07机械制造与夹具教案.docx

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1、第7章 现代制造技术第7章 现代制造技术教学目标与要求 了解现代制造技术的发展水平与趋势 了解特种加工技术的原理、特点及应用 了解现代制造生产模式及其发展趋势教学重点 现代制造技术的发展水平与趋势 特种加工技术的原理、特点及应用7.1 现代制造技术概述与传统制造技术比较，现代制造技术具有如下特征。（1）系统性由于计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术和先进管理等技术的引入，并与传统制造技术的结合，现代制造技术成为一个能够驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程；而传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流。（2）广泛性传统制造技术通常只是指将原材料变为成品的各种加工工艺；而

2、现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维护的整个过程，成为“市场设计开发加工制造市场”的大系统。（3）集成性传统制造技术的学科专业单一、独立，相互间界限分明；而现代制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科制造系统工程。（4）动态性现代制造技术是针对一定的应用目标，不断吸收各种高新技术而逐渐形成和发展起来的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期、不同的国家和地区，现代制造技术有其自身不同的特点、重点、目标和内容。（5）实用性现代制造技术的发

3、展是针对某一具体的制造需求而发展起来的先进、实用的技术，有着明确的需求导向。现代制造技术不是以追求技术的高新度为目的，而是注重产生最好的实践效果，以促进国家经济的快速增长和提高企业的综合竞争力。7.2 现代制造工艺技术7.2.1 现代制造工艺现代制造工艺的发展主要表现在如下几个方面。（1）制造加工精度不断提高随着制造工艺技术的进步与发展，机械制造加工精度得到不断提高。18世纪，加工第1台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1mm；19世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm；20世纪初，由于能够测量0.001mm千分尺和光学比较仪的问世，加工精度向微米级过渡，成为机械加工精度发展的转折点；到了20

4、世纪50年代末，实现了微米级的加工精度；在最近的一二十年内，机械制造加工精度提高了12个数量级，有了较快的发展，达到10nm的技术水平。现在测量超大规模集成电路所用的电子探针，其测量精度已达到0.25nm。预计在不远的将来，可实现原子级的加工和测量。（2）切削加工速度迅速提高随着刀具材料的发展和变革，在近一个世纪时期内，切削加工速度提高了一百至数百倍。20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于200，所允许的切削速度不超过10m/min；20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500600，可允许的切削速度为3040m/min；到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具

5、的耐热温度达到8001000，切削速度很快提高到每分钟数百米。随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼刀具，切削速度达到每分钟一千米至数千米。 （3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战：一方面迫使在通常机械加工工艺方法中要不断改善刀具材料的切削性能，改进机械加工制造设备，使之满足新材料的机械加工要求；另一方面探求应用更多的物理、化学、材料科学的现代知识来开发新型的制造工艺，以便更有效地适应新型工程材料的加工。（4）自动化和数字

6、化工艺装备的发展提高了机械加工的效率由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量。（5）零件毛坯成型在向少、无余量方向发展零件毛坯成型是机械制造的第1道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺。随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成型精度向少、无余量方向发展，使成型的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配。因而，出现了熔模精密铸造、

7、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺。（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技术。虽然人们使用表面技术已有悠久的历史，然而形成一门表面工程独立学科只是近20年的事。7.2.2 超精密加工技术超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工可以划分如下。（1）一般加工加工精度在10mm左右、表面

8、粗糙度Ra值在0.30.8mm的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。一般加工适用于汽车、拖拉机和机床等产品的制造。（2）精密加工加工精度在100.1mm、表面粗糙度Ra值在0.30.03mm的加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。精密加工适用于精密机床、精密测量仪器等产品中的关键零件的加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。（3）超精密加工加工精度在0.10.01mm、表面粗糙度Ra值在0.030.05mm的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。超精密加工适用于精密元件、计量标准元件、大规

9、模和超大规模集成电路的制造。目前，超精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。（4）纳米加工加工精度高于10-3mm（纳米，1nm=10-3mm）、表面粗糙度Ra值小于0.005mm的加工技术，其加工方法大多已不是传统的机械加工方法，而是诸如原子、分子单位加工等方法。1超精密切削加工技术（1）超精密切削对刀具的要求 为实现超精密切削，刀具应具有如下的性能。 极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径r值极小，能实现超薄的切削厚度。 刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面。 与工件材料的抗黏结性

10、好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。（2）金刚石刀具的性能特征 目前超精密切削刀具用的金刚石为大颗粒（0.51.5克拉，1克拉=200mg）、无杂质、无缺陷、浅色透明的优质天然单晶金刚石，它具有如下的性能特征。 具有极高的硬度，其硬度达到600010000HV；而TiC仅为3200HV；WC为2400HV。 能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。普通切削刀具的刃口圆弧半径只能磨到530mm，而天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米，没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度。 热化学性能优越，具有导热性能好、与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。 耐磨性好，

11、刀刃强度高。金刚石摩擦系数小，与铝之间的摩擦系数仅为0.060.13，如切削条件正常，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。因此，天然单晶金刚石虽然昂贵，但被一致公认为是理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料。（3）超精密切削时的最小切削厚度超精密切削实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接有关。图7-1 极限切削厚度与刃口半径r的关系极限最小切削厚度hDmin与刀具刀刃锋锐度（即刃口半径r）关系如图7-1所示。图中A为极限临界点，在A点以上被加工材料将堆积起来形成切屑，而在A点以下，加工材料经弹性变形形成加工表面。A点的位置可由切削变形剪切角q

12、 确定，剪切角q 又与刀具材料的摩擦系数m有关：当=0.12时，可得hDmin= 0.322r；当=0.26时，可得hDmin= 0.249r。由最小切削厚度hDmin与刃口半径r的关系式可知，若能正常切削hDmin=1nm，要求所用金刚石刀具的刃口半径r 应为34nm。国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可以小到数个纳米的水平；而国内生产中使用的金刚石刀具，刃口半径r=0.20.5mm，特殊精心研磨可以达到r=0.1mm。2超精密磨削加工技术所谓超精密磨削加工，是指加工精度达到或高于0.1mm、表面粗糙度Ra值低于0.025mm的一种亚微米级并正向纳米级发展的加工方法。超精密磨削的关键

13、在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。（1）超精密磨削砂轮在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金时有较大的优势。由于金刚石易于与铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对于硬而韧的、高温高硬度、热导率低的钢铁材料，则用立方氮化硼砂轮磨削较好。立方氮化硼比金刚石有较好的热稳定性和较强的化学惰性，其热稳定性可达12501350，而金刚石磨料只有700800。虽然当前立方氮化硼磨料的应用不如金刚石磨料广，且价格也比较高，但它是一种很有发

14、展前途的磨具磨料。（2）超精密磨削砂轮的修整砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的一个技术难题，它直接影响被磨工件的加工质量、生产效率和生产成本。砂轮修整通常包括修形和修锐两个过程。所谓修形，是使砂轮达到一定精度要求的几何形状；所谓修锐，是指去除磨粒间的结合剂，使磨粒凸出结合剂一定高度，形成足够的切削刃和容屑空间。如金刚石和立方氮化硼都比较坚硬，很难用别的磨料磨削以形成新的切削刃，故通过去除磨粒间的结合剂方法，可使磨粒凸出结合剂一定高度，形成新的磨粒。超硬磨料砂轮修整的方法很多，可归纳为以下几类。 车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达到修整的目的。这种方法的修整精度和效率都比较高，

15、但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低，同时修整成本也高。 磨削法用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。普通砂轮磨料如碳化硅、刚玉等磨粒被破碎，对超硬磨料砂轮结合剂起到切削作用，失去结合剂后磨粒就会脱落，从而达到修整的目的。这种方法的效率和质量都较好，是目前较常用的修整方法，但普通砂轮的磨损消耗量较大。 喷射法将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动的砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒凸出，这种方法主要用于修锐。 电解在线修锐法该法适用于以铸铁纤维为结合剂的金刚石砂轮，应用电解加工原理完成砂轮的修锐过程。如图7-2所示，将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在砂轮与电极之间通

16、以电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，从而达到修锐效果。在这种电解修锐过程中，被腐蚀的砂轮铸铁结合剂表面逐渐形成钝化膜，这种不导电的钝化膜将阻止电解的进一步进行，只有当凸出的磨粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续进行，这样可使金刚石砂轮能够保持长时间的切削能力。 电火花修整法如图7-3所示，将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器（石墨电极），其原理是电火花放电加工。这种方法适用于各种金属结合剂砂轮，既可修形又可修锐，效率较高；若在结合剂中加入石墨粉，也可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮的修整。 图7-2 电解在线修锐法 图7-3 电火花修整法此外，尚有超声波修整法、激

17、光修整法等，有待进一步研究开发。（3）磨削速度和磨削液金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为1230m/s（它的热稳定性只有700800）。一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削速度可选得高些，金属结合剂的金刚石砂轮磨削速度可选得低些。立方氮化硼砂轮的磨削速度比金刚石砂轮高得多，可达80100m/s，主要是因为立方氮化硼磨料的热稳定性好。3微细加工技术微细加工可以进一步分为微米级微细加工、亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。下面分别介绍微机械基本特征与微细加工工艺方法。（1）微机械基本特征概括起来，微机械具有以下几个基本特征。 体积小、精度

18、高、重量轻其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。目前已经研制出了直径细如发丝的齿轮、能开动3mm大小的汽车和花生米大的飞机。最近有资料表明，科学家们已能在5mm2内放置1000台微型发动机。 性能稳定、可靠性高由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下稳定地工作。 能耗低，灵敏度和工作效率高 微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以10倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm5mm0.7mm的微型泵的流速，是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。 多功能和智能化

19、微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。 适用于大批量生产，制造成本低微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以像超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，故制造成本大大降低。如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤维通信所必需的微型光学调制器，通过巧妙的光刻技术制造芯片，做一块只需几美分，而过去则要花5000美元。（2）微细加工工艺方法微细加工是指加工尺寸为微米级范围的加工方式，是微机械发展的重要基础。微细加工起源于半导体制造工艺，加工方式十分丰富，包含了微细机械加工、各种现代特种加工、高能束加工等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工

20、方式的组合。目前，常用的有以下几种加工方法。 超微机械加工用超小型精密金属切削机床和电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下的微机械零件是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。 光刻加工光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。所用的基材有各种金属、半导体和介质材料。 体刻蚀加工技术体刻蚀加工技术是对硅的衬底进行腐蚀加工的技术，即用腐蚀的方法将硅基片有选择性地去除一部分，以形成微机械结构。腐蚀的方法分湿法腐蚀和干法腐蚀。湿法腐蚀是用化学腐蚀液对硅基片进行刻蚀。干法腐蚀是利用等离子

21、体取代化学腐蚀液，把基体暴露在电离的气体中，气体中的离子与基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀。 面刻蚀加工技术面刻蚀加工技术是从集成电路平面工艺演变而来的，它是在硅基片上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工的技术。面刻蚀加工工艺过程如下：在硅基片上淀积牺牲层材料，如淀积磷玻璃，其厚度一般12mm，但也可以更厚些；淀积后，牺牲层材料被腐蚀成所需形状；淀积和腐蚀结构材料薄膜层，多晶硅是常用的结构层材料，结构层腐蚀过后，除去牺牲层就可得到分离空腔结构。面刻蚀加工技术的主要优点是具有与常规集成电路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影响器件特征；其缺点是该工艺本身属于二维平面工艺，限制了设计的灵活性，

22、且由于采用牺牲层工艺，漂洗和干燥需要反复多次，易产生黏连现象，降低成品率。 封接技术封接技术在微机械加工中也占有重要位置，封接的目的是将分开制作的微机械部件在使用黏结剂的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求。封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸，可以说是微机械系统的关键技术。常用的封接技术有反应封接、淀积密封膜和键合技术。为了提高微系统的集成度，一些新的工艺方法如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛的应用。 分子装配技术20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（简称STM）以及后来在STM基础上派生出的原子力显微镜（简称AFM），使观察分子、原子的结构从宏观进入了微观世界。STM和AFM具有0.

23、01nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械，这是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造、制作微机械的工艺方法。美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”3个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成了“Peace”一词。有理由相信，STM技术将会在微细加工方面有更大的突破。7.2.3 表面工程技术表面工程是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某种

24、特殊性能，从而达到特定使用要求的一项应用技术。表面工程技术在促进技术进步、节约原材料、提高产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境、美化生活方面发挥了越来越突出的作用，该技术已成为20世纪80年代世界十项关键技术之一。（1）表面工程的特点表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，它不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分。表面工程技术将成为21世纪的主导技术之一。（2）表面工程的内容表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，有着广泛的涵义，概括了表面处理、表面加工、表面涂层、表面改性以及表面薄膜制备技术

25、等内容。（3）表面工程的工艺方法 表面改性技术表面改性是指采用某种工艺手段在零件表面获得不同于基体的组织结构和性能的技术。材料经表面改性处理后，既能发挥基体的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，还可以掩盖基体表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命。表面改性对节约稀贵材料、节约能源、改善环境有着重要的作用。 表面覆层技术 表面覆层技术是指通过应用物理、化学、电学、光学、材料学、机械学等各种工艺手段，用极少量的材料，在产品表面制备一层保护层、强化层或装饰层，以达到耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳、耐辐射、提高产品质量、延长使用寿命的目的。 热喷涂技术。热喷涂技术是

26、采用气体、液体或电弧、等离子、激光等作为热源，使金属、合金、陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及其复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢靠的表面层。热喷涂有很多工艺方法，比较常用的有火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。 气相沉积技术。气相沉积技术是近三十年来迅速发展的一种表面制膜新技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所需的各种优异性能。气相沉积技术可分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法将镀料汽化成原子、分子或离子，直接沉积到基体表面的

27、方法。化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。 复合表面处理技术 单一的表面处理技术往往具有一定的局限性，不能满足人们对材料越来越高的使用要求。若将两种或两种以上的表面处理工艺用于同一工件的处理，不仅可以发挥各种表面处理技术各自的特点，而且更能显示组合使用的突出效果。近年来，复合表面处理技术在欧美、日本以及我国均得到较快的发展，并取得了良好的效果。 复合热处理技术。将两种以上的热处理方法复合起来，比单一的热处理具有更多的优越性。如渗钛与离子渗氮复合处理，可在工件表面形成硬度极高、耐磨性很好且具有较好耐蚀性的金黄

28、色TiN化合物层，其性能明显高于单一渗钛和单一渗氮层的性能。 表面覆层技术与其他表面处理技术的复合。利用各种工艺方法在工件表面上所形成的各种覆层，如镀层、涂层、沉积层或薄膜，若再经过适当热处理，使覆层中的金属原子向基体扩散，或与基体进行冶金化融合，不仅增强了覆层与基体的结合强度，同时也能改变表层覆层本身的成分，防止覆层剥落并获得较高的强韧性，可提高表面的抗擦伤、耐磨损和耐腐蚀能力。如锌浴淬火，实质上它是一种淬火与镀锌相结合的复合处理工艺。如碳的质量分数为0.15%0.23%的硼钢在保护气体中加热到900，然后淬入450的含铝的锌浴中等温转变，同时镀锌，这种复合处理缩短了工时，降低了能耗，也提高

29、了工件的性能。 离子辅助涂覆。在等离子辅助沉积技术中，将离子镀和溅射沉积所应用的等离子体与气相反应物相结合，产生一种称为等离子辅助化学沉积（PCVD）的技术。若用离子束代替等离子体来完成类似效应的，称为离子辅助涂覆。这种技术具有灵活性和重复性，可低温操作，是一种快速和可控的方法，通常用于高度精密表面处理以及普通技术不能处理的一些表面。7.3 特种加工技术顾名思义，特种加工技术就是一种采用不同于传统切削、磨削加工工艺及装备的加工技术。它是将电、磁、声、光、热等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加在被加工的部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等。 7.3.1 特种加工的特点与分类

30、 1特种加工的特点 工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度。 可直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工。 加工过程中的机械力不明显，工件很少产生机械变形和热变形，有助于提高工件的加工精度和表面质量。 各种加工方法可以有选择地复合成新的工艺方法，使生产效率成倍地增长，加工精度也相应提高。 几乎每产生一种新的能源，就有可能产生一种新的特种加工方法。2特种加工方法适用的场合 解决各种难切削材料的加工问题，如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等以及锗和硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工。 解决各种复杂零件表面的加工问题，如各

31、种热锻模、冲裁模和冷拔模的模腔和型孔、整体涡轮、喷气涡轮机叶片、炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小异形孔的加工。 解决各种精密的、有特殊要求的零件加工问题，如航空航天、国防工业中表面质量和精度要求都很高的陀螺仪、伺服阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工。3特种加工的分类特种加工发展至今虽有五十多年的历史，但在分类方法上并无明确规定。一般按能量形式和作用原理进行划分。 电能与热能作用方式：电火花成型与穿孔加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、电子束加工（EBM）和等离子体加工（PAM）。 电能与化学能作用方式：电解加工（ECM）、电铸加工和刷镀加工。 电化学能与机械能作用方式：

32、电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH）。 声能与机械能作用方式：超声波加工（USM）。 光能与热能作用方式：激光加工（LBM）。 电能与机械能作用方式：离子束加工（IM）。 液流能与机械能作用方式：水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工（AWJC）和挤压珩磨（AFH）。在特种加工范围内还有一些属于降低表面粗糙度和改善表面性能的工艺，前者如电解热抛光、化学抛光、离子束抛光等；后者如电火花表面强化、镀覆、电子束曝光、离子束注入等。7.3.2 几种典型的特种加工技术1电火花加工电火花加工是在一定的液体介质中，利用脉冲放电对导电材料的电蚀来蚀除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种

33、加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛，尤其在模具制造业、航空航天等领域有着极为重要的地位。（1）电火花加工的原理与特点电火花加工是在如图7-4所示的加工系统中进行的。加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极。两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以确保工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.010.05mm）。当脉冲电压加到两极之间时，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中，放电区域产生的瞬时高温（温度高达1000012000）足以使材

34、料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第1次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第2个脉冲又在两极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。图7-4 电火花加工原理图由上可见，进行电火花加工必须具备3个条件：必须采用脉冲电源；必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙；火花放电必须在具有一定绝缘强度（103107Wm）的液体介质中进行。电火花加工具有如下特点：可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料；加工

35、时无明显机械力，适用于低刚度工件和微细结构的加工；脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工；电火花加工后的表面呈现的凹坑，有利于储油和降低噪声；生产效率低于切削加工；放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成型精度。（2）电火花加工的应用电火花加工主要用于模具中型孔、型腔的加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。电火花加工零件的数量在3000件以下时，比模具冲压零件在经济上更加合理。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工可大体分为电火花成型加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加

36、工和电火花表面强化等。2激光加工激光加工是20世纪60年代发展起来的一种新兴技术，它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。目前，激光加工已广泛用于打孔、切割、焊接、电子器件微调、表面处理以及信息存储等许多领域。（1）激光加工的原理与特点 激光是一种经受激辐射产生的加强光。其强度高，方向性、相干性和单色性好，通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密度（1081010W/cm2）。当激光照射到工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达10000以上，使材料熔化甚至汽化。随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内

37、的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。激光加工就是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。图7-5所示是固体激光器中激光的产生和工作原理图。当激光的工作物质钇铝石榴石受到光泵（激励脉冲氙灯）的激发后，吸收具有特定波长的光，在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为粒子数反转。此时一旦有少量激光粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大，再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，由谐振腔的一端输出激光，再通过透镜聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，即可进行加工。固体激光器中常用的工作物质除了

38、钇铝石榴石外，还有红宝石和钕玻璃等材料。图7-5 固体激光器中激光的产生和工作原理图激光加工具有如下特点：它属于高能束流加工，不存在工具磨损更换问题；几乎可以加工任何金属与非金属材料；属于非接触加工，无明显机械力，能加工易变形的薄板和橡胶等弹性工件；加工速度快，热影响区小；易实现加工过程的自动化；激光可通过玻璃、空气及惰性气体等透明介质进行加工，如对真空管内部进行焊接等；激光可以通过聚焦，形成微米级的光斑，输出功率的大小又可以调节，因此可用于精密微细加工；加工时不产生振动噪声，加工效率高，可实现高速打孔和高速切割；可以达到0.01mm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度；表面粗糙度Ra

39、值可达0.40.1mm。（2）激光加工的应用范围激光加工的主要参数为激光的功率密度、激光的波长和输出的脉宽、激光照射在工件上的时间以及工件对能量的吸收等。激光对材料的表面处理、焊接、切割和打孔等都与上述参数有关。 激光表面处理这是近十年来激光加工领域中最为活跃的研究与开发方向，发展了相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列处理工艺。其中相变硬化和熔凝处理的工艺技术趋向成熟并产业化。合金化和熔覆工艺无论对基体材料的适应范围还是性能改善的幅度，都比前两种工艺广得多，因而发展前景广阔。 激光焊接它是基于大功率激光所产生的小孔效应基础上的深熔焊接。它既是一种熔深大、速度快、单位时间熔合面积大的高效焊接

40、方法，又是一种焊缝深宽比大、比能小、热影响区小、变形小的精确焊接方法。当激光的功率密度为105107W/cm2，照射时间为1/100s左右时，即可进行激光焊接。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。 激光切割激光切割所需的功率密度为105107W/cm2。它既可以切割金属材料，也可以切割非金属材料。它还能透过玻璃切割真空管内的灯丝，这是任何机械加工所难以达到的。 激光打孔激光打孔的功率密度一般为107108W/cm2。它主要应用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭发动机和柴油机的喷油嘴、化学纤维的喷丝板、钟表上的宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模等零件上的微细孔加工。超

41、声激光复合加工是一种激光打孔新工艺，它是将超声波振动和激光束的作用复合起来。采用超声调制的激光打孔，不但能增加孔的加工深度，而且能改善孔壁质量。3电子束加工（1）电子束加工的原理与特点电子束加工在真空中进行，其加工原理如图7-6所示。由电子枪射出的高速电子束经电磁透镜聚焦后轰击工件表面，在轰击处形成局部高温，使材料瞬时熔化和汽化，从而达到材料去除、连接或改性的目的。控制电子束能量密度的大小和能量注入的时间，可达到不同的加工目的。如只使材料局部加热，就可进行电子束热处理；使材料局部熔化，就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行电子束打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电

42、子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。图7-6 电子束加工原理图电子束加工具有如下特点：电子束可实现极其微细的聚焦（可达0.1m），可实现亚微米和纳米级的精密微细加工；电子束加工主要靠瞬时热效应，工件不受机械力作用，因而不产生宏观应力和变形；加工材料范围广泛，对高强度、高硬度、高韧性的材料以及导体、半导体和非导体材料均可加工；电子束的能量密度高，如果配合自动控制加工过程，加工效率非常高；每秒钟可在0.1mm厚的钢板上加工出3000个直径为0.2mm的孔；电子束加工在真空中进行，污染少，加工表面不易氧化，尤其适合加工易氧化的金属及其合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料

43、。（2）电子束加工的应用范围电子束加工可用于打孔、切割、焊接、蚀刻和光刻等。 高速打孔电子束打孔的孔径范围为0.020.003mm。喷气发动机上的冷却孔和机翼吸附屏的孔，其孔径微小，孔数巨大，达数百万个，最适宜用电子束打孔。此外，还可以利用电子束在人造革、塑料上高速打孔，以增强其透气性。 加工型孔为了使人造纤维的透气性好，更具松软和富有弹性，人造纤维的喷丝头型孔往往设计成各种异形截面，这些异形截面最适合采用电子束加工。 加工弯孔和曲面借助于偏转器磁场的变化，可以使电子束在工件内部偏转方向，可加工曲面和弯孔。此外，还可以利用电子束进行焊接、切割、刻蚀、表面热处理和光刻。由于电子束加工的成套设备价

44、格昂贵，其应用受到一定限制。4离子束加工离子束加工的原理与电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速后，撞击在工件表面上，引起材料变形、破坏和分离。由于离子带正电荷，其质量是电子的千万倍，因此离子束加工主要靠高速离子束的微观机械撞击动能，而不是像电子束加工主要靠热效应。图7-7所示为离子束加工原理图。惰性气体氩气由入口注入电离室，灼热的灯丝发射电子，电子在阳极的吸引和电磁线圈的偏转作用下，向下高速作螺旋运动。氩在高速电子的撞击下被电离成离子，阳极和阴极各有数百个上下位置对齐、直径为0.3mm的小孔，形成数百条较准直的离子束，均匀分布在直径为50mm的圆面积上。通过调整加

45、速电压，可以得到不同速度的离子束，以实现不同的加工。（1）离子束加工的特点图7-7 离子束加工原理图 离子束轰击工件的材料时，其束流密度和能量可以精确控制，因此可以实现纳米级的加工，是当代纳米加工技术的基础； 离子束加工在真空中进行，污染少，特别适宜加工易氧化的金属、合金、高纯度的半导体材料； 离子束加工的宏观压力小，因此加工应力小，热变形小，加工表面质量非常高。 离子束加工设备费用高、成本高、加工效率低，其应用范围受到一定限制。（2）离子束加工的应用范围 离子刻蚀它是由能量为0.55keV、直径为十分之几纳米的氩离子轰击工件，将工件表层的原子逐个剥离的。这种加工本质上属于一种原子尺度上的切削

46、加工，所以也称为离子铣削。这就是近代发展起来的纳米加工工艺。 离子溅射沉积离子溅射沉积本质上是一种镀膜加工。它也是采用0.55keV的氩离子轰击靶材，并将靶材上的原子击出，淀积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。 离子镀膜离子镀膜也称离子溅射辅助沉积，同样属于一种镀膜加工。它将0.55keV能量的氩离子分成两束，同时轰击靶材和工件表面，以增强膜材与工件基材之间的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。 离子注入离子注入是采用5500keV能量的离子束，直接轰击被加工材料。在如此大的能量驱动下，离子能够钻入材料表层，从而达到改变材料化学成分的目的。可以根据不同的目的选用不同的注入离子

47、，如磷、硼、碳、氮等，以实现材料的表面改性处理，从而改变工件表面层的机械物理性能。5水射流加工水射流加工技术是在20世纪70年代初出现的。开始时只是在大理石、玻璃等非金属材料上用作切割直缝等简单作业。经过三十多年的开发，现已发展成为能够切削复杂的三维形状的工艺方法。水射流加工特别适合于各种软物质有机材料的去毛刺和切割等加工，是一种“绿色”加工方法。（1）水射流加工的基本原理 水射流加工是利用水或加入添加剂的水液体，经水泵至储液蓄能器使高压液体流动平稳，再经增压器增压，使其压力达到70400MPa，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300900m/s的高速液体流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的，如图7-8所示。高速液体流的能量密度可达1010W/mm2，流量为7.5L/min，这种液体的高速冲击，具有固体的加工作用。图7-8 水射流加工示意图1带有过滤器的水箱；2水泵；3储液蓄能器；4控制器；5阀；6蓝宝石喷嘴；7射流束；8工件；9排水口；10压射距离；11液压系统；12增压器（2）水射流加工的特点 采用水射流加工时，工件材料不会受热变形，切缝很窄（0.0750.40mm），材料利用率高，加工精度一般可达0.0750.1