機(jī)械制造工藝第二章－特種加工特種加工2.1特種加工概述（13）2.2電火花加工2.3電解加工2.4激光加工2.5離子束加工2.6超聲波加工2.7快速成型制造技術(shù)特種加工－概述1．傳統(tǒng)切削加工方法的問題：l）難切削高硬度、高強(qiáng)度金屬和非金屬材料的加工。2）型面復(fù)雜如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件上的各種異形孔、細(xì)微孔和窄縫加工。3）結(jié)構(gòu)特殊如薄壁零件、彈性元件、細(xì)長(zhǎng)零件等低剛度零件。2．特種加工：借助電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能等常規(guī)機(jī)械能以外的各種能量實(shí)現(xiàn)材料去除的工藝方法的總稱。常用特種加工方法及分類特種加工－主要特點(diǎn)1）不受材料力學(xué)性能的限制，可加工任何硬、軟、耐熱金屬及非金屬材料；2）不存在顯著的切削力，能獲得良好的表面質(zhì)量，殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力等均比較小；3）易于加工復(fù)雜型面、微細(xì)表面以及柔性零件。4）以多種能量作用的復(fù)合加工工工藝，如電解磨削、電解電火花及超聲電火花加工等。5）材料去除速度一般低于常規(guī)的切削方法；電火花加工－基本原理（1）工具與工件置于絕緣的液體中，并與脈沖電源的連接。調(diào)節(jié)裝置控制工具電極，保證工具與工件間放電間隙。（2）當(dāng)兩極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度增加到足夠大時(shí)，兩極間最近點(diǎn)的液體介質(zhì)被擊穿，產(chǎn)生短時(shí)間、高能量的火花放電，金屬被熔化或氣化。電火花加工－基本原理2（3）金屬蒸汽引起爆炸將熔融的金屬拋出，并被液體從間隙中沖走，工件與工具表面形成一個(gè)小凹坑。（4）經(jīng)過短的間隔，第二個(gè)脈沖又在極間擊穿放電。（5）電極向工件進(jìn)給，得到凹坑組成的加工表面，工具的形狀被復(fù)制在工件上。極性效應(yīng)－正極性加工極性效應(yīng)：極性不同產(chǎn)生的蝕除量不同的現(xiàn)象。正極性加工：當(dāng)用短脈沖（即較小脈沖寬度）加工時(shí)，工件應(yīng)與陽極相接，工具與陰極相接。因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量和慣性較小，易獲得加速度，很快奔向陽極，電能及動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能蝕除陽極金屬；而正離子由于質(zhì)量和慣性較大，起動(dòng)和加速較慢，有一大部分尚未來得及到達(dá)陰極表面，放電便告結(jié)束，所以陽極的蝕除量大于陰極。極性效應(yīng)－負(fù)極性加工負(fù)極性加工：當(dāng)用長(zhǎng)脈沖加工時(shí)，工件應(yīng)與陰極相接，工具與陽極相接。因?yàn)殡S著脈沖寬度即放電時(shí)間的加長(zhǎng)，質(zhì)量和慣性較大的正離子逐漸獲得了加速，陸續(xù)地撞擊在陰極表面上，由于正離子質(zhì)量較大，對(duì)陰極撞擊破壞作用比電子撞擊陽極的破壞作用大，所以陰極的蝕除量大于陽極。一般情況下，短脈沖、精加工時(shí)采用正極性加工；長(zhǎng)脈沖、粗加工時(shí)采用負(fù)極性加工。

電火花加工－工藝特點(diǎn)1）能加工任何導(dǎo)電的難切削的材料：可用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可加工聚晶金剛石類超硬材料。工具電極材料采用紫銅或石墨。2）加工中不存在切削力，特別適宜復(fù)雜形狀的工件、低剛度工件及微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。3）由于脈沖參數(shù)可任意調(diào)節(jié)，在同一臺(tái)機(jī)床上能完成粗、細(xì)、精三個(gè)階段的加工。4）加工速度較慢和工具電極存在損耗，影響加工效率和成形精度。

電火花應(yīng)用－電火花穿孔1）貫通的二維型孔的加工。有圓孔、方孔、多邊形孔等；2）孔的尺寸精度靠電極的尺寸和火花放電的間隙來保證。（1）電極材料為T10A等。（2）電極的截面輪廓尺寸比加工型孔的尺寸均勻地縮小一個(gè)加工間隙；（3）精度不≤IT7，Ra＜1.25μm，且直線度、平面度和平行度在100mm的長(zhǎng)度上不大于0.01mm。電火花型腔加工1）指三維型腔和型面的加工及電火花雕刻。例如加工壓鑄模、擠壓模、塑料模等。2）問題：（1）盲孔加工，金屬蝕除量大，工作液循環(huán)和電蝕產(chǎn)物排除條件差，工具電極損耗后無法靠進(jìn)給補(bǔ)償；（2）加工面積變化大，加工過程中電規(guī)準(zhǔn)調(diào)節(jié)范圍較大，電極損耗不均勻；型腔加工生產(chǎn)率低，質(zhì)量保證有一定困難。電火花線切割加工1）利用一根運(yùn)動(dòng)的細(xì)金屬絲（φ0.02～φ0.3mm的鉬絲或銅絲）作工具電極，在工件與金屬絲間通以脈沖電流，靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割加工的。電火花線切割加工－特點(diǎn)（1）與電火花穿孔相比，不需要特定形狀的電極，減少了電極的制造費(fèi)用，生產(chǎn)率高、加工成本低；加工中工具電極損耗很小，可獲得高的加工精度；（2）小孔、小槽、窄縫，凸、凹模加工可一次完成，多個(gè)工件可疊起來加工；（3）不能加工盲孔和立體成形表面。電解加工（電化學(xué)加工，ECM）利用金屬在電解液中可以產(chǎn)生陽極溶解的原理加工。2.3.1加工原理與特點(diǎn)2.3.2電解加工的應(yīng)用電解加工－基本原理2（2）工件接直流電源的正極作為陽極，工具接電源的負(fù)極作為陰極。電解液在低電壓（5～24V）、大電流（1000～2000A）作用下使作為陽極的工件發(fā)生溶解，電解產(chǎn)物被電解液沖走。

電解加工－基本原理3（3）剛開始時(shí)，兩極間距離最近點(diǎn)的電流密度較大，溶解速度就比較快。隨著工件的溶解，電極向工件進(jìn)給，工件表面逐漸與工具吻合，然后工件表面開始均勻溶解，直至達(dá)到尺寸要求為止。電解加工-化學(xué)反應(yīng)1）用10%～20％的NaCl，水溶液作電解液加工鋼件時(shí)的主要電化學(xué)反應(yīng)如下：2）作為陽極的工件（和水）不斷消耗，陰極的工具（和電解液中的氯化鈉）并不消耗。3）工具（陰極）材料：黃銅、不銹鋼等，電解液有NaCl、NaNO3、等溶液，其中以氯化鈉應(yīng)用最普遍。電解加工－工藝特點(diǎn)1）加工各種硬度與強(qiáng)度的金屬材料。2）加工速度約為電火花加工的5～10倍，約為機(jī)械切削加工的3～10倍。3）無切削力，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力、飛邊與毛刺；表面質(zhì)量高，Ra為1.25～0.μm。4）加工穩(wěn)定性不高，不易達(dá)到較高的加工精度。5）電解液及電解產(chǎn)物容易污染環(huán)境。電解加工的應(yīng)用（1）加工葉片型面、模具型腔與花鍵、深孔、異型孔及復(fù)雜零件的薄壁結(jié)構(gòu)等加工；（2）用于電解刻印、電解倒棱去毛刺時(shí)，加工效率高、費(fèi)用低；（3）用電解拋光不僅效率比機(jī)械拋光高，而且拋光后表面耐腐蝕性好。（4）能形成多種復(fù)合加工，如電解磨削、電解珩磨、電解研磨等。

電解磨削電解磨削：靠陽極金屬的電化學(xué)溶解（占95％～98％）和機(jī)械磨削作用（占20％～5％）相結(jié)合的復(fù)合加工方法。其加工原理見圖。

電解磨削－特點(diǎn)（1）克服了電解加工精度不高的弱點(diǎn)，集中了電解加工和機(jī)械磨削的優(yōu)點(diǎn)。其加工精度平均為0.02mm，最高可達(dá)0.001mm，表面粗糙度Ra值平均為0.8μm，最高可達(dá)0.02μm；（2）其磨削效率一般高于機(jī)械磨削，而砂輪的損耗遠(yuǎn)比機(jī)械磨削小。3）用途：電解磨削適合于磨削高強(qiáng)度、高硬度、熱敏性和磁性材料，如硬質(zhì)合金、高速鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金等。激光加工（LBM）利用光能量進(jìn)行加工的一種方法。它可以用于打孔、切割、雕刻、焊接、熱處理等。

2.4.1加工原理與特點(diǎn)

2.4.2激光加工的應(yīng)用激光加工原理固體激光器中激光的產(chǎn)生和工作原理圖。（1）激光器：把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生激光束。（2）由工作物質(zhì)、激勵(lì)能源、全反射鏡和部分反射鏡四部分組成。激光加工原理2①工作物質(zhì)：固體，如釔鋁石榴石等。②激勵(lì)能源，光泵（脈沖氙燈）：它將工作物質(zhì)內(nèi)部原子中的粒子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，使其造成“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”分布，并受激輻射產(chǎn)生激光。激光加工原理3③激光在光學(xué)諧振腔（全反射與部分反射鏡）內(nèi)來回反射，激發(fā)，反饋放大；④由部分反射鏡的一端輸出激光。激光加工原理43）通過透鏡聚焦形成高能激光，照射到工件表面上。4）對(duì)不透明的物質(zhì)，大部分光能被加工表面吸收并轉(zhuǎn)換成的熱能，使照射區(qū)域的物質(zhì)熔化與氣化，形成小凹坑。隨著激光能量的被吸收，凹坑中金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，把熔融物高速噴射出來。熔融物高速噴射所產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內(nèi)部形成一個(gè)方向性很強(qiáng)的沖擊波。（5）工件材料在高溫熔融和沖擊波的綜合作用下，蝕除了部分物質(zhì)，打出錐度小孔。激光加工－工藝特點(diǎn)1）功率密度高，幾乎能加工所有材料。如高溫合金。2）加工速度快（打孔僅用0.001s）、熱影響區(qū)小，無加工變形，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工。3）可透過玻璃等透明材料對(duì)工件進(jìn)行加工，如焊接真空管內(nèi)部的器件等。4）能聚焦成極細(xì)的激光束，可進(jìn)行精密細(xì)微加工。打孔孔徑為φ0.1～1mm，最小可達(dá)φ0.001mm，長(zhǎng)徑比可達(dá)50-1100。切割時(shí)，切縫寬度只有0.1～0.5mm，切割金屬的厚度可達(dá)10mm以上。激光加工的應(yīng)用－打孔1）打微型小孔：（φ0.5±0.02），YAG激光加工。（1）脈沖激光，多次重復(fù)照射完成打孔加工；（2）焦點(diǎn)位置將嚴(yán)重影響加工后的孔形；①當(dāng)焦點(diǎn)低于加工面時(shí)，加工孔是圓錐形（a））；②當(dāng)焦點(diǎn)正落在加工面上時(shí)，加工孔直徑相同（b）；③當(dāng)焦點(diǎn)高于加工面時(shí)，加工孔呈腰鼓形（c）。激光打孔特點(diǎn)2）特點(diǎn)：（1）效率非常高，特別是對(duì)金剛石和寶石等特硬材料；。（2）尺寸精度可達(dá)IT7，Ra值為0.16～0.08μm。（3）打孔以后，被蝕除的材料會(huì)重新凝固，應(yīng)采取了吹氣或吸氣措施，以排除蝕除產(chǎn)物。激光加工的應(yīng)用－切割1）與激光打孔的原理基本相同，功率密度為105～107W/cm2。工件與激光束之間按所需切割的形狀沿X，Y方向進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。2）可在激光照射部位同時(shí)噴吹氧（對(duì)金屬）、氮（對(duì)非金屬）等氣體，吹去熔化物來提高加工效率。對(duì)金屬吹氧，還可利用氧與高溫金屬的反應(yīng)，促進(jìn)照射點(diǎn)的熔化；

激光切割－特點(diǎn)（1）具有切縫窄、速度快、熱影響區(qū)小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，方便地切割出各種曲線形狀。（2）可加工飛機(jī)蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、直升機(jī)旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和火焰筒及精密元器件的窄縫等，并可進(jìn)行激光雕刻。激光焊接1）不需要使工件材料氣化蝕除，而只要將激光束直接輻射到材料表面，使材料局部熔化，以達(dá)到焊接的目的，所需要的能量密度比激光切割要低。2）不但提高了材料的利用率，并且減少了沖壓模具的數(shù)量，汽車制造業(yè)應(yīng)用激光加工技術(shù)最活躍的領(lǐng)域是激光焊接加工技術(shù)，尤其是薄鋼板激光對(duì)焊，具有對(duì)焊后焊縫仍能進(jìn)行沖壓加工的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用在汽車車體薄鋼板的沖壓成形加工中。激光焊接－示例激光焊接－特點(diǎn)（1）焊接過程迅速，被焊材料不易氧化，熱影響區(qū)及變形很小；（2）激光焊接無焊渣，也不需要去除工件的氧化膜；（3）焊接同類材料、不同種類的材料，甚至可以透過玻璃對(duì)真空管內(nèi)的零件進(jìn)行焊接。（4）激光焊接特別適合于微型精密焊接及對(duì)熱敏感性很強(qiáng)的晶體管元件的焊接。激光熱處理1）當(dāng)激光的功率密度約為103～105W/cm2，便可對(duì)鑄鐵、中碳鋼和低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火層的深度一般為0.7～1.1mm。硬度比常規(guī)淬火約高20％，產(chǎn)生的變形小；2）特別適合大型零件的表面淬火及形狀復(fù)雜零件（如齒輪）的表面淬火。3）激光拋光、激光沖擊硬化法、激光合金化等先進(jìn)激光應(yīng)用技術(shù)也正在研究發(fā)展之中。離子束加工（IBM）利用離子束對(duì)材料進(jìn)行成形和改性的加工方法。2.5.1加工原理與特點(diǎn)2.5.2離子束加工的應(yīng)用離子束加工－基本原理在真空條件下將離子源產(chǎn)生的離子束加速、聚焦后，打到工件表面以實(shí)現(xiàn)去除加工。

離子束加工－原理12）與電子束等方法不同的是：（1）電子束加工是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來進(jìn)行加工的；（2）離子束加工是靠微觀的機(jī)械撞擊動(dòng)能。3）離子帶正電荷，其質(zhì)量是電子質(zhì)量的1840倍，氬離子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的7.2萬倍。4）加速到高速度時(shí)，離子束比電子束具有大得多的沖擊能量。離子撞擊工件材料時(shí)，可將工件表面的原子一個(gè)一個(gè)打擊出去，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。離子束加工－工藝特點(diǎn)（1）離子束流密度及離子能量可以精確控制，可以實(shí)現(xiàn)納米（0.001μm）級(jí)的（或稱原子間距級(jí)的）加工精度。（2）在高真空中進(jìn)行，污染少，適宜加工易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料。（3）加工應(yīng)力與變形極小，且表面質(zhì)量非常高。（4）由于離子束加工設(shè)備費(fèi)用高，加工效率低，故推廣受到一定限制。離子束加工的應(yīng)用－離子濺射（1）離子加速到幾十～幾千電子伏時(shí)，用離子轟擊靶材，將靶材上的原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。（2）離子鍍膜時(shí)同時(shí)轟擊工件表面，以增加靶（膜）材與工件表面的結(jié)合力。用離子鍍膜還可顯著提高模具和刀具的使用壽命。離子刻蝕（離子銑削）1）離子加速到一萬～幾萬電子伏，且離子入射方向與被加工表面成25°～30°時(shí)，離子可將工件表面的原子或分子逐個(gè)撞擊出去，實(shí)現(xiàn)離子銑削、離子蝕刻或離子拋光等。2）用于加工陀螺儀氣動(dòng)軸承（碳化硼、鈦合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金等材料）的異形溝槽、非球面透鏡及刻蝕集成電路等微電子器件亞微米圖形，還用來制作集成光路中的光柵和波導(dǎo)、薄石英晶體振蕩器和壓電傳感器等。

離子注入1）將離子加速到幾十萬電子伏或更高時(shí)，離子可穿入被加工材料內(nèi)部，從而達(dá)到改變材料化學(xué)成分的目的。2）離子注入在半導(dǎo)體方面的應(yīng)用：如將硼、磷等“雜質(zhì)”離子注入半導(dǎo)體，用以改變導(dǎo)電形式（P型或N型）和制造P一N結(jié)。超聲加工（USM）當(dāng)頻率超過16000Hz就稱為超聲波。利用工具作超聲振動(dòng)，通過懸浮液中磨料的高速轟擊進(jìn)行加工的方法。在加工硬脆材料等有其優(yōu)越性。加工用的超聲波頻率為16000～25000Hz。

2.6.1加工原理與特點(diǎn)2.6.2超聲加工的應(yīng)用超聲加工－基本原理（1）超聲波發(fā)生器：將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l電振蕩，由換能器將電振蕩變?yōu)榇怪庇诠ぜ砻娴某暀C(jī)械振動(dòng)，再由振幅擴(kuò)大棒把振幅放大。

超聲加工－基本原理2（2）在工具和工件之間不斷注入磨料懸浮工作液，振幅擴(kuò)大棒驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使懸浮液中的磨粒以很大的速度不斷撞擊、拋磨被加工表面，把工件加工區(qū)域的材料粉碎成微粒脫落下來。超聲加工－基本原理3（3）由于每秒打擊的次數(shù)多達(dá)16×103次以上，所以具有一定的加工速度。（4）工作液受工具端面超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓沖擊波和“空化作用”，促使工作液鉆入被加工材料的微裂縫處，加劇了機(jī)械破壞作用。（5）加工碎屑不斷被循環(huán)流動(dòng)的工作液帶走。隨著工具不斷進(jìn)給，加工過程持續(xù)進(jìn)行，工具的形狀便被復(fù)映于工件上，直至達(dá)到所要求的尺寸和形狀。超聲加工－基本原理42）空化作用：當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，工作液內(nèi)形成很多微空腔。當(dāng)工具端面以很大的速度接近被加工表面時(shí)，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可強(qiáng)化加工過程。3）工作液（懸浮液）：由水或煤油加入磨料組成。4）工具的材料:一般使用45鋼。超聲加工－工藝特點(diǎn)1）適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，如玻璃、陶瓷、金剛石材料。2）加工精度高、表面質(zhì)量好，不會(huì)引起變形。精度0.01～0.02mm，Ra0.63～0.08μm。3）由于采用成形法原理加工，故機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。4）超聲加工的生產(chǎn)率較低。對(duì)導(dǎo)電材料的加工效率遠(yuǎn)不如電火花與電解加工；5）對(duì)軟質(zhì)、反彈性大的材料，加工較為困難。超聲加工的應(yīng)用1．主要用于硬脆材料的型孔加工、切割、雕刻以及研磨金剛石拉絲模等。2．為提高加工速度并降低工具損耗，可把超聲加工與電解、電火花或機(jī)械加工結(jié)合進(jìn)行復(fù)合加工。如超聲電解加工、超聲電火花加工。超聲切削已應(yīng)用于車、銑、刨、磨及攻絲等，都取得了很好的效果。3.利用空化作用，可對(duì)噴油嘴、噴絲孔、微型軸承等精細(xì)零件進(jìn)行清洗。超聲車削與超聲磨削超聲車削、超聲磨削的示意圖。

快速成型制造技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實(shí)體模型，經(jīng)計(jì)算機(jī)