第七章 電化學(xué)及其他特種加工技術(shù)

1、第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1 電化學(xué)加工技術(shù)電化學(xué)加工技術(shù)7.2 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)7.3 超聲波加工技術(shù)超聲波加工技術(shù)7.4 其他常用特種加工技術(shù)其他常用特種加工技術(shù)習(xí)題習(xí)題第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1 電化學(xué)加工技術(shù)電化學(xué)加工技術(shù)7.1.1 電化學(xué)加工的原理與特點(diǎn)1. 電化學(xué)加工的原理圖7-1所示為電化學(xué)加工的原理。兩片金屬銅(Cu)板浸在導(dǎo)電溶液，例如氯化銅(CuCl2)的水溶液中，此時(shí)水(H2O)離解為氫氧根負(fù)離子OH和氫正離子H+，CuCl2離解為兩個(gè)氯負(fù)離子2Cl和二價(jià)銅正離子Cu2

2、+。當(dāng)兩個(gè)銅片接上直流電形成導(dǎo)電通路時(shí)，導(dǎo)線和溶液中均有電流流過，在金屬片(電極)和溶液的界面上就會(huì)有交換電子的反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。溶液中的離子將作定向移動(dòng)，Cu2+正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進(jìn)行還原反應(yīng)，沉積出銅。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)在陽(yáng)極表面Cu原子失掉電子而成為Cu2+正離子進(jìn)入溶液。溶液中正、負(fù)離子的定向移動(dòng)稱為電荷遷移。在陽(yáng)、陰電極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)。這種利用電化學(xué)反應(yīng)原理對(duì)金屬進(jìn)行加工(圖7-1中陽(yáng)極上為電解蝕除，陰極上為電鍍沉積，常用以提煉純銅)的方法即電化學(xué)加工。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-1 電

3、解(電鍍)液中的電化學(xué)反應(yīng)ieei211陽(yáng)極；2陰極OHClHCu2第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2. 電化學(xué)加工的分類電化學(xué)加工有三種不同的類型。第類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陽(yáng)極溶解來(lái)進(jìn)行加工，主要有電解加工和電化學(xué)拋光等；第類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陰極沉積來(lái)進(jìn)行加工，主要有電鍍、電鑄等；第 類是利用電化學(xué)加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工工藝進(jìn)行加工，目前主要有電解磨削、電化學(xué)陽(yáng)極機(jī)械加工(其中還含有電火花放電作用)。電化學(xué)加工的類別如表7-1所示。本節(jié)主要介紹電解加工、電鑄成型、電解磨削，其它的電化學(xué)加工請(qǐng)參考相關(guān)資料。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工

4、技術(shù)表7-1 電化學(xué)加工分類類別 加工方法及原理 應(yīng) 用 電解加工(陽(yáng)極溶解) 電化學(xué)拋光(陽(yáng)極溶解) 用于形狀尺寸加工 用于表面加工 電鍍(陰極沉積) 電鑄(陰極沉積) 用于表面加工 用于形狀尺寸加工 電極磨削(陽(yáng)極溶解、機(jī)械磨削) 電解放電加工(陽(yáng)極溶解、電火花蝕除) 用于形狀尺寸加工 用于形狀尺寸加工 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3. 電化學(xué)加工的適用范圍電化學(xué)加工的適用范圍，因電解和電鍍兩大類工藝的不同而不同。電解加工可以加工復(fù)雜成型模具和零件，例如汽車、拖拉機(jī)連桿等各種型腔鍛模，航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的扭曲葉片，汽輪機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的扭曲葉片，炮筒內(nèi)管的螺旋“膛線”(來(lái)復(fù)線)

5、，齒輪、液壓件內(nèi)孔的電解去毛刺及擴(kuò)孔、拋光等。電鍍、電鑄可以復(fù)制復(fù)雜、精細(xì)的表面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.2 電解加工1電解加工的原理及特點(diǎn)1) 基本原理電解加工是利用金屬在電解液中的“電化學(xué)陽(yáng)極溶解”來(lái)將工件成型的。如圖7-2所示，在工件(陽(yáng)極)與工具(陰極)之間接上直流電源，使工具陰極與工件陽(yáng)極間保持較小的加工間隙(0.10.8 mm)，間隙中通過高速流動(dòng)的電解液。這時(shí)，工件陽(yáng)極開始溶解。開始時(shí)，兩極之間的間隙大小不等，間隙小處電流密度大，陽(yáng)極金屬去除速度快；而間隙大處電流密度小，去除速度慢。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)隨著工件表面金屬材料的

6、不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進(jìn)給，溶解的電解產(chǎn)物不斷地被電解液沖走，工件表面也就逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，如此下去直至將工具的形狀復(fù)制到工件上。 圖7-2 電解加工原理圖12345VA1直流電源；2工具電極；3工件陽(yáng)極；4電解液泵；5電解液第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 特點(diǎn)電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點(diǎn):(1) 能加工各種硬度和強(qiáng)度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強(qiáng)度多大，都可加工。(2) 生產(chǎn)率高，約為電火花加工的510倍，在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。(3) 表面質(zhì)量好，電解加工不產(chǎn)生殘余

7、應(yīng)力和變質(zhì)層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達(dá)0.21.25 m。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) (4) 陰極工具在理論上不損耗，基本上可長(zhǎng)期使用。電解加工當(dāng)前存在的主要問題是加工精度難以嚴(yán)格控制，尺寸精度一般只能達(dá)到0.150.30 mm。此外，電解液對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。2. 電解加工設(shè)備電解加工的基本設(shè)備包括直流電源、機(jī)床及電解液系統(tǒng)三大部分。1) 直流電源電解加工常用的直流電源為硅整流電源和晶閘管整流電源，其主要特點(diǎn)及應(yīng)用見表7-2。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)表7-2 直流電源的特點(diǎn)及應(yīng)用分 類 特 點(diǎn) 應(yīng)用

8、場(chǎng)合 硅整流電源 1可靠性、穩(wěn)定性好； 2調(diào)節(jié)靈敏度較低； 3穩(wěn)壓精度不高 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)占一定比例 晶閘管電源 1靈敏度高，穩(wěn)壓精度高； 2效率高，節(jié)省金屬材料； 3穩(wěn)定性、可靠性較差 國(guó)外生產(chǎn)中普遍采用， 也占相當(dāng)比例 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 機(jī)床電解加工機(jī)床的任務(wù)是安裝夾具、工件和陰極工具，并實(shí)現(xiàn)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，傳送電和電解液。電解加工過程中雖沒有機(jī)械切削力，但電解液對(duì)機(jī)床主軸和工作臺(tái)的作用力是很大的，因此要求機(jī)床要有足夠的剛性；要保證進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果進(jìn)給速度不穩(wěn)定，陰極相對(duì)工件的各個(gè)截面的電解時(shí)間就不同，影響加工精度；電解加工機(jī)床經(jīng)常與具有腐蝕性的工作液接觸

9、，因此機(jī)床要有好的防腐措施和安全措施。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3) 電解液系統(tǒng)在電解加工過程中，電解液不僅作為導(dǎo)電介質(zhì)傳遞電流，而且在電場(chǎng)的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使陽(yáng)極溶解能順利而有效地進(jìn)行，這一點(diǎn)與電火花加工的工作液的作用是不同的。同時(shí)電解液也擔(dān)負(fù)著及時(shí)把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走的任務(wù)，起到更新和冷卻的作用。電解液可分為中性鹽溶液、酸性鹽溶液和堿性鹽溶液三大類。其中中性鹽溶液的腐蝕性較小，使用時(shí)較為安全，故應(yīng)用最廣。常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三種。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)

10、NaCl 電解液價(jià)廉易得，對(duì)大多數(shù)金屬而言，其電流效率均很高，加工過程中損耗小并可在低濃度下使用，應(yīng)用很廣。其缺點(diǎn)是電解能力強(qiáng)，散腐蝕能力強(qiáng)，使得離陰極工具較遠(yuǎn)的工件表面也被電解，成型精度難于控制，復(fù)制精度差；對(duì)機(jī)床設(shè)備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 NaNO3電解液在濃度低于30%時(shí)，對(duì)設(shè)備、機(jī)床腐蝕性很小，使用安全。但生產(chǎn)效率低，需較大電源功率，故適用于成型精度要求較高的工件加工。NaClO3電解液的散蝕能力小，故加工精度高，對(duì)機(jī)床、設(shè)備等的腐蝕很小，廣泛地應(yīng)用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一種強(qiáng)氧化劑，雖不自燃，但遇熱分解的氧氣能助燃，因此使用時(shí)要注

11、意防火安全。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3.電解加工電極反應(yīng)1）陽(yáng)極反應(yīng)：Fe2e Fe2+（-0.59V）（電極電位最負(fù)，優(yōu)先發(fā)生）Fe3e Fe3+（-0.323V）4OH-4e O2 （0.867V）2Cl- 2e Cl2 （1.334V）2）陰極反應(yīng)：2H+ + 2e H2 （-0.42V）（電極電位最正，優(yōu)先發(fā)生）Na+ + e Na （-2.69V）3）加工產(chǎn)物從系統(tǒng)去除：Fe2+ Fe(OH)2 Fe(OH)3第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3.電解加工的基本規(guī)律1）生產(chǎn)率及其影響因素：（1）金屬的電化學(xué)當(dāng)量和生產(chǎn)率的關(guān)系：m=KIt, V=It（

12、2）電流密度和生產(chǎn)率的關(guān)系：a=i（3）電極間隙大小和蝕除速度的關(guān)系： a=UR/第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2）精度成形規(guī)律：（1）端面平衡間隙： b = UR/ c（2）法向平衡間隙： n = b / cos（3）側(cè)向間隙： s = b 2b/ b +13）平衡間隙理論的應(yīng)用：（1）計(jì)算加工過程中各種間隙，根據(jù)陰極形狀來(lái)推算加工后工件的形狀和尺寸；（2）根據(jù)工件計(jì)算陰極形狀尺寸；（3）分析加工精度；（4）選擇加工參數(shù)，如電極間隙、電源電壓、進(jìn)給速度。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)4.表面質(zhì)量電解加工表面質(zhì)量，包括表面粗糙度和物理化學(xué)性質(zhì)改變二方面。正常電解

13、加工沒有切削力和切削熱影響，不會(huì)發(fā)生塑性變形，無(wú)殘余應(yīng)力、冷作硬化或燒傷退火等缺陷。影響因素主要有：1）工件材料合金成分：合金成分多，雜質(zhì)多，金相組織不均勻，結(jié)晶粗大，都會(huì)造成溶解速度差異，降低表面粗糙度。如鑄鐵、高碳鋼表面粗糙度就較差。2）工藝參數(shù)：電流密度高有利；電解液流速過低（排出不暢）或過高（局部真空）都不好；溫度過高（易局部剝落）或過低（易鈍化）都不利。3）陰極表面質(zhì)量：條紋、刻痕會(huì)復(fù)制到工件表面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)5.提高加工精度的途徑1）脈沖電流電解加工：脈沖間歇利于電解產(chǎn)物排除；間斷析出的氫氣攪拌均勻化電解液。2）小間隙加工：加工精度、加工速率都有提

14、高，但易短路，受機(jī)床剛度、傳動(dòng)精度、電解液系統(tǒng)所能提供壓力、流速以及過濾情況的限制。3）改進(jìn)電解液：兼顧加工速率和加工精度。4）混氣加工：在電解液中通入壓縮空氣。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3. 電解加工應(yīng)用日前，電解加工主要應(yīng)用在深孔加工、葉片(型面)加工、鍛模(型腔)加工、管件內(nèi)孔拋光、各種型孔的倒圓和去毛刺、整體葉輪的加工等方面。圖7-3是用電解加工整體葉輪，葉輪上的葉片是采用套料法逐個(gè)加工的。加工完一個(gè)葉片，退出陰極，經(jīng)分度后再加工下一個(gè)葉片。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他

15、特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-3 電解加工整體葉輪空心水套管葉片陰極片分度陰極片進(jìn)給電解液第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.3 電鑄成型1電鑄成型原理及特點(diǎn)1) 成型原理與大家熟知的電鍍?cè)硐嗨?，電鑄成型是利用電化學(xué)過程中的陰極沉積現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行成型加工的，即在原模上通過電化學(xué)方法沉積金屬，然后分離以制造或復(fù)制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時(shí)要求得到與基體結(jié)合牢固的金屬鍍層，以達(dá)到防護(hù)、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠(yuǎn)大于電鍍層。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)電鑄原理如圖7-4所示，在直流電源的作用

16、下，金屬鹽溶液中的金屬離子在陰極獲得電子而沉積在陰極母模的表面。陽(yáng)極的金屬原子失去電子而成為正離子，源源不斷地補(bǔ)充到電鑄液中，使溶液中的金屬離子濃度保持基本不變。當(dāng)母模上的電鑄層達(dá)到所需的厚度時(shí)取出，將電鑄層與型芯分離，即可獲得型面與型芯凹、凸相反的電鑄模具型腔零件的成型表面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-4 電鑄成型的原理45636 V789101231鍍槽；2陽(yáng)極；3蒸餾水瓶；4直流電源；5加熱管；6恒溫裝置；7溫度計(jì)；8母模；9電鑄層；10玻璃管第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 特點(diǎn)(1) 復(fù)制精度高，可以做出機(jī)械加工不可能加工出的細(xì)微形狀(如微細(xì)

17、花紋、復(fù)雜形狀等)，表面粗糙度Ra可達(dá)0.1 m，一般不需拋光即可使用。(2) 母模材料不限于金屬，有時(shí)還可用制品零件直接作為母模。(3) 表面硬度可達(dá)3550HRC，所以電鑄型腔使用壽命長(zhǎng)。(4) 電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導(dǎo)電性能，十分有利于電加工。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)(5) 電鑄時(shí)，金屬沉積速度緩慢，制造周期長(zhǎng)。如電鑄鎳，一般需要一周左右。(6) 電鑄層厚度不易均勻，且厚度較薄，僅為48 mm左右。電鑄層一般都具有較大的應(yīng)力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應(yīng)用受到一定的限制。2電鑄設(shè)備鑄設(shè)備

18、(如圖7-4所示)主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1) 電鑄槽電鑄槽材料的選取以不與電解液作用引起腐蝕為原則。一般用鋼板焊接，內(nèi)襯鉛板或聚氯乙烯薄板等。2) 直流電源電鑄采用低電壓大電流的直流電源。常用硅整流，電壓為612 V左右，并可調(diào)。3) 攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時(shí)間，提高生產(chǎn)速度，最好在陰極運(yùn)動(dòng)的同時(shí)加速溶液的攪拌。攪拌的方法有循環(huán)過濾法、超聲波或機(jī)械攪拌等。循環(huán)過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復(fù)流動(dòng)時(shí)進(jìn)行過濾。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)

19、4) 恒溫控制系統(tǒng) 電鑄時(shí)間很長(zhǎng)，所以必須設(shè)置恒溫控制設(shè)備。它包括加熱設(shè)備(加熱玻璃管、電爐等)和冷卻設(shè)備(冷水或冷凍機(jī)等)。3電鑄的應(yīng)用電鑄具有極高的復(fù)制精度和良好的機(jī)械性能，已在航空、儀器儀表、精密機(jī)械、模具制造等方面發(fā)揮日益重要的作用。圖7-5為刻度盤模具型腔電鑄過程。其中圖(a)為電鑄過程中的陰極母模簡(jiǎn)圖，圖(b)為母模進(jìn)行引導(dǎo)線及包扎絕緣處理圖，圖(c)為電鑄，圖(d)為電鑄產(chǎn)品后處理圖。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-5 刻度盤模具型腔電鑄過程106M3628145759056(a)(b)123450.91.11020(c)8(d)1671母模；2絕緣板；3螺釘

20、；4導(dǎo)電桿；5塑料管；6鑄件；7銅套；8芯軸1.0第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.4 電解磨削1加工原理及特點(diǎn)1) 加工原理電解磨削是電解加工的種特殊形式，是電解與機(jī)械的復(fù)合加工方法。它是靠金屬的溶解(占95%98%)和機(jī)械磨削(占2%5%)的綜合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)加工的。加工原理如圖7-6所示。加工過程中，磨輪(砂輪)不斷旋轉(zhuǎn)，磨輪上凸出的砂粒與工件接觸，形成磨輪與工件間的電解間隙。電解液不斷供給，磨輪在旋轉(zhuǎn)中，將工件表面由電化學(xué)反應(yīng)生成的鈍化膜除去，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，如此反復(fù)不斷，直到加工完畢。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)電解磨削的陽(yáng)極溶解機(jī)理與普通電解加

21、工的陽(yáng)極溶解機(jī)理是相同的。不同之處在于：電解磨削中，陽(yáng)極鈍化膜的去除是靠磨輪的機(jī)械加工去除的，電解液腐蝕力較弱；而一般電解加工中的陽(yáng)極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞(不斷溶解)或靠活性離子(如氯離子)進(jìn)行活化，再由高速流動(dòng)的電解液沖刷帶走的。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-6 電解磨削加工原理圖7685432191251311101直流電源；2絕緣主軸；3磨輪；4電解液噴嘴；5工件；6電解液泵；7電解液箱；8機(jī)床本體；9工作臺(tái)；10磨料；11結(jié)合劑；12電解間隙；13電解液第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 特點(diǎn)(1) 磨削力小，生產(chǎn)率高。這是由于電解磨

22、削具有電解加工和機(jī)械磨削加工的優(yōu)點(diǎn)。(2) 加工精度高，表面加工質(zhì)量好。因?yàn)殡娊饽ハ骷庸ぶ?，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產(chǎn)生的磨削力較小，不會(huì)產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋等現(xiàn)象，故加工工件的表面質(zhì)量好。(3) 設(shè)備投資較高。其原因是電解磨削機(jī)床需加電解液過濾裝置、抽風(fēng)裝置、防腐處理設(shè)備等。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2電解磨削的應(yīng)用 電解磨削廣泛應(yīng)用于平面磨削、成型磨削和內(nèi)外圓磨削。圖7-7(a)、(b)分別為立軸矩臺(tái)平面磨削、臥軸矩臺(tái)平面磨削的示意圖。圖7-8為電解成型磨削示意圖，其磨削原理

23、是將導(dǎo)電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進(jìn)行預(yù)先成型，然后進(jìn)行電解磨削。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-7 平面磨削示意圖 (a)(b)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) 圖7-8 電解成型磨削原理圖213451絕緣層；2磨輪；3噴嘴；4工件；5加工電源第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.1.5涂鍍（電刷鍍）電刷鍍是電鍍的一種特殊方式，不用鍍槽（掛鍍、滾鍍、連續(xù)鍍均屬槽鍍），只需在不斷供應(yīng)電解液的條件下，用一支鍍筆在工件表面上進(jìn)行擦拭，從而獲得電鍍層。所以，刷鍍又稱快速電鍍，無(wú)槽電鍍或金屬涂鍍。電刷鍍具有設(shè)備輕便，工藝靈活，鍍積速度快，鍍層種類多，結(jié)合強(qiáng)

24、度高，適應(yīng)范圍廣，對(duì)環(huán)境污染少，省水省電等優(yōu)點(diǎn)。是機(jī)械零件表面修復(fù)和強(qiáng)化的重要手段之一，特別適于不解體，現(xiàn)場(chǎng)修理和野外搶修。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)國(guó)外電刷鍍技術(shù)的發(fā)展大致分為以下幾個(gè)階段： 第一階段（1899 1938）：利用槽鍍電極板和鍍液進(jìn)行的槽外電鍍； 第二階段（1938 1960）：開始研制專用的刷鍍?cè)O(shè)備和鍍液，并取得專利； 第三階段（1960 1967）：開始發(fā)展機(jī)械化和自動(dòng)化的“流鍍”； 第四階段（1967 至今）：從電源設(shè)備、鍍筆、工藝、鍍液、輔具等各方面都不斷得到充實(shí)、完善，形成了一套完全獨(dú)立、可靠而實(shí)用的新的電鍍工藝。特別是近幾年來(lái)，刷鍍的電源設(shè)備趨于

25、輕巧，鍍液品種日趨齊全，專用輔助器具配套，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，科研成果不斷出現(xiàn)。這幾年脈沖刷鍍電源已成功地用于刷鍍，鍍層質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。雖然鍍鎳應(yīng)用最廣，但多種鍍液已被不斷開發(fā)。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)我國(guó)于70年代未引入這項(xiàng)技術(shù)，國(guó)家經(jīng)委列入“六五”、“七五”、“八五”推廣項(xiàng)目，在修飾、強(qiáng)化，及零件改性等方面取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前已能配制100余種鍍液、電源容量從30A500A及配套工輔具均能生產(chǎn)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)451.電刷鍍的原理與特點(diǎn)電刷鍍的原理與特點(diǎn) 電刷鍍也是一種金屬電沉積的過程,基本原理同電鍍。下

26、圖是其工作過程的示意圖。直流電源的正極通過導(dǎo)線與鍍筆相聯(lián)，負(fù)極通過導(dǎo)線和工件相聯(lián)，當(dāng)電流方向由鍍筆流向工件時(shí)為正向電流，正向電流接通時(shí)發(fā)生電沉積；電流方向從工件流向鍍筆時(shí)為反向電流，反向電流接通時(shí)工件表面發(fā)生溶解。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)由于刷鍍無(wú)需電鍍槽，兩極距離很近，所以常規(guī)電鍍的溶液不適用來(lái)作刷鍍?nèi)芤骸Ｋ㈠內(nèi)芤褐械慕饘匐x子的濃度要高得多，因此需要配制特殊的溶液。完整的刷鍍過程還應(yīng)包括預(yù)處理過程。預(yù)處理過程包括：鍍前工件表面的電清洗和電活化工序，這些處理都使用同一電源，只是鍍筆、溶液、電流方向等工藝條件不同而已。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)電刷鍍具

27、有以下特點(diǎn)：電刷鍍具有以下特點(diǎn)： （1）鍍層結(jié)合強(qiáng)度高，在鈦、鋁、銅、鉻、高合金鋼和石墨上也具有很好的結(jié)合強(qiáng)度。（2）設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝靈活、操作方便，可以在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。（3）可以進(jìn)行槽鍍困難或?qū)崿F(xiàn)不了的局部電鍍。例如對(duì)某些重量重、體積大的零件實(shí)行局部電鍍。（4）生產(chǎn)效率高。刷鍍的速度是一般槽鍍的1015倍；輔助時(shí)間少；且可節(jié)約能源，是糟鍍耗電量的幾十分之一。（5）操作安全，對(duì)環(huán)境污染小。刷鍍的溶液不含氰化物和劇毒藥品，可循環(huán)使用，耗量小，不會(huì)因大量廢液排放而造成污染。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)刷鍍電源刷鍍電源刷鍍電源是該工藝最主要的設(shè)備，電源的質(zhì)量直接影響著刷鍍層的質(zhì)量。刷鍍電

28、源必須滿足如下要求：（1）電源應(yīng)具有直流平外特性，即當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電壓應(yīng)下降很小。（2）電源的輸出電壓應(yīng)采用無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，以便根據(jù)不同的工件、不同的鍍液選擇最佳的電壓值。常用電壓調(diào)節(jié)范圍為030V，最高不超過40V。（3）電源輸出電流的大小要根據(jù)零件的大小、鍍液的種類及沉積速率等因素確定。為適應(yīng)零件表面積的大小，常把電源的電流和電壓分成幾個(gè)等級(jí)配套使用，如15A20V，30A30V，60A30V， 100A40V，120A40V，150A40V。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)（4）電源應(yīng)帶有安培小時(shí)計(jì)或鍍層測(cè)厚儀，為了顯示電鍍零件所消耗的電量或顯示零件鍍層厚度，從而減少測(cè)量次數(shù)

29、，防止零件表面污染，保證鍍層質(zhì)量。（5）電源應(yīng)設(shè)有正、反向開關(guān)，以滿足電凈、活化、電鍍的需要。（6）電源應(yīng)有過載保護(hù)裝置。當(dāng)負(fù)載電流超過額定電流的510，或正、負(fù)極短路時(shí)，應(yīng)能迅速切斷主電路，以保護(hù)電源和被鍍零件不受損失。（7）為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，電源應(yīng)盡可能做到體積小、重量輕、工作可靠、計(jì)量精度高、操作簡(jiǎn)單和維修方便。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)鍍筆鍍筆鍍筆由筆桿+陽(yáng)極組成(1)筆桿：分為型，型，型（由細(xì)到粗） 筆桿和陽(yáng)極尺寸的選擇由被鍍工件的形狀和尺寸而定。(2)陽(yáng)極材料.石墨陽(yáng)極 屬不溶性陽(yáng)極，由高純、高密度石墨制成，導(dǎo)電性好，耐高溫電解浸蝕，但長(zhǎng)期使用后，表面也會(huì)腐蝕。

30、.鉑銥合金陽(yáng)極 90%鉑+10%銥，強(qiáng)度高，用以修補(bǔ)凹坑，斑點(diǎn)、小孔、密而深的劃傷溝槽等。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù).不銹鋼陽(yáng)極 無(wú)鉑銥合金條件下使用，不適于含鹵族或氫化物的鍍液中，否則會(huì)被嚴(yán)重腐蝕且污染鍍液。.可溶性陽(yáng)極 例在刷鍍鎂和鐵合金時(shí)，用鋼和純鐵制作陽(yáng)極，增加鍍速，但應(yīng)在鍍液中添加陽(yáng)極防鈍化劑。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)（3）陽(yáng)極形狀和尺寸 要求與受鍍和形狀吻合，即以仿形為原則。 主要形狀有：圓柱形，平板形，月牙形、圓餅形、半圓形，板條形等。（4）陽(yáng)極的包裹材料 包括：棉花和化學(xué)纖維包套 其作用是： . 防止陽(yáng)極與工件表面直接接觸，造成短路打弧

31、燒傷工件或鍍層表面。 .吸附鍍液：溝通刷鍍電路，供給金屬離子，保持被鍍面濕潤(rùn)。 .過濾作用，過濾陽(yáng)極表面腐蝕下來(lái)的石墨粒子及不溶性的氫氧化物（二者組成“陽(yáng)極泥”），防止鍍液污染。 包套：40%棉+60%滌滌棉套，良好的耐磨性和吸水性。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)刷鍍?nèi)芤核㈠內(nèi)芤?刷鍍?nèi)芤旱姆N類預(yù)處理溶液: 預(yù)處理溶液可分為電凈液和活化液兩類：電凈液：用于清洗工件表面的油污?；罨海河糜谌コ饘俦砻娴难趸ず推趯樱够w金屬的晶格顯露出來(lái)。電鍍?nèi)芤? 根據(jù)鍍層的成分，金屬電鍍?nèi)芤悍譃閱谓饘匐婂円汉秃辖痣婂円?。每類金屬電鍍液又根?jù)其沉積速率、鍍液的性質(zhì)、鍍層的性能等特點(diǎn)分成許多

32、品種。退鍍?nèi)芤? 可把舊鍍層或不合格的鍍層去掉。鈍化液。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2刷鍍?nèi)芤旱奶匦运㈠內(nèi)芤旱奶匦耘c一般的槽鍍液相比，刷鍍?nèi)芤河腥缦绿攸c(diǎn)： 金屬離子的含量較高。如鍍Ni液中離子含量5355g/l ； 鍍液的溫度范圍比較寬； 鍍液的性質(zhì)比較穩(wěn)定。在刷鍍過程中雖然金屬離子不斷沉積，但由于電極上的電阻熱使溶液不斷蒸發(fā)，綜合結(jié)果使離子濃度下降并不大，因而pH值變化也不大； 均鍍能力和深鍍能力較好； 鍍液的毒性與腐蝕性較小。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)刷鍍工藝簡(jiǎn)介刷鍍工藝簡(jiǎn)介1刷鍍中的一般問題（1）工藝過程: 刷鍍工藝過程包括工件表面的準(zhǔn)備階段和刷鍍兩

33、個(gè)階段。準(zhǔn)備階段的主要目的是提高鍍層的結(jié)合強(qiáng)度；刷鍍階段的主要目的是獲得質(zhì)量符合要求的鍍層。（2）水沖洗問題: 在電凈、活化工序之間均采用自來(lái)水沖洗；在最后一道活化工序和刷鍍過渡層工序之間以及刷鍍過渡層與工作層工序之間，一般采用蒸餾水沖洗。（3）刷鍍前無(wú)電擦拭工件表面： 開始刷鍍前，在未接通電源前用刷鍍筆蘸上要刷的溶液，在工件上擦拭幾秒鐘再通電，會(huì)提高鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。這是因?yàn)闊o(wú)電擦拭可在表面上預(yù)先使溶液充分潤(rùn)濕，達(dá)到pH值一致、金屬離子均布的目的。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)（4）過渡層： 過渡層是位于基體金屬和工作鍍層之間的特殊層。過渡層不僅與基體之間要有良好的結(jié)合性，也

34、要與工作層之間有良好的結(jié)合性。過渡層既增大了工作層與基體的結(jié)合力，又可提高工作層的穩(wěn)定性，防止工作層原子向基體中的擴(kuò)散等。（5）工作鍍層：位于過渡層之上的工作鍍層要保證與過渡層之間有良好的結(jié)合強(qiáng)度，保證自身有良好的強(qiáng)度，滿足工件的要求并有盡可能高的沉積速率。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2電化學(xué)處理工件表面電化學(xué)處理工件表面工件刷鍍前首先要用各種機(jī)械方法去掉氧化皮、油垢結(jié)碳層，并盡可能整光整平。在機(jī)械清理的基礎(chǔ)上，必須用電化學(xué)的方法去除工件表面的油膜和氧化膜，即使用電凈液，接通電源（工件一般為陰極），這樣，工件表面析出的氣體會(huì)把油膜破壞，然后被皂化排除。刷鍍前進(jìn)行活化的目的是去

35、除工件的氧化膜?；罨簯?yīng)根據(jù)不同的金屬材料選用。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)刷鍍技術(shù)的應(yīng)用刷鍍技術(shù)的應(yīng)用刷鍍技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，鍍層結(jié)合牢固，經(jīng)濟(jì)效益顯著，目前已用于各機(jī)械行業(yè)及電力、電子、化工、紡織等許多部門。目前刷鍍工藝主要用于機(jī)械設(shè)備的維修，也用來(lái)改善零部件的表面理化性能。（1）恢復(fù)磨損零件的尺寸粒度與幾何形狀精度（2）填補(bǔ)零件表面的劃傷溝槽、凹坑（3）補(bǔ)救超差工件（4）強(qiáng)化零件表面（5）增加零件表面導(dǎo)電性 如Cu表面鍍Ag（6）增強(qiáng)零件耐高溫性能 如銅結(jié)晶器表面鍍 Ni-P第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)（7）改善零件表示釬焊性 如鍍Cu后，Si-B

36、i合金易于鋪展，釬焊（8）通常電鍍所難以完成的作業(yè)，如： .工件太大或要求特殊，以及難以從機(jī)器上拆下的。 .大工件的局部鍍覆，尤其是盲孔、狹縫和深孔，以及電鍍所無(wú)法均鍍的部位。 .在電鍍困難的鋁、鈦、高合金鋼工件表面，通過電刷鍍先鍍上打底層，然后再入槽電鍍。 .有些工件入槽電鍍會(huì)引起其它部分損壞或污染電鍍槽，此時(shí)用電刷鍍則能避免。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.2 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)1.激光形成的機(jī)理 工作物質(zhì)（固體或氣體）受外來(lái)能量激發(fā)（光照、電子轟擊、加熱），原子或準(zhǔn)分子的能級(jí)會(huì)到達(dá)不穩(wěn)定的較高水平，然后向較低能級(jí)的穩(wěn)定狀態(tài)躍遷，與此同時(shí)發(fā)射出光子。 如果某種物質(zhì)存

37、在一個(gè)可以維持較長(zhǎng)時(shí)間的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，還能夠發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（處于亞穩(wěn)態(tài)原子多于基態(tài)原子），受激后即能發(fā)射出足夠多的光子，即激光，經(jīng)過整隊(duì)同步輸出即可用于加工。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.2 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)1. 激光加工的原理與特點(diǎn)1) 激光加工的原理激光是一種強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長(zhǎng)相近的(微米甚至亞微米)小斑點(diǎn)上，加上它本身強(qiáng)度高，故可以使其焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到1071011 W/cm2，溫度可達(dá)10 000以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時(shí)

38、急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來(lái)，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。因此，激光加工(如圖7-9所示)是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-9 激光加工示意圖1234561激光器；2激光束；3全反射棱鏡；4聚焦物鏡；5工件；6工作臺(tái)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 激光加工的特點(diǎn)激光加工的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：(1) 幾乎對(duì)所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。 (2) 激光能聚焦成極小的光斑，可進(jìn)行微細(xì)和精密加工，如微細(xì)窄縫和微型孔的加工。(3) 可用反射鏡將激光束送往遠(yuǎn)離激光器的隔離室或其它地點(diǎn)進(jìn)行加

39、工。 (4) 加工時(shí)不需用刀具，屬于非接觸加工，無(wú)機(jī)械加工變形。 (5) 無(wú)需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動(dòng)控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2. 激光加工基本設(shè)備及其組成部分激光加工的基本設(shè)備由激光器、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)和加工機(jī)(激光加工系統(tǒng))三部分組成。1) 激光器激光器是激光加工的重要設(shè)備，它的任務(wù)是把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類。由于He-Ne(氦氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機(jī)械制造的精密測(cè)量中被廣泛

40、采用。而在激光加工中則要求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳?xì)怏w激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。3) 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多激光加工系統(tǒng)已采用計(jì)算機(jī)來(lái)控制工作臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。

41、第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3. 激光加工的應(yīng)用1) 激光打孔隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點(diǎn)高的材料應(yīng)用越來(lái)越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴等。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機(jī)械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務(wù)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) 激光打孔中，要詳細(xì)了解打孔的材料及打孔要求。從理論上講，激光可以在任何材料的不同位置，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一臺(tái)打孔機(jī)，它的打孔范圍是有限的。所以，在

42、打孔之前，最好要對(duì)現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進(jìn)行充分的了解，以確定能否打孔。激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時(shí)間、焦距與發(fā)散角、焦點(diǎn)位置、光斑內(nèi)能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關(guān)。在實(shí)際加工中應(yīng)合理選擇這些工藝參數(shù)。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2) 激光切割激光切割(如圖7-10所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對(duì)移動(dòng)。在實(shí)際加工中，采用工作臺(tái)數(shù)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)激光數(shù)控切割。激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對(duì)于精細(xì)切割，也可采用YAG激光器。 激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對(duì)被切割材料不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，再加上激光

43、切割切縫小，便于自動(dòng)控制，故在實(shí)際中常用來(lái)加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)平面鏡激光束輔助氣體鈦合金噴嘴聚焦透鏡激光器圖7-10 CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)激光切割過程中，影響激光切割參數(shù)的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。 3) 激光打標(biāo)激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時(shí)變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標(biāo)志(如圖7-11所示)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-11 振鏡式激光打標(biāo)原理激

44、光束光束準(zhǔn)直振鏡Y軸馬達(dá)透鏡第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)激光打標(biāo)的特點(diǎn)是非接觸加工，可在任何異型表面標(biāo)刻，工件不會(huì)變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標(biāo)記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標(biāo)刻速度快，運(yùn)行成本低，無(wú)污染，可顯著提高被標(biāo)刻產(chǎn)品的檔次。 激光打標(biāo)廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通訊器材、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)4) 激光焊接當(dāng)激光的功率密度為105107 W/cm2，照射時(shí)間約為1/100 s左右時(shí)，可進(jìn)行激光焊接。激光焊接一般無(wú)需焊料和焊劑，只需

45、將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖7-12所示。 激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進(jìn)行焊接。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-12 激光焊接過程示意圖12341激光；2被焊接零件；3被熔化金屬；4已冷卻的熔池第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-13 激光表面強(qiáng)化處理應(yīng)用實(shí)例淬硬表面淬硬表面(a) 圓錐表面(b) 鑄鐵凸輪軸表面第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)5) 激光表面處理當(dāng)激光的功率密度約為103105 W/cm2時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火

46、層深度一般為0.71.1 mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強(qiáng)化問題。圖7-13為激光表面淬火處理應(yīng)用實(shí)例。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.3 超聲波加工技術(shù)超聲波加工技術(shù)1超聲波加工的原理與特點(diǎn)1) 加工原理超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過16 000 Hz（人耳能夠接收的聲音頻率為1616000Hz）的工具頭，通過懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行成型加工的一種方法，其加工原理如圖7-14所示。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-14 超聲波加工原理圖加工力工具工件振動(dòng)方向磨料工作液工具振幅第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加

47、工技術(shù)當(dāng)工具以16 000 Hz以上的振動(dòng)頻率作用于懸浮液磨料時(shí)，磨料便以極高的速度強(qiáng)力沖擊加工表面；同時(shí)由于懸浮液磨料的攪動(dòng)，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料液受工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生交變的沖擊波和“空化現(xiàn)象”。所謂空化現(xiàn)象，是指當(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，在磨料液內(nèi)形成很多微空腔；當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局部疲勞，引起顯微裂紋。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)這些因素使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不斷進(jìn)行，工具的形狀就逐漸“復(fù)制”在工件上。由此可見，超

48、聲波加工是磨粒的機(jī)械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結(jié)果，磨粒的撞擊作用是主要的。因此，材料愈硬脆，愈易遭受撞擊破壞，愈易進(jìn)行超聲波加工。2) 特點(diǎn)超聲波加工的主要特點(diǎn)如下：(1) 適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導(dǎo)電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。也可以加工淬火鋼和硬質(zhì)合金等材料，但效率相對(duì)較低。 (2) 由于工件材料硬度很高，故易于制造形狀復(fù)雜的型孔。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) (3) 加工時(shí)宏觀切削力很小，不會(huì)引起變形、燒傷。表面粗糙度Ra值很小，可達(dá)0.2 m，加工精度可達(dá)0.050.02 mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的

49、零件。 (4)工具可用較軟材料制造成較復(fù)雜形狀，所以工具和工件只需做簡(jiǎn)單相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此加工機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具均較簡(jiǎn)單，操作維修方便。 (5) 生產(chǎn)率較低。這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2. 超聲波加工設(shè)備 超聲波加工裝置如圖7-15所示。盡管不同功率大小、不同公司生產(chǎn)的超聲波加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上各不相同，但一般都由高頻發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)(聲學(xué)部件)、機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-15 超聲波加工裝置123456781冷卻器；2磨料懸浮液抽出；3工具；4工件；5磨料懸浮液送出；6變幅桿；7換能器

50、；8高頻發(fā)生器第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1) 高頻發(fā)生器 高頻發(fā)生器即超聲波發(fā)生器，其作用是將低頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以供給工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加工工件的能量。2) 聲學(xué)部件 聲學(xué)部件的作用是將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，并以波的形式傳遞到工具端面。聲學(xué)部件主要由換能器、振幅擴(kuò)大棒及工具組成。換能器的作用是把超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)；振幅擴(kuò)大棒又稱變幅桿，其作用是將振幅放大。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)（1）換能器： 主要有壓電效應(yīng)超聲換能器（石英晶體、鈦酸鋇、鎬鈦酸鉛等物質(zhì)在受到機(jī)械壓縮或拉伸變形時(shí)，在它們的二對(duì)立面的界面上將產(chǎn)生一定

51、的電荷，形成一定的電勢(shì)；反之，加上一定的電壓，將產(chǎn)生一定的機(jī)械變形。稱之為“壓電效應(yīng)”）和磁致伸縮效應(yīng)換能器（鐵、鈷、鎳及其合金的長(zhǎng)度能夠隨所處磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而伸縮）。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)由于換能器材料伸縮變形量很小，在共振情況下也超不過0.0050.01 mm，而超聲波加工卻需要0.010.1 mm的振幅，因此必須用上粗下細(xì)(按指數(shù)曲線設(shè)計(jì))的變幅桿放大振幅。變幅桿應(yīng)用的原理是：因?yàn)橥ㄟ^變幅桿的每一截面的振動(dòng)能量是不變的，所以隨著截面積的減小，振幅就會(huì)增大。 變幅桿的常見形式如圖7-16所示，加工中工具頭與變幅桿相連，其作

52、用是將放大后的機(jī)械振動(dòng)作用于懸浮液磨料對(duì)工件進(jìn)行沖擊。工具材料應(yīng)選用硬度和脆性不很大的韌性材料，如45#鋼，這樣可以減少工具的相對(duì)磨損。工具的尺寸和形狀取決于被加工表面，它們相差一個(gè)加工間隙值(略大于磨料直徑)。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)(a) 錐形(b) 指數(shù)形(c) 階梯形圖7-16 幾種形式的變幅桿 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3) 機(jī)床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng) 超聲波加工機(jī)床的本體一般很簡(jiǎn)單，包括支撐聲學(xué)部件的機(jī)架、工作臺(tái)面以及使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；磨料工作液是磨料和工作液的混合物。

53、常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化鋁等；常用的工作液是水，有時(shí)用煤油或機(jī)油。磨料的粒度大小取決于加工精度、表面粗糙度及生產(chǎn)率的要求。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花、電解加工等低，但其加工精度和表面粗糙度都比它們好，而且能加工半導(dǎo)體、非導(dǎo)體的脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。在實(shí)際生產(chǎn)中，超聲波廣泛應(yīng)用于型(腔)孔加工(如圖7-17所示)、切割加工(如圖7-18所示)、清洗(如圖7-19所示)等方面。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-17 超聲波加工的型孔、腔孔類型(a) 加工圓孔(b) 加工

54、型腔(c) 加工異形孔(d) 套料加工(e) 加工微細(xì)孔第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-18 超聲波切割加工 123454321(a) 超聲切割單晶硅片示意圖1變幅桿；2工具(薄鋼片)；3磨料液；4工件(單晶硅)(b) 刀具1變幅桿；2焊縫；3鉚釘；4導(dǎo)向片；5軟鋼刀片(c) 切割成的陶瓷模塊第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-19 超聲波清洗裝置1234567891清洗槽；2變幅桿；3壓緊螺釘；4壓電陶瓷換能器；5鎳片(

55、)；6鎳片()；7接線螺釘；8墊圈；9鋼墊塊第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)7.4 其他常用特種加工技術(shù)其他常用特種加工技術(shù)7.4.1 電子束加工1. 加工原理 電子束加工是利用高速電子的沖擊動(dòng)能來(lái)加工工件的，如圖7-20所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動(dòng)能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時(shí)熔融、汽化蒸發(fā)而去除。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖7-20 電子束加工原理電子槍系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)電子束工件抽真空系統(tǒng)電源及控制系統(tǒng)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局