的。离子束加工具有以下特点。(1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工方法。离子刻蚀的加工精度可达纳米级，离子镀膜的加工精度可控制在亚微米级，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。(2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。(3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适用于对各种材料和低刚件零件进行加工。离子束加工的应用如下。在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽、加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如加工某些特殊的半导体器件)等。十、超声波加工有哪些特性？(1)适用于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等；也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。(2)由于工具材料硬度很高，因此易于制造形状复杂的型孔。(3)在超声波加工中，宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤；表面粗糙度很小，只有0.2um，加工精度可达0.05~0.02mm；可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。(4)超声波加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。(5)生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。十一、试阐述超声波加工、高压水射流切割加工的原理、工艺特点及其应用。1.超声波加工的原理：超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的种方法。超声波加工的原理图如图所示。工艺特点：2.超声波加工的特点(1)适用于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等；也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。(2)由于工具材料硬度很高，因此易于制造形状复杂的型孔。(3)在超声波加工中，宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤；表面粗糙度很小，只有0.2um，加工精度可达0.05~0.02mm；可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。(4)超声波加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。(5)生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。应用：在实际生产中，超声波广泛应用于型(腔)孔加工、切割加工、清洗等方面。2.高压水射流切割的原理高压水射流切割原理图如图所示。储存在供水器中的水，经过滤器处理后，由水泵抽出送至蓄能器中；液压装置驱动增压器，使水压增高；高压水经控制器、阀门和喷嘴喷射到工件表面加工部位进行切割。在切割过程中，产生的切屑和水混合在一起排入排水器。工艺特点：(1)加工精度高，切边质量较好。(2)液体束流的能量密度高、流速快，因此工件切缝很窄，喷嘴寿命长;喷嘴和加工表面无机械接触，能实现高速加工。(3)加工产物混入液体排出，所以无灰尘、无污染，同时加工区域温度低，不产生热量，适用于木材、纸张、皮革等材料的加工。(4)设