第七章其他特种加工技术PPT课件

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1、第七章第七章 其他特种加工技术其他特种加工技术7.1 电化学加工技术电化学加工技术7.2 激光加工技术激光加工技术7.3 超声波加工技术超声波加工技术7.4 其他常用特种加工技术其他常用特种加工技术习题习题7.1 电化学加工技术电化学加工技术7.1.17.1.1电化学加工的原理与特点电化学加工的原理与特点 1.1.电化学加工的原理电化学加工的原理 图图7-17-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)(Cu)板浸板浸在导电溶液，例如氯化铜在导电溶液，例如氯化铜(CuCl(CuCl2 2)的水溶液中，此时水的水溶液中，此时水(H(H2 2O)O)离解为氢氧根

2、负离子离解为氢氧根负离子OHOH和氢正离子和氢正离子H H+，CuClCuCl2 2离解离解为两个氯负离子为两个氯负离子ClCl2 2和二价铜正离子和二价铜正离子CuCu2+2+。当两个铜片接。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，上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片在金属片(电极电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，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，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，CuCu2+2+正离子正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。移向阴极，在阴极上得到电子而进行还

3、原反应，沉积出铜。在在阳阳极极表表面面CuCu原原子子失失掉掉电电子子而而成成为为CuCu2+2+正正离离子子进进入入溶溶液液。溶溶液液中中正正、负负离离子子的的定定向向移移动动称称为为电电荷荷迁迁移移。在在阳阳、阴阴电电极极表表面面发发生生得得失失电电子子的的化化学学反反应应称称为为电电化化学学反反应应。这这种种利利用用电电化化学学反反应应原原理理对对金金属属进进行行加加工工(图图7-17-1中中阳阳极极上上为为电电解解蚀蚀除除，阴阴极极上上为为电电镀镀沉沉积积，常常用用以以提提炼炼纯纯铜铜)的方法即电化学加工。的方法即电化学加工。图7-1 电解(电镀)液中的电化学反应2.2.电化学加工的分

4、类电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第电化学加工有三种不同的类型。第类是利类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主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；第要有电解加工和电化学抛光等；第类是利用电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；第电镀、电铸等；第 类是利用电化学加工与其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行加他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工工，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

5、花放电作用其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类。电化学加工的类别如表别如表7-17-1所示。本节主要介绍电解加工、电铸成所示。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型、电解磨削，其它的电化学加工请参考相关资料。料。表7-1 电化学加工分类3.3.电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围电电化化学学加加工工的的适适用用范范围围，因因电电解解和和电电镀镀两两大大类类工艺的不同而不同。工艺的不同而不同。电电解解加加工工可可以以加加工工复复杂杂成成型型模模具具和和零零件件，例例如如汽汽车车、拖拖拉拉机机连连杆杆等等各各种种型型腔腔锻锻模模，航航空空、航航天天发发动

6、动机机的的扭扭曲曲叶叶片片，汽汽轮轮机机定定子子、转转子子的的扭扭曲曲叶叶片片，炮炮筒筒内内管管的的螺螺旋旋“膛膛线线”(”(来来复复线线)，齿齿轮轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。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。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。7.1.27.1.2电解加工电解加工1 1电解加工的原理及特点电解加工的原理及特点1)1)基本原理基本原理电解加工是利用金属在电解液中的电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极电化学阳极溶解溶解”来将工件成型的。如图来将工件成型的。如图7-27-2所示，在工件所示，在工件(阳阳极极)与工具与工具(

7、阴极阴极)之间接上直流电源，使工具阴极与之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1(0.10.8mm)0.8mm)，间，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始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。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

8、断地被电解不断地向工件进给，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极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。上。图7-2 电解加工原理图2)2)特点特点 电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点:(1)(1)能能加加工工各各种种硬硬度度和和强强度度的的材材料料。只只要要是是金金属属，不不管管其硬度和强度多大，都可加工。其硬度和强度多大，都可加工。(2)(2)生生产产率率高高，约约为为电电火火花花加加工工的的5 51010倍

9、倍，在在某某些些情情况况下下，比比切切削削加加工工的的生生产产率率还还高高，且且加加工工生生产产率率不不直直接接受受加工精度和表面粗糙度的限制。加工精度和表面粗糙度的限制。(3)(3)表表面面质质量量好好，电电解解加加工工不不产产生生残残余余应应力力和和变变质质层层，又又没没有有飞飞边边、刀刀痕痕和和毛毛刺刺。在在正正常常情情况况下下，表表面面粗粗糙糙度度RaRa可达可达0.20.21.25m1.25m。(4)(4)阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。电电解解加加工工当当前前存存在在的的主主要要问问题题是是加加工工精精度度难难以以严严格格控控制制

10、，尺尺寸寸精精度度一一般般只只能能达达到到0.150.150.300.30mmmm。此此外外，电电解解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。2.2.电解加工设备电解加工设备 电电解解加加工工的的基基本本设设备备包包括括直直流流电电源源、机机床床及及电电解解液液系系统三大部分。统三大部分。1)1)直流电源直流电源 电电解解加加工工常常用用的的直直流流电电源源为为硅硅整整流流电电源源和和晶晶闸闸管管整整流流电源，其主要特点及应用见表电源，其主要特点及应用见表7-27-2。表7-2 直流电源的特点及应用2)2)机床机床电电解解加加工工机机床床的的任任务务

11、是是安安装装夹夹具具、工工件件和和阴阴极极工工具具，并并实实现现其其相相对对运运动动，传传送送电电和和电电解解液液。电电解解加加工工过过程程中中虽虽没没有有机机械械切切削削力力，但但电电解解液液对对机机床床主主轴轴和和工工作作台台的的作作用用力力是是很很大大的的，因因此此要要求求机机床床要要有有足足够够的的刚刚性性；要要保保证证进进给给系系统统的的稳稳定定性性，如如果果进进给给速速度度不不稳稳定定，阴阴极极相相对对工工件件的的各各个个截截面面的的电电解解时时间间就就不不同同，影影响响加加工工精精度度；电电解解加加工工机机床床经经常常与与具具有有腐腐蚀蚀性性的的工工作作液液接接触触，因因此此机机

12、床床要要有好的防腐措施和安全措施。有好的防腐措施和安全措施。3)3)电解液系统电解液系统在在电电解解加加工工过过程程中中，电电解解液液不不仅仅作作为为导导电电介介质质传传递递电电流流，而而且且在在电电场场的的作作用用下下进进行行化化学学反反应应，使使阳阳极极溶溶解解能能顺顺利利而而有有效效地地进进行行，这这一一点点与与电电火火花花加加工工的的工工作作液液的的作作用用是是不不同同的的。同同时时电电解解液液也也担担负负着着及及时时把把加加工工间间隙隙内内产产生生的的电电解解产产物物和和热热量量带走的任务，起到更新和冷却的作用。带走的任务，起到更新和冷却的作用。电电解解液液可可分分为为中中性性盐盐溶

13、溶液液、酸酸性性盐盐溶溶液液和和碱碱性性盐盐溶溶液液三三大大类类。其其中中中中性性盐盐溶溶液液的的腐腐蚀蚀性性较较小小，使使用用时时较较为为安安全全，故故应应用用最最广广。常常用用的的电电解解液液有有NaClNaCl、NaNO3NaNO3、NaClO3NaClO3三种。三种。NaClNaCl电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率电解液价廉易得，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。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

14、表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床工件表面也被电解，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。工。NaNO3NaNO3电电解解液液在在浓浓度度低低于于30%30%时时，对对设设备备、机机床床腐腐蚀蚀性性很很小小，使使用用安安全全。但但生生产产效效率率低低，需需较较大大电电源源功功率率，故故适适用用于于成成型精度要求较高的工件加工。型精度要求较高的工件加工。NaClO3NaClO3电电解解液液的的散散蚀蚀能能力力小小，故故加加工工精精度度高高，对对机机床床、设设备备等等的的腐

15、腐蚀蚀很很小小，广广泛泛地地应应用用于于高高精精度度零零件件的的成成型型加加工工。然然而而，NaClO3NaClO3是是一一种种强强氧氧化化剂剂，虽虽不不自自燃燃，但但遇遇热热分分解解的的氧氧气气能助燃，因此使用时要注意防火安全。能助燃，因此使用时要注意防火安全。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7.1.37.1.3电铸成型电铸成型1 1电铸

16、成型原理及特点电铸成型原理及特点1)1)成型原理成型原理与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，电化学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，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。层与

17、原模分离，其厚度也远大于电镀层。电电铸铸原原理理如如图图7-47-4所所示示，在在直直流流电电源源的的作作用用下下，金金属属盐盐溶溶液液中中的的金金属属离离子子在在阴阴极极获获得得电电子子而而沉沉积积在在阴阴极极母母模模的的表表面面。阳阳极极的的金金属属原原子子失失去去电电子子而而成成为为正正离离子子，源源源源不不断断地地补补充充到到电电铸铸液液中中，使使溶溶液液中中的的金金属属离离子子浓浓度度保保持持基基本本不不变变。当当母母模模上上的的电电铸铸层层达达到到所所需需的的厚厚度度时时取取出出，将将电电铸铸层层与与型型芯芯分分离离，即即可可获获得得型型面面与与型型芯芯凹凹、凸相反的电铸模具型腔零

18、件的成型表面。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)2)特点特点(1)(1)复复制制精精度度高高，可可以以做做出出机机械械加加工工不不可可能能加加工工出出的的细细微微形形状状(如如微微细细花花纹纹、复复杂杂形形状状等等)，表表面面粗粗糙糙度度RaRa可达可达0.1m0.1m，一般不需抛光即可使用。，一般不需抛光即可使用。(2)(2)母母模模材材料料不不限限于于金金属属，有有时时还还可可用用制制品品零零件件直直接作为母模。接作为母模。(3)(3)表表面面硬硬度度可可达达353550HRC50HRC，所所以以电电铸铸型型腔腔使使用用寿命长。寿命长。(4)(4)电铸可获得高

19、纯度的金属制品，如电铸铜，它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。纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电加工。(5)(5)电电铸铸时时，金金属属沉沉积积速速度度缓缓慢慢，制制造造周周期期长长。如如电电铸镍，一般需要一周左右。铸镍，一般需要一周左右。(6)(6)电电铸铸层层厚厚度度不不易易均均匀匀，且且厚厚度度较较薄薄，仅仅为为4 488mmmm左左右右。电电铸铸层层一一般般都都具具有有较较大大的的应应力力，所所以以大大型型电电铸铸件件变变形形显显著著，且且不不易易承承受受大大的的冲冲击击载载荷荷。这这样样，就就使使电电铸铸成型的应用受到一定的限

20、制。成型的应用受到一定的限制。2 2电铸设备电铸设备 电电铸铸设设备备(如如图图7-47-4所所示示)主主要要包包括括电电铸铸槽槽、直直流流电电源源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。1)1)电铸槽电铸槽 电电铸铸槽槽材材料料的的选选取取以以不不与与电电解解液液作作用用引引起起腐腐蚀蚀为为原原则则。一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。2)2)直流电源直流电源 电电铸铸采采用用低低电电压压大大电电流流的的直直流流电电源源。常常用用硅硅整整流流，电电压压为为6 612V12V左右，并可调。左右，并可调。3)3)搅

21、拌和循环过滤系统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。行过滤。4)4)恒温控制系统恒温控制系统 电电铸铸时时间间很很长长，所所以以必必须须设设置置恒恒温温控控制制设设备备。它它包包括括加加热热设设备备(

22、加加热热玻玻璃璃管管、电电炉炉等等)和和冷冷却却设设备备(冷水或冷冻机等冷水或冷冻机等)。3 3电铸的应用电铸的应用电电铸铸具具有有极极高高的的复复制制精精度度和和良良好好的的机机械械性性能能，已已在在航航空空、仪仪器器仪仪表表、精精密密机机械械、模模具具制制造造等等方方面面发挥日益重要的作用。发挥日益重要的作用。图图7-57-5为为刻刻度度盘盘模模具具型型腔腔电电铸铸过过程程。其其中中图图(a)(a)为为电电铸铸过过程程中中的的阴阴极极母母模模简简图图，图图(b)(b)为为母母模模进进行行引引导导线线及及包包扎扎绝绝缘缘处处理理图图，图图(c)(c)为为电电铸铸，图图(d)(d)为为电电铸产

23、品后处理图。铸产品后处理图。图7-5 刻度盘模具型腔电铸过程 7.1.47.1.4电解磨削电解磨削 1 1加工原理及特点加工原理及特点 1)1)加工原理加工原理 电电解解磨磨削削是是电电解解加加工工的的种种特特殊殊形形式式，是是电电解解与与机机械械的的复复合合加加工工方方法法。它它是是靠靠金金属属的的溶溶解解(占占95%95%98%)98%)和和机机械械磨磨削削(占占2%2%5%)5%)的的综综合合作作用用来来实实现现加加工工的。的。加加工工原原理理如如图图7-67-6所所示示。加加工工过过程程中中，磨磨轮轮(砂砂轮轮)不不断断旋旋转转，磨磨轮轮上上凸凸出出的的砂砂粒粒与与工工件件接接触触，形

24、形成成磨磨轮轮与与工工件件间间的的电电解解间间隙隙。电电解解液液不不断断供供给给，磨磨轮轮在在旋旋转转中中，将将工工件件表表面面由由电电化化学学反反应应生生成成的的钝钝化化膜膜除除去去，继继续进行电化学反应，如此反复不断，直到加工完毕。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)2)特

25、点特点(1)(1)磨磨削削力力小小，生生产产率率高高。这这是是由由于于电电解解磨磨削削具具有有电解加工和机械磨削加工的优点。电解加工和机械磨削加工的优点。(2)(2)加加工工精精度度高高，表表面面加加工工质质量量好好。因因为为电电解解磨磨削削加加工工中中，一一方方面面工工件件尺尺寸寸或或形形状状是是靠靠磨磨轮轮刮刮除除钝钝化化膜膜得得到到的的，故故能能获获得得比比电电解解加加工工好好的的加加工工精精度度；另另一一方方面面，材材料料的的去去除除主主要要靠靠电电解解加加工工，加加工工中中产产生生的的磨磨削削力力较较小小，不不会会产产生生磨磨削削毛毛刺刺、裂裂纹纹等等现现象象，故故加加工工工工件的表

26、面质量好。件的表面质量好。(3)(3)设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电设备投资较高。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。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 电解成型磨削原理图7.2 激光加工技术激光加工技术1.1.激光加工的原理与特点激光加工的原理与特点 1)1)激光加工的原理

27、激光加工的原理 激激光光是是一一种种强强度度高高、方方向向性性好好、单单色色性性好好的的相相干干光光。由由于于激激光光的的发发散散角角小小和和单单色色性性好好，理理论论上上可可以以聚聚焦焦到到尺尺寸寸与与光光的的波波长长相相近近的的(微微米米甚甚至至亚亚微微米米)小小斑斑点点上上，加加上上它它本本身身强强度度高高，故故可可以以使使其其焦焦点点处处的的功功率率密密度度达达到到10710710111011 W/cm2W/cm2，温温度度可可达达1010000000以以上上。在在这这样样的的高高温温下下，任任何何材材料料都都将将瞬瞬时时急急剧剧熔熔化化和和汽汽化化，并并爆爆炸炸性性地地高高速速喷喷射

28、射出出来来，同同时时产产生生方方向向性性很很强强的的冲冲击击。因因此此，激激光光加加工工(如如图图7-97-9所所示示)是是工工件件在在光光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。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)2)激光加工的特点激光加工的特点 激光加工的特点主要有以下几个方面：激光加工的特点主要有以下几个方面：(1)(1)几几乎乎对对所所有有的的金金属属和和非非金金属属材材料料都都可可以以进进行行激激光光加加工。工。(2)(2)激激光光能能聚聚焦焦成成极极小小的的光光斑斑，可可进进行行微微细细和和精精密密加加工工，如微细窄缝和微型孔的加工。如微

29、细窄缝和微型孔的加工。(3)(3)可可用用反反射射镜镜将将激激光光束束送送往往远远离离激激光光器器的的隔隔离离室室或或其其它地点进行加工。它地点进行加工。(4)(4)加加工工时时不不需需用用刀刀具具，属属于于非非接接触触加加工工，无无机机械械加加工工变形。变形。(5)(5)无无需需加加工工工工具具和和特特殊殊环环境境，便便于于自自动动控控制制连连续续加加工工，加工效率高，加工变形和热变形小。加工效率高，加工变形和热变形小。2.2.激光加工基本设备及其组成部分激光加工基本设备及其组成部分 激激光光加加工工的的基基本本设设备备由由激激光光器器、导导光光聚聚焦焦系系统统和和加加工工机机(激光加工系统

30、激光加工系统)三部分组成。三部分组成。1)1)激光器激光器 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、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于由于He-Ne(He-Ne(氦氦氖氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，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

31、泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与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、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(YAG(掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。等固体激光器。2)2)导光聚焦系统导光聚焦系统根根据据被被加加工工工工件件的的性性能能要要求求，光光束束经经放放大大、整整形形、聚聚焦焦后后作作用用于于加加工工部部位位，这这种种从从激激光光器器输输出出窗窗口口到到被被加加工工工工件件之之间间的的装装置置称称为为导导光光聚聚焦焦系系统。统。3)3)激光加工系统激光加工系统激光加工系统主要包括

32、床身、能够在三维坐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，实现激光加工的连续工机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。作。3.3.激光加工的应用激光加工的应用1)1)激光打孔激光打孔随随着着近近代代工工业业技技术术的的发发展展，硬硬度度大大、熔熔点点高高的的材材料料应应用用越越来来越越多多，并并且且常常常常要要求求在在这这些些材材料料上上打打出出又又小小又又深深的的孔孔，例例如如，钟钟表表或或仪仪表表的

33、的宝宝石石轴轴承承，钻钻石石拉拉丝丝模模具具，化化学学纤纤维维的的喷喷丝丝头头以以及及火火箭箭或或柴柴油油发发动动机机中中的的燃燃料料喷喷嘴嘴等等。这这类类加加工工任任务务，用用常常规规的的机机械械加加工工方方法法很很困困难难，有有的的甚甚至至是是不不可可能能的的，而而用用激激光光打打孔孔，则则能能比比较好地完成任务。较好地完成任务。激激光光打打孔孔中中，要要详详细细了了解解打打孔孔的的材材料料及及打打孔孔要要求求。从从理理论论上上讲讲，激激光光可可以以在在任任何何材材料料的的不不同同位位置置，打打出出浅浅至至几几微微米米，深深至至二二十十几几毫毫米米以以上上的的小小孔孔，但但具具体体到到某某

34、一一台台打打孔孔机机，它它的的打打孔孔范范围围是是有有限限的的。所所以以，在在打打孔孔之之前前，最最好好要要对对现现有有的的激激光光器器的的打打孔孔范范围围进进行行充充分分的的了了解解，以以确确定定能能否否打孔。打孔。激激光光打打孔孔的的质质量量主主要要与与激激光光器器输输出出功功率率和和照照射射时时间间、焦焦距距与与发发散散角角、焦焦点点位位置置、光光斑斑内内能能量量分分布布、照照射射次次数数及及工工件件材材料料等等因因素素有有关关。在在实实际际加加工工中中应应合合理理选选择择这这些些工工艺艺参数。参数。2)2)激光切割激光切割 激激光光切切割割(如如图图7-107-10所所示示)的的原原理

35、理与与激激光光打打孔孔相相似似，但但工工件件与与激激光光束束要要相相对对移移动动。在在实实际际加加工工中中，采采用用工工作作台数控技术，可以实现激光数控切割。台数控技术，可以实现激光数控切割。激激光光切切割割大大多多采采用用大大功功率率的的CO2CO2激激光光器器，对对于于精精细细切割，也可采用切割，也可采用YAGYAG激光器。激光器。激激光光可可以以切切割割金金属属，也也可可以以切切割割非非金金属属。在在激激光光切切割割过过程程中中，由由于于激激光光对对被被切切割割材材料料不不产产生生机机械械冲冲击击和和压压力力，再再加加上上激激光光切切割割切切缝缝小小，便便于于自自动动控控制制，故故在在实

36、实际际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。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示意图激激光光切切割割过过程程中中，影影响响激激光光切切割割参参数数的的主主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。3)3)激光打标激光打标激激光光打打标标是是指指利利用用高高能能量量的的激激光光束束照照射射在在工工件件表表面面，光光能能瞬瞬时时变变成成热热能能，使使工工件件表表面面迅迅速速产产生生蒸蒸发发，从从而而在在工工件件表表面面刻刻出出任任意意所所需需要要的的文文字字和和图图形形，以以作作为为永永久久防防伪伪标标

37、志志(如如图图7-7-1111所示所示)。图7-11 振镜式激光打标原理激激光光打打标标的的特特点点是是非非接接触触加加工工，可可在在任任何何异异型型表表面面标标刻刻，工工件件不不会会变变形形和和产产生生内内应应力力，适适于于金金属属、塑塑料料、玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、木木材材、皮皮革革等等各各种种材材料料；标标记记清清晰晰、永永久久、美美观观，并并能能有有效效防防伪伪；标标刻刻速速度度快快，运运行行成成本本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。激激光光打打标标广广泛泛应应用用于于电电子子元元器器件件、汽汽(摩摩托托)车车配配件件、医医疗疗器器械械、通通讯

38、讯器器材材、计计算算机机外外围围设设备备、钟钟表表等等产品和烟酒食品防伪等行业。产品和烟酒食品防伪等行业。4)4)激光焊接激光焊接当当激激光光的的功功率率密密度度为为105105107107W/cm2W/cm2，照照射射时时间间约约为为1/1001/100s s左左右右时时，可可进进行行激激光光焊焊接接。激激光光焊焊接接一一般般无无需需焊焊料料和和焊焊剂剂，只只需需将将工工件件的的加加工工区区域域“热热熔熔”在一起即可，如图在一起即可，如图7-127-12所示。所示。激激光光焊焊接接速速度度快快，热热影影响响区区小小，焊焊接接质质量量高高，既既可可焊焊接接同同种种材材料料，也也可可焊焊接接异异

39、种种材材料料，还还可可透透过过玻玻璃进行焊接。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)5)激光表面处理激光表面处理当当激激光光的的功功率率密密度度约约为为103103105105 W/cm2W/cm2时时，便便可可实实现现对对铸铸铁铁、中中碳碳钢钢，甚甚至至低低碳碳钢钢等等材材料料进进行行激激光光表表面面淬淬火火。淬淬火火层层深深度度一一般般为为0.70.71.11.1 mmmm，淬淬火火层层硬硬度度比比常常规规淬淬火火约约高高20%20%。激激光光淬淬火火变变形形小小，还还能能解解决决低低碳碳钢钢的的表表面面淬淬火火强强化化问问题题。图图7-137-

40、13为为激激光光表表面面淬淬火火处处理理应用实例。应用实例。7.3 超声波加工技术超声波加工技术1 1超声波加工的原理与特点超声波加工的原理与特点1)1)加工原理加工原理超超声声波波加加工工是是利利用用振振动动频频率率超超过过1616000000HzHz的的工工具具头头，通通过过悬悬浮浮液液磨磨料料对对工工件件进进行行成成型型加加工工的一种方法，其加工原理如图的一种方法，其加工原理如图7-147-14所示。所示。图7-14 超声波加工原理图当当工工具具以以1616000000HzHz以以上上的的振振动动频频率率作作用用于于悬悬浮浮液液磨磨料料时时，磨磨料料便便以以极极高高的的速速度度强强力力冲

41、冲击击加加工工表表面面；同同时时由由于于悬悬浮浮液液磨磨料料的的搅搅动动，使使磨磨粒粒以以高高速速度度抛抛磨磨工工件件表表面面；此此外外，磨磨料料液液受受工工具具端端面面的的超超声声振振动动而而产产生生交交变变的的冲冲击击波波和和“空空化化现现象象”。所所谓谓空空化化现现象象，是是指指当当工工具具端端面面以以很很大大的的加加速速度度离离开开工工件件表表面面时时，加加工工间间隙隙内内形形成成负负压压和和局局部部真真空空，在在磨磨料料液液内内形形成成很很多多微微空空腔腔；当当工工具具端端面面以以很很大大的的加加速速度度接接近近工工件件表表面面时时，空空泡泡闭闭合合，引引起起极极强强的的液液压压冲冲

42、击击波波，从从而而使使脆脆性性材材料料产产生生局局部疲劳，引起显微裂纹。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，工具的形状就逐渐不断进行，工具的形状就逐渐“复制复制”在工件上。由此可见，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。脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。2)2)特点特

43、点 超声波加工的主要特点如下：超声波加工的主要特点如下：(1)(1)适适合合于于加加工工各各种种硬硬脆脆材材料料，特特别别是是某某些些不不导导电电的的非非金金属属材材料料，例例玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、石石英英、硅硅、玛玛瑙瑙、宝宝石石、金金刚刚石石等等。也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。(2)(2)由由于于工工具具材材料料硬硬度度很很高高，故故易易于于制制造造形形状状复复杂杂的的型型孔。孔。(3)(3)加加工工时时宏宏观观切切削削力力很很小小，不不会会引引起起变变形形、烧烧伤伤。表表面面粗粗糙糙度度RaRa值值很很小小，可可达达0.

44、20.2mm，加加工工精精度度可可达达0.050.050.020.02mmmm，而而且且可可以以加加工工薄薄壁、窄缝、低刚度的零件。壁、窄缝、低刚度的零件。(4)(4)加加工工机机床床结结构构和和工工具具均均较较简简单单，操操作作维维修方便。修方便。(5)(5)生生产产率率较较低低。这这是是超超声声波波加加工工的的一一大大缺缺点。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液循环系统等部分组成。图7-15 超声波加工装置1)1)高频发生器高频发生器 高

45、高频频发发生生器器即即超超声声波波发发生生器器，其其作作用用是是将将低低频频交交流流电电转转变变为为具具有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡，以以供供给工具往复运动和加工工件的能量。给工具往复运动和加工工件的能量。2)2)声学部件声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，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频电振荡信号转换为机械振动

46、；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。杆，其作用是将振幅放大。由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不由于换能器材料伸缩变形量很小，在共振情况下也超不过过0.0050.0050.01mm0.01mm，而超声波加工却需要，而超声波加工却需要0.010.010.1mm0.1mm的的振幅，因此必须用上粗下细振幅，因此必须用上粗下细(按指数曲线设计按指数曲线设计)的变幅杆放大的变幅杆放大振幅。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。振动能量是不变的，所以随着截面积的减小，振幅就

47、会增大。变变幅幅杆杆的的常常见见形形式式如如图图7-167-16所所示示，加加工工中中工工具具头头与与变变幅幅杆杆相相连连，其其作作用用是是将将放放大大后后的的机机械械振振动动作作用用于于悬悬浮浮液液磨磨料料对对工工件件进进行行冲冲击击。工工具具材材料料应应选选用用硬硬度度和和脆脆性性不不很很大大的的韧韧性性材材料料，如如45#45#钢钢，这这样样可可以以减减少少工工具具的的相相对对磨磨损损。工工具具的的尺尺寸寸和和形形状状取取决决于于被被加加工工表表面面，它它们们相相差差一一个个加加工工间间隙隙值值(略略大大于磨料直径于磨料直径)。图7-16 几种形式的变幅杆 3)3)机床本体和磨料工作液循

48、环系统机床本体和磨料工作液循环系统超超声声波波加加工工机机床床的的本本体体一一般般很很简简单单，包包括括支支撑撑声声学学部部件件的的机机架架、工工作作台台面面以以及及使使工工具具以以一一定定压压力力作作用用在在工工件件上上的的进进给给机机构构等等；磨磨料料工工作作液液是是磨磨料料和和工工作作液液的的混混合合物物。常常用用的的磨磨料料有有碳碳化化硼硼、碳碳化化硅硅、氧氧化化硒硒或或氧氧化化铝铝等等；常常用用的的工工作作液液是是水水，有有时时用用煤煤油油或或机机油油。磨磨料料的的粒粒度度大大小小取取决决于于加加工工精度、表面粗糙度及生产率的要求。精度、表面粗糙度及生产率的要求。3超声波加工的应用超

49、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，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其他常用特种加工技术7.4.17.4.1电子束加工电子束加工1.1.加工原理加工原理 电电子子束束加加工工是是利利用用高高速速电电子子的的冲冲击击动动能能来来加加工工工工件件的的，如如图图7-20

50、7-20所所示示。在在真真空空条条件件下下，将将具具有有很很高高速速度度和和能能量量的的电电子子束束聚聚焦焦到到被被加加工工材材料料上上，电电子子的的动动能能绝绝大大部部分分转转变变为为热热能能，使使材材料料局局部部瞬瞬时熔融、汽化蒸发而去除。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 2特点与应用

51、特点与应用电子束加工的特点如下：电子束加工的特点如下：(1)(1)电电子子束束能能够够极极其其微微细细地地聚聚焦焦(可可达达l l0.10.1m)m)，故可进行微细加工。，故可进行微细加工。(2)(2)加加工工材材料料的的范范围围广广。由由于于电电子子束束能能量量密密度度高高，可可使使任任何何材材料料瞬瞬时时熔熔化化、汽汽化化且且机机械械力力的的作作用用极极小小，不不易易产产生生变变形形和和应应力力，故故能能加加工工各各种种力力学学性性能能的的导导体、半导体和非导体材料。体、半导体和非导体材料。(3)(3)加加工工在在真真空空中中进进行行，污污染染少少，加加工工表表面面不不易易被氧化。被氧化。

52、(4)(4)电电子子束束加加工工需需要要整整套套的的专专用用设设备备和和真真空空系系统统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。由由于于上上述述特特点点，电电子子束束加加工工常常应应用用于于加加工工微微细细小小孔孔、异异型型孔孔(如如图图7-217-21所所示示)及及特特殊殊曲曲面面。图图7-227-22所所示示为为电电子子束束加加工工弯弯曲曲的的型型面面。其其原原理理为为：电电子子束束在在磁磁场场中中受受力力，在在工工件件内内部部弯弯曲曲，工工件件同同时时移移动动，即即可可加加工工曲曲面面；随随后后改改变变磁磁场场极极性性，即即可可加加工工曲曲面面；

53、在在工工件件实实体体部部位位内内加加工工，即即可可得得到到弯弯槽槽；当当工工件件固固定定不不动动，先先后后改改变变磁磁场场极极性性，二二次次加加工工，即即可可得得到到一一个个入入口口、两两个个出出口口的的弯弯孔孔。拉拉制制电电子子束束速速度度和和磁磁场场强强度度，即即可可控控制制曲率半径。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7.4.27.4.2离子束加工离子束加工1 1加工原理加工原理离离子子束束加加工工也也是是一一种种新新兴兴的的特特种种加加工工，它它的的加加工工原原理理与与电电子子束束加加工工原原理理基基本本类类似似，也也是是在在真真空空条条件件下

54、下，将将离离子子源源产产生生的的离离子子束束经经过过加加速速、聚聚焦焦后后投投射射到到工工件件表表面面的的加加工工部部位位以以实实现现加加工工的的。所所不不同同的的是是离离子子带带正正电电荷荷，其其质质量量比比电电子子大大数数千千倍倍乃乃至至数数万万倍倍，故故在在电电场场中中加加速速较较慢慢，但但一一旦旦加加至至较较高高速速度度，就就比比电电子子束束具具有有更更大大的的撞撞击击动动能能。离离子子束束加加工工是是靠靠微微观观机机械械撞撞击击能能量量转转化化为为热热能能进进行的。行的。离离子子束束加加工工的的物物理理基基础础是是离离子子束束射射到到材材料料表表面面时时所所发发生生的撞击效应、溅射效

55、应和注入效应。离子束加工可分为四类。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)1)离子刻蚀离子刻蚀 离离子子轰轰击击工工件件，将将工工件件表表面面的的原原子子逐逐个个剥剥离离，又又称称离离子子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)2)离子溅射沉积离子溅射沉积 离离子子轰轰击击靶靶材材，将将靶靶材材原原子子击击出出，沉沉积积在在靶靶材材附附近近的的工工件上，使工件表面镀上一层薄膜。件上，使工件表面镀上一层薄膜。3)3)离子镀离子镀(又称离子溅射辅助沉积又称离子溅射辅助沉积)离离子子同同时时轰轰击击靶靶材材和和工工件件表表面面，目目的的是是

56、为为了了增增强强膜膜材材与与工件基材之间的结合力。工件基材之间的结合力。4)4)离子注入离子注入离离子子束束直直接接轰轰击击被被加加工工材材料料，由由于于离离子子能能量量相相当当大大，离离子子就就钻钻入入被被加加工工材材料料的的表表层层。工工件件表表面面层层含含有有注注入入离离子子后后，就就改改变变了了化化学学成成分分，从从而而改改变变了了工件表面层的机械物理性能。工件表面层的机械物理性能。2 2特点及应用特点及应用离子束加工有如下特点：离子束加工有如下特点：(1)(1)离离子子束束加加工工是是目目前前特特种种加加工工中中最最精精密密、最最微微细细的的加加工工。离离子子刻刻蚀蚀可可达达纳纳米米

57、级级精精度度，离离子子镀镀膜膜可可控控制制在在亚亚微微米米级级精精度度，离离子子注注入入的的深深度度和和浓浓度度亦亦可可精确地控制。精确地控制。(2)(2)离离子子束束加加工工在在高高真真空空中中进进行行，污污染染少少，特特别别适适宜宜于于对对易易氧氧化化的的金金属属、合合金金和和半半导导体体材材料料进进行行加加工。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。