第九讲特种加工（4学时）.ppt.Convertor

第一节 概论

1.1 特种加工的概念

1.2 特种加工的特点及发展 .1.3 特种加工的分类 3.1.1 特种加工的概念

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。 这些新加工Machining)，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。1.2 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，度无关。 (3) 各种加工方法可以任意复合、便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工种加工复合而形成的新加工方法。目前，国际上对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面： (1) 微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究正方兴未艾，技术。 (2) 特种加工的应用领域正在拓宽。例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。 (3) 广泛采用自动化技术。

充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的前特种加工技术的主要发展趋势。加工的发展方向。目前已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标。我国的特种加工技术起步较早。60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极—机械切割的基础上发明了我国独创的快走丝线切割机床，上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平有不少差距，高档电加工机床。

表1-1 常用特种加工方法的分类表1-2 几种常见特种加工方法的综合比较第二节 电火花加工的基本原理及设备2.1 电火花加工的物理本质及特点2.2 电火花加工机床简介

方法从广义扬长避短，

特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花20世纪50年代中期我国工厂已设计研制出电火花穿孔机床，

定义为 形成新的工艺方法，(ECDM)、电解电弧加工种加工(NTM，Non-Traditional (如电、化学、光、声、热等)去除故加工的难易与工件硬更突出其优越性，(ECAM) 就是两种特 电源系统进行优化，建立综CAD/CAM和FMS系统，这是当随着设备自动 每年还需从国外进口300台以上上特

但是由于我国原有的工业基础薄弱，2.3 电火花线切割加工机床简介

2.1 电火花加工的物理本质及特点 2.1.1 电火花加工的物理本质 电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢？这一过程大致分为以下几个阶段(如图2-1所示)： 图2-1 电火花加工原理 (1) 极间介质的电离、极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的B处电场强度最大。 工具电极与工件电极之间充满着液体介质，电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的。成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。(2) 电极材料的熔化、气化热膨胀电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气瞬间体积猛增，间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。(3) 电极材料的抛出温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。(4) 极间介质的消电离走，并恢复绝缘状态。将不能及时传出，使该处介质局部过热，续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。上述步骤(1)～(4)一段时间间隔(即脉冲间隔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，高的频率连续不断地放电，坑组成(如图2-2所示加工方式。

图2-2 电火花表面局部放大图图2-3 电火花加工图2-4 线切割加工2.1.2 电火花加工、电火花线切割加工的特点 1．共同特点击穿，形成放电通道 ((如图2-1(d)所示(如图2-1(e)所示若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲又作用到工具电极和工件上，工件不断地被蚀除，)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的

(如图2-1(a)所示液体介质中不可避免地含有杂质及自由击穿，形成放电通道。放电通道是由大量高速运动由于通道截面很小，2-1(b)、(c)所示所以在观察电火花加工时，

)。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高抛出放电通道，)。加工液流入放电间隙，局部过热的工作液高温分解、故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹 )。工具电极与工件电极缓缓靠近，通道内因高温热膨胀形

)。液体介质被电离、击穿，形成放气化后的工作液和金属蒸可以看到工件与工具电极大部分被抛入到工作液中。将电蚀产物及残余的热量带产生的热量积炭，使加工无法继蚀出另一个小凹坑。这样以相当A、如图产生形成了爆炸的特性。仔细观 在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过 (1) 二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。 (2) 二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。 (3) 最小角部半径有限制。电火花加工中最小角部半径为加工间隙，线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙。 2．不同特点 (1) 从加工原理来看，电火花加工是将电极形状复制到工件上的一种工艺方法(如图2-3(a)所示)。在实际中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工)(如图2-3(b)、(c)所示)；而线切割加工是利用移动的细金属导线成型的一种工艺方法，如图2-4所示。(2) 从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方法加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，轮廓图形加工，余料仍可利用。 (3) 从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极而成)；线切割加工用移动的细金属导线 (4) 从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，易损耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于电极丝连续移动，区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。(5) 从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹等(如图加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件(a) 电火花加工产品 图2-5 加工产品实例 2.2 电火花加工机床简介

2.2.1 机床型号、规格、分类 我国国标规定，电火花成型机床均用如D7132中，D表示电加工成型机床71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为 在中国大陆外，电火花加工机床的型号没有采用统一标准，定，如日本沙迪克(Sodick)公司生产的ROBOFORM20/30/35，台湾乔懋机电工业股份有限公司的限公司的SF100等。

电火花加工机床按其大小可分为小型上)；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步，国外已经大批生产三坐标数控电火花机床，以及带有工具电极库、心，我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。2.2.2 电火花加工机床结构 电火花加工机床主要由机床本体、环系统、数控系统等部分组成，如图图2-6 电火花机床

(a) 机械式平动头 (b) 图2-8 平动头外形

第三节 其他特种加工技术

(铜丝或钼丝)做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割

只对工件进行(一般用铜、石墨等材料制作(铜丝或钼丝)做电极。 使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工

2-5(a)所示)；而线切割加工只能加工通孔，能方便地(如图2-5(b)所示)。 (b) 线切割加工产品 D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。例(若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK)；320 mm。 由各个生产企业自行确A3R、A10R，瑞士夏米尔(Charmilles)技术公司的JM322/430，北京阿奇工业电子有(D7125以下)、中型(D7125～D7163)和大型(D7163以能按程序自动更换电极的电火花加工中 脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循2-6所示。 数控平动头

3.1 电化学加工技术 3.2 激光加工技术 3.3 超声波加工技术

3.4 其他常用特种加工技术 3.1 电化学加工技术

3.1.1 电化学加工的原理与特点 1. 电化学加工的原理 图7-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(CuCl2)的水溶液中，此时水两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子和溶液中均有电流流过，在金属片反应。溶液中的离子将作定向移动，反应，沉积出铜。

在阳极表面Cu原子失掉电子而成为称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。学反应原理对金属进行加工纯铜)的方法即电化学加工。图7-1 电解(电镀)液中的电化学反应2. 电化学加工的分类 电化学加工有三种不同的类型。加工，主要有电解加工和电化学抛光等；加工，主要有电镀、电铸等；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作用)。电化学加工的类别如表其它的电化学加工请参考相关资料。表7-1 电化学加工分类3. 电化学加工的适用范围 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，复线)，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。3.1.2 电解加工 1．电解加工的原理及特点 1) 基本原理 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。如图所示，在工件(阳极)与工具加工间隙(0.1～0.8 mm)两极之间的间隙大小不等，度小，去除速度慢。

随着工件表面金属材料的不断溶解，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，(H2O)离解为氢氧根负离子Cu2+(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原Cu2+(图7-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼

第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行第 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7-1所示。本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削， 汽轮机定子、 (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间隙小处电流密度大，工具阴极不断地向工件进给，(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜OH－和氢正离子(其中还含有电火花放电炮筒内管的螺旋 这时，工件阳极开始溶解。溶解的电解产物不断地被如此下去直至将工具的形

H+，CuCl2这种利用电化 “膛线”开始时，而间隙大处电流密(来7-2离解为。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动 转子的扭曲叶片， ，间隙中通过高速流动的电解液。阳极金属去除速度快；状复制到工件上。

图7-2 电解加工原理图 2) 特点 电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点: (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(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0.15～0.30 mm。此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。 2. 电解加工设备 电解加工的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，7-2。

表7-2 直流电源的特点及应用2) 机床 电解加工机床的任务是安装夹具、电解液。电解加工过程中虽没有机械切削力，的，因此要求机床要有足够的刚性；相对工件的各个截面的电解时间就不同，工作液接触，因此机床要有好的防腐措施和安全措施。3) 电解液系统 在电解加工过程中，化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行，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，的作用。 电解液可分为中性盐溶液、蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。常用的电解液有3. 电解加工应用 日前，电解加工主要应用在深孔加工、叶片孔抛光、各种型孔的倒圆和去毛刺、整体叶轮的加工等方面。 图7-3是用电解加工整体叶轮，个叶片，退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。图7-3 电解加工整体叶轮3.1.3 电铸成型 1．电铸成型原理及特点 1) 成型原理 与大家熟知的电镀原理相似，成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，铸与电镀又有不同之处，Ra可达0.2～ 要保证进给系统的稳定性，如果进给速度不稳定，电解液不仅作为导电介质传递电流，酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。 电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行μm。 工件和阴极工具，但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的。( 然后分离以制造或复制金属制品。其主要特点及应用见表并实现其相对运动，而且在电场的作用下进行其中中性盐溶液的腐NaCl、NaNO3)加工、锻模(型腔 以达到防护、 传送电和阴极NaClO3 三种。 )加工、管件内加工完一但电装饰等

1.25 影响加工精度；电解加工机床经常与具有腐蚀性的 起到更新和冷却、型面叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的。 电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，

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7-4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7-4 电铸成型的原理 2) 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0.1 μm，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，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。用受到一定的限制。 2．电铸设备 铸设备(如图7-4所示)主要包括电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。 1) 电铸槽 电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则。或聚氯乙烯薄板等。 2) 直流电源 电铸采用低电压大电流的直流电源。常用硅整流，电压为 3) 搅拌和循环过滤系统 为了降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，在阴极运动的同时加速溶液的搅拌。搅拌的方法有循环过滤法、过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进行过滤。4) 恒温控制系统 电铸时间很长，所以必须设置恒温控制设备。它包括加热设备等)和冷却设备(冷水或冷冻机等)。 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，具制造等方面发挥日益重要的作用。 图7-5为刻度盘模具型腔电铸过程。其中图为母模进行引导线及包扎绝缘处理图，图(c)为电铸，图图7-5 刻度盘模具型腔电铸过程 3.1.4 电解磨削 1．加工原理及特点 1) 加工原理 电解磨削是电解加工的—种特殊形式，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。 加工原理如图7-6所示。加工过程中，磨轮4～8 mm左右。一般用钢板焊接，减少加工时间，超声波或机械搅拌等。已在航空、(a)为电铸过程中的阴极母模简图，(d)为电铸产品后处理图。(砂轮)不断旋转，磨轮上凸出的砂粒与

电铸层一般都具有较内衬铅板6～12 V左右，并可调。提高生产速度，最好 (加热玻璃管、电炉 它是靠金属 (b)仅为这样，就使电铸成型的应 循环仪器仪表、精密机械、模图是电解与机械的复合加工方法。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。 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，电解液腐蚀力较弱；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。 图7-6 电解磨削加工原理图 2) 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，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。 2．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。图轴矩台平面磨削、卧轴矩台平面磨削的示意图。图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。图7-7 平面磨削示意图 图7-8 电解成型磨削原理图 3.2 激光加工技术

1. 激光加工的原理与特点 1) 激光加工的原理 激光是一种强度高、好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的高，故可以使其焦点处的功率密度达到样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，性很强的冲击。因此，激光加工波抛出的综合过程。 图7-9 激光加工示意图 2) 激光加工的特点 激光加工的特点主要有以下几个方面： (1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。 (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它地点进行加工。 (4) 加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。 (5) 无需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。

2. 激光加工基本设备及其组成部分 激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机成。 1) 激光器

单色性好的相干光。107(如图7-9所示 7-8为电解成型磨削示意图，其磨削原理(微米甚至亚微米 W/cm2，温度可达并爆炸性地高速喷射出来，)是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击 另一方面，材料的去除主7-7(a)、(b)分别为立 )小斑点上，加上它本身强度10 000℃以上。在这同时产生方向 (激光加工系统)三部分组故能获得比电解加工好的加工精度；方向性好、由于激光的发散角小和单色性～1011 激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于He-Ne(氦—氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。

2) 导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。 3) 激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、等。随着电子技术的发展，加工的连续工作。3. 激光加工的应用 1) 激光打孔 随着近代工业技术的发展，这些材料上打出又小又深的孔，喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务。激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。位置，打出浅至几微米，围是有限的。所以，定能否打孔。 激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。2) 激光切割 激光切割实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割。 激光切割大多采用大功率的 激光可以切割金属，材料不产生机械冲击和压力，工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。图7-10 CO2激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。 3) 激光打标 激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志图7-11所示)。图7-11 振镜式激光打标原理激光打标的特点是非接触加工，金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。 激光打标广泛应用于电子元器件、汽机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。 许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动， 深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，(如图7-10 能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统硬度大、)的原理与激光打孔相似，CO2激光器，对于精细切割，也可采用 这类加工任务，用常规的机械加工方法很困

从理论上讲，激光可以在任何材料的不同焦距与发散角、但工件与激光束要相对移动。 在激光切割过程中，由于激光对被切割便于自动控制，故在实际中常用来加光能瞬时变成热能，工件不会变形和产生内应力， (摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算

实现激光以确焦点位置、光 在YAG激光器。 使工件表(如适于熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的 所示也可以切割非金属。再加上激光切割切缝小，气体激光器切割钛合金示意图

可在任何异型表面标刻，4) 激光焊接 当激光的功率密度为105～107 W/cm2，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图7-12所示。 激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。 图7-12 激光焊接过程示意图

图7-13 激光表面强化处理应用实例 5) 激光表面处理 当激光的功率密度约为碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。图处理应用实例。 3.3 超声波加工技术

1．超声波加工的原理与特点 1) 加工原理 超声波加工是利用振动频率超过成型加工的一种方法，其加工原理如图图7-14 超声波加工原理图

当工具以16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，工表面；同时由于悬浮液磨料的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件表面；端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象”大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，性材料产生局部疲劳，引起显微裂纹。这些因素使工件的加工部位材料粉碎破坏，在工件上。由此可见，超声波加工是磨粒的机械撞击和抛磨作用以及超声波空化作用的综合结果，磨粒的撞击作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。 2) 特点 超声波加工的主要特点如下： (1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。 (2) 由于工具材料硬度很高，故易于制造形状复杂的型孔。(3) 加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。表面粗糙度加工精度可达0.05～0.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。 (4) 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。2. 超声波加工设备 超声波加工装置如图设备在结构形式上各不相同，但一般都由高频发生器、超声振动系统和磨料工作液循环系统等部分组成。图7-15 超声波加工装置 1) 高频发生器

103～105 W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低0.716 000 Hz的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行7-14所示。 。所谓空化现象，是指当工具端面以很空泡闭合， 随着加工的不断进行， 也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，7-15所示。尽管不同功率大小、 1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约7-13为激光表面淬火磨料便以极高的速度强力冲击加此外，磨料液受工具在磨料液内形成很多微空腔；引起极强的液压冲击波，工具的形状就逐渐但效率相对较低。

Ra值很小，可达 不同公司生产的超声波加工(声学部件从而使脆“复制”0.2 μm，)、机床本体～ 高频发生器即超声波发生器，其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供给工具往复运动和加工工件的能量。 2) 声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，并以波的形式传递到工具端面。声学部件主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声频电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。

由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过0.005～0.01 mm，而超声波加工却需要0.01～0.1 mm的振幅，因此必须用上粗下细(按指数曲线设计)的变幅杆放大振幅。变幅杆应用的原理是：因为通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就会增大。 变幅杆的常见形式如图后的机械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击。材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺寸和形状取决于被加工表面，它们相差一个加工间隙值图7-16 几种形式的变幅杆3) 机床本体和磨料工作液循环系统 超声波加工机床的本体一般很简单，具以一定压力作用在工件上的进给机构等；料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水，有时用煤油或机油。磨料的粒度大小取决于加工精度、表面粗糙度及生产率的要求。3．超声波加工的应用 超声波加工的生产率虽然比电火花、比它们好，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。在实际生产中，所示)、清洗(如图图7-17 超声波加工的型孔、腔孔类型图7-18 超声波切割加工图7-19 超声波清洗装置3.4 其他常用特种加工技术3.4.1 电子束加工 1. 加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。图7-20 电子束加工原理控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，加热就可进行电子束热处理；使材料熔化和汽化，料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。2．特点与应用 电子束加工的特点如下： (1) 电子束能够极其微细地聚焦 (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， (略大于磨料直径

超声波广泛应用于型7-19所示)等方面。

使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；就可进行打孔、不易产生变形和应力，7-16所示，加工中工具头与变幅杆相连，其作用是将放大)。 磨料工作液是磨料和工作液的混合物。( 切割等加工； (可达故能加工各种力学性能的导体、工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性 但其加工精度和表面粗糙度都)孔加工(如图7-17所示电子的动能绝大部分转变为热 利用较低能量密度的电子束轰击高分子材 l～0.1 μm)，故可进行微细加工。工作台面以及使工)、切割加工(如图7-20所示。在真空条如只使材料局部提高电子束能量密度， 半导体和非导体

7-18包括支撑声学部件的机架、常用的磨电解加工等低，腔就可以达到不同的加工目的。 材料。 (3) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 (4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。

由于上述特点，电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔(如图7-21所示)及特殊曲面。图7-22所示为电子束加工弯曲的型面。其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。 图7-21 电子束加工的喷丝头异形孔图7-22 电子束加工曲面、穿孔3.4.2 离子束加工 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，实现加工的。所不同的是离子带正电荷，速较慢，但一旦加至较高速度，撞击能量转化为热能进行的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。 1) 离子刻蚀 离子轰击工件，度的切削加工。 2) 离子溅射沉积 离子轰击靶材，层薄膜。 3) 离子镀 离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。4) 离子注入 离子束直接轰击被加工材料，工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。 2．特点及应用 离子束加工有如下特点： (1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，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，特别适宜于对易氧化的金属、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，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。 在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工加工极薄材料等某些特殊的半导体器件

将离子源产生的离子束经过加速、 (又称离子溅射辅助沉积

)、镀膜加工)等。(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料聚焦后投射到工件表面的加工部位以又称离子铣削，沉积在靶材附近的工件上，) 离子就钻入被加工材料的表层。 故在电场中加离子束加工是靠微观机械其实质是一种原子尺使工件表面镀上一(如加工空气轴承的沟槽，)、 (如 其质量比电子大数千倍乃至数万倍，就比电子束具有更大的撞击动能。

将工件表面的原子逐个剥离， 将靶材原子击出，由于离子能量相当大， 注入加工

材料。 (3) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 (4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。

由于上述特点，电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔(如图7-21所示)及特殊曲面。图7-22所示为电子束加工弯曲的型面。其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。 图7-21 电子束加工的喷丝头异形孔图7-22 电子束加工曲面、穿孔3.4.2 离子束加工 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，实现加工的。所不同的是离子带正电荷，速较慢，但一旦加至较高速度，撞击能量转化为热能进行的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。 1) 离子刻蚀 离子轰击工件，度的切削加工。 2) 离子溅射沉积 离子轰击靶材，层薄膜。 3) 离子镀 离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。4) 离子注入 离子束直接轰击被加工材料，工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。 2．特点及应用 离子束加工有如下特点： (1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，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，特别适宜于对易氧化的金属、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，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。 在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工加工极薄材料等某些特殊的半导体器件

将离子源产生的离子束经过加速、 (又称离子溅射辅助沉积

)、镀膜加工)等。(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料聚焦后投射到工件表面的加工部位以又称离子铣削，沉积在靶材附近的工件上，) 离子就钻入被加工材料的表层。 故在电场中加离子束加工是靠微观机械其实质是一种原子尺使工件表面镀上一(如加工空气轴承的沟槽，)、 (如 其质量比电子大数千倍乃至数万倍，就比电子束具有更大的撞击动能。

将工件表面的原子逐个剥离， 将靶材原子击出，由于离子能量相当大， 注入加工

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