重慶科創(chuàng)學院課件-其他特種加工技術(shù)課件

1、第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章 其他特種加工技術(shù)7.1 電化學加工技術(shù)電化學加工技術(shù)7.2 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)7.3 超聲波加工技術(shù)超聲波加工技術(shù)7.4 其他常用特種加工技術(shù)其他常用特種加工技術(shù)習題習題第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1 電化學加工技術(shù)7.1.1 電化學加工的原理與特點1. 電化學加工的原理圖7-1所示為電化學加工的原理。兩片金屬銅(Cu)板浸在導電溶液，例如氯化銅(CuCl2)的水溶液中，此時水(H2O)離解為氫氧根負離子OH和氫正離子H+，CuCl2離解為兩個氯負離子2Cl和二價銅正離子Cu2+。當兩個銅片接上直流電形成導電通路

2、時，導線和溶液中均有電流流過，在金屬片(電極)和溶液的界面上就會有交換電子的反應，即電化學反應。溶液中的離子將作定向移動，Cu2+正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進行還原反應，沉積出銅。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)在陽極表面Cu原子失掉電子而成為Cu2+正離子進入溶液。溶液中正、負離子的定向移動稱為電荷遷移。在陽、陰電極表面發(fā)生得失電子的化學反應稱為電化學反應。這種利用電化學反應原理對金屬進行加工(圖7-1中陽極上為電解蝕除，陰極上為電鍍沉積，常用以提煉純銅)的方法即電化學加工。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-1 電解(電鍍)液中的電化學反應ieei2

3、11陽極；2陰極OHClHCu2第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2. 電化學加工的分類電化學加工有三種不同的類型。第類是利用電化學反應過程中的陽極溶解來進行加工，主要有電解加工和電化學拋光等；第類是利用電化學反應過程中的陰極沉積來進行加工，主要有電鍍、電鑄等；第 類是利用電化學加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學復合加工工藝進行加工，目前主要有電解磨削、電化學陽極機械加工(其中還含有電火花放電作用)。電化學加工的類別如表7-1所示。本節(jié)主要介紹電解加工、電鑄成型、電解磨削，其它的電化學加工請參考相關(guān)資料。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)表7-1 電化學加工分類類別 加

4、工方法及原理 應 用 電解加工(陽極溶解) 電化學拋光(陽極溶解) 用于形狀尺寸加工 用于表面加工 電鍍(陰極沉積) 電鑄(陰極沉積) 用于表面加工 用于形狀尺寸加工 電極磨削(陽極溶解、機械磨削) 電解放電加工(陽極溶解、電火花蝕除) 用于形狀尺寸加工 用于形狀尺寸加工 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3. 電化學加工的適用范圍電化學加工的適用范圍，因電解和電鍍兩大類工藝的不同而不同。電解加工可以加工復雜成型模具和零件，例如汽車、拖拉機連桿等各種型腔鍛模，航空、航天發(fā)動機的扭曲葉片，汽輪機定子、轉(zhuǎn)子的扭曲葉片，炮筒內(nèi)管的螺旋“膛線”(來復線)，齒輪、液壓件內(nèi)孔的電解去毛刺及擴孔

5、、拋光等。電鍍、電鑄可以復制復雜、精細的表面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.2 電解加工1電解加工的原理及特點1) 基本原理電解加工是利用金屬在電解液中的“電化學陽極溶解”來將工件成型的。如圖7-2所示，在工件(陽極)與工具(陰極)之間接上直流電源，使工具陰極與工件陽極間保持較小的加工間隙(0.10.8 mm)，間隙中通過高速流動的電解液。這時，工件陽極開始溶解。開始時，兩極之間的間隙大小不等，間隙小處電流密度大，陽極金屬去除速度快；而間隙大處電流密度小，去除速度慢。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)隨著工件表面金屬材料的不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進給，

6、溶解的電解產(chǎn)物不斷地被電解液沖走，工件表面也就逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，如此下去直至將工具的形狀復制到工件上。 圖7-2 電解加工原理圖12345VA1直流電源；2工具電極；3工件陽極；4電解液泵；5電解液第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 特點電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點:(1) 能加工各種硬度和強度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強度多大，都可加工。(2) 生產(chǎn)率高，約為電火花加工的510倍，在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。(3) 表面質(zhì)量好，電解加工不產(chǎn)生殘余應力和變質(zhì)層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺

7、。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達0.21.25 m。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) (4) 陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。電解加工當前存在的主要問題是加工精度難以嚴格控制，尺寸精度一般只能達到0.150.30 mm。此外，電解液對設備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。2. 電解加工設備電解加工的基本設備包括直流電源、機床及電解液系統(tǒng)三大部分。1) 直流電源電解加工常用的直流電源為硅整流電源和晶閘管整流電源，其主要特點及應用見表7-2。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)表7-2 直流電源的特點及應用分 類 特 點 應用場合 硅整流電源 1可靠性、穩(wěn)定性好

8、； 2調(diào)節(jié)靈敏度較低； 3穩(wěn)壓精度不高 國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場占一定比例 晶閘管電源 1靈敏度高，穩(wěn)壓精度高； 2效率高，節(jié)省金屬材料； 3穩(wěn)定性、可靠性較差 國外生產(chǎn)中普遍采用， 也占相當比例 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 機床電解加工機床的任務是安裝夾具、工件和陰極工具，并實現(xiàn)其相對運動，傳送電和電解液。電解加工過程中雖沒有機械切削力，但電解液對機床主軸和工作臺的作用力是很大的，因此要求機床要有足夠的剛性；要保證進給系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果進給速度不穩(wěn)定，陰極相對工件的各個截面的電解時間就不同，影響加工精度；電解加工機床經(jīng)常與具有腐蝕性的工作液接觸，因此機床要有好的防腐措施和安全措施

9、。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3) 電解液系統(tǒng)在電解加工過程中，電解液不僅作為導電介質(zhì)傳遞電流，而且在電場的作用下進行化學反應，使陽極溶解能順利而有效地進行，這一點與電火花加工的工作液的作用是不同的。同時電解液也擔負著及時把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走的任務，起到更新和冷卻的作用。電解液可分為中性鹽溶液、酸性鹽溶液和堿性鹽溶液三大類。其中中性鹽溶液的腐蝕性較小，使用時較為安全，故應用最廣。常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三種。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)NaCl 電解液價廉易得，對大多數(shù)金屬而言，其電流效率均很高，加工過程中損耗小并可

10、在低濃度下使用，應用很廣。其缺點是電解能力強，散腐蝕能力強，使得離陰極工具較遠的工件表面也被電解，成型精度難于控制，復制精度差；對機床設備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 NaNO3電解液在濃度低于30%時，對設備、機床腐蝕性很小，使用安全。但生產(chǎn)效率低，需較大電源功率，故適用于成型精度要求較高的工件加工。NaClO3電解液的散蝕能力小，故加工精度高，對機床、設備等的腐蝕很小，廣泛地應 用 于 高 精 度 零 件 的 成 型 加 工 。 然 而 ，NaClO3是一種強氧化劑，雖不自燃，但遇熱分解的氧氣能助燃，因此使用時要注意防火安全。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種

11、加工技術(shù)3. 電解加工應用日前，電解加工主要應用在深孔加工、葉片(型面)加工、鍛模(型腔)加工、管件內(nèi)孔拋光、各種型孔的倒圓和去毛刺、整體葉輪的加工等方面。圖7-3是用電解加工整體葉輪，葉輪上的葉片是采用套料法逐個加工的。加工完一個葉片，退出陰極，經(jīng)分度后再加工下一個葉片。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-3 電解加工整體葉輪空心水套管葉片陰極片分度陰極片進給電解液第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.3 電鑄成型1電鑄成型原理及特點1) 成型原理與大家熟知的電鍍原理相似，電鑄成型是利用電化學過程中的陰極沉積現(xiàn)象來進行成型加工的，即在原模上通過電化學方法沉積金

12、屬，然后分離以制造或復制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時要求得到與基體結(jié)合牢固的金屬鍍層，以達到防護、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠大于電鍍層。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)電鑄原理如圖7-4所示，在直流電源的作用下，金屬鹽溶液中的金屬離子在陰極獲得電子而沉積在陰極母模的表面。陽極的金屬原子失去電子而成為正離子，源源不斷地補充到電鑄液中，使溶液中的金屬離子濃度保持基本不變。當母模上的電鑄層達到所需的厚度時取出，將電鑄層與型芯分離，即可獲得型面與型芯凹、凸相反的電鑄模具型腔零件的成型表面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-4 電鑄

13、成型的原理45636 V789101231鍍槽；2陽極；3蒸餾水瓶；4直流電源；5加熱管；6恒溫裝置；7溫度計；8母模；9電鑄層；10玻璃管第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 特點(1) 復制精度高，可以做出機械加工不可能加工出的細微形狀(如微細花紋、復雜形狀等)，表面粗糙度Ra可達0.1 m，一般不需拋光即可使用。(2) 母模材料不限于金屬，有時還可用制品零件直接作為母模。(3) 表面硬度可達3550HRC，所以電鑄型腔使用壽命長。(4) 電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導電性能，十分有利于電加工。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)(5

14、) 電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周左右。(6) 電鑄層厚度不易均勻，且厚度較薄，僅為48 mm左右。電鑄層一般都具有較大的應力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應用受到一定的限制。2電鑄設備鑄設備(如圖7-4所示)主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1) 電鑄槽電鑄槽材料的選取以不與電解液作用引起腐蝕為原則。一般用鋼板焊接，內(nèi)襯鉛板或聚氯乙烯薄板等。2) 直流電源電鑄采用低電壓大電流的直流電源。常用硅整流，電壓為612 V左右，并可調(diào)。3) 攪拌和循環(huán)過濾系

15、統(tǒng)為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時間，提高生產(chǎn)速度，最好在陰極運動的同時加速溶液的攪拌。攪拌的方法有循環(huán)過濾法、超聲波或機械攪拌等。循環(huán)過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復流動時進行過濾。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)4) 恒溫控制系統(tǒng) 電鑄時間很長，所以必須設置恒溫控制設備。它包括加熱設備(加熱玻璃管、電爐等)和冷卻設備(冷水或冷凍機等)。3電鑄的應用電鑄具有極高的復制精度和良好的機械性能，已在航空、儀器儀表、精密機械、模具制造等方面發(fā)揮日益重要的作用。圖7-5為刻度盤模具型腔電鑄過程。其中圖(a)為電鑄過程中的陰極母模簡圖，圖(b)為母模進行引導

16、線及包扎絕緣處理圖，圖(c)為電鑄，圖(d)為電鑄產(chǎn)品后處理圖。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-5 刻度盤模具型腔電鑄過程106M3628145759056(a)(b)123450.91.11020(c)8(d)1671母模；2絕緣板；3螺釘；4導電桿；5塑料管；6鑄件；7銅套；8芯軸1.0第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.4 電解磨削1加工原理及特點1) 加工原理電解磨削是電解加工的種特殊形式，是電解與機械的復合加工方法。它是靠金屬的溶解(占95%98%)和機械磨削(占2%5%)的綜合作用來實現(xiàn)加工的。加工原理如圖7-6所示。加工過程中，磨輪(砂輪)不

17、斷旋轉(zhuǎn)，磨輪上凸出的砂粒與工件接觸，形成磨輪與工件間的電解間隙。電解液不斷供給，磨輪在旋轉(zhuǎn)中，將工件表面由電化學反應生成的鈍化膜除去，繼續(xù)進行電化學反應，如此反復不斷，直到加工完畢。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)電解磨削的陽極溶解機理與普通電解加工的陽極溶解機理是相同的。不同之處在于：電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠磨輪的機械加工去除的，電解液腐蝕力較弱；而一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞(不斷溶解)或靠活性離子(如氯離子)進行活化，再由高速流動的電解液沖刷帶走的。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-6 電解磨削加工原理圖768543219

18、1251311101直流電源；2絕緣主軸；3磨輪；4電解液噴嘴；5工件；6電解液泵；7電解液箱；8機床本體；9工作臺；10磨料；11結(jié)合劑；12電解間隙；13電解液第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 特點(1) 磨削力小，生產(chǎn)率高。這是由于電解磨削具有電解加工和機械磨削加工的優(yōu)點。(2) 加工精度高，表面加工質(zhì)量好。因為電解磨削加工中，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產(chǎn)生的磨削力較小，不會產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋等現(xiàn)象，故加工工件的表面質(zhì)量好。(3) 設備投資較高。其原因是電解磨削機床需加電解液過

19、濾裝置、抽風裝置、防腐處理設備等。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2電解磨削的應用 電解磨削廣泛應用于平面磨削、成型磨削和內(nèi)外圓磨削。圖7-7(a)、(b)分別為立軸矩臺平面磨削、臥軸矩臺平面磨削的示意圖。圖7-8為電解成型磨削示意圖，其磨削原理是將導電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進行預先成型，然后進行電解磨削。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-7 平面磨削示意圖 (a)(b)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) 圖7-8 電解成型磨削原理圖213451絕緣層；2磨輪；3噴嘴；4工件；5加工電源第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.2 激光

20、加工技術(shù)1. 激光加工的原理與特點1) 激光加工的原理激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強度高，故可以使其焦點處的功率密度達到1071011 W/cm2，溫度可達10 000以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強的沖擊。因此，激光加工(如圖7-9所示)是工件在光熱效應下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-9 激光加工示意圖1234561激光器；2激光束；3全反射棱鏡；4

21、聚焦物鏡；5工件；6工作臺第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 激光加工的特點激光加工的特點主要有以下幾個方面：(1) 幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。 (2) 激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。(3) 可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點進行加工。 (4) 加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。 (5) 無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2. 激光加工基本設備及其組成部分激光加工的基本設備由激光器、導光聚焦系統(tǒng)

22、和加工機(激光加工系統(tǒng))三部分組成。1) 激光器激光器是激光加工的重要設備，它的任務是把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器四大類。由于He-Ne(氦氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機械制造的精密測量中被廣泛采用。而在激光加工中則要求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳氣體激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 導光聚焦系統(tǒng)根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種從激光器

23、輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為導光聚焦系統(tǒng)。3) 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標范圍內(nèi)移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多激光加工系統(tǒng)已采用計算機來控制工作臺的移動，實現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3. 激光加工的應用1) 激光打孔隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點高的材料應用越來越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機中的燃料噴嘴等。這類加工任務，用常規(guī)的機械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完

24、成任務。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) 激光打孔中，要詳細了解打孔的材料及打孔要求。從理論上講，激光可以在任何材料的不同位置，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一臺打孔機，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，最好要對現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進行充分的了解，以確定能否打孔。激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時間、焦距與發(fā)散角、焦點位置、光斑內(nèi)能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關(guān)。在實際加工中應合理選擇這些工藝參數(shù)。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 激光切割激光切割(如圖7-10所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動。在

25、實際加工中，采用工作臺數(shù)控技術(shù)，可以實現(xiàn)激光數(shù)控切割。激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細切割，也可采用YAG激光器。 激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對被切割材料不產(chǎn)生機械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，故在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)平面鏡激光束輔助氣體鈦合金噴嘴聚焦透鏡激光器圖7-10 CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)激光切割過程中，影響激光切割參數(shù)的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。 3) 激光打標激光打標是指

26、利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標志(如圖7-11所示)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-11 振鏡式激光打標原理激光束光束準直振鏡Y軸馬達透鏡第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產(chǎn)生內(nèi)應力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標刻速度快，運行成本低，無污染，可顯著提高被標刻產(chǎn)品的檔次。 激光打標廣泛應用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通訊器材

27、、計算機外圍設備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)4) 激光焊接當激光的功率密度為105107 W/cm2，照射時間約為1/100 s左右時，可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖7-12所示。 激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進行焊接。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-12 激光焊接過程示意圖12341激光；2被焊接零件；3被熔化金屬；4已冷卻的熔池第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-13 激光表面強化處理

28、應用實例淬硬表面淬硬表面(a) 圓錐表面(b) 鑄鐵凸輪軸表面第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)5) 激光表面處理當激光的功率密度約為103105 W/cm2時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.71.1 mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強化問題。圖7-13為激光表面淬火處理應用實例。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.3 超聲波加工技術(shù)1超聲波加工的原理與特點1) 加工原理超聲波加工是利用振動頻率超過16 000 Hz的工具頭，通過懸浮液磨料對工件進行成型加工的一種方法，其加工

29、原理如圖7-14所示。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-14 超聲波加工原理圖加工力工具工件振動方向磨料工作液工具振幅第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)當工具以16 000 Hz以上的振動頻率作用于懸浮液磨料時，磨料便以極高的速度強力沖擊加工表面；同時由于懸浮液磨料的攪動，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超聲振動而產(chǎn)生交變的沖擊波和“空化現(xiàn)象”。所謂空化現(xiàn)象，是指當工具端面以很大的加速度離開工件表面時，加工間隙內(nèi)形成負壓和局部真空，在磨料液內(nèi)形成很多微空腔；當工具端面以很大的加速度接近工件表面時，空泡閉合，引起極強的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)

30、生局部疲勞，引起顯微裂紋。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不斷進行，工具的形狀就逐漸“復制”在工件上。由此可見，超聲波加工是磨粒的機械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進行超聲波加工。2) 特點超聲波加工的主要特點如下：(1) 適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對較低。 (2) 由于工具材料硬度很高，故易于制造形狀復雜的型孔。第七章第七章 其他特種加工技

31、術(shù)其他特種加工技術(shù) (3) 加工時宏觀切削力很小，不會引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達0.2 m，加工精度可達0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。 (4) 加工機床結(jié)構(gòu)和工具均較簡單，操作維修方便。 (5) 生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2. 超聲波加工設備 超聲波加工裝置如圖7-15所示。盡管不同功率大小、不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設備在結(jié)構(gòu)形式上各不相同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)(聲學部件)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-15 超聲

32、波加工裝置123456781冷卻器；2磨料懸浮液抽出；3工具；4工件；5磨料懸浮液送出；6變幅桿；7換能器；8高頻發(fā)生器第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1) 高頻發(fā)生器 高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供給工具往復運動和加工工件的能量。2) 聲學部件 聲學部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機械振動，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學部件主要由換能器、振幅擴大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為機械振動；振幅擴大棒又稱變幅桿，其作用是將振幅放大。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)由于換能器材料伸縮變形量很小，

33、在共振情況下也超不過0.0050.01 mm，而超聲波加工卻需要0.010.1 mm的振幅，因此必須用上粗下細(按指數(shù)曲線設計)的變幅桿放大振幅。變幅桿應用的原理是：因為通過變幅桿的每一截面的振動能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會增大。 變幅桿的常見形式如圖7-16所示，加工中工具頭與變幅桿相連，其作用是將放大后的機械振動作用于懸浮液磨料對工件進行沖擊。工具材料應選用硬度和脆性不很大的韌性材料，如45#鋼，這樣可以減少工具的相對磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個加工間隙值(略大于磨料直徑)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)(a) 錐形(b) 指數(shù)形(c

34、) 階梯形圖7-16 幾種形式的變幅桿 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3) 機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng) 超聲波加工機床的本體一般很簡單，包括支撐聲學部件的機架、工作臺面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進給機構(gòu)等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時用煤油或機油。磨料的粒度大小取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3超聲波加工的應用超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能加工半導體、非導體的脆硬材料，如玻璃、石英、

35、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。在實際生產(chǎn)中，超聲波廣泛應用于型(腔)孔加工(如圖7-17所示)、切割加工(如圖7-18所示)、清洗(如圖7-19所示)等方面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-17 超聲波加工的型孔、腔孔類型(a) 加工圓孔(b) 加工型腔(c) 加工異形孔(d) 套料加工(e) 加工微細孔第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-18 超聲波切割加工 123454321(a) 超聲切割單晶硅片示意圖1變幅桿；2工具(薄鋼片)；3磨料液；4工件(單晶硅)(b) 刀具1變幅桿；2焊縫；3鉚釘；4導向片；5軟鋼刀片(c) 切割成的陶瓷模塊第七章第七章 其他特

36、種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-19 超聲波清洗裝置1234567891清洗槽；2變幅桿；3壓緊螺釘；4壓電陶瓷換能器；5鎳片()；6鎳片()；7接線螺釘；8墊圈；9鋼墊塊第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.4 其他常用特種加工技術(shù)7.4.1 電子束加工1. 加工原理 電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的，如圖7-20所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發(fā)而去除。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-20 電子束加工原理電子槍系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)電子束工件抽真空系統(tǒng)電源及控制系

37、統(tǒng)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學變化的原理，即可進行電子束光刻加工。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2特點與應用電子束加工的特點如下：(1) 電子束能夠極其微細地聚焦(可達l0.1 m)，故可進行微細加工。(2) 加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時熔化、汽化且機械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應力，故能加工各種力學性能的導體、半導體和非導體材料。 (3) 加工在真空中進行，污染少，加工表面不易被氧化。(4) 電子束加工需要整套的專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技