机械制造技术基础第10章 z其他加工方法课件.ppt

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1、,第十章 其他加工方法,本章要点,工程塑料成形,快速成形技术,精密加工技术,特种加工技术,表面处理技术,第十章 其他加工方法,机械制造基础,10-1 工程塑料成形,10-1 工程塑料成形,按塑料受热后的性质可将其分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的特点是受热时软化并熔融，成为可流动的粘稠液体，冷却后便固化成形，这一过程可反复进行。热固性塑料的特点是在一定的温度下能软化或熔融，冷却后便固化(或加入固化剂)成形。一旦成形后，便不能溶解于溶剂中；再度加热，不会再度熔融，温度再高时只能分解而不能软化。所以热固性塑料只能塑制一次。,一、挤出成形,挤出成形亦称挤塑，主要用于热塑性塑件成形。挤出成形可连

2、续化生产，生产效率高，应用范围广。能加工大多数热塑性塑料和一些热固性塑料及塑料与其他材料的复合材料，广泛用于生产塑料管材、板材、棒材、薄膜、单丝、电缆护层、中空制品、异形材等。,10-1 工程塑料成形,挤出成形工艺过程包括：物料的干燥、成形、制品的定型与冷却、制品的牵引与卷取(或切割)，有时还包括制品的后处理等。,10-1 工程塑料成形,二、注射成形,注射成形也称注塑，是利用注塑机的螺杆或活塞，使料筒内的塑化熔融的塑料，经喷嘴、浇注系统，注入闭合的模具型腔而固化成形。注塑制品品种繁多，如日用塑料制品、机械设备和电器的塑料配件等。除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可采用注塑成形；另外还可以用于某

3、些热固性塑料。注塑成形具有生产周期短、生产率高、易于实现自动化生产和适应性强的特点。目前，注塑制品约占热塑性塑料制品的2030。,注塑工艺过程包括：成形前的准备、注射过程、制品的后处理等。1、成形前的准备 成形前的准备工作包括：原料的检验，原料的染色和造粒；原料的预热及干燥，嵌件的预热和安放；试模、清洗料筒及试车等。,10-1 工程塑料成形,2、注射过程 注射过程包括加料、塑化、注射、冷却和脱模等工序。,3、制品的后处理 注射制品经脱模或机械加工后，常需进行适当的后处理以改善制品的性能，提高尺寸稳定性。制品的后处理主要是指退火和调质处理。,10-1 工程塑料成形,三、模压成形,模压成形也称压塑

4、，主要用于热固性塑料的成形。将原料倒人已加热的模具型腔内，通过压机给模具加压，塑料在模腔内加热塑化(融化)流动并在压力下充满模腔，同时发生化学反应而固化，得到塑料制品。,模压过程包括加料、闭模、排气、固化、脱模和吹洗模具等步骤。,10-1 工程塑料成形,四、吹塑成形,吹塑也称中空成形，属于塑料的二次加工，是制造空心塑料制品的方法。吹塑生产过程是先用挤塑、注塑等方法制成管状型坯，然后把保持适当温度的型坯置于对开的阴模模膛中，将压缩空气通人其中将其吹胀，紧紧贴于阴模内壁，两半阴模构成的空间形状即制品形状。,10-1 工程塑料成形,五、压注成形,压注成形(注射压制)是注射和压制法相结合的工艺，主要用

5、于成形热固性塑料。它先将在加料腔内受热塑化熔融的塑料，经过浇注系统，压人被加热的闭合型腔内，当熔料进入模腔时，模具在其压力作用下打开少许，当熔料充满模腔后，再相当于压制法，用高压合紧模具制得所需的制品,第十章 其他加工方法,机械制造基础,10-2 快速成形技术,10-2 快速成形技术,快速成形(RP)是90年代发展起来的应用于制造业的高新技术。它为制造工业开辟了一条全新的制造途径，不用刀具而制造各类零部件。其本质是用积分法通过材料逐层添加直接制造三维实体。,10-2 快速成形技术,一、分类从1987年世界第台快速成形机问世以来，快速成形技术的具体工艺方法已有十多种。按原料种类来分可将这些技术分

6、为固相法、液相法、气相法以及固气相法四类,10-2 快速成形技术,二、基本原理,零件是三维空间的实体，它可以由某个坐标方向上的若干个“面”叠加而成。利用离散、堆积成形的概念，可以将一个三维实体分解为若干个二维实体制造出来，再把二维实体堆积就构成了所需的三维实体，这就是快速成形制造的基本原理。,首先要在计算机中产生一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件。将其转换成STL文件格式，用一个软件从STL文件“切”(s1ice)出设定厚度的一系列的片层。然后将上述每片层的资料传到快速成形机中去。最后用材料添加法依次将每层做出来并同时连接各层，直到完成整个零件。,10-2 快速成形技术,选区激光烧结(

7、Selective LaserSintering，缩写SLS)成形法属于固相法。其优点是原材料广泛，原则上任何受热后粘结的粉末都可用作SLS原材料，主要包括塑料、蜡、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。选区激光烧结成形过程如图107所示。,在烧结过程中，激光束在计算机控制之下透过窗口以一定的速度和能量密度扫描，其能量在选定的区域作用于粉末，使粉末逐层粘结固化，激光束的开关与零件的每层形状信息有关，最终得到零件。,10-2 快速成形技术,三、主要用途,快速成形技术的用途，归纳起来有三大类：(1)设计模型的制造 这是快速成形技术应用最多的领域。通过对原型外观制造工艺的评估和某些性能参数的实际测试，工程师

8、能迅速修改设计，加快产品开发进程。(2)小批量零件生产 对于那些小批量生产的零件，如人体骨骼和机械设备中的特殊零件，利用快速成形机来制造，成本会大大降低。(3)模具加工 用快速成形法，可以制造塑料模以取代传统木制模，也可以生产精密铸造用的熔模。把三维原型实体成形法与金属喷涂技术结合起来，还可以制造高质量的注塑模。如采用选区激光烧结法，可以用来直接生产陶瓷模具，甚至金属模具。,第十章 其他加工方法,机械制造基础,10-3 精密加工技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程

9、度的加工工艺。,瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）,微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工,几种典型精密零件的加工精度（表7-3）,精密加工与超精密加工的发展（图7-17）,7.2.1 精密与超精密加工技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm,精密加工与超精密加

10、工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展,精密与超精密加工地位,7.2.1 精密与超精密加工技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,精密与超精密加工特点,7.2.1 精密与超精密加工技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,切削在晶粒内进行 切削力

11、原子结合力（剪切应力达 13000 N/mm2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量,机理、特点,7.2.1 精密与超精密加工技术,加工设备,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。,关键技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,图7-19 T形布局的金刚石车床,T形布局（图7-19）,7.2.1 精密

12、与超精密加工技术,金刚石车床主要性能指标（表7-5）,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石刀具,超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。

13、,在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石刀具角度（图7-22）,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,7.2.1 精密与超精密加工技术,图7-23 金刚石车床及其加工照片,砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,7.2.1 精密与超精密加工技术,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）,使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮

14、结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。,7.2.1 精密与超精密加工技术,塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的

15、水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。（2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。,7.2.1 精密与超精密加工技术,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（图7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。,精密与超精密砂带磨削,7.2.1 精密与超精密加工技术,图7-26 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,7.2.1 精密与超精密加工技术,几种常见砂带磨削方式（图7-27）,7.2.

16、1 精密与超精密加工技术,砂带磨削特点,1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,7.2.1 精密与超精密加工技术,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,游离磨料加工,抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,7.2.1 精密与超精密加工技术,工作原理

17、（图7-30）抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。,工作原理（图7-31）活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。,液体动力抛光,机械化学抛光,7.2.1 精密与超精密加工技术,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达0.01m。,激光测量,7.2.1 精密与超精密加工技

18、术,激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）,7.2.1 精密与超精密加工技术,双频激光测量（图7-33）,7.2.1 精密与超精密加工技术,经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（=f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。,该信号与参考信号比较，获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。,氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直

19、线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。,图7-34 双频激光测量系统,7.2.1 精密与超精密加工技术,恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统,净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器,精密与超精密加工环境,7.2.1 精密与超精密加工技术,微细加工 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加

20、工误差为0.1m 10m。超微细加工 通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01m 0.1m。精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。,7.2.2 微细与超微细加工技术,7.2.2 微细与超微细加工技术,主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（图7-35）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴

21、线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。,7.2.2 微细与超微细加工技术,微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。,微细机械加工设备,FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床（图7-36）,7.2.2 微细与超微细加工技术,机床有X、Z、C、B四个轴，在B 轴回转工作台上增加A轴转台后

22、，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。,图7-36 FANUC 微型超精密加工机床,7.2.2 微细与超微细加工技术,载流导体：逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体发生应变。,直接线性驱动（直线电机驱动）,7.2.2 微细与超微细加工技术,图7-37 电磁驱动装置（直线电机）工作原理,7.2.

23、2 微细与超微细加工技术,图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）,7.2.2 微细与超微细加工技术,直线驱动与伺服电机驱动比较（表7-7）,7.2.2 微细与超微细加工技术,电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-39）。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图7-40）。,线放电磨削法（WEDG）,7.2.2 微细与超微细加工技术,图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程,光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）,7.2.2 微细与超微细加工技术,要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动

24、体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机+滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构,工作台微动的形成：X运动：Py1 Py2 Px长度变化Y运动：Py1 Py2 Py1长度变化Z转动：Py1 Py2,加工设备（电子束光刻大规模集成电路）,7.2.2 微细与超微细加工技术,利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。,7.2.2 微细与超微细加工技术,将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。,离子束溅射去除加工,四种工作方式,7.2.2 微细与超

25、微细加工技术,离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图7-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。,离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。,7.2.2 微细与超微细加工技术,离子束溅射镀膜加工,用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）,离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。,溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。,7.2.2 微细与超微细加工技术,用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面

26、，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,离子束溅射注入加工,离子束曝光,用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。,7.2.2 微细与超微细加工技术,10-3 精密加工技术,四、吹塑成形,10-3 精密加工技术,四、吹塑成形,10-3 精密加工技术,四、吹塑成形,第十章 其他加工方法,机械制造基础,10-4 特种加工技术,非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。,非

27、传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决：1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。,非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。,7.3.1 特种加工技术概述,非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、

28、硬度和刚度均没有严格要求。一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。,非传统加工方法特点,7.3.1 特种加工技术概述,机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。,非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）,热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花

29、加工、高能束加工、热力去毛刺等。,电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。,化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。,7.3.1 特种加工技术概述,复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有：机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。,机械热能复合如加热切削、低温切削等。热能化学能复合如电解电火花加工等。其它复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光（图7-61）等。,7.3.1 特种加工技术概述,工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料

30、被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。,4个阶段：1）介质电离、击穿，形成放电通道；2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,图7-64 电火花加工机床,7.3.2 几种代表性特种加工方法,电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工作液主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等

31、。放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。,工作要素,脉冲宽度与间隔影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间在2s至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形（图7-65）。同时，丝架可作小角度摆动，可

32、切割出斜面。,电火花加工类型,7.3.2 几种代表性特种加工方法,电火花线切割机床,图7-66 电火花线切割加工,加工过程显示,7.3.2 几种代表性特种加工方法,不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。,电火花加工特点,电火花加工应用,电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬

33、钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。加工形面、型腔生产率高（与电火花加工比高510倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。阴极在加

34、工中损耗小。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。设备投资大，有污染，需防护。,模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。,电解加工特点,电解加工应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,电

35、解磨削（图7-68）,真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径510m斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。,工作原理（图7-69）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,电子束束径小（最小直径可达0.010.05mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无

36、变形。加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。,特点及应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长 方向性好，几乎是一束平行光,工作原理（图7-70）,激光加工,7.3.2 几种代表性特种加工方法,固体激光器 YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 红宝石激光器,混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可

37、见光能量效率5%15%,气体激光器CO2激光器（图7-71）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,激光器,加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1以下，实际上可实现0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。,激

38、光加工特点,7.3.2 几种代表性特种加工方法,激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化（图7-72）。,激光加工应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,激光热处理 原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。优点：快速、不需淬火介

39、质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,图7-74 激光焊接车身,图7-73 激光切割,7.3.2 几种代表性特种加工方法,利用工具端面作超声（1625kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.010.15mm。,工作原理（图7-75）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,图7-76 超声波加工机床,图7-77 超声波加工样件,7.3.2 几种代表

40、性特种加工方法,适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达0.010.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。,超声波加工特点及应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,工艺参数（表7-12，表7-13）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,第十章 其他加工方法,机械制造基础,10-5 表面处理技

41、术,10-5 表面处理技术,60年代末形成的表面科学有力地促进了表面技术的发展，现在表面技术的应用已经十分广泛，对于固体材料来说，通过表面处理可以提高材料抵御环境作用的能力，赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。通过特定的表面加工可以制造构件、零部件和元器件等。,表面技术通过以下两条途径来提高材料抵御环境作用的能力和赋予材料表面某种功能特性。,1、施加各种覆盖层。主要采用各种涂层技术，包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、电火花涂敷、热浸镀、搪瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延制膜、离子束合成

42、薄膜技术等，此外，还有其他形式的覆盖层，例如：各种金属材料经氧化和磷化处理后的膜层；包箔、贴片的整体覆盖层；缓蚀剂的暂时覆盖层等。,10-5 表面处理技术,2、用机械、物理化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组织、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种表面改性技术。主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性等。,一、表面涂层技术1、电镀电镀主要用于提高制件的抗蚀性、耐磨性、装饰，或者使制件具有一定的功能。它是利用电解作用，即把具有导电表面的工件与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉

43、积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种，合金镀层有锌铜、镍铁、锌镍铁等一百多种。,10-5 表面处理技术,2、堆焊是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件的工艺技术。用于工程构件、零部件、工模具表面强化与修复。,3、涂装 它是用一定方法将涂料涂敷于工件表面而形成涂膜的过程。涂料或称漆为有机混合物，可以涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃等制品上。涂装具有保护、装饰或特殊性能(如绝缘、防腐、标志等)，用于各种工

44、程构件，机械建筑和日常用品等。,10-5 表面处理技术,4、热喷涂将金属、合金、金属陶瓷及陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的镀覆层，提高耐大气腐蚀、耐高温腐蚀、耐化学腐蚀、耐磨性、密封性等。广泛用于工程构件、机械零部件，也用于修复及特种制造。,5、电火花涂敷这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零件表面的火花放电作用，把作为火花放电电极的导电材料(如WC，TiC)熔渗于工件表层，从而形成含电极材料的合金化涂层，提高工件表层的性能，而工件内部组织和性能不改变。它适用于工模具和大型机械零件的局部处理，提高表面

45、耐磨性、耐蚀性、热硬性和高温抗氧化性等，也用于修复受损工件。,10-5 表面处理技术,6、陶瓷涂敷陶瓷涂层是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机物为基体的高温涂层，用于金属表面主要在室温和高温起耐蚀、耐磨等作用。在金属材料等基体上主要作保护涂层，也可作功能涂层。能用于磨损件的修复。陶瓷涂敷在许多工业部门取得了广泛的应用。,7、真空蒸镀将工件放入真空室，并用一定方法加热，使镀膜材料蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜。工件材料可以是金属、半导体、绝缘体、乃至塑料、纸张、织物等，而镀膜材料也很广泛，包括金属、合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等。主要有装饰和功能性应用两大类。

46、装饰性镀层广泛应用于汽车、器械、五金制品、钟表、玩具、服装珠宝等。功能性镀层用于光学仪器、电子电器元件、食品包装、各种材料和零部件的防护等。,10-5 表面处理技术,二、表面改性技术1、喷丸强化 喷丸强化又称受控喷丸，早在本世纪20年代应用于汽车工业，以后逐步扩大到其他工业，目前已成为机械工程等工业部门的一种重要的表面技术，应用广泛。它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校型、喷丸强化等。其中喷丸强化不同于一般的喷丸工艺，它要求喷丸过程中严格控制工艺参数，使工件在受喷后具有预期的表面形貌

47、、表层组织结构和残余应力场，从而大幅度地提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。,10-5 表面处理技术,2、表面热处理是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、激光热处理和电子束加热热处理等。主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性、耐腐性和疲劳极限。,3、化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都由介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应(

48、或表面反应)和工件中扩散四个过程进行处理，具体方法有多种。主要用途是提高钢件的硬度、耐磨性、耐腐性和疲劳极限。,10-5 表面处理技术,4、等离子扩散处理(PDT)又称离子轰击热处理，是指在压力低于0.1MPa的特定气氛中利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行热处理的工艺。常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等，尤以离子渗氮最普遍，优点是渗剂简单、无公害，渗层较深、脆性低，工件变形小，对钢铁材料适用面广，工作周期短。,5、离子注入表面改性将所需的气体或固体蒸气在真空系统中离化，引出离子束后，用数千电子伏至数百电子伏加速直接注入材料，达一定深度，从而改变表面的成分和结构，达到改善性能之

49、目的。其优点是注入元素不受材料固溶度限制，适用于各种材料，工艺和质量易控制。它的缺点是注人层不深，对复杂形状的工件注入有困难。它能提高金属材料的力学性能和耐腐蚀性；在微电子工程中，用于掺杂，制作绝缘隔离层，形成硅化物等；对无机非金属材料和有机高分子材料进行表面改性。,10-5 表面处理技术,三、其他表面技术1、钢铁的氧化、磷化处理氧化处理是将钢铁制件放人氧化性溶液中，使钢铁表面形成以Fe304为主的氧化物，颜色呈亮蓝色到亮黑色，故又称“发蓝”或“发黑”处理。磷化处理是将钢铁制件放入含磷酸盐的氧化液中，使表面形成不溶解的磷酸盐保护膜。2、铝和铝合金的阳极氧化或化学氧化 阳极氧化是将具有导电表面的工件放入电解质溶液中，并且作为阳极，在外电流作用下形成氧化膜。化学氧化是将铝制件放人铬酸盐的碱性溶液或铬酸盐、磷酸和氟化物的酸性溶液进行化学反应，使铝或铝合金表面形成氧化物。,10-5 表面处理技术,