《特種加工》課件-第8章

第8章其他特種加工8.1快速成型技術(shù)8.2化學(xué)加工8.3水射流加工8.4其他常見特種加工技術(shù)簡介 8.1快速成型技術(shù)

20世紀80年代發(fā)展起來的快速成型（RapidProtoyping，簡稱RP）技術(shù)被認為是近30年來制造領(lǐng)域的一次重大突破?？焖俪尚图夹g(shù)綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩梢詫Ξa(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改及功能試驗，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期?？焖俪尚图夹g(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，具有下列獨特的優(yōu)越性：

(1)產(chǎn)品的單價幾乎與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及批量無關(guān)，特別適用于新產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)。

(2)產(chǎn)品整個開發(fā)過程的費用低、周期短，無需模型、模具即可獲得零件。

(3)快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法結(jié)合(如鑄造、粉末冶金、沖壓、模壓成型、噴射成型等)，為需要各種工具、模具的傳統(tǒng)制造方法注入新的活力?？焖俪尚秃涂焖僦颇＜夹g(shù)可以使新產(chǎn)品開發(fā)在時間和費用上節(jié)約50％以上。由于快速成型技術(shù)的明顯技術(shù)優(yōu)勢和它的經(jīng)濟效益，因而在下列領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

（1）設(shè)計驗證。使用快速成型技術(shù)快速制作產(chǎn)品的物理模型，以驗證設(shè)計人員的構(gòu)思，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在的問題。使用傳統(tǒng)的方法制作原型，意味著從繪圖到工裝模具設(shè)計和制造，一般至少歷時數(shù)月，要經(jīng)過多次返工和修改。采用快速成型技術(shù)則可節(jié)省大量時間和費用。

（2）功能驗證。使用快速成型技術(shù)制作的原型可直接進行裝配檢驗、干涉檢查和模擬產(chǎn)品真實工作情況的一些功能試驗，如運動分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動力學(xué)分析等，從而迅速完善產(chǎn)品，節(jié)約相應(yīng)工藝及所需工具、模具的設(shè)計。（3）可制造性和可裝配性檢驗?？焖俪尚图夹g(shù)是面向裝配和制造設(shè)計的配套技術(shù)。對新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是空間有限的復(fù)雜產(chǎn)品(如汽車、飛機、衛(wèi)星、導(dǎo)彈)，其部件的可制造性和可裝配性的事先檢驗尤為重要。

（4）非功能性樣品制作。在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前，或按照訂單制造時，需要制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)品樣本照片，采用快速成型是理想的方法。當客戶詢問產(chǎn)品情況時，能夠提供物理原型的效果是顯而易見的。（5）快速制模技術(shù)。在許多情況下，客戶希望快速成型件與最終零件具有相同的物理機械特性，因此，需要用各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將快速成型件轉(zhuǎn)換為最終零件。例如，利用硅膠模、環(huán)氧樹脂與精密鑄造等工藝結(jié)合制造模具，經(jīng)過一次或多次轉(zhuǎn)換制造最終產(chǎn)品；或者將快速成型得到的工件直接用做產(chǎn)品的試制模具；或者將此工件當作母模，制作生產(chǎn)用模具，加快模具的制造過程。其中，用快速成型技術(shù)制作件代替鑄造木模就是一個典型的例子。

在眾多的快速成型工藝中，具有代表性的快速成型加工工藝有光敏樹脂液相固化成型、選擇性激光粉末燒結(jié)成型、薄片分層疊加成型和熔絲堆積成型四種。表8－1常用快速成型工藝比較8.1.1光敏樹脂液相固化成型

1.工藝原理

光敏樹脂液相固化成型（StereoLithograph，SL）又稱光固化立體造型或立體光刻。

光敏樹脂液相固化成型工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和功率的紫外激光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。光敏樹脂液相固化成型工藝的成型過程如圖8－1所示。圖8－1光敏樹脂液相固化成型過程示意圖液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，能在液態(tài)表面上掃描，掃描的軌跡及激光的有無均由計算機控制，光點掃描到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，液面始終處于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上。如此重復(fù)，直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。其工藝原理圖如圖8－2所示。圖8－2光敏樹脂液相固化成型工藝原理圖

2.特點

光敏樹脂液相固化成型技術(shù)的優(yōu)點是：

（1）尺寸精度較高，可確保工件的尺寸精度在0.1mm以內(nèi)，甚至達到0.05mm；表面質(zhì)量較好，工件的上層表面很光滑，側(cè)面可能有臺階狀不平；耗時較少，可以節(jié)約時間和費用。

（2）不需要切削工具和機床，沒有更換工具和工具耗損的問題，原材料利用率將近100%。

（3）是一種非接觸加工，沒有加工廢屑，也沒有振動和噪音，可在辦公室操作，無需熟練技術(shù)；系統(tǒng)工作穩(wěn)定，整個構(gòu)建過程自動運行，無需看管，直至整個成型過程結(jié)束；完全自動運轉(zhuǎn)，可晝夜工作。（4）系統(tǒng)分辨率較高，因此能構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件；同一臺裝置可用于制造各種各樣的模型和器具，如形狀特別復(fù)雜（如空心零件）、特別精細（如首飾、工藝品等）的零件。

光敏樹脂液相固化成型技術(shù)的缺點是：

（1)激光管壽命有限，價格昂貴；須對整個截面進行掃描固化，成型時間較長。

（2)可選的材料種類有限，必須是光敏樹脂，且光敏樹脂對環(huán)境有污染。

（3)須設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，以便確保在成型過程中原型的每一結(jié)構(gòu)部分能可靠定位。

3.應(yīng)用

光敏樹脂液相固化成型的應(yīng)用有很多方面：可直接制作各種樹脂功能件，用作結(jié)構(gòu)驗證和功能測試；可制作比較精細和復(fù)雜的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出來的原型件可快速翻轉(zhuǎn)以制作各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、陶瓷模、合金模、電鑄模、環(huán)氧樹脂模等。此外，在醫(yī)學(xué)上可以用來制備人體器官模型。對于同一器官，其大小和形狀都因人而異，因此如需大量地制備實際使用或診斷用的人體器官模型是很困難的。有了光敏樹脂液相固化成型技術(shù)，便可通過層面X射線照相術(shù)（即CT）提供信息，然后由計算機控制光敏樹脂液相固化成型技術(shù)器件復(fù)制人體器官模型。這種準確、真實的模型可以為醫(yī)生提供準確的病人器官信息，有助于疾病的診治和手術(shù)的進行，有利于加快制訂醫(yī)療方案、減少手術(shù)時間。例如，有人通過光敏樹脂液相固化成型技術(shù)復(fù)制出了病人的頭顱骨模型，準確地提供了病人的頭顱骨信息，對頭顱骨裂縫的校正手術(shù)有很大幫助。有人在改進光固化樹脂配方后，用光敏樹脂液相固化成型制備的假牙可直接用于牙體移植。隨著光固化樹脂的發(fā)展，有可能通過光敏樹脂液相固化成型為病人制造植入體內(nèi)的人工骨，這將大大促進病人的康復(fù)。隨著光敏樹脂液相固化成型的發(fā)展，其應(yīng)用范圍將不斷擴大。8.1.2選擇性激光粉末燒結(jié)成型

1.工藝原理

選擇性激光粉末燒結(jié)成型（SelectedLaserSintering，簡稱SLS）工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成型的部分粘接；當一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇性地?zé)Y(jié)下層截面；最終在計算機控制下層層堆積成型。選擇性激光粉末燒結(jié)成型工藝原理如圖8－3所示。圖8－3選擇性激光粉末燒結(jié)成型工藝原理圖

2.特點

選擇性激光粉末燒結(jié)成型技術(shù)的優(yōu)點是：

（1)與其他快速成型工藝相比，能夠制作高硬度的金屬原型和模具，是快速制模和直接金屬制造的基礎(chǔ)，應(yīng)用前景廣闊。

（2)可以采用多種粉末材料及其混合物。例如，各種工程塑料粉末、鑄造砂、陶瓷粉末和金屬粉末等。

（3)原型的構(gòu)建速度比較快，甚至可以達到2500cm3／h(與材料有關(guān))。

（4)除原材料之外，無須支撐結(jié)構(gòu)。

（5)工件的翹曲變形比液相固化的小，無需對原型進行校正。選擇性激光粉末燒結(jié)成型技術(shù)的缺點是：

（1)在加工前，通常需要花費近2h將粉末加熱到接近粘結(jié)劑熔點。

（2)由于需對整個輪廓截面進行掃描燒結(jié)粉末，因此激光器的功率要較大，且成型時間較長。

（3)原型構(gòu)建完成后，需要花費5～10h冷卻(與粉末材料類型有關(guān))，然后才能將原型從粉末缸中取出。

（4)原型的表面粗糙度受到粉末顆粒大小和激光斑點的限制。原型的表面一般呈多孔狀，為了提高表面質(zhì)量，必須進行后處理。例如，在燒結(jié)陶瓷、金屬原型后，須將原型置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物(如滲銅)，其后處理過程較為復(fù)雜。（5)設(shè)備價格較高，使用時往往還需要對加工室充氮氣，以保證使用安全，這進一步增加了使用成本。

（6)快速成型過程中有可能產(chǎn)生有害氣體(取決于采用何種粉末材料)，污染環(huán)境。

3.應(yīng)用

選擇性激光粉末燒結(jié)成型工藝的應(yīng)用范圍與光敏樹脂液相固化成型工藝類似，可直接制作各種高分子粉末材料的功能件，用作結(jié)構(gòu)驗證和功能測試，并可用于裝配樣機。制件可直接作精密鑄造用的蠟?zāi)：蜕承汀⑿托?，制作出來的原型件可快速繁殖各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、陶瓷模、合金模、電鑄模、環(huán)氧樹脂模和氣化模等。圖8－4所示為利用選擇性激光粉末燒結(jié)技術(shù)制作的一些樣件。圖8－4選擇性激光粉末燒結(jié)技術(shù)制作的樣件（圖樣來源于互聯(lián)網(wǎng)）8.1.3薄片分層疊加成型

1.工藝原理

薄片分層疊加成型（LaminatedObjectManufacturing，簡稱LOM）工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘接；用CO2激光器在計算機控制下按照CAD模型軌跡，在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成型的工件下降，與帶狀片材(料帶)分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)，直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。圖8－5薄片分層疊加成型工藝原理圖

2.特點

薄片分層疊加成型技術(shù)的優(yōu)點是：

（1)由于只需使激光束沿著截面輪廓掃描，無需掃描整個斷面，因此是一種高速節(jié)能的快速成型工藝。零件體積越大，時間節(jié)省越多。

（2)激光器的實際使用時間較短，相對壽命較長。

（3)構(gòu)建的原型可以直接使用，無需進行后矯正。

（4)除原材料之外，無需支撐結(jié)構(gòu)，易于使用，無環(huán)境污染。薄片分層疊加成型技術(shù)的缺點是：

（1)盡管原理上可選用若干不同的原料，如紙、塑料、鋁箔、陶瓷以及合成材料，但通常用的只是紙，其他材料尚在研制開發(fā)中。

（2)構(gòu)建成的原型容易吸潮，必須立即涂漆或進行其他后處理。

（3)由于剔除內(nèi)腔里的細小廢料較難，因此不能構(gòu)建形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精細原型。

（4)當室溫過高時常有火災(zāi)危險。

3.應(yīng)用

薄片分層疊加成型工藝和設(shè)備由于其成型材料（即紙張）較便宜，因此運行成本和設(shè)備投資較低，從而獲得了一定的應(yīng)用，可以用來制作汽車發(fā)動機曲軸、連桿、各類箱體、蓋板等零部件的原型樣件。8.1.4熔絲堆積成型

1.工藝原理

熔絲堆積成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)，最后在計算機控制下層層堆積成型。每一個層片都是在上一層上堆積而成的，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化。當形狀發(fā)生較大的變化時，上層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)——“支撐”，對后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成型過程的順利實現(xiàn)。熔絲堆積成型的工藝原理如圖8－6所示。圖8－6熔絲堆積成型的工藝原理圖

2.特點

熔絲堆積成型的特點是操作使用簡單、成本低、不需用激光加熱設(shè)備，但需要輔助支承材料。成型材料是熔絲堆積成型工藝的基礎(chǔ)。熔絲堆積成型工藝中使用的材料除成型材料外，還有支撐材料。常用的成型材料是ABS工程塑料。

3.應(yīng)用

熔絲堆積成型工藝的一大優(yōu)點是可以成型任意復(fù)雜程度的零件，經(jīng)常用于成型具有很復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等的零件。用蠟成型的零件原型可以直接用于失蠟鑄造。用ABS工程塑料制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到了廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC、PC/ABS、PPSF等更高強度的成型材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點，因此該工藝發(fā)展極為迅速。目前，熔絲堆積成型系統(tǒng)在全球已占快速成型系統(tǒng)大約30％的份額。 8.2化學(xué)加工

8.2.1化學(xué)蝕刻加工

1.化學(xué)蝕刻加工的原理

化學(xué)蝕刻加工又稱化學(xué)銑切(ChemicalMilling，簡稱CHM)。它的原理如圖8－7所示，先把工件非加工表面用耐腐蝕性涂層保護起來，將需要加工的表面露出來，浸入到化學(xué)溶液中進行腐蝕，使金屬按特定的部位溶解去除，達到加工目的。

金屬的溶解作用不僅在垂直于工件表面的深度方向進行，而且在保護層下面的側(cè)向也進行，并呈圓弧狀，如圖8－7中的H和R。金屬的溶解速度與工件材料的種類及溶液成份有關(guān)。

圖8－7化學(xué)銑切加工原理示意圖

2.化學(xué)蝕刻加工的特點

化學(xué)蝕刻加工的優(yōu)點：

（1)可加工任何難切削的金屬材料，而不受任何硬度和強度的限制，如鋁合金、鉬合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼等。

（2)適于大面積加工，可同時加工多件。

（3)加工過程中不會產(chǎn)生應(yīng)力、裂紋、毛刺等缺陷，表面粗糙度可達2.5～1.25μm。

（4)加工操作比較簡單。化學(xué)蝕刻加工的缺點：

（1)不適宜加工窄而深的槽、型孔等。

（2)原材料的小缺陷和表面不平度、劃痕等不易消除。

（3)腐蝕液對設(shè)備和人體有危害，故需有適當?shù)姆雷o性措施。3.化學(xué)蝕刻加工的應(yīng)用

化學(xué)蝕刻加工主要用于：

（1)較大工件的金屬表面厚度減薄加工。蝕刻厚度一般小于13mm。如在航空和航天工業(yè)中常用于減輕結(jié)構(gòu)件的重量，對大面積或不利于機械加工的薄壁、內(nèi)表層金屬蝕刻更適宜。

（2)在厚度小于1.5mm的薄壁零件上加工復(fù)雜的型孔。8.2.2光刻加工

光刻加工是用照相復(fù)印的方法將掩模上的圖形印制在涂有光致抗蝕劑的薄膜或基材表面，然后進行選擇性腐蝕，達到蝕出規(guī)定的圖形的加工方法。它與化學(xué)蝕刻(化學(xué)銑削)加工的主要區(qū)別是不靠樣板人工刻型、劃線，而是用照相感光來確定工件表面要蝕除的圖形、線條，因此其精度非常高，可以加工出非常精細的文字圖案，尺寸精度可達到0.01～0.005mm，是半導(dǎo)體器件和集成電路制造中的關(guān)鍵工藝之一。目前，在工藝美術(shù)、機械工業(yè)和電子工業(yè)中，光刻加工常用于制造一些精密產(chǎn)品的零部件，如刻度尺、刻度盤、光柵、細孔金屬網(wǎng)板、電路布線板、可控硅元件等。光刻加工技術(shù)使用的基材有各種金屬、半導(dǎo)體和介質(zhì)材料。光刻抗蝕劑俗稱光刻膠或感光膠，是一類經(jīng)光照后能發(fā)生交聯(lián)、分解或聚合等光化學(xué)反應(yīng)的高分子溶液。根據(jù)形成圖像的形態(tài)，光致抗蝕劑可分為兩大類：

（1)正型抗蝕劑。在光照后發(fā)生光分解、光降解反應(yīng)使溶解性增大。這類抗蝕劑以鄰重氮萘醌感光劑—酚醛樹脂型為主。（2)負型抗蝕劑。在光照后發(fā)生交聯(lián)、光聚合，使溶解性減小。這類抗蝕劑以環(huán)化橡膠—雙疊氮化合物、聚乙烯醇肉桂酸酯及其衍生物等為主。

目前使用較為廣泛的光致抗蝕劑是負型抗蝕劑，它與襯底材料(特別是金屬)粘附性較好，并且具有較好的耐腐蝕性能。但是，每種抗蝕劑都有一定的優(yōu)點，也有一定的缺點，要根據(jù)產(chǎn)品的要求進行合理選擇。同時，為了保證刻蝕出來的圖像重疊精度高、清晰，沒有鉆蝕、毛刺、針孔和小島等缺陷，必須嚴格按照工藝要求進行操作。8.2.3化學(xué)鍍膜

化學(xué)鍍膜的目的是在金屬或非金屬表面鍍上一層金屬，起裝飾、防腐蝕或?qū)щ姷茸饔谩?/p>

1.化學(xué)鍍膜的原理和特點

化學(xué)鍍膜的原理是在含金屬鹽溶液的鍍液中加入一種化學(xué)還原劑，將鍍液中的金屬離子還原后沉積在被鍍零件表面。

化學(xué)鍍膜的特點是：有很好的均鍍能力，鍍層厚度均勻，這對大表面和精密復(fù)雜零件很重要；被鍍工件可為任何材料，包括非導(dǎo)體，如玻璃、陶瓷、塑料等；不需電源，設(shè)備簡單，鍍液一般可連續(xù)、再生使用。

2.化學(xué)鍍膜的工藝要點及應(yīng)用

化學(xué)鍍銅主要用硫酸銅溶液，鍍鎳主要用氯化鎳溶液，鍍鉻用溴化鈉溶液，鍍鈷用氯化鈷溶液，以次磷酸鈉或次硫酸鈉作為還原劑，也有選用酒石酸鉀鈉或葡萄糖等為還原劑的。對特定的金屬，需選用特定的還原劑。鍍液成份、濃度、溫度和時間都對鍍層質(zhì)量有很大影響。鍍前還應(yīng)對工件表面做除油、去銹等凈化處理。

應(yīng)用最廣的是化學(xué)鍍鎳、鈷、鉻、鋅，其次是鍍銅、錫。在電鑄前，常在非金屬的表面用化學(xué)鍍鍍上很薄的一層銀或銅作為導(dǎo)電層和脫模之用。

8.3水射流加工

8.3.1水射流加工的原理及特點

1.基本原理

“水滴石穿”這個古老的故事給了我們“以柔克剛”的啟發(fā)。19世紀70年代左右，人們開始利用高壓水為生產(chǎn)服務(wù)，用來開采金礦，剝落樹皮；二戰(zhàn)期間，飛機運行中的“雨蝕”使雷達艙破壞這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們的思維。水射流切割(WaterJetCuting，簡稱WJC)又稱液體噴射加工(LiquidJetMachining，簡稱LJM)，它利用高壓、高速的細徑液流作為工作介質(zhì)，對工件表面進行噴射，依靠液流產(chǎn)生的沖擊作用去除材料，實現(xiàn)對工件的切割。稍微降低水壓或增大靶距和流量，還可以進行高壓清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及強化處理。

圖8－8所示為采用水或帶有添加劑的水，以500～900m／s的高速沖擊工件進行加工或切割的原理圖。水經(jīng)水泵后通過增壓器增壓，儲液蓄能器使脈動的液流平穩(wěn)。水從孔徑為0.1～0.5mm的人造藍寶石噴嘴噴出，直接對被加工部位進行切削，“切屑”隨液流排出。圖8－8超高壓水射流切割原理圖

2.水射流加工的特點及分類

水射流加工具有以下特點：

（1）工藝靈活，沒有切割方向限制，可完成各種不同形狀的切割加工；加工過程中所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小，可降低使用夾具的難度。

（2）不會產(chǎn)生熱效應(yīng)，沒有變形或細微的裂縫，也不會產(chǎn)生毛邊，表面質(zhì)量高。

（3）用同一種機器即可完成鉆孔及切割功能，切割速度高且切口細，可減少材料的浪費，節(jié)省成本。（4）噴嘴的成本較高。

根據(jù)高壓射流工作介質(zhì)的不同，超高壓水射流切割技術(shù)可分為兩類：純水高壓水切割(WaterJetCutting，簡稱WJC)和磨料高壓水切割(AhrasiveWaterJetCutting，簡稱AWJ)。

純水高壓水切割以經(jīng)過處理的工業(yè)用水作為工作介質(zhì)，經(jīng)過精細過濾，不摻雜任何固體顆粒物料，用于切割軟質(zhì)材料，如紙張、紙板、玻璃纖維制品、食品等。磨料高壓水切割則是在液流中摻加了一定比例的細粒度磨料，磨料比例最高可達20％(質(zhì)量)，目的在于增加射流的能量密度，提高切割效率，用于切割硬脆材料，如各種金屬材料、石材、玻璃、塑料、陶瓷等。8.3.2水射流加工的設(shè)備

水射流加工的設(shè)備主要包括高壓水發(fā)生裝置、噴嘴、高壓管路及密封系統(tǒng)、機身及執(zhí)行機構(gòu)、磨料及輸送系統(tǒng)、水介質(zhì)處理與過濾裝置等。

1.高壓水發(fā)生裝置

水射流加工需要400MPa壓力的“細流束”，通常由往復(fù)式增壓器或超高壓水泵產(chǎn)生。

2.噴嘴

噴嘴是水射流加工中的關(guān)鍵部件。根據(jù)切割工藝的不同，噴嘴可分為純水切割噴嘴和磨料切割噴嘴，分別如圖8－9和圖8－10所示。圖8－9純水切割噴嘴圖8－10磨料切割噴嘴純水切割噴嘴用于切割密度小、硬度較低的非金屬軟質(zhì)材料，其內(nèi)孔的直徑范圍為0.05~0.8mm。

磨料切割噴嘴用于切割密度較大、硬度較高的硬質(zhì)材料。高壓水從噴嘴中噴射時，將產(chǎn)生瞬時負壓真空，在負壓的作用下，磨料通過砂入口2被吸入噴嘴，在混合室5中與高壓水混合之后，形成砂射流。根據(jù)使用的磨料種類不同，噴嘴孔的直徑范圍從0.5mm至1.65mm不等。

由于噴嘴在切割工件時受到極大的液體內(nèi)壓力以及磨料的高速磨削作用，要求制造噴嘴的材料應(yīng)具有優(yōu)良的耐磨性、耐腐蝕性和力學(xué)性能。目前，常用的材料有藍寶石、紅寶石、硬質(zhì)合金和金剛石等，寶石類較為多用。

3.高壓管路及密封系統(tǒng)

高壓水射流切割時的水壓高達100～400MPa，高出普通液壓傳動裝置液體工作壓力的10倍以上。高壓系統(tǒng)中的水密封及管路系統(tǒng)是否可靠，對保障切割過程的穩(wěn)定、安全、可靠具有重要意義。

高壓水密封分為靜密封(如蓄能器的連接處)和動密封(如往復(fù)式增壓器的大小活塞處)兩種，在設(shè)備調(diào)試時，均需經(jīng)受超出工作壓力一倍以上的超高壓，且應(yīng)無滲漏現(xiàn)象。

管路中的高壓水管采用高強度不銹鋼厚壁無縫管或雙層不銹鋼管，管接頭多采用金屬彈性密封結(jié)構(gòu)。為了方便噴嘴移動，在噴嘴與固定水管之間設(shè)置了超高壓柔性鋼管。

4.機身及執(zhí)行機構(gòu)

高壓水射流切割設(shè)備通常采用龍門式或懸臂式機梁結(jié)構(gòu)。為了提高切割效率，還可以在同一個切割頭上配置多個噴嘴，進行多件同時切割。

由于超高壓水射流屬于點切割，即在其切割范圍內(nèi)可以到達任何一點，因此在計算機控制下，可以切割出任意復(fù)雜的圖形，重復(fù)定位精度可小于±0.05mm。在進行石材拼花切割時，由于計算機可以方便地實現(xiàn)間隙補償，因此，能夠做到零件形狀配合得嚴絲合縫。

為了切割二維復(fù)雜形狀零件，切割頭可以安裝在關(guān)節(jié)式機器人的手臂上，進行五軸聯(lián)動，從而可實現(xiàn)多自由度的空間切割。1994年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制成功了我國第一臺五自由度高壓水切割機器人。

5.磨料及輸送系統(tǒng)

在磨料高壓水切割設(shè)備中，配備有磨料供給系統(tǒng)，包括料倉、磨料、流量閥和輸送管。料倉的形狀和料倉內(nèi)的網(wǎng)篩要保證磨料的供給通暢，不至于堵塞。流量閥用于控制磨料流量的通斷和大小。通常，磨料消耗量隨水壓的增高而增加。常用的磨料有剛玉、石英砂、石榴石、碳化硅等，分為人造和天然兩種，粒度在0.1～0.8mm之間。

6.水介質(zhì)處理與過濾裝置

在進行高壓水射流切割時，對工業(yè)用水進行必要的處理和過濾具有重要意義。提高水介質(zhì)的過濾精度，可以有效延長增壓器密封裝置、寶石噴嘴等的壽命，提高切割質(zhì)量，提高設(shè)備的運行可靠性。通常，應(yīng)將水介質(zhì)的過濾精度控制在0.1μm以內(nèi)。為此，可采取多級過濾的方法。另外，還應(yīng)對工業(yè)用水進行軟化處理，以減小對設(shè)備的銹蝕程度。8.3.3水射流加工的應(yīng)用

水射流切割可以加工很薄、很軟的金屬和非金屬材料，如銅、鋁、鉛、塑料、木材、橡膠、紙等七八十種材料。水射流切割可以代替硬質(zhì)合金切槽刀具，而且切邊的質(zhì)量很好，所加工的材料厚度少則幾毫米多則幾百毫米。例如，切割19mm厚的吸音天花板，采用的水壓為310MPa，切割速度為76m／min；玻璃絕緣材料可加工到125mm厚。由于加工的切縫較窄，因此可節(jié)約材料和降低加工成本。

由于加工溫度較低，因而可以加工木板和紙品，還能在一些化學(xué)加工的零件保護層表面上劃線。 8.4其他常見特種加工技術(shù)簡介

8.4.1等離子體加工

1.基本原理

等離子體加工又稱等離子弧加工(PlasmaArcMachining，簡稱PAM)，它利用電弧放電使氣體電離成過熱的等離子氣體流束，再靠局部熔化及汽化來去除材料。

通常物質(zhì)存在的三種狀態(tài)是氣、液、固三態(tài)，等離子體被稱為物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。等離子體是高溫電離的氣體，它由氣體原子或分子在高溫下獲得能量電離之后，離解成的帶正電荷的離子和帶負電荷的自由電子所組成，整體的正、負電荷數(shù)值仍相等，因此稱為等離子體。圖8－11所示為等離子體加工原理示意圖。該裝置由直流電源供電，鎢電極6接陰極，工件10接陽極。利用高頻振蕩或瞬時短路引弧的方法，使鎢電極與工件之間形成電弧，電弧產(chǎn)生的熱量使介質(zhì)氣體的原子或分子在高溫中獲得很高的能量，其電子沖破了帶正電的原子核的束縛，成為自由的負電子，而原來呈中性的原子失去電子后成為正離子。這種電離化的氣體，正、負電荷的數(shù)量仍然相等，從整體看呈電中性，稱為等離子體電弧。在電弧外圍不斷送入介質(zhì)氣體，回旋的介質(zhì)氣流還形成與電弧柱相應(yīng)的氣體鞘，壓縮電弧，使其電流密度和溫度大大提高。常采用的介質(zhì)氣體有氮、氬、氨、氫，或這些氣體的混合。圖8－11等離子體加工的原理圖等離子體具有極高的能量密度，這主要是由下列三種效應(yīng)造成的：

(1)機械壓縮效應(yīng)。電弧在被迫通過噴嘴通道噴出時，通道對電弧產(chǎn)生機械壓縮作用，而噴嘴通道的直徑和長度對機械壓縮效應(yīng)的影響很大。

(2)熱收縮效應(yīng)。噴嘴內(nèi)部通入冷卻水，使噴嘴內(nèi)壁冷卻，溫度降低，因而靠近內(nèi)壁的氣體電離度急劇下降，導(dǎo)電性差；而電弧中心導(dǎo)電性好，電離度高，電弧電流被迫在電弧中心高溫區(qū)通過，使電弧的有效截面縮小，電流密度大大增加。這種因冷卻而形成的電弧截面縮小就是熱收縮效應(yīng)。一般高速等離子氣體流量越大，壓力越大，冷卻愈充分，則熱收縮效應(yīng)愈強烈。

(3)磁收縮效應(yīng)。由于電弧電流周圍磁場的作用，迫使電磁產(chǎn)生強烈的收縮作用，使電弧變得更細，電弧區(qū)中心電流密度更大，電弧更穩(wěn)定而不擴散。

由于上述三種壓縮效應(yīng)的綜合作用，使等離子體的能量高度集中，電流密度、等離子體電弧的溫度都很高，達到11000～28000℃(普通電弧僅5000～8000℃)，氣體的電離度也隨著劇增，并以極高的速度(約800~2000m／s，比聲速還高)從噴嘴孔噴出，具有極大的動能和沖擊力。當?shù)竭_金屬表面時，可以釋放出大量的能量，從而加熱和熔化金屬，并將熔化的金屬材料吹除。

等離子體加工有時叫做等離子體電弧加工或等離子體電弧切割。也可以把圖8－11中的噴嘴接直流電源的陽極，鎢電極接陰極，使陰極鎢電極和陽極噴嘴的內(nèi)壁之間發(fā)生電弧放電。如此，吹入的介質(zhì)氣體受電弧作用加熱膨脹，從噴嘴噴出形成射流，稱之為等離子體射流，使放在噴嘴前面的材料充分加熱。由于等離子體電弧對材料直接加熱，因而比用等離子體射流對材料的加熱效果好得多。因此，等離子體射流主要用于各種材料的噴鍍及加熱處理等方面；等離子體電弧則用于金屬材料的加工、切割以及焊接等。

等離子體電弧不但具有溫度高、能量密度大的優(yōu)點，而且焰場可以控制。適當?shù)卣{(diào)節(jié)功率大小、氣體類型、氣體流量、進給速度、火焰角度及噴射距離等，可以使用一個電極加工不同厚度和不同質(zhì)地的材料。

2.設(shè)備和工具

等離子體切割設(shè)備有簡單的手持等離子體切割器和小型手提式裝置；有比較復(fù)雜的程序控制和數(shù)字程序控制的設(shè)備、多噴嘴的設(shè)備；還有采用光學(xué)跟蹤的設(shè)備。工作臺尺寸最大可達13.4m×25m，切割速度為50～6100mm／min。在大型程序控制成型切削機床上可安裝先進的等離子體切割系統(tǒng)，并裝備有噴嘴的自適應(yīng)控制，以自動尋找和保證噴嘴與板材的正確距離。除了平面成型切割外，還有用于車削、開槽、鉆孔和刨削的等離子體加工設(shè)備。

切割用的直流電源空載電壓一般為300V左右。用氬氣作為切割氣體時，空載電壓可以降低為100V左右。常用的電極為鈰鎢或釷鎢。用壓縮空氣作為介質(zhì)氣體切割時，使用的電極為金屬鋯或鉿，使用的噴嘴材料一般為紫銅或鋯銅。

3.應(yīng)用

等離子體加工已廣泛用于切割稀有金屬，各種金屬材料，特別是不銹鋼、銅、鋁的成型切割，獲得了重要的工業(yè)應(yīng)用。它可以快速而較整齊地切割軟鋼、合金鋼、鈦、鑄鐵、鎢、鉬等。切割不銹鋼、鋁及其合金的厚度一般為3～100mm。等離子體加工還用于金屬的穿孔。

此外，等離子弧還作為熱輔助加工，這是一種機械切削和等離子弧的復(fù)合加工方法。在切削前，用等離子弧對工件待加工表面進行加熱，使工件材料變軟，強度降低，從而使切削加工具有切削力小、效率高、刀具壽命長等優(yōu)點，已用于車削、開槽、刨削等。等離子體電弧焊接已得到廣泛應(yīng)用，使用的氣體為氬氣。用直流電源可以焊接不銹鋼和各種合金鋼，焊接厚度一般為1～10mm。1mm以下的金屬材料可用微束等離子弧焊接。近些年又發(fā)展了交流及脈沖等離子體電弧焊接鋁及其合金的新技術(shù)。等離子弧還用于各種合金鋼的熔煉，熔煉速度快，質(zhì)量好。

等離子體表面加工技術(shù)近年來有了很大的發(fā)展，日本近年試制成功一種很容易加工的超塑性高速鋼，就是采用這一技術(shù)實現(xiàn)的。采用等離子體對鋼材進行預(yù)熱處理和再結(jié)晶處理，使鋼材內(nèi)部形成微細化的金屬結(jié)晶微粒，結(jié)晶微粒之間的韌性很好，所以具有超塑性能，加工時不易碎裂。采用等離子體表面加工技術(shù)還可提高某些金屬材料的硬度。例如，使鋼板表面氮化，可大大提高鋼材的硬度。在氧等離子體中，采用微波放電可使硅、鋁等進行氧化，制得超高純度的氧化硅和氧化鋁。采用無線電波放電，在氮等離子體中，對鈦、鋯、鈮等金屬進行氮化，可制得氮化鈦、氮化鋯、氮化鈮等化合物。由直流輝光放電發(fā)生的氬等離子，使四氯化鈦、氫氣與甲烷發(fā)生反應(yīng)，可在金屬表面生成碳化鈦，大大提高了材料的強度和耐磨性能。圖8－12擠壓珩磨加工示意圖等離子體還用于人造器官的表面加工，采用氨和氫—氮等離子體，對人造心臟表面進行加工，使其表面生成一種氨基酸，這樣，人造心臟就不受人體組織排斥和血液排斥，從而使人造心臟植入手術(shù)獲得成功。8.4.2擠壓珩磨加工

1.基本原理

磨料流動加工是利用一種含磨料的半流動的粘性磨料介質(zhì)，在一定壓力下，強迫其在被加工表面上流過，由磨料顆粒的刮削作用去除工件表面微觀不平材料的工藝方法。圖8－12所示為磨料流動加工過程示意圖。工件安裝并被壓緊在夾具中，夾具與上、下磨料室相連，磨料室內(nèi)充以粘性磨料，由活塞在往復(fù)運動過程中通過粘性磨料對所有表面施加壓力，使粘性磨料在一定壓力作用下，反復(fù)在工件待加工表面上滑移通過，就好像人手用砂布均勻地壓在工件上慢速移動一樣，從而達到表面拋光或去毛刺的目的。

2.擠壓珩磨的特點

（1)適用范圍廣。由于粘性磨料是一種半流動狀態(tài)的粘彈性材料，它可以適應(yīng)各種復(fù)雜表面的拋光和去毛刺，如各種型孔、型面、齒輪、葉輪、交叉孔、噴嘴小孔、液壓部件、各種模具等，因此它的適用范圍很廣，幾乎能加工所有的金屬材料，同時也能加工陶瓷、硬塑料等。

（2)拋光效果好。擠壓珩磨加工后的表面粗糙度與原始狀態(tài)和磨料粒度等有關(guān)，一般可降低為加工前粗糙度值的1/10，最低的粗糙度可以達到0.025μm的鏡面。磨料流動加工可以去除在0.025mm深度的表面殘余應(yīng)力；可以去除前面工序(如電火花加工、激光加工等)形成的表面變質(zhì)層和其他表面微觀缺陷。（3)材料去除速度快。磨料流動加工的材料去除量一般為0.01～0.1mm，加工時間通常為1～5min，最多十幾分鐘即可完成，與手工作業(yè)相比，加工時間可減少90％以上。對一些小型零件，可以多件同時加工，大大提高效率。對多件裝夾的小零件，其生產(chǎn)率可達每小時1000件。

（4)加工精度高。磨料流動加工是一種表面加工技術(shù)，因此它不能修正零件的形狀誤差。切削均勻性可以保持在被切削量的10%以內(nèi)，因此，也不至于破壞零件原有的形狀精度。由于去除量很小，因此可以達到較高的尺寸精度，一般尺寸精度可控制在微米數(shù)量級。

3.粘性磨料介質(zhì)

粘性磨料介質(zhì)是由一種半固體、半流動性的高分子聚合物和磨料顆粒均勻混合而成的。這種高分子聚合物是磨料的載體，能與磨粒均勻粘結(jié)，而與金屬工件則不發(fā)生粘附。它主要用于傳遞壓力，攜帶磨粒流動以及起潤滑作用。

磨料一般使用氧化鋁、碳化硼、碳化硅磨料。當加工硬度合金等堅硬材料時，可以使用金剛石粉。磨料粒度范圍是8°～600°；含量范圍為10％～60％。應(yīng)根據(jù)不同的加工對象確定具體的磨料種類、粒度和含量。碳化硅磨料主要用于去毛刺。粗磨料可獲得較快的去除速度；細磨料可以獲得較好的粗糙度，故一般拋光時都用細磨料，對微小孔的拋光應(yīng)使用更細的磨料。此外，還可利用細磨料(600°～800°)作為添加劑來調(diào)配基體介質(zhì)的稠度。在實際使用中，常將幾種粒度的磨料混合使用，以獲得較好的性能。

4.應(yīng)用

擠壓珩磨可用于邊緣光整、倒圓角、去毛刺、拋光和少量的表面材料去除加工，特別適用于難以加工的內(nèi)部通道的拋光和去毛刺加工。

擠壓珩磨已用于硬質(zhì)合金拉絲模、擠壓模、拉伸模、粉末冶金模、葉輪、齒輪、燃料旋流器等的拋光和去毛刺，還用于去除電火花加工、激光加工或滲氮處理這類熱能加工中產(chǎn)生的不希望有的變質(zhì)層。8.4.3磨料噴射加工

1.基本原理

磨料噴射加工是將混有細磨料或粉末的氣體聚焦成束，再利用其高速噴射來加工工件材料的。圖8－13所示為其加工過程示意圖。氣瓶或氣源供應(yīng)的氣體必須是干燥的、清凈的，并具有適度的壓力?；旌锨煌靡粋€振動器進行激勵，以使磨料均勻混合。噴嘴緊靠工件并具有一個很小的角度。操作過程應(yīng)封閉在一個防塵罩中或接近一個能排氣的集收器。影響切削過程的有磨料類型、氣體壓力、磨料流動速度、噴嘴對工件的角度和接近程度以及操作時間。利用銅、玻璃或橡皮面罩可以控制刻蝕圖形。圖8－13磨料噴射加工示意圖

2.設(shè)備和工具

磨料噴射加工的設(shè)備主要包括四部分：

（1)儲藏、混合和載運磨料裝置。

（2)工作室。

（3)灰塵收集器。

（4)干燥氣體供應(yīng)裝置。灰塵收集器的功率約為500W，它帶有過濾器，可以控制粉末微粒在1μm以內(nèi)運動。氣體壓力不小于90～690kPa，氣體應(yīng)經(jīng)過干燥，相對濕度小于5/100000?？梢圆捎闷垦b二氧化碳或氮作為干燥氣體。工作地點應(yīng)有充足的照明。

噴嘴端部通常由硬質(zhì)合金制造，它的壽命取決于所采用的磨料型號和操作壓力。采用碳化硅磨料時，噴嘴端部壽命為8～15h；采用氧化鋁磨料時，噴嘴端部壽命為20～35h。粉末磨料必須是清潔、干燥的，并且經(jīng)過仔細的篩選分類。粉末磨料通常不能重復(fù)使用，因為磨損了的或混雜的磨料會使切削性能降低。用于磨料噴射加工的粉末磨料必須是無毒的，但完善的灰塵控制裝置仍然是必要的，因為在磨料噴射加工過程中有可能產(chǎn)生灰塵，這對健康是有害的。工廠的壓縮空氣如果沒有充分地過濾以去除混氣和油，是不能作為運載氣體的。氧氣不能用作運載氣體，因為氧氣和工件屑或磨料混合時可能產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。

3.實際應(yīng)用

磨料噴射加工可用于玻璃、陶瓷或脆硬金屬的切割、去毛刺、清理和刻蝕。它還可用于小型精密零件，如液壓閥、航空發(fā)動機的燃料系統(tǒng)零件和醫(yī)療器械上的交叉孔、窄槽和螺紋的去毛刺。由尼龍、特氟隆(聚四氯乙烯)和狄爾林(乙縮醛樹脂)制成的零件也可以采用磨料噴射加工來去除毛刺。磨料流束可以跟隨工件的輪廓形狀，因而可以清理不規(guī)則的表面，如螺紋孔等。磨料噴射加工不能用于在金屬上鉆孔，因為孔壁將有很大的錐度，且鉆孔速度很慢。磨料噴射加工操作時通常采用手動噴嘴、縮放儀或自動夾具等。可以在玻璃上切割直徑小于1.6mm的圓盤，其厚度達6.35mm，并且不會產(chǎn)生表面缺陷。

磨料噴射加工還成功地用于剝離絕緣層和清理導(dǎo)線，而不會影響到導(dǎo)體；還用于微小截面，如皮下注射針頭的去毛刺；還常用于加工磨砂玻璃、微調(diào)電路板以及硅、鎵等的表面清理；在電子工業(yè)中，用于制造混合電路電阻器和微調(diào)電容。

圖8－14所示為噴嘴端部與工件的距離不同時的切削作用，噴嘴直徑為0.46mm。圖8－14噴嘴與工件之間的距離對加工效果的影響8.4.4磁性磨料研磨加工

磁性磨料研磨加工(MagneticAbreasiveMachining，簡稱MAM)又稱磁力研磨或磁磨料加工，它和磁性磨料電解研磨加工(MagneticAbrasiveElectrochemicalMachining,簡稱MAECM)是近10年來發(fā)展起來的光整加工工藝，在精密儀器制造業(yè)中日益得到廣泛應(yīng)用。

1.基本原理

磁性磨料研磨加工的原理在本質(zhì)上和機械研磨加工相同，只是磨料是導(dǎo)磁的，磨料作用于工件表面的研磨力是磁場形成的。圖8－15所示為對圓柱表面進行磁性磨料研磨加工的原理示意圖。在垂直于工件圓柱面軸線方向加一磁場，在S、N兩磁極之間加入磁性磨料，磁性磨料吸附在磁極和工件表面上，并沿磁力線方向排列成有一定柔性的“磨料刷”。工件一邊旋轉(zhuǎn)，一邊作軸向振動。磁性磨料在工件表面輕輕刮擦、擠壓、竄滾，從而將工件表面上極薄的一層金屬及毛刺切除，使微觀不平度逐步整平。

圖8－16所示為磁性磨料電解研磨原理示意圖。它在磁性磨料研