电化学及其他特种加工技术.ppt

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1、其他特种加工技术,7.1 电化学加工技术7.2 激光加工技术7.3 超声波加工技术7.4 其他常用特种加工技术习题,7.1 电化学加工技术,7.1.1 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(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl和二价铜正离子Cu2+。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电

2、子而进行还原反应，沉积出铜。,在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu2+正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。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。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(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。第类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进

3、行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类别如表7-1所示。本节主要介绍电解加工、电铸成型、电解磨削，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，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛线”(来复线)，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。,7.1.2 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

4、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7-2所示，在工件(阳极)与工具(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加工间隙(0.10.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。,随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。,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:(

5、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510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Ra可达0.21.25 m。,(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0.150.30 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。

6、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，其主要特点及应用见表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、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。电解加工过程中虽没有机械切削力，但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的，因此要求机床要有足够的刚性；要保证进给系统的稳定性，如果进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响加工精度；电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触，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，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶

7、解能顺利而有效地进行，这一点与电火花加工的工作液的作用是不同的。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，起到更新和冷却的作用。电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液的腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。,NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaN

8、O3电解液在浓度低于30%时，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。但生产效率低，需较大电源功率，故适用于成型精度要求较高的工件加工。NaClO3电解液的散蚀能力小，故加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。,3.电解加工电极反应1）阳极反应：Fe2e Fe2+（-0.59V）（电极电位最负，优先发生）Fe3e Fe3+（-0.323V）4OH-4e O2（0.867V）2Cl-2e Cl2（1.334V）2）阴极反应：2H+2e H2（-0.42V）（电极电位最正，优先发

9、生）Na+e Na（-2.69V）3）加工产物从系统去除：Fe2+Fe(OH)2 Fe(OH)3,3.电解加工的基本规律1）生产率及其影响因素：（1）金属的电化学当量和生产率的关系：m=KIt,V=It（2）电流密度和生产率的关系：a=i（3）电极间隙大小和蚀除速度的关系：a=UR/,2）精度成形规律：（1）端面平衡间隙：b=UR/c（2）法向平衡间隙：n=b/cos（3）侧向间隙：s=b 2b/b+13）平衡间隙理论的应用：（1）计算加工过程中各种间隙，根据阴极形状来推算加工后工件的形状和尺寸；（2）根据工件计算阴极形状尺寸；（3）分析加工精度；（4）选择加工参数，如电极间隙、电源电压、进给

10、速度。,4.表面质量电解加工表面质量，包括表面粗糙度和物理化学性质改变二方面。正常电解加工没有切削力和切削热影响，不会发生塑性变形，无残余应力、冷作硬化或烧伤退火等缺陷。影响因素主要有：1）工件材料合金成分：合金成分多，杂质多，金相组织不均匀，结晶粗大，都会造成溶解速度差异，降低表面粗糙度。如铸铁、高碳钢表面粗糙度就较差。2）工艺参数：电流密度高有利；电解液流速过低（排出不畅）或过高（局部真空）都不好；温度过高（易局部剥落）或过低（易钝化）都不利。3）阴极表面质量：条纹、刻痕会复制到工件表面。,5.提高加工精度的途径,1）脉冲电流电解加工：脉冲间歇利于电解产物排除；间断析出的氢气搅拌均匀化电解

11、液。2）小间隙加工：加工精度、加工速率都有提高，但易短路，受机床刚度、传动精度、电解液系统所能提供压力、流速以及过滤情况的限制。3）改进电解液：兼顾加工速率和加工精度。4）混气加工：在电解液中通入压缩空气。,3.电解加工应用日前，电解加工主要应用在深孔加工、叶片(型面)加工、锻模(型腔)加工、管件内孔抛光、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，叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的。加工完一个叶片，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,7.1.3 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，电铸成型是利用电化学

12、过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。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(

13、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 m，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3550HRC，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，仅为48 mm左右。电铸层一般都具有较大的应力，所以大型电铸件变形显著，且不易承受大的冲击载荷。这样，就使电铸成型的应用受到一定的限制。2电铸设备

14、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。一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。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612 V左右，并可调。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，减少加工时间，提高生产速度，最好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、超声波或机械搅拌等。循环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(加热玻璃管、电炉

15、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，已在航空、仪器仪表、精密机械、模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(a)为电铸过程中的阴极母模简图，图(b)为母模进行引导线及包扎绝缘处理图，图(c)为电铸，图(d)为电铸产品后处理图。,图7-5 刻度盘模具型腔电铸过程,7.1.4 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，是电解与机械的复合加工方法。它是靠金属的溶解(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(砂轮)不断旋转，磨轮上

16、凸出的砂粒与工件接触，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。

17、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，故能获得比电解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠电解加工，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7-7(a)、(b)分别为立轴矩台平面磨削、卧轴矩台平面磨削的示意图。图7-8为电解成型磨削示意图，其磨削原理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

18、图,涂镀（电刷镀）电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用镀槽（挂镀、滚镀、连续镀均属槽镀），只需在不断供应电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，从而获得电镀层。所以，刷镀又称快速电镀，无槽电镀或金属涂镀。电刷镀具有设备轻便，工艺灵活，镀积速度快，镀层种类多，结合强度高，适应范围广，对环境污染少，省水省电等优点。是机械零件表面修复和强化的重要手段之一，特别适于不解体，现场修理和野外抢修。,国外电刷镀技术的发展大致分为以下几个阶段：第一阶段（1899 1938）：利用槽镀电极板和镀液进行的槽外电镀；第二阶段（1938 1960）：开始研制专用的刷镀设备和镀液，并取得专利；第三阶段（1960 1

19、967）：开始发展机械化和自动化的“流镀”；第四阶段（1967 至今）：从电源设备、镀笔、工艺、镀液、辅具等各方面都不断得到充实、完善，形成了一套完全独立、可靠而实用的新的电镀工艺。特别是近几年来，刷镀的电源设备趋于轻巧，镀液品种日趋齐全，专用辅助器具配套，应用范围不断扩大，已深入到国民经济各部门，科研成果不断出现。这几年脉冲刷镀电源已成功地用于刷镀，镀层质量得到进一步提高。虽然镀镍应用最广，但多种镀液已被不断开发。,我国于70年代未引入这项技术，国家经委列入“六五”、“七五”、“八五”推广项目，在修饰、强化，及零件改性等方面取得了巨大的经济效益。目前已能配制100余种镀液、电源容量从30A5

20、00A及配套工辅具均能生产。,45,1.电刷镀的原理与特点,电刷镀也是一种金属电沉积的过程,基本原理同电镀。下图是其工作过程的示意图。直流电源的正极通过导线与镀笔相联，负极通过导线和工件相联，当电流方向由镀笔流向工件时为正向电流，正向电流接通时发生电沉积；电流方向从工件流向镀笔时为反向电流，反向电流接通时工件表面发生溶解。,由于刷镀无需电镀槽，两极距离很近，所以常规电镀的溶液不适用来作刷镀溶液。刷镀溶液中的金属离子的浓度要高得多，因此需要配制特殊的溶液。完整的刷镀过程还应包括预处理过程。预处理过程包括：镀前工件表面的电清洗和电活化工序，这些处理都使用同一电源，只是镀笔、溶液、电流方向等工艺条件

21、不同而已。,电刷镀具有以下特点：,（1）镀层结合强度高，在钛、铝、铜、铬、高合金钢和石墨上也具有很好的结合强度。（2）设备简单、工艺灵活、操作方便，可以在现场作业。（3）可以进行槽镀困难或实现不了的局部电镀。例如对某些重量重、体积大的零件实行局部电镀。（4）生产效率高。刷镀的速度是一般槽镀的1015倍；辅助时间少；且可节约能源，是糟镀耗电量的几十分之一。（5）操作安全，对环境污染小。刷镀的溶液不含氰化物和剧毒药品，可循环使用，耗量小，不会因大量废液排放而造成污染。,刷镀电源,刷镀电源是该工艺最主要的设备，电源的质量直接影响着刷镀层的质量。刷镀电源必须满足如下要求：（1）电源应具有直流平外特性，

22、即当负载电流增大时，电压应下降很小。（2）电源的输出电压应采用无级调节，以便根据不同的工件、不同的镀液选择最佳的电压值。常用电压调节范围为030V，最高不超过40V。（3）电源输出电流的大小要根据零件的大小、镀液的种类及沉积速率等因素确定。为适应零件表面积的大小，常把电源的电流和电压分成几个等级配套使用，如15A20V，30A30V，60A30V，100A40V，120A40V，150A40V。,（4）电源应带有安培小时计或镀层测厚仪，为了显示电镀零件所消耗的电量或显示零件镀层厚度，从而减少测量次数，防止零件表面污染，保证镀层质量。（5）电源应设有正、反向开关，以满足电净、活化、电镀的需要。（

23、6）电源应有过载保护装置。当负载电流超过额定电流的510，或正、负极短路时，应能迅速切断主电路，以保护电源和被镀零件不受损失。（7）为了适应现场作业，电源应尽可能做到体积小、重量轻、工作可靠、计量精度高、操作简单和维修方便。,镀笔,镀笔由笔杆+阳极组成(1)笔杆：分为型，型，型（由细到粗）笔杆和阳极尺寸的选择由被镀工件的形状和尺寸而定。(2)阳极材料.石墨阳极 属不溶性阳极，由高纯、高密度石墨制成，导电性好，耐高温电解浸蚀，但长期使用后，表面也会腐蚀。.铂铱合金阳极 90%铂+10%铱，强度高，用以修补凹坑，斑点、小孔、密而深的划伤沟槽等。,.不锈钢阳极 无铂铱合金条件下使用，不适于含卤族或氢

24、化物的镀液中，否则会被严重腐蚀且污染镀液。.可溶性阳极 例在刷镀镁和铁合金时，用钢和纯铁制作阳极，增加镀速，但应在镀液中添加阳极防钝化剂。,（3）阳极形状和尺寸 要求与受镀和形状吻合，即以仿形为原则。主要形状有：圆柱形，平板形，月牙形、圆饼形、半圆形，板条形等。（4）阳极的包裹材料 包括：棉花和化学纤维包套 其作用是：.防止阳极与工件表面直接接触，造成短路打弧烧伤工件或镀层表面。.吸附镀液：沟通刷镀电路，供给金属离子，保持被镀面湿润。.过滤作用，过滤阳极表面腐蚀下来的石墨粒子及不溶性的氢氧化物（二者组成“阳极泥”），防止镀液污染。包套：40%棉+60%涤涤棉套，良好的耐磨性和吸水性。,刷镀溶液

25、,1刷镀溶液的种类预处理溶液:预处理溶液可分为电净液和活化液两类：电净液：用于清洗工件表面的油污。活化液：用于去除金属表面的氧化膜和疲劳层，使基体金属的晶格显露出来。电镀溶液:根据镀层的成分，金属电镀溶液分为单金属电镀液和合金电镀液。每类金属电镀液又根据其沉积速率、镀液的性质、镀层的性能等特点分成许多品种。退镀溶液:可把旧镀层或不合格的镀层去掉。钝化液。,2刷镀溶液的特性,与一般的槽镀液相比，刷镀溶液有如下特点：金属离子的含量较高。如镀Ni液中离子含量5355g/l；镀液的温度范围比较宽；镀液的性质比较稳定。在刷镀过程中虽然金属离子不断沉积，但由于电极上的电阻热使溶液不断蒸发，综合结果使离子浓

26、度下降并不大，因而pH值变化也不大；均镀能力和深镀能力较好；镀液的毒性与腐蚀性较小。,刷镀工艺简介,1刷镀中的一般问题（1）工艺过程:刷镀工艺过程包括工件表面的准备阶段和刷镀两个阶段。准备阶段的主要目的是提高镀层的结合强度；刷镀阶段的主要目的是获得质量符合要求的镀层。（2）水冲洗问题:在电净、活化工序之间均采用自来水冲洗；在最后一道活化工序和刷镀过渡层工序之间以及刷镀过渡层与工作层工序之间，一般采用蒸馏水冲洗。（3）刷镀前无电擦拭工件表面：开始刷镀前，在未接通电源前用刷镀笔蘸上要刷的溶液，在工件上擦拭几秒钟再通电，会提高镀层的结合强度。这是因为无电擦拭可在表面上预先使溶液充分润湿，达到pH值一

27、致、金属离子均布的目的。,（4）过渡层：过渡层是位于基体金属和工作镀层之间的特殊层。过渡层不仅与基体之间要有良好的结合性，也要与工作层之间有良好的结合性。过渡层既增大了工作层与基体的结合力，又可提高工作层的稳定性，防止工作层原子向基体中的扩散等。（5）工作镀层：位于过渡层之上的工作镀层要保证与过渡层之间有良好的结合强度，保证自身有良好的强度，满足工件的要求并有尽可能高的沉积速率。,2电化学处理工件表面,工件刷镀前首先要用各种机械方法去掉氧化皮、油垢结碳层，并尽可能整光整平。在机械清理的基础上，必须用电化学的方法去除工件表面的油膜和氧化膜，即使用电净液，接通电源（工件一般为阴极），这样，工件表面

28、析出的气体会把油膜破坏，然后被皂化排除。刷镀前进行活化的目的是去除工件的氧化膜。活化液应根据不同的金属材料选用。,刷镀技术的应用,刷镀技术设备简单，操作容易，镀层结合牢固，经济效益显著，目前已用于各机械行业及电力、电子、化工、纺织等许多部门。目前刷镀工艺主要用于机械设备的维修，也用来改善零部件的表面理化性能。（1）恢复磨损零件的尺寸粒度与几何形状精度（2）填补零件表面的划伤沟槽、凹坑（3）补救超差工件（4）强化零件表面（5）增加零件表面导电性 如Cu表面镀Ag（6）增强零件耐高温性能 如铜结晶器表面镀 Ni-P,（7）改善零件表示钎焊性 如镀Cu后，Si-Bi合金易于铺展，钎焊（8）通常电镀所

29、难以完成的作业，如：.工件太大或要求特殊，以及难以从机器上拆下的。.大工件的局部镀覆，尤其是盲孔、狭缝和深孔，以及电镀所无法均镀的部位。.在电镀困难的铝、钛、高合金钢工件表面，通过电刷镀先镀上打底层，然后再入槽电镀。.有些工件入槽电镀会引起其它部分损坏或污染电镀槽，此时用电刷镀则能避免。,7.2 激光加工技术,1.激光形成的机理,工作物质（固体或气体）受外来能量激发（光照、电子轰击、加热），原子或准分子的能级会到达不稳定的较高水平，然后向较低能级的稳定状态跃迁，与此同时发射出光子。如果某种物质存在一个可以维持较长时间的亚稳态能级，还能够发生粒子数反转（处于亚稳态原子多于基态原子），受激后即能发

30、射出足够多的光子，即激光，经过整队同步输出即可用于加工。,7.2 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、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到1071011 W/cm2，温度可达10 000以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工(如图7-9所示)是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。,图7-9 激光加工示意图,2)激光加工的特点激光

31、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(激光加工系统)三部分组成。1)激光器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

32、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、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，

33、实现激光加工的连续工作。,3.激光加工的应用1)激光打孔随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，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。从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，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，以确定能否打孔

34、。激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、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(如图7-10所示)的原理与激光打孔相似，但工件与激光束要相对移动。在实际加工中，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CO2激光器，对于精细切割，也可采用YAG激光器。激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。,图7-10 CO2气体激光器切割钛合金

35、示意图,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，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，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(如图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，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、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(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围

36、设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。,4)激光焊接当激光的功率密度为105107 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103105 W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火

37、变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。图7-13为激光表面淬火处理应用实例。,7.3 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16 000 Hz（人耳能够接收的声音频率为1616000Hz）的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法，其加工原理如图7-14所示。,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，磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；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；此外，磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象”。所谓空化现象，是指当工具端面以很大的

38、加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在磨料液内形成很多微空腔；当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而使脆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，随着加工的不断进行，工具的形状就逐渐“复制”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。也可以加工淬火钢和

39、硬质合金等材料，但效率相对较低。(2)由于工件材料硬度很高，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Ra值很小，可达0.2 m，加工精度可达0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。(4)工具可用较软材料制造成较复杂形状，所以工具和工件只需做简单相对运动，因此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7-15所示。尽管不同功率大小、不同公司生产的超声波加工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(声学部件)、机床本体和磨料工作

40、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 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。,（1）换能器：主要有压电效应超声换能器（石英晶体、钛酸钡、镐钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们的二对立面的界面上将产生一定的电荷，形成一定的电势；反之，加上一定的电压，将产生一定的

41、机械变形。称之为“压电效应”）和磁致伸缩效应换能器（铁、钴、镍及其合金的长度能够随所处磁场强度变化而伸缩）。,由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过0.0050.01 mm，而超声波加工却需要0.010.1 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7-16所示，加工中工具头与变幅杆相连，其作用是将放大后的机械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击。工具材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料，如45#钢，这样可以减少工具的相对磨损。工具的尺寸和形

42、状取决于被加工表面，它们相差一个加工间隙值(略大于磨料直径)。,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，包括支撑声学部件的机架、工作台面以及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；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、电解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它们好，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

43、，超声波广泛应用于型(腔)孔加工(如图7-17所示)、切割加工(如图7-18所示)、清洗(如图7-19所示)等方面。,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,7.4 其他常用特种加工技术,7.4.1 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7-20所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，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，就可以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

44、热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电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。,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(可达l0.1 m)，故可进行微细加工。(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，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(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。,抽

45、真空作用：1）防止污染；2）保证粒子束动能不因与残余气体分子碰撞而损耗；3）降低材料蒸发温度：如铝在大气环境下蒸发温度为2400摄氏度，在10-3Pa下，847摄氏度即蒸发。铁、镉、锌、钼、钛、格、硅可从固态直接升华到气态。,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；随后改变磁场极性，即可加工曲面；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽；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。拉制电子束速度和磁场强度，即可控

46、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,7.4.2 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，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械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，将工件表面的

47、原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。所以可以说离子束加工是目前最精密的加工手段。2)离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)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，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。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(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。,习题,1.请比较说明各种特种加工方法的加工原理。2.请分析比较各种特种加工方法的应用范围。,