第四章精密加工和特种加工简介-金属工艺学ppt课件.ppt

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1、金属工艺学国家级精品课程金属工艺学国家级精品课程 “十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第一节第一节 精整与光整加工精整与光整加工1 1、研磨研磨 2 2、珩磨珩磨 3 3、超级光磨超级光磨 4 4、抛光抛光 5 5、超精密加工概述超精密加工概述第二节第二节 特种加工特种加工1 1、电火花加工电火花加工 2 2、电解加工电解加工3 3、超声加工超声加工 4 4、高能束加工高能束加工 精整加工精整加工 零件在精加工之后，从工件表面切除零件在精加工之后，从工件表面切除很薄的一层材料，以很薄的一层材料，以提高其尺寸精度和表提高其尺寸精度和表面粗糙度面粗糙度的工艺方法称为精整加工。精整的工艺方法

2、称为精整加工。精整加工有：研磨和珩磨等。加工有：研磨和珩磨等。光整加工光整加工 光整加工是指零件表面不切除或切除光整加工是指零件表面不切除或切除极薄的一层金属材料，以极薄的一层金属材料，以提高其表面粗糙提高其表面粗糙度度为目的的加工方法，如超级光磨和抛光为目的的加工方法，如超级光磨和抛光等。等。1、加工原理、加工原理 研磨是研磨是在在研具研具与与工件工件之间放上之间放上研磨剂研磨剂，对，对工件表面进行精整加工的方法，即研具在一定工件表面进行精整加工的方法，即研具在一定压力压力作用下，与工件表现之间作复杂的作用下，与工件表现之间作复杂的相对运相对运动动，通过研磨剂的机械和化学作用，从工件表，通过

3、研磨剂的机械和化学作用，从工件表现上切除很薄的一层材料，从而达到很现上切除很薄的一层材料，从而达到很高的尺高的尺寸精度寸精度和很和很小的表面粗糙度小的表面粗糙度目的。目的。研具研具 研具材料应比工件材料软研具材料应比工件材料软、以使部分研磨剂的磨料能嵌入研具表面，并对工件表面进行擦磨。常用研具材料有：铸铁、软钢、黄铜、塑料或硬木。最常用的是铸铁研具最常用的是铸铁研具，它适用于加工各种材料，能较好地保证研磨质量和高的生产率、成本低的特点。返回返回研磨剂研磨剂 研磨剂由磨料研磨液辅助填料研磨剂由磨料研磨液辅助填料等混合而成，有液态、膏状和固态等三种。磨料主要起机械切削作用。磨料主要起机械切削作用。

4、常用的有刚玉、碳化硅等。其颗粒在粗研时选F240F400；精研时为F400一下。研磨液起冷却与润滑作用，并将磨料均匀分布于研研磨液起冷却与润滑作用，并将磨料均匀分布于研具表面。具表面。常用的煤油、汽油、机油等。研磨剂研磨剂 辅助填料辅助填料可以使金属表面产生极薄的、较软的化合物薄膜，以使工件表面凸出部分容易被磨料切除，提高研磨效率和表面质量。常用的有硬脂酸等化学活性物质。返回返回研磨方法研磨方法 研磨方法有手工研磨和机械研磨。手工研磨手工研磨是手持研具对工件表面进行研磨。机械研磨机械研磨是在研磨机上进行研磨。研磨机研磨机 4-1 研磨较小零件所用的研磨机的工作示意图2、研磨的特点及应用、研磨的

5、特点及应用(1)(1)设备研具简单。设备研具简单。研磨既可以在专用的研磨机上进行，也可以在简单改装的车床或钻床上进行，还可以手工进行。(2)(2)可以达到高的尺寸精度、形状精度和小的表面可以达到高的尺寸精度、形状精度和小的表面粗糙度，但不能提高位置精度。粗糙度，但不能提高位置精度。研磨的尺寸和形状误差可达0.10.3m，Ra0.025m以下。(3)(3)生产率低。生产率低。加工余量一般不大于 0.010.03mm。(4)(4)研磨剂易于飞溅，污染环境。污染环境。2、研磨的特点及应用、研磨的特点及应用 研磨加工的应用很广，许多常见的表面，如平面、内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面和齿轮表面等都可以用研

6、磨进行精整加工。许多精密配合件还往往要经过配合件的配研配合件的配研，才能得到配合精度要求。在现代工业中，研磨在机械制造（量块喷油嘴等）、精密仪器仪表、电子工业（石英、半导体元件）、光学仪器（镜头、棱镜等）和陶瓷元件中都有广泛的应用。返回返回1、加工原理、加工原理 利用带油石的珩磨头对孔或其他表面进行精整加工称为珩磨珩磨。油石在一定压力下一定压力下从孔的内表面切除很薄的一层材料，加之油石在工件表面上的切削轨迹是交叉而不重复的切削轨迹是交叉而不重复的网纹网纹，从而达到提高孔的精度和表面粗糙度精度和表面粗糙度的目的。图4-2 珩磨加工示意图图4-2 珩磨头返回返回返回返回珩磨设备珩磨设备 在大批大量

7、生产中，珩磨在专门的珩磨机上进行。机床的工作循环通常是自动化的，主轴旋转是机械传动，轴向往复运动是液压传动，珩磨头油石与孔壁之间的工作压力由机床液压装置调节。在单件小批生产中，常将立式钻床或卧式车床进行适当改装来完成。2、珩磨的特点和应用、珩磨的特点和应用（1）生产率较高。）生产率较高。珩磨头上有多个磨条同时参加磨削，并不断改变磨削方向，磨料可长时间保持锋利状态，因此珩磨效率比较高。珩磨余量比研磨大，一般珩磨铸铁时为0.020.15mm，珩磨钢件时为0.0050.08mm。特点特点（2）精度高，粗糙度值小。）精度高，粗糙度值小。珩磨可以提高孔的尺寸精度、形状尺寸精度、形状精度和表面质量精度和表

8、面质量，一般尺寸精度可达到IT64,Ra0.40.05m。但是，珩磨头与机床主轴是浮动连接，油石不浮动 （图4-3），不能提高孔的位置精度。位置精度。（3）珩磨的零件表面耐磨损。）珩磨的零件表面耐磨损。由于珩磨的零件表面有交叉的网纹，易于油膜形成，润滑性能好，磨损慢。（4）珩磨头珩磨头结构复杂。结构复杂。特点特点应用应用 珩磨主要用于孔的精整加工，加工珩磨主要用于孔的精整加工，加工范围广，可以加工大孔和深孔。加工孔范围广，可以加工大孔和深孔。加工孔的直径在的直径在5500mm以上，加工余量一以上，加工余量一般在般在0.005 0.08mm。珩磨还可以加。珩磨还可以加工外圆、平面、球面和齿面等。

9、工外圆、平面、球面和齿面等。珩磨不仅在大批生产大量中应用极珩磨不仅在大批生产大量中应用极为普遍，而且在单件小批生产中应用也为普遍，而且在单件小批生产中应用也较广泛。较广泛。返回返回1、加工原理、加工原理 超级光磨用装有细磨粒、低硬度的油石的超级光磨用装有细磨粒、低硬度的油石的磨头，在一定压力下对工件表面进行光整加工磨头，在一定压力下对工件表面进行光整加工的方法的方法。加工过程中，在油石和工件之间注入光磨液。加工过程中，在油石和工件之间注入光磨液。光磨液的作用光磨液的作用：冷却、润滑及清除切屑等；形：冷却、润滑及清除切屑等；形成油膜，以便能自动终止切削作用。成油膜，以便能自动终止切削作用。最初与

10、比较粗糙的工件表面接触时，压强较大，切削作用最初与比较粗糙的工件表面接触时，压强较大，切削作用较强较强 随着工件表面被磨平，油石与工件表面之间逐渐形成随着工件表面被磨平，油石与工件表面之间逐渐形成完整的润滑油膜，切削作用逐渐减弱完整的润滑油膜，切削作用逐渐减弱 光整抛光阶段光整抛光阶段 最后自动停止切削作用。最后自动停止切削作用。超级光磨过程超级光磨过程图4-4 超级光磨外圆2、特点及应用、特点及应用（1）设备简单，操作方便。）设备简单，操作方便。（2）加工余量极少。油石与工件之间无刚性的运）加工余量极少。油石与工件之间无刚性的运动关系，一般只留有动关系，一般只留有3 10m的加工余量；的加工

11、余量；（3）生产率较高。一般加工时间只需）生产率较高。一般加工时间只需3060秒；秒；（4）表面质量好。）表面质量好。Ra0.012m，具有复杂的交，具有复杂的交叉网纹，但不能提高尺寸精度和形位精度；叉网纹，但不能提高尺寸精度和形位精度；2、特点及应用、特点及应用 超级光磨应用也比较广，不仅可以加工轴超级光磨应用也比较广，不仅可以加工轴类零件的外圆柱面，还能加工圆锥面、孔、平类零件的外圆柱面，还能加工圆锥面、孔、平面和球面等。面和球面等。返回返回 抛光是在高速旋转的抛光轮上涂上磨抛光是在高速旋转的抛光轮上涂上磨膏对工件表面进行光整加工的方法。膏对工件表面进行光整加工的方法。抛光轮一般用毛毡、橡

12、胶、皮革、布、抛光轮一般用毛毡、橡胶、皮革、布、纸板等做成。纸板等做成。磨膏由磨料、油酸、软脂等配制而成。磨膏由磨料、油酸、软脂等配制而成。1、加工原理、加工原理 抛光时将工件压在高速旋转的抛光轮抛光时将工件压在高速旋转的抛光轮上，在磨膏的作用下，金属表面产生一层上，在磨膏的作用下，金属表面产生一层很薄的软膜，可以用比工件材料软的磨料很薄的软膜，可以用比工件材料软的磨料切除工件表面且不留痕迹，同时由于切除工件表面且不留痕迹，同时由于高速高速摩擦摩擦使工件表面材料出现高温和挤压而产使工件表面材料出现高温和挤压而产生塑性流动，因而获得很光亮的表面。生塑性流动，因而获得很光亮的表面。1、加工原理、加

13、工原理（1）方法简便、经济。）方法简便、经济。（2）容易对曲面进行加工；）容易对曲面进行加工；（3）只能提高表面的光亮度，表面粗糙度值降低）只能提高表面的光亮度，表面粗糙度值降低不明显，而且不能提高零件的精度；不明显，而且不能提高零件的精度；（4）劳动条件差。）劳动条件差。2、特点及应用、特点及应用 抛光主要用于零件表面的装饰加工，抛光主要用于零件表面的装饰加工，或者利用抛光方法去除前道工序的加工痕迹，或者利用抛光方法去除前道工序的加工痕迹，如电镀产品必须用抛光进行预加工。如电镀产品必须用抛光进行预加工。抛光零件表面的形状不限可以是平面、抛光零件表面的形状不限可以是平面、外圆、孔、以及各种成形

14、表面等。外圆、孔、以及各种成形表面等。2、特点及应用、特点及应用返回返回加工方法加工方法 研磨研磨 珩磨珩磨 超级光磨超级光磨 抛光抛光 加工设备加工设备 研磨机研磨机 珩磨机珩磨机 超级光磨机超级光磨机 抛光机抛光机 较复杂较复杂 复杂复杂 较复杂较复杂 简单简单加工质量加工质量 精度高（精度高（IT53）精度高精度高（IT64）不能提高精度不能提高精度 不能提高精度不能提高精度 (尺寸、形位）尺寸、形位）（尺寸、形状）（尺寸、形状）表面粗糙度表面粗糙度 0.1 0.008 0.4 0.05 0.1 0.05 0.2 0.1(Ra m)提高光亮程度提高光亮程度生产率生产率 最低最低 较低较低

15、 较高较高 较高较高1、概念和分类、概念和分类 通常加工工件的精度小于通常加工工件的精度小于5 m（尺寸误差（尺寸误差0.005MM 形位误差形位误差0.005MM）的加工，称为精）的加工，称为精密加工。密加工。超精密加工一般是指工件的被加工尺寸较大，超精密加工一般是指工件的被加工尺寸较大，而要求误差绝对值较小的加工。例如中等尺寸的工而要求误差绝对值较小的加工。例如中等尺寸的工件，极限误差在件，极限误差在1m以下的加工。以下的加工。1、概念和分类、概念和分类 根据加工所用的工具不同，分为根据加工所用的工具不同，分为超精密切削超精密切削超精密磨削超精密磨削超精密研磨超精密研磨2、基本条件、基本条

16、件 超精密加工的核心是切除超精密加工的核心是切除m级一下的微薄材料。级一下的微薄材料。（1）机床设备）机床设备（2）刀具或磨具）刀具或磨具（3）工件）工件（4）环境）环境（5）检验）检验返回返回 特种加工是相对于传统的切削加工而言，传统的切削加工是用刀具靠机械能去除工件表面的多余材料。当工件材料的强度、硬度、脆性、韧性过高，或零件的结构过于复杂，或尺寸太小，或零件的刚度较差时，传统的切削加工方法就难于实现。特种加工就是为解决这些难题而发展起来的一种新的加工方法.特种加工是直接利用电能、光能、声能、热特种加工是直接利用电能、光能、声能、热能、化学能或多种能量复合形式进行加工的方法。能、化学能或多

17、种能量复合形式进行加工的方法。常用的特种加工有电火花加工、电解加工、超声常用的特种加工有电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。波加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。电火花加工是在一定的电火花加工是在一定的绝缘介质绝缘介质中，中，利用利用工具电极工具电极与与工件电极工件电极之间的之间的脉冲放电脉冲放电对对导电材料导电材料进行蚀除加工，使零件的尺寸、进行蚀除加工，使零件的尺寸、形状和表面质量达到技术要求的一种加工形状和表面质量达到技术要求的一种加工方法。所以方法。所以,电火花加工是基于脉冲放电基于脉冲放电的腐蚀原理的腐蚀原理而产生的。1、加工原理、加工原理图4

18、-6 电火花成型加工的原理图 根据所使用的工具电极的形状不同根据所使用的工具电极的形状不同,电火电火花加工常分为电火花成型加工和电火花线切花加工常分为电火花成型加工和电火花线切割。割。图4-9 电火花线切割加工的原理图电火花加工的必备条件电火花加工的必备条件（1）工具电极和工件电极经常保持一定间隙。）工具电极和工件电极经常保持一定间隙。间隙过大，工作电压不能击穿，电流为零；间隙过小，易形成短路接触，极间电压接近零。（2）火花放电必须是脉冲性的和间隙性的。）火花放电必须是脉冲性的和间隙性的。使每一个放电点局限在很小的范围内，避免表面烧伤。（3）火花放电必须在一定的绝缘介质中进行。）火花放电必须在

19、一定的绝缘介质中进行。在达到击穿电压之前，保持非导电性，放电后使电极间隙加大消除电离；同时工作液起到冷却和从工作间隙带走悬浮切屑的作用。电火花加工机床一般由四大部分组成：电火花加工机床一般由四大部分组成：（1）机床本体）机床本体 机床本体是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。电火花成型机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成。电火花线切割机床本体主要由床身、工作台、运丝机构和丝架等组成。2、电火花加工机床组成、电火花加工机床组成（2）脉冲电源脉冲电源在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供

20、所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。线切割加工脉冲电源的脉宽、单个脉冲能量、平均电流较成型加工小，所以线切割总是采用正极性加工。（3）自动进给调节系统自动进给调节系统 自动进给调节系统直接影响加工稳定性和加工效果。电火花成型加工的自动进给调节系统，主要包含伺服进给系统和参数控制系统。伺服进给系统主要用于控制放电间隙的大小，而参数控制系统主要用于控制电火花成型加工中的各种参数(如放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔等)，以便能够获得最佳的加工工艺指标等。在电火花线切割加工中该系统还可以控制电极丝相对于工件的运动轨迹。（4）

21、工作液过滤和循环系统工作液过滤和循环系统 电火花加工中的蚀除产物，一部分以气态形式抛出，其余大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中，直径一般为几微米。该系统的作用是及时地从加工区域中排除电蚀产物，并连续充分供给清洁的工作液，以保证脉冲放电过程稳定而顺利地进行。电火花加工用的工作液过滤系统包括工作液泵、容器（工作液箱）、过滤器、流量控制阀及管道等，使工作液强迫循环。图4-7 电火花成型机床电火花线切割机床（1）可以加工特殊的及复杂形状的零件）可以加工特殊的及复杂形状的零件（2）适合于难切削材料的加工）适合于难切削材料的加工（3）因脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在）因脉冲参数可以在一

22、个较大的范围内调节，可以在一台电火花机床上一次完成粗加工和精加工。一台电火花机床上一次完成粗加工和精加工。（4）电火花加工是特种加工中应用最广泛的一种，但主）电火花加工是特种加工中应用最广泛的一种，但主要局限于导电材料的加工；要局限于导电材料的加工；（5）加工速度比较慢。）加工速度比较慢。（6）存在电极消耗。）存在电极消耗。2、电火花加工的、电火花加工的特点特点及应用及应用（1）电火花穿孔加工可以加工各种型孔、深孔、斜孔、）电火花穿孔加工可以加工各种型孔、深孔、斜孔、弯孔以及小孔和微孔。弯孔以及小孔和微孔。（2）电火花型腔加工主要用于加工锻模、挤压模、压铸）电火花型腔加工主要用于加工锻模、挤压

23、模、压铸模等模具型腔的加工，且模具尺寸范围基本不受限制。模等模具型腔的加工，且模具尺寸范围基本不受限制。（3）电火花加工可以应用于型面加工、表面雕刻、和表）电火花加工可以应用于型面加工、表面雕刻、和表面强化，还可以进行电火花镗削、电火花磨削等。面强化，还可以进行电火花镗削、电火花磨削等。（4）电火花线切割能方便地加工出通孔、小孔、窄缝等）电火花线切割能方便地加工出通孔、小孔、窄缝等形状复杂的零件。形状复杂的零件。2、电火花加工的特点及、电火花加工的特点及应用应用返回返回 电解加工是利用金属在电解液中产生电解加工是利用金属在电解液中产生阳极阳极溶解溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种的电化学

24、原理对工件进行成形加工的一种方法。方法。电解加工时的化学反应是比较复杂的。下电解加工时的化学反应是比较复杂的。下面是以氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢工件面是以氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢工件时，主要的电化学反应（见书时，主要的电化学反应（见书94页）页）1、加工的基本原理、加工的基本原理1）电解液在电场作用下解离）电解液在电场作用下解离Nacl=Na+Cl-H2O=H+OH-2）工件（阳极）解离并与电解液反应）工件（阳极）解离并与电解液反应Fe-2eFe2+Fe2+2(OH)-Fe(OH)2)工具极（阴极）反应工具极（阴极）反应2H+2eH2图4-10 电解加工原理图 电解加工时，工件接电解

25、加工时，工件接直流稳压电源的正极，工直流稳压电源的正极，工具接负极，两极间保持很具接负极，两极间保持很小的间隙，具有一定压力小的间隙，具有一定压力的电解液从两极间高速流的电解液从两极间高速流过，工具负极的凸出部分过，工具负极的凸出部分与工件正极的间隙最小，与工件正极的间隙最小，电流密度最大，溶解最快，电流密度最大，溶解最快，随着工具的不断进给，工随着工具的不断进给，工件就不断按工具端部的型件就不断按工具端部的型面溶解，使工具的端部形面溶解，使工具的端部形状被复制到工件上。状被复制到工件上。电解加工机床由三部分组成：机床本体，直流稳电解加工机床由三部分组成：机床本体，直流稳压电源和电解液供给系统

26、等。压电源和电解液供给系统等。2、电解加工机床、电解加工机床图4-11 电解加工机床的组成（1 1）机床本体）机床本体 应具有足够的刚度和可靠的进给平稳性与良好的防腐蚀性、密封性、绝缘性和排风装置。（2 2）直流稳压电源）直流稳压电源 应有合适的容量，良好的稳压精度和可靠的短路保护。（3 3）电解液系统）电解液系统 该系统的作用能连续而平稳地向加工区提供足够流量、速度和温度合适的干净电解液。因此，该系统应有电解液供给泵、电解液槽、过滤器和热交换器以及其他管路附件等组成。3、电解加工的、电解加工的特点特点和应用和应用 （1 1）电电解加工解加工能以简单的一次进给运动加工出形状复杂的能以简单的一次

27、进给运动加工出形状复杂的型面或型型面或型腔腔；（2 2）可以加工各种高强度、高硬度、高韧性的金属材料；）可以加工各种高强度、高硬度、高韧性的金属材料；（3 3）无机械切削力和切削热，可以加工易变形或薄壁的零）无机械切削力和切削热，可以加工易变形或薄壁的零件；件；（4 4）零件表面无残余应力，表面粗糙度）零件表面无残余应力，表面粗糙度RaRa可达可达0.2-0.80.2-0.8m m；（5 5）工具阴极不损耗，可长期使用；）工具阴极不损耗，可长期使用；（6 6）电电解加工解加工影响因素多，精度不容易稳定；影响因素多，精度不容易稳定；（7 7）电解液对机床有腐蚀作用、处理和回收困难。）电解液对机床

28、有腐蚀作用、处理和回收困难。与电火花加工相比，生产率高（高与电火花加工相比，生产率高（高5-105-10倍），但加工精度倍），但加工精度较低，机床费用较高。因此，电解加工适用于成批大量生产，较低，机床费用较高。因此，电解加工适用于成批大量生产，而电火花加工主要适用于单件小批生产。而电火花加工主要适用于单件小批生产。3、电解加工的特点和、电解加工的特点和应用应用 电解加工可以加工复杂成型模具和零电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，齿轮

29、、液压件机定子、转子的扭曲叶片，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光、刻印等。内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光、刻印等。4、电解磨削、电解磨削 电解磨削是电解磨削是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法。在电解磨削中，电解作用与磨削作用交替进行，但电解作用是主要的。电解磨削的效率比普通磨削高。例如电解磨削硬质合金车刀时，加工效率比普通的金刚石砂轮磨削要高35倍，表面粗糙度Ra值可达0.20.012m。图4-13 电解磨削加工原理示意图 图中高速旋转的导电砂图中高速旋转的导电砂轮接直流电源负极，工件（硬轮接直流电源负极，工件（硬质合金车刀）接直流电源正极。质合金车刀）接直流电源正极。电解

30、磨削时，导电砂轮和加工电解磨削时，导电砂轮和加工件间保持一定的接触压力，砂件间保持一定的接触压力，砂轮表面外凸的磨粒使砂轮导电轮表面外凸的磨粒使砂轮导电体与工件间有一定间隙。当电体与工件间有一定间隙。当电解液从间隙中流过，工件出现解液从间隙中流过，工件出现阳极溶解，工件表面形成一薄阳极溶解，工件表面形成一薄层较软的薄膜，很容易被导电层较软的薄膜，很容易被导电砂轮中的磨粒磨除，露出新的砂轮中的磨粒磨除，露出新的金属表面并进一步电解。在加金属表面并进一步电解。在加工过程中，电解作用与磨削作工过程中，电解作用与磨削作用交替进行，最后达到加工要用交替进行，最后达到加工要求。求。返回返回1、基本原理、基

31、本原理 超声波加工是将工件置于有磨料的悬超声波加工是将工件置于有磨料的悬浮液中，利用工具的高频振动，通过磨料浮液中，利用工具的高频振动，通过磨料对硬脆材料进行加工的一种方法（对硬脆材料进行加工的一种方法（超声波是指频率超过16000Hz的振动波，而一般人耳能感受到的声波频率为16Hz16000Hz）。图4-14 超声加工2、超声加工机床、超声加工机床 超声波加工机床由超声发生器、超声振动系统、超声波加工机床由超声发生器、超声振动系统、磨料供给循环系统和机床本体等部分组成。磨料供给循环系统和机床本体等部分组成。超声发生器是将超声发生器是将50Hz的交流电转变为高频电能，的交流电转变为高频电能，供

32、给超声换能器。供给超声换能器。超声振动系统是一种磁致伸缩换能器。它包括超超声振动系统是一种磁致伸缩换能器。它包括超声换能器和变幅杆。声换能器和变幅杆。机床本体有立式和卧式两种。图机床本体有立式和卧式两种。图4-15是立式加工是立式加工机床的结构示意图机床的结构示意图图4-15 立式加工机床的结构示意图 该机床不要求高的结构强度和传动强度，但是结构刚度必须要好。2、特点特点和应用和应用（1）主要加工各种不导电的硬脆或半导体材料，当）主要加工各种不导电的硬脆或半导体材料，当然，对于导电的硬质材料也能加工，但生产率低；然，对于导电的硬质材料也能加工，但生产率低；（2）由于工具通常不用旋转，便于加工各

33、种复杂的）由于工具通常不用旋转，便于加工各种复杂的内表面和成型表面；内表面和成型表面；（3）由于工具与工件间作用力小，热影响小，便于）由于工具与工件间作用力小，热影响小，便于加工各种不能承受较大机械力的零件；加工各种不能承受较大机械力的零件；（4）工具材料可以低于工件材料的硬度，但磨料硬）工具材料可以低于工件材料的硬度，但磨料硬度应比工件材料的硬度高；度应比工件材料的硬度高；2、特点和应用、特点和应用 （5）生产率低。）生产率低。超声波加工生产率虽然比电火花、电解加工等低，超声波加工生产率虽然比电火花、电解加工等低，但尺寸精度和表面粗糙度比电解加工与电火花加工高，但尺寸精度和表面粗糙度比电解加

34、工与电火花加工高，而且能加工半导体、非导体的脆硬材料，如玻璃、石而且能加工半导体、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，超声波广泛应用于声波广泛应用于型型(腔腔)孔加工孔加工、切割加工切割加工、清洗等方、清洗等方面。面。超声波加工的型孔、腔孔类型返回返回超声波切割加工 返回返回 高能束加工时利用被聚焦到加工高能束加工时利用被聚焦到加工部位上的高密度能量束，去除工件上部位上的高密度能量束，去除工件上多余材料的特种加工方法，通常包括多余材料的特种加工方法，通常包括激光加工、电子束加工和离子束加工激光加工、电子束加工和离

35、子束加工等。等。基本原理基本原理 激光加工是利用激光具有光强度高，方向激光加工是利用激光具有光强度高，方向性、相干性和单色性好的特点，通过光学系统性、相干性和单色性好的特点，通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光班，照射到工件表面，光能被工件吸收极小光班，照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，焦点温度高达并迅速转化为热能，焦点温度高达1万万以上，以上，使材料熔化或汽化，达到加工零件的目的。使材料熔化或汽化，达到加工零件的目的。图4-17 激光加工机工作示意图特点特点（1）激光加工属于高能束加工，其聚焦的功率密度可达103 -

36、107 W/CM2，几乎可以加工任何金属和非任何金属几乎可以加工任何金属和非任何金属材料；材料；（2）激光加工无明显机械力，不存在工具损耗，加工速加工速度快，热影响区小，便于组织自动化生产；度快，热影响区小，便于组织自动化生产；（3）激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部进行激光焊接加工；（4）激光可以通过聚焦形成微米级的光斑，输出功率可以调节，因此可用于精密微细加工精密微细加工；（5）平均加工精度为0.01mm,最高加工精度为0.001mm，表面粗糙度可达0.4-0.1 m。应用应用 （1）激光打孔）激光打孔，特别适用于对坚硬材料进行微小孔的加工，如宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属和硬

37、质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。最小孔径可达0.001mm。（2）激光切割）激光切割，不仅可以切割金属材料，也可以切割非金属材料，其切缝只有0.1-0.5mm。速度快，节约材料；激光不仅可以透过玻璃焊接，也可以透过玻璃切割。（3）激光焊接）激光焊接。例如，在汽车制造中，有50%的零件可以用激光加工，其中激光焊接占40%左右。应用应用 （4）激光表面处理）激光表面处理，通过对金属表面的强化处理，可以显著提高材料的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能。（5）激光打标，）激光打标，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久

38、、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。基本原理基本原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能转换成热能对材料进行加工的。图4-18 电子束加工原理图基本原理基本原理 如图4-18所示，在真空条件下，由电子枪旁热阴极发射的电子，在高电压作用下被加速到很高的速度，然后通过电子透镜聚焦形成高能量密度的电子束。当电子束冲击到工件时，在极短的时间内使受冲击部位的温度升高到几千摄氏度以上，足以使任何材料瞬间熔化、气化，从而达到材料去除加工的目的。特点特点（1）对任何材料都能进行加工）对任何材料都能进行加工，与材料的强度无关，只要功率密度能达到使材料气化，都能用电子

39、束进行加工。（2）加工速度快）加工速度快，一般厚度为0.11mm的工件，打孔时间为10s至数秒；切割厚度为1mm的钢板，速度可达240mm/min。特点特点（3）非接触加工）非接触加工，不存在工具磨耗问题，对工件无机械切削力作用，而且加工时间极短，所以工件无变形。（4）电子束的束径小）电子束的束径小，最小直径可达0.010.05mm，电子束长度可达束径的几十倍，故能加工微细的深孔、窄缝等。特点特点（5）加工点上化学纯度高）加工点上化学纯度高。由于是在真空中加工，可防止氧化而产生杂质，适合于加工易氧化的金属及合金材料，特别适于加工要求高纯度的半导体材料。（6）可控制性能好。）可控制性能好。通过磁

40、场或电场可控制电子束的强度，进行聚焦和调节焦点位置，并可采用计算机进行控制。应用应用 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热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接焊接；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光刻加工。应用应用 电子束与气体分子碰撞时，会产生能量损失和散射，所以电子束加工一般在高真空度的工作室内进行。并且由于使用高电压，会产生较强的X射线，必须采取相应的安全防护措施。由此而限制了它的应用，除了特定的

41、需要，一般为激光加工所代替。基本原理基本原理 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。离离子子束加工是靠束加工是靠微观机械撞击能量微观机械撞击能量转化为热能进行的。转化为

42、热能进行的。图4-19 离子束加工原理特点特点 1）离子束加工是目前特种加工中最精特种加工中最精密、最微细的加工密、最微细的加工。离子束光斑真径可以聚焦到1m以内，离子束流密度和离子的能量可以精确控制，并且可以通过离子光学系统进行扫描。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度。特点特点 （2）离子束加工是在真空中进行的，污染少，特别适合于易氧化的金属、合金和半导体材料加工。（3）离子撞击工件表面只产生微观的作用力，宏观上作用力很小。因此加工应力很小，工件不变形，适合于脆性、半导体和离分子材料的加工。应用应用 在目前的工业生产中，离子束加工可分为四类。1)离子刻蚀离子刻蚀 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子溅射沉积离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。应用应用 3)离子镀离子镀(又称离子溅射辅助沉积)离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。4)离子注入离子注入 离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。