特种加工

特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。　　与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：　　(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，[1]能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。　　(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。　　(3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。特种加工技术的主要应用领域是：　　难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。　　难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。　　低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。　　以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。电加工技术原理电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工电火花加工特点1：电火花加工速度与表面质量　　模具在电火花机加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。粗加工采用大功率、低损耗的实现，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽略。　　2：电火花碳渣与排渣　　电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。实际中往往以牺牲加工速度去排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压，大休止脉波等等。另一个影响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。唯有积极开创良好排除的条件，对症的采取一些方法来积极处理。3：电火花工件与电极相互损耗电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。电火花机粗加工一般采用长放电脉波和大电流放电，加工速度快电极损耗小。在精加工时，小电流放电必须减小放电脉波时间，这样不仅加大了电极损耗，也大幅度降低了加工速度。用途按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。电化学加工技术原理利用电HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/2507.htm"\t"_blank"化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行加工的方法。与HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/471266.htm"\t"_blank"机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。分类电解加工、导电磨削（又称电解磨削）、电化学抛光（又称电解抛光）、电镀、电刻蚀（又称电解刻蚀）、电解冶炼。电解加工基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法，称为电解加工。其加工系统如图所示。但为了能实现尺寸、形状加工，还必须具备下列特定工艺条件：（1）工件阳极和工具阴极（大多为成型工具阴极）间保持很小的间隙（称作加工间隙），一般在0.1-1mm范围内。（2）电解液从加工间隙中不断高速（6-30m/s）流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。（3）工件阳极和工具阴极分别和直流电源（一般为10-24V）连接，在上述两项工艺条件下，则通过两极加工间隙的电流密度很高，高达10-100A/cm2数量级。导电磨削（又称电解磨削）。是电解作用和机械磨削相结合的加工过程。导电磨削时，工件接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在阴极上，两者保持一定的接触压力，并将电解液引入加工区。当接通电源后，工件的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧化膜，又被砂轮磨去。如此进行，直至达到加工要求为止。电化学抛光（又称电解抛光）。直接应用阳极溶解的电化学反应对机械加工后的零件进行再加工，以提高工件表面的光洁度。电解抛光比机械抛光效率高，精度高，且不受材料的硬度和韧性的影响，有逐渐取代机械抛光的趋势。电解抛光的基本原理与电解加工相同，但电解抛光的阴极是固定的,极间距离大（1.5～200毫米）,去除金属量少。电解抛光时，要控制适当的电流密度。电流密度过小时金属表面会产生腐蚀现象，且生产效率低；当电流密度过大时，会发生氢氧根离子或含氧的阴离子的放电现象，且有气态氧析出，从而降低了电流效率。电镀用电解的方法将金属沉积于导体(如金属)或非导体(如塑料、陶瓷、玻璃钢等)表面，从而提高其耐磨性,增加其导电性,并使其具有防腐蚀和装饰功能。对于非导体制品的表面，需经过适当地处理（用石墨、导电漆、化学镀处理，或经气相涂层处理），使其形成导电层后,才能进行电镀。电镀时,将被镀的制品接在阴极上，要镀的金属接在阳极上。电解液是用含有与阳极金属相同离子的溶液。通电后，阳极逐渐溶解成金属正离子，溶液中有相等数目的金属离子在阴极上获得电子随即在被镀制品的表面上析出，形成金属镀层。例如在铜板上镀镍，以含硫酸镍的水溶液作电镀液。通电后，阳极上的镍逐渐溶解成正离子，而在阴极的铜板表面上不断有镍析出。三束加工分别为激光束加工、电子束加工、离子束加工等三种方式。激光加工技术原理激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。特点由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；激光加工过程中无"刀具"磨损，无"切削力"作用于工件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响的区小工件热变形小后续加工最小；由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。分类分为激光切割、激光焊接、激光钻孔三个部分激光切割　　激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。激光焊接　　激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件焊接中。与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。激光钻孔　激光加工10μm左右的小孔。目前在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点，利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为突出，具有极大的商业价值。电子束加工技术电子束加工的基本原理　　利用能量密度极高的高速电子细束，在高真空腔体中冲击工件，使材料熔化、蒸发、汽化，而达到加工目的。电子束的加工装置主要由电子枪真空系统控制系统电源系统等四部分所组成。电子束加工的特点　　1.是一种精密微细的加工方法。　　2.非接触式加工，不会产生应力和变形。　　3.加工速度很快，能量使用率可高达90％。　　4.加工过程可自动化。　　5.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧化。　　6.电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。离子束及等离子体加工技术离子束加工的基本原理　　离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，最后射入工件表面。离子束工主要特点如下：　　1.加工的精度非常高。　　2.污染少。　　3.加工应力、热变形等极小、加工精度高。　　4.离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。离子束加工的分类　　离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。　　蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。　　离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为溅散蚀刻。　　产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料进行蚀刻为离子蚀刻。离子束工加工的应用　　1.蚀刻加工：　　离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。　　离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。　　太阳能电池表面具有非反射纹理表面。　　离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。　　2.离子束镀膜加工：　　离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。　　离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。　　离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。　　离子束装饰膜。　　离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。　　提高刀具的寿命。离子束加工分类：　　1.离子蚀刻或离子戏削：Ar离子倾斜轰击工件，使工件表面原子逐个剥离。　　2.离子溅射沉积：Ar离子倾斜轰击某种材料的靶，靶材原子被击出后沉淀在靶材附近的工件上，使之表面镀上一层薄膜。　　3.离子镀或离子溅射辅助辅助沉积：它和离子溅射沉积的区别在于同时轰击靶材和工件，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：较高能量的离子束直接轰击被加工材料，使工件表面层含有注入离子，改变了工件表面的化学成分，从而改变了工件表面层的物理，力学和化学性能，满足特殊领域的要求。超声波加工技术超声波加工（USM，UltrasonicMachining）是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。原理超声波加工技术是随着机械制造和仪器制造中各种脆硬材料（如玻璃，陶瓷，半导体，铁氧体等）和难以加工材料（如高温及难溶合金，硬质合金等）的不断出现而应用和发展起来的新加工方法。当经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，连续形成压缩和稀疏区域产生液体冲击和空化现象，引起邻近固体物质分散，破碎等效应。超声波加工比电火花，电解加工的生产效率低，但加工精度和表面粗糙度比前者好。并且能加工半导体和非半导体。因此，当前国内模具行业一般先用电火花加工和半精加工，最后用超声波进行抛磨精加工。特点适用于加工脆硬材料（特别是不导电的硬脆材料），如玻璃，石英，陶瓷，宝石，金刚石，各种半导体材料，淬火钢，硬质合金钢等。可采用比工件软的材料做成形状复杂的工具。去除加工余量是靠磨料瞬时局部的撞击作用，工具对工件加工表面宏观作用力小，热影响小，不会引起变形和烧伤，因此适合于薄壁零件及工件的窄槽，小孔。快速原型1快速原型技术的基本原理　　快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。　　该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。2快速原型技术的加工特点　　快速原型技术突破了“毛坯→切削加工→成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：　　(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。　　(2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。　　　(3)无振动、噪声和切削废料。　　(4)可实现夜间完全自动化生产。　　(5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。3与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：　　(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。　　(2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。　　　(3)无振动、噪声和切削废料。　　(4)可实现夜间完全自动化生产。(5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。等离子切割原理　　等离子弧切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化(和蒸发)，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。介质等离子切割发展到现在，可采用的工作气体（工作气体是等离子弧的导电介质，又是携热体，同时还要排除切口中的熔融金属）对等离子弧的切割特性以及切割质量、速度都有明显的影响。常用的等离子弧工作气体有氩、氢、氮、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体。化学加工原理化学加工是利用酸、碱或盐的溶液对工件材料的腐蚀溶解作用，以获得所需形状、尺寸或表面状态的工件的特种加工。分类化学加工主要分为化学铣削、光化学加工和化学表面处理三种方法。(酸洗)　　化学铣削是把工件表面不需要加工的部分用耐腐蚀涂层保护起来，然后将工件浸入适当成分的化学溶液中，露出的工件加工表面与化学溶液产生反应，材料不断地被溶解去除。工件材料溶解的速度一般为0.02～0.03毫米/分，经一定时间达到预定的深度后，取出工件，便获得所需要的形状。　　化学铣削的工艺过程包括：工件表面预处理、涂保护胶、固化、刻型、腐蚀、清洗和去保护层等工序。保护胶一般用氯丁橡胶或丁基橡胶等；刻型一般用小刀沿样板轮廓切开保护层，并使之剥除。　　化学铣削适合于在薄板、薄壁零件表面上加工出浅的凹面和凹槽，如飞机的整体加强壁板、蜂窝结构面板、蒙皮和机翼前缘板等。化学铣削也可用于减小锻件、铸件和挤压件局部尺寸的厚度，以及蚀刻图案等，加工深度一般小于13毫米。　　化学铣削的优点是工艺和设备简单、操作方便和投资少，缺点是加工精度不高，一般为±0.05～±0.15毫米；而且在保护层下的侧面方向上也会产生溶解，并在加工底面和侧面间形成圆弧状，难以加工出尖角或深槽；化学铣削不适合于加工疏松的铸件和焊接的表面。随着数字控制技术的发展，化学铣削的某些应用领域已被数字控制铣削所代替。　　光化学加工是照相复制和化学腐蚀相结合的技术，在工件表面加工出精密复杂的凹凸图形，或形状复杂的薄片零件的化学加工法。它包括光刻、照相制版、化学冲切(或称化学落料)和化学雕刻等。其加工原理是先在薄片形工件两表面涂上一层感光胶；再将两片具有所需加工图形的照相底片对应地覆置在工件两表面的感光胶上，进行曝光和显影，感光胶受光照射后变成耐腐蚀性物质，在工件表面形成相应的加工图形；然后将工件浸入(或喷射)化学腐蚀液中，由于耐腐蚀涂层能保护其下面的金属不受腐蚀溶解，从而可获得所需要的加工图形或形状。　　光化学加工的用途较广。其中化学冲切主要用于各种复杂微细形状的薄片(厚度一般为0.025～0.5毫米)零件的加工，特别是对于机械冲切有困难的薄片零件更为适合。这种方法可用于制造电视机显像管障板(每平方厘米表面有5000个小孔)、薄片弹簧、精密滤网、微电机转子和定子、射流元件、液晶显示板、钟表小齿轮、印刷电路、应变片和样板等。　　化学雕刻主要用于制作标牌和面版；光刻主要用于制造晶体管、集成电路或大规模集成电路；照相制版主要用于生产各种印刷版。　　化学表面处理包括酸洗、化学抛光和化学去毛刺等。工件表面无须施加保护层，只要将工件浸入化学溶液中腐蚀溶解即可。酸洗主要用于去除金属表面的氧化皮或锈斑；化学抛光主要用于提高金属零件或制品的表面光洁程度；化学去毛刺主要用于去除小型薄片脆性零件的细毛刺。高速加工（暂待）复合加工（待加）机械电解磨削、超声电解加工、激光辅助切削（待加）三代显微镜光学显微镜　　使用无限远光学系统的显微镜主要由物镜、管镜和目镜组成。标本经物镜和管镜放大后，形成放大倒立的实象；实象经目镜再次放大后，形成放大的虚象。　　电子显微镜电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。　　电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。　　扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。　　它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。