機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件：特種加工

特種加工5.1電火花加工5.2電化學(xué)加工5.3激光加工5.4電子束和離子束加工5.5超聲加工習(xí)題與思考題

科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展提出了許多傳統(tǒng)切削加工方法難以完成的加工任務(wù)，如具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌度、高脆性或高熔點(diǎn)的各種難切削材料(如硬質(zhì)合金、鈦合金、耐熱鋼、淬火工具鋼、金剛石、陶瓷等)零件的加工；具有較低剛度或復(fù)雜表面的特殊零件(如薄壁件、彈性元件、有復(fù)雜曲面形狀的模具、整體渦輪、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、槍和炮管內(nèi)膛線等)的加工等。特種加工方法正是為完成這些加工任務(wù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。

特種加工方法區(qū)別于傳統(tǒng)切削加工方法，它主要利用電能、光能、聲能、化學(xué)能等進(jìn)行加工，加工過程中工件與所用工具之間沒有顯著的切削力，工具材料的硬度可以低于工件材料的硬度，因此它能加工普通切削加工不能加工的高硬度、難切削材料和復(fù)雜形狀的零件。按照能量來源、作用形式以及加工原理來劃分，常用特種加工方法主要有：電火花加工(EDM)、電化學(xué)加工(ECM)、激光加工(LBM)、電子束加工(EBM)、離子束加工(IBM)、超聲波加工(USM)、化學(xué)加工(CHM)。

5.1電

火

花

加

工

5.1.1電火花加工的基本原理及分類

1．電火花加工的原理

電火花加工是利用工具(正極)和工件(負(fù)極)之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余金屬，以達(dá)到對零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。

電火花加工原理如圖5-1所示。工件1與工具4分別與脈沖電源2的兩輸出端相連接。自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置?3?(此處為電動(dòng)機(jī)及絲杠螺母機(jī)構(gòu))使工具和工件間保持一個(gè)很小的放電間隙。當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間時(shí)，在工具端面和工件加工表面間某一間隙相對最小處或絕緣強(qiáng)度最低處擊穿介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生火花放電，由此產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使工具和工件表面都蝕除一小部分金屬，各自形成一個(gè)微小凹坑。圖5-2(a)表示單次脈沖放電后的電蝕坑。

脈沖放電結(jié)束后，經(jīng)過一段間隔時(shí)間，使工作液恢復(fù)絕緣后，下一個(gè)脈沖電壓又加到兩極上，又會(huì)在當(dāng)時(shí)極間距離相對最近或絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿放電，電蝕出一個(gè)微小凹坑。隨著高頻、連續(xù)不斷地重復(fù)放電，工具電極不斷向工件進(jìn)給，放電點(diǎn)不斷轉(zhuǎn)移，就可將工具的形狀復(fù)制在工件上，加工出所需要的零件，整個(gè)加工表面將由無數(shù)個(gè)微小凹坑所組成。圖5-2(b)表示多次脈沖放電后的電極表面。

圖5-1電火花加工原理示意圖1—工件；2—脈沖電源；3—自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4—工具；5—工作液；6—過濾器；7—工作液泵圖5-2電火花加工表面局部放大圖1—凹坑；2—凸邊

2．電火花加工的特點(diǎn)

1)電火花加工的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)適合于任何難切削導(dǎo)電材料的加工。電火花加工中材料的去除是靠放電時(shí)的電熱作用實(shí)現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及熱學(xué)特性，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、質(zhì)量、熱容等，而幾乎與其力學(xué)性能(硬度、強(qiáng)度等)無關(guān)。因此可實(shí)現(xiàn)軟的工具加工硬韌的工件，甚至可加工聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。目前電極材料多采用純銅、黃銅或石墨，工具電極較容易加工。

(2)可以加工特殊及復(fù)雜形狀的表面和零件。電火花加工中工具電極和工件電極不直接接觸，沒有顯著的機(jī)械切削力，因此適宜低剛度工件加工、微細(xì)加工。電火花加工可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，特別適用于表面形狀復(fù)雜的工件加工，如復(fù)雜型腔模具的加工等。圖5-3為電火花加工的一些零件。

(3)可實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。加工過程中的電參數(shù)較機(jī)械量易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制、自適應(yīng)控制、智能化控制，能方便地進(jìn)行粗、半精、精加工各工序，簡化工藝過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖5-3電火花加工零件

2)電火花加工的局限性

(1)主要用于加工金屬等導(dǎo)電材料，在特定條件下可以加工半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。

(2)一般加工速度較慢。通常采用切削加工來去除大部分的余量，然后再進(jìn)行電火花加工以求提高生產(chǎn)率。

(3)加工精度受限制。電火花加工中存在電極損耗，電極損耗多集中在尖角或底面，影響成型精度。近年來粗加工時(shí)已能將電極相對損耗比控制在0.1%以下，甚至更小。

(4)最小角部半徑的限制。通常電火花加工能得到的最小角部半徑略大于加工放電間隙，一般為0.02～0.03?mm，若有電極損耗或采用平動(dòng)頭加工，角部半徑還要增大。

3．電火花加工工藝方法的分類

按工具和工件相對運(yùn)動(dòng)的方式和用途的不同，電火花加工工藝大致可分為電火花穿孔成型加工、電火花線切割、電火花磨削和鏜磨、電火花同步共軛回轉(zhuǎn)加工、電火花高速小孔加工、電火花表面強(qiáng)化與刻字六大類。前五類屬電火花成型、尺寸加工，是用于改變零件形狀或尺寸的加工方法；第六類屬表面加工方法，用于改善或改變零件表面性質(zhì)。其中電火花穿孔成型加工和電火花線切割加工應(yīng)用最為廣泛。表5-1所列為電火花加工工藝方法分類及各類加工方法的特點(diǎn)和用途。

5.1.2電火花穿孔成型加工

電火花穿孔成型加工是利用火花放電腐蝕金屬的原理，用工具電極對工件進(jìn)行復(fù)制加工的工藝方法，主要用于電火花穿孔和電火花型腔加工。

穿孔加工常指貫通的等截面或變截面的二維型孔(圓孔、方孔、多邊孔、異形孔)、曲線孔(彎孔、螺旋孔)、小孔、微孔等加工的電火花加工，如圖5-4所示。穿孔加工一般應(yīng)用于沖裁模具(見圖5-5)、粉末冶金模具、拉絲模具的加工以及螺紋加工等。

圖5-4電火花穿孔加工二維型孔圖5-5冷沖模穿孔加工

型腔加工一般指三維型腔和型面加工，如擠壓模、壓鑄模、塑料模及膠木模等型腔的加工及整體式葉輪、葉片等曲面零件的加工，如圖5-6所示。

圖5-6型腔加工

5.1.3電火花線切割加工

1．電火花線切割加工原理

電火花線切割加工的基本原理是利用移動(dòng)的細(xì)金屬導(dǎo)線(一般為鉬絲、鎢絲或銅絲)作為電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電，利用數(shù)控技術(shù)使電極絲對工件作相對的橫向切割運(yùn)動(dòng)，它具有“以不變應(yīng)萬變”切割成型的特點(diǎn)，可切割成型各種二維、三維和多維表面。

根據(jù)電極絲的運(yùn)行方向和速度，電火花線切割機(jī)床通常分為兩大類：往復(fù)高速走絲(俗稱快走絲)電火花線切割機(jī)床和單向低速走絲(俗稱慢走絲)電火花線切割機(jī)床，其中快走絲速度一般為8～10m/s，慢走絲速度一般低于0.2m/s。

圖5-7所示為往復(fù)高速走絲電火花線切割工藝及機(jī)床的示意圖。利用鉬絲4作為工具電極進(jìn)行切割，卷絲筒7使鉬絲4作正反向交替移動(dòng)，加工能源由脈沖電源3供給。在電極絲和工件之間澆注工作液，工作臺在水平面兩個(gè)坐標(biāo)方向各自按預(yù)定的控制程序，根據(jù)火花間隙的狀態(tài)作伺服進(jìn)給移動(dòng)，從而合成各種曲線軌跡，將工件切割成型。

1—絕緣板；2—工件；3—脈沖電源；4—鉬絲；5—導(dǎo)向輪；6—支架；7—卷絲筒

圖5-7電火花線切割加工原理

2．電火花線切割加工的應(yīng)用范圍

電火花線切割加工為新產(chǎn)品試制、精密零件加工及模具制造開辟了一條新的工藝途徑，它主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

(1)加工模具：適用于各種形狀的沖模。模具配合間隙、加工精度通常都能達(dá)到0.01～0.02mm(快走絲線切割機(jī)床)和0.002～0.005mm(慢走絲線切割機(jī)床)的要求。此外還可以加工擠壓模、粉末冶金模、彎曲模等，也可加工帶錐度的模具。

(2)切割電火花穿孔成型加工用的電極：一般穿孔加工用的電極和帶錐度型腔加工用的電極，以及銅鎢、銀鎢合金之類的電極材料，用電火花線切割加工特別經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也適用于加工微細(xì)、形狀復(fù)雜的電極。

(3)加工零件：可用于加工品種多、數(shù)量少的零件，特殊難加工材料的零件，材料試驗(yàn)樣件以及各種型孔、型面、特殊齒輪、凸輪、樣板和成型刀具等。具有錐度切割功能的線切割機(jī)床，可以加工出“天圓地方”等上下異形面的零件，此外還可進(jìn)行微細(xì)加工以及異形槽的加工等。電火花線切割加工零件如圖5-8所示。

圖5-8電火花線切割加工零件

5.2電

化

學(xué)

加

工

電化學(xué)加工(ElectrochemicalMachining，ECM)，包括從工件上去除金屬的電解加工和向工件上沉積金屬的電鍍、涂覆、電鑄加工兩大類。

5.2.1電化學(xué)加工基本原理及分類

1．電化學(xué)加工過程

當(dāng)兩銅片接上約10?V的直流電源并插入CuCl2的水溶液(此水溶液中含有H+、OH-?和Cu2+、Cl-?等正、負(fù)離子)中時(shí)，如圖5-9所示，即形成通路。導(dǎo)線和溶液中均有電流流過，在溶液外部的導(dǎo)線中，習(xí)慣上認(rèn)為電流自電源的正極流出，而電子流則相反，自負(fù)極流出、正極流入。在金屬片(電極)和溶液的界面上，必定有交換電子的反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。

溶液中的離子將作定向移動(dòng)，Cu2+?移向陰極，在陰極上得到電子而進(jìn)行還原反應(yīng)，沉積出銅。在陽極表面，Cu原子失去電子而成為Cu2+?進(jìn)入溶液。溶液中正、負(fù)離子的定向移動(dòng)稱為電荷遷移；在陽、陰電極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)。以這種電化學(xué)作用為基礎(chǔ)對金屬進(jìn)行加工(如圖5-9所示，陽極上為電解蝕除，學(xué)術(shù)上稱為陽極溶解；陰極上為電鍍沉積，學(xué)術(shù)上稱為陰極沉積)的方法稱為電化學(xué)加工。圖5-9電解液中的電化學(xué)反應(yīng)

2．電化學(xué)加工的分類

電化學(xué)加工按其作用原理可分為三大類。第Ⅰ類是利用電化學(xué)陽極溶解來進(jìn)行加工，主要有電解加工和電解拋光等；第Ⅱ類是利用電化學(xué)陰極沉積來進(jìn)行加工，主要有電鍍、涂鍍、電鑄等；第

Ⅲ

類是利用電化學(xué)加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工工藝進(jìn)行加工，目前主要有電解磨削、電化學(xué)陽極機(jī)械加工(其中還含有電火花放電作用)，其分類情況見表5-2。

5.2.2電解加工

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)原理對工件進(jìn)行成型加工的一種方法，它是繼電火花加工之后發(fā)展較快、應(yīng)用較廣泛的一項(xiàng)新工藝。目前國內(nèi)外已經(jīng)成功地將電解加工應(yīng)用于槍炮、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等的制造工業(yè)，在汽車、拖拉機(jī)、采礦機(jī)械的模具制造中也得到應(yīng)用。

電解加工原理如圖5-10所示。工件接直流電源(10～20?V)的正極，工具電極接電源的負(fù)極，加工時(shí)，工具電極在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的控制下，向工件緩慢進(jìn)給，使兩極之間保持較小的間隙(一般為0.1～0.8?mm)。電解液(NaCl或NaNO3)以一定壓力(0.5～2.5?MPa)從工具電極和工件之間的間隙中高速流過，在電場作用下，陽極工件表面金屬產(chǎn)生陽極溶解，電解產(chǎn)物被電解液帶走，使得加工得以持續(xù)進(jìn)行，并按工具電極的形狀加工出所需要的型面。

1—電源；2—工件；3—工具電極；4—電解液；5—進(jìn)給機(jī)構(gòu)

圖5-10電解加工原理示意圖

與其他加工方法相比，電解加工具有如下特點(diǎn)：

(1)加工范圍廣，不受金屬材料本身力學(xué)性能的限制，常用于加工硬質(zhì)合金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱合金等高硬度、高強(qiáng)度及高韌度的金屬材料，并可加工葉片、鍛模等各種復(fù)雜型面。

(2)生產(chǎn)率較高，約為電火花加工的5～10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)加工質(zhì)量較好，可達(dá)到較小的表面粗糙度值(Ra?=?0.2～1.25?mm)和?±0.1?mm左右的平均加工精度。

(4)可用于加工薄壁和易變形零件。電解加工過程中工具和工件不接觸，不存在機(jī)械切削力，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，沒有飛邊毛刺。

(5)工具陰極理論上無損耗，可長期使用。

電解加工的局限性如下：

(1)不易達(dá)到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。原因是影響電解加工間隙電場和流場穩(wěn)定性的參數(shù)很多，控制比較困難；此外加工時(shí)雜質(zhì)腐蝕也比較嚴(yán)重。

(2)工具電極的設(shè)計(jì)和修正比較麻煩，很難適用于單件小批量生產(chǎn)。

(3)電解加工所需的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，且機(jī)床需要足夠的剛度和防腐蝕性能，造價(jià)較高，一次性投資較大。

(4)電解產(chǎn)物需進(jìn)行妥善處理，否則將污染環(huán)境。

電解加工可用來加工各種膛線、花鍵孔、深孔、內(nèi)齒輪、葉片、鏈輪、異形零件，并常用于倒角和去毛刺。圖5-11所示為電解加工的螺旋整體葉輪。

圖5-11螺旋整體葉輪

5.2.3電解磨削

電解磨削屬于電化學(xué)機(jī)械加工范疇，是由電解作用和機(jī)械磨削作用相結(jié)合而進(jìn)行加工的，比電解加工的加工精度高，表面粗糙度值小，比機(jī)械磨削的生產(chǎn)率高。

圖5-12為電解磨削原理圖。導(dǎo)電砂輪1與直流電源的負(fù)極相連，被加工工件?3?(硬質(zhì)合金車刀)接正極，工件在一定壓力下與導(dǎo)電砂輪相接觸。加工區(qū)域中送入電解液2，在電解和機(jī)械磨削的復(fù)合作用下，工件表面(車刀后刀面)很快被磨削，去除余量并達(dá)到一定的表面粗糙度。

圖5-12電解磨削原理圖1—導(dǎo)電砂輪；2—電解液；3—工件

圖5-13為電解磨削加工原理示意圖。圖中1為磨粒，2為導(dǎo)電砂輪的結(jié)合劑(銅或石墨)，3為被加工工件，4為電解產(chǎn)物(陽極鈍化薄膜)，間隙被電解液5充滿。電流從工件3通過電解液5流向砂輪，形成通路，于是工件(陽極)表面的金屬在電流和電解液的作用下發(fā)生電解作用(電化學(xué)腐蝕)，被氧化成為一層極薄的氧化物或氫氧化物薄膜4，一般稱它為陽極薄膜。但剛形成的陽極薄膜迅速被導(dǎo)電砂輪中的磨粒刮除，在陽極工件上又露出新的金屬表面并被繼續(xù)電解。這樣，電解作用和刮除薄膜的磨削作用交替進(jìn)行，使工件連續(xù)地被加工，直至達(dá)到一定的尺寸精度和表面粗糙度。圖5-13電解磨削加工原理示意圖1—磨粒；2—導(dǎo)電砂輪結(jié)合劑；3—工件；4—電解產(chǎn)物；5—電解液

電解磨削過程中，金屬主要靠電化學(xué)作用腐蝕下來，砂輪起磨去電解產(chǎn)物陽極薄膜和平整工件表面的作用。

電解磨削與機(jī)械磨削比較，具有以下特點(diǎn)：

(1)加工范圍廣，加工效率高。電解磨削主要是電解作用，只要選擇合適的電解液就可以用來加工任何高硬度、高韌度的金屬材料。磨削硬質(zhì)合金時(shí)，與普通金剛石砂輪磨削相比較，電解磨削的加工效率要高3～5倍。

(2)可以提高加工精度及表面質(zhì)量。因?yàn)樯拜啿⒉恢饕脕砟ハ鹘饘伲ハ髁湍ハ鳠岫己苄?，不?huì)產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋、燒傷現(xiàn)象，一般表面粗糙度值可低于Ra?=?1.6?mm。

(3)砂輪的磨損量小。如磨削硬質(zhì)合金，與普通金剛石砂輪磨削相比較，電解磨削用的金剛石砂輪的損耗速度僅為普通磨削的1/5～1/10，可顯著降低成本。

與機(jī)械磨削相比，電解磨削的不足之處是：所加工的刀具刃口不易磨得非常鋒利；機(jī)床、夾具等需要采取防銹防腐蝕措施；還需增加抽風(fēng)、排氣裝置，以及直流電源和電解液過濾、循環(huán)裝置等附屬設(shè)備。

電解磨削集中了電解加工和機(jī)械磨削的優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中已用來磨削一些高硬度的零件，如各種硬質(zhì)合金刀具、量具、擠壓及拉絲模具、軋輥等。在普通磨削很難加工的小孔、深孔、薄壁筒、細(xì)長桿零件的加工中，電解磨削顯示出優(yōu)越性。

5.3激光加工

5.3.1激光加工的原理

激光加工是一種重要的高能束加工方法，是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。

它利用激光高強(qiáng)度、高亮度、方向性好(激光束的發(fā)散角極小)、單色性好(波長和頻率單一)的特性，通過一系列的光學(xué)系統(tǒng)，聚焦成一個(gè)極小的光斑(直徑幾微米至幾十微米)，以獲得極高的能量密度(108～1010W/cm2)，照射到材料上，并在極短的時(shí)間內(nèi)(千分之幾秒，甚至更短)使光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，被照部位迅速升溫，材料發(fā)生氣化、熔化、金相組織變化以及產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，達(dá)到加熱和去除材料的目的。激光加工時(shí)，為了達(dá)到各種加工要求(如切割)，激光束與工件表面需要作相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)光斑尺寸、功率以及能量要求可調(diào)。

激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)四大部分，如圖5-14所示。激光器(常用的有固體激光器和氣體激光器)是激光加工的核心設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)化為光能，產(chǎn)生所需的激光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，照射在工件上進(jìn)行加工。工件固定在三坐標(biāo)精密工作臺上，由數(shù)控系統(tǒng)控制和驅(qū)動(dòng)，完成加工所需的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖5-14激光加工原理示意圖1—激光發(fā)生器；2—反射鏡；3—聚焦鏡；4—工件；5—工作臺；6—電源

5.3.2激光加工的特點(diǎn)

激光加工具有以下特點(diǎn)：

(1)激光加工的功率密度很高，高達(dá)108～1010W/cm2，幾乎可加工任何難加工的金屬和非金屬材料，如高熔點(diǎn)材料、耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆材料。

(2)激光光斑的大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調(diào)節(jié)，因此可用于精密微細(xì)加工。

(3)激光加工所用工具是激光束，是非接觸加工，因此無明顯機(jī)械力，無工具損耗，加工速度快，熱影響區(qū)小，容易實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化。

(4)和電子束加工等相比，激光加工裝置比較簡單，不要求復(fù)雜的抽真空裝置。

(5)激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、氣化的熱加工，影響因素多，因此精微加工時(shí)，精度尤其是重復(fù)精度和表面粗糙度不易保證。

(6)激光加工中會(huì)產(chǎn)生一些金屬氣體及火星等飛濺物，要注意及時(shí)通風(fēng)抽走，操作者應(yīng)戴防護(hù)眼鏡。

5.3.3激光加工的主要應(yīng)用

激光加工的應(yīng)用極其廣泛，在打孔、切割、焊接以及表面淬火、沖擊強(qiáng)化、表面合金化、表面熔覆等表面處理的眾多加工領(lǐng)域都得到成功的應(yīng)用。近十年來，激光加工還被應(yīng)用于快速成型、三維去除加工、微納米加工中，激光加工的發(fā)展日新月異。

1．激光打孔

激光打孔具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用激光幾乎可在任何材料上打微型小孔，目前已應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、化學(xué)纖維噴絲板打孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模打孔等。圖5-15、圖5-16所示為激光打孔應(yīng)用實(shí)例。

圖5-15激光打孔加工

圖5-16激光打孔件

2．激光切割

激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫質(zhì)量好、熱影響區(qū)域小、加工柔性好、可實(shí)現(xiàn)眾多復(fù)雜零件的切割等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣。激光切割廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。由于激光對被切割材料幾乎不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體等既硬又脆的材料；再加上激光光斑小，切縫窄，且便于自動(dòng)控制，更適宜于對細(xì)小部件作各種精密切割。

目前激光切割主要應(yīng)用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機(jī)框架、尾翼壁板、飛機(jī)主旋翼、汽車車架等切割。圖5-17、圖5-18所示為激光切割應(yīng)用實(shí)例。

圖5-17激光切割加工

圖5-18激光切割件

3．激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)：無機(jī)械接觸、焊接速度快，生產(chǎn)效率高，熱影響區(qū)小，焊縫質(zhì)量高；同時(shí)激光束不受電磁干擾，適宜于磁性材料的焊接；焊接時(shí)不需要真空室，不產(chǎn)生X射線，對人體危害較??；此外激光束控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。激光焊接已在航空航天、汽車、船舶、電子輕工等領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛，以汽車工業(yè)為例，歐洲50%～70%的汽車零部件采用了激光焊接技術(shù)。圖5-19所示為激光焊接汽車頂棚。

圖5-19激光焊接汽車頂棚

4．激光刻蝕打標(biāo)記

小功率的激光束可用于對金屬或非金屬表面進(jìn)行刻蝕打標(biāo)，加工出文字或工藝美術(shù)圖案。激光打標(biāo)廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽車配件、醫(yī)療器械、通信器材、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。

5.4電子束和離子束加工

5.4.1電子束加工

1．電子束加工的原理電子束加工(EBM)是近年來得到較快發(fā)展的新興特種加工。電子束加工原理如圖5-20所示。在真空條件下，由電子槍2射出的高速運(yùn)動(dòng)的電子束3經(jīng)電磁透鏡4聚焦后轟擊工件表面，在轟擊處形成局部高溫，使材料瞬時(shí)熔化和氣化，達(dá)到去除材料或使材料改性的目的。

電磁透鏡實(shí)際上是一個(gè)通以直流電的多匝線圈，利用其產(chǎn)生的磁場力的作用使電子束聚焦。偏轉(zhuǎn)器也是一個(gè)多匝線圈，通以不同的交變電流產(chǎn)生不同的磁場，改變電子束的方向。如果使偏轉(zhuǎn)電流按一定程序變化，電子束便將按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。電子束加工必須在真空中進(jìn)行，因?yàn)橹挥性诟哒婵罩校娮硬拍芨咚龠\(yùn)動(dòng)。此外加工時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽會(huì)影響電子發(fā)散，必須不斷地將金屬蒸汽抽出去。

圖5-20電子束加工原理示意圖1—高速加壓；2—電子槍；3—電子束；4—電磁透鏡；5—偏轉(zhuǎn)器；6—反射鏡；7—加工室；8—工件；9—工作臺及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；10—窗口；11—觀察系統(tǒng)

控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可以進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；提高電子束的能量密度以使材料熔化和氣化，就可進(jìn)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(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。

2．電子束加工的特點(diǎn)

(1)由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，甚至能聚焦到0.1mm，所以加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。

(2)電子束的能量密度很高，是一種非接觸式加工，工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。被加工材料范圍很廣，對脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可進(jìn)行加工。

(3)電子束的能量密度高，加工生產(chǎn)率很高。如每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。

(4)可以通過磁場或電場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(5)由于電子束加工是在真空中進(jìn)行的，因而污染少，加工表面不會(huì)氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

(6)電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。

電子束加工按功率密度和能量注入時(shí)間的不同，可用于打孔、切割、刻蝕、焊接、熱處理和光刻加工等。圖5-21為電子束加工的應(yīng)用實(shí)例。

圖5-21電子束加工的產(chǎn)品

5.4.2離子束加工

1．離子束加工的原理

離子束加工原理和電子束加工類似，也是在真空條件下，使離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，而后撞擊到工件表面上。不同之處在于離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍，所以當(dāng)離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來加工的。

圖5-22所示為離子束加工示意圖。惰性氣體由入口3注入電離室，灼熱的燈絲2發(fā)射電子，電子在陽極的吸引和電磁線圈的偏轉(zhuǎn)作用下，作高速向下螺旋運(yùn)動(dòng)。惰性氣體在高速電子撞擊下被電離為離子。陽極9與陰極8各有數(shù)百個(gè)直徑為0.3?mm的小孔，上下位置對齊，形成數(shù)百條較準(zhǔn)直的離子束5，均勻分布在直徑為50?mm的小圓面積上。調(diào)整加速電壓，可以得到不同速度的離子束，實(shí)施不同的加工。

圖5-22離子束加工示意圖1—真空抽氣口；2—燈絲；3—惰性氣體注入口；4—電磁線圈；5—離子束；6—工件；7、8—陰極；9—陽極；10—電離室

2．離子束加工的分類

離子束加工按照其所利用的物理效應(yīng)達(dá)到目的的不同，可以分為四類，即利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子刻蝕、離子濺射沉積和離子鍍，以及利用注入效應(yīng)的離子注入。

3．離子束加工的特點(diǎn)和應(yīng)用

(1)由于離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，電子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子刻蝕可以達(dá)到納米級的加工精度，離子鍍膜可以控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。因此離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法，是當(dāng)代納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。

(2)由于離子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，特別適用于易氧化的金屬、合金材料以及純度半導(dǎo)體材料的加工。

(3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，它是一種微觀作用，宏觀應(yīng)力很小，故加工應(yīng)力、熱變形極小，加工質(zhì)量高，適用于對各種材料和低剛度零件進(jìn)行加工。

(4)離子束加工設(shè)備費(fèi)用高，成本高，加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定的限制。

離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大，不斷創(chuàng)新，目前離子束加工主要應(yīng)用于刻蝕、鍍膜和離子注入加工。

離子刻蝕可用于加工陀螺儀空氣軸承和動(dòng)壓馬達(dá)上的溝槽；也可用于刻蝕高精度的圖形，如集成電路、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件的亞微米圖形。

離子鍍的可鍍材料范圍廣泛，不論金屬、非金屬表面均可鍍制金屬或非金屬薄膜，離子鍍已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。

離子注入是制作各種特殊要求的半導(dǎo)體器件和大面積集成電路的重要方法，國內(nèi)外都普遍應(yīng)用。此外利用離子注入還可改變金屬表面的物理化學(xué)性能，從改善金屬表面的耐蝕性、抗疲勞性、潤滑性和耐磨性等。

5.5超聲加工

超聲加工(UltrasonicMachining，USM)有時(shí)也稱為超聲波加工，不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等硬脆材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時(shí)還可以用于清洗、焊接和探傷等。

5.5.1超聲加工的基本原理

超聲加工是利用超聲頻(16～25kHz)振動(dòng)的工具端面沖擊工作液中的懸浮磨粒，由磨粒對工件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)對工件加工的一種方法，其加工原理如圖5-23所