《机械制造工艺与设备》图文课件ppt-第12章.ppt

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1、12.1 特种加工概述特种加工概述12.2 电火花加工电火花加工12.3 激光加工激光加工12.4 超声波加工超声波加工12.5 电子束加工电子束加工12.6 离子束加工离子束加工 传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用。但是从第一次产业革命到第二次世界大文明起了极大的作用。但是从第一次产业革命到第二次世界大战前，这长达战前，这长达150150多年都靠机械切削加工的漫长年代里，并没多年都靠机械切削加工的漫长年代里，并没有产生对特种加工的迫切需求，也没有发展特种加工的充分条有产生对特种加工的迫切需求，也没有发展特种加

2、工的充分条件，人们的思想还一直局限于传统的用机械能量和切削力来加件，人们的思想还一直局限于传统的用机械能量和切削力来加工去除多余的金属。随着生产发展和科学实验的要求，零件形工去除多余的金属。随着生产发展和科学实验的要求，零件形状越来越复杂，材料越来越难以加工，加工精度和表面粗糙度状越来越复杂，材料越来越难以加工，加工精度和表面粗糙度等技术要求也越来越高，于是人们开始探索用软的工具加工硬等技术要求也越来越高，于是人们开始探索用软的工具加工硬的材料，以及不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能的材料，以及不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工。量来进行加工。12.1.1 12.1

3、.1 特种加工的产生和发展特种加工的产生和发展 二战时期，前苏联拉扎连科夫妇研究电器开关触点遭受电二战时期，前苏联拉扎连科夫妇研究电器开关触点遭受电火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被蚀除掉，于是发明了电火花加工方法，部的金属熔化、气化而被蚀除掉，于是发明了电火花加工方法，即用铜丝在淬硬钢上加工出小孔，可用软的工具加工任何硬度的即用铜丝在淬硬钢上加工出小孔，可用软的工具加工任何硬度的金属材料，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热金属材料，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来

4、去除金属，以获得以柔克刚的效果。能来去除金属，以获得以柔克刚的效果。12.1 12.1 特种加工概述特种加工概述 随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、防工业部门要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所用的材料越来越难加工，零件形状越来越小型化等方向发展，所用的材料越来越难加工，零件形状越来越复杂，精度、表面粗糙度和某些特殊要求也越来越高。新的加工复杂，精度、表面粗糙度和某些特殊要求也越来越高。新的加工方法对新产品的研制、推广和社会经济的发展起着重

5、大的作用。方法对新产品的研制、推广和社会经济的发展起着重大的作用。传统的切削加工是靠刀具材料比工件更硬，以及机械能把工传统的切削加工是靠刀具材料比工件更硬，以及机械能把工件上多余的材料切除。一般情况下这是行之有效的方法，但是当件上多余的材料切除。一般情况下这是行之有效的方法，但是当工件材料越来越硬，零件结构越来越复杂的情况下，原来有效的工件材料越来越硬，零件结构越来越复杂的情况下，原来有效的方法将转化成为限制生产率和影响加工质量的不利因素。方法将转化成为限制生产率和影响加工质量的不利因素。常用特种加工方法见表常用特种加工方法见表12-112-1。特特 种种 加加 工工 方方 法法能量来源及形式

6、能量来源及形式加工原理加工原理电电火花加工火花加工电电火花成形加工火花成形加工电电能、能、热热能能熔化、气化熔化、气化电电火花火花线线切割加工切割加工电电能、能、热热能能熔化、气化熔化、气化电电化学加工化学加工电电解加工解加工电电化学能化学能金属离子阳极溶解金属离子阳极溶解电电解磨削解磨削电电化学能、机械能化学能、机械能阳极溶解、磨削阳极溶解、磨削电电解研磨解研磨电电化学能、机械能化学能、机械能阳极溶解、研磨阳极溶解、研磨电铸电铸电电化学能化学能金属离子阴极沉金属离子阴极沉积积涂涂镀镀电电化学能化学能金属离子阴极沉金属离子阴极沉积积激光加工激光加工激光切割、打孔激光切割、打孔光能、光能、热热能

7、能熔化、气化熔化、气化激光打激光打标记标记光能、光能、热热能能熔化、气化熔化、气化激光激光处处理、表面改性理、表面改性光能、光能、热热能能熔化、相熔化、相变变电电子束加工子束加工切割、打孔、切割、打孔、焊焊接接电电能、能、热热能能熔化、气化熔化、气化离子束加工离子束加工蚀蚀刻、刻、镀镀覆、注入覆、注入电电能、能、动动能能原子撞原子撞击击等离子弧加工等离子弧加工切割（切割（喷镀喷镀）电电能、能、热热能能熔化、气化（涂覆）熔化、气化（涂覆）超声波加工超声波加工切割、打孔、雕刻切割、打孔、雕刻声能、机械能声能、机械能磨料高磨料高频频撞撞击击化学加工化学加工化学化学铣铣削削化学能化学能腐腐蚀蚀化学抛光

8、化学抛光化学能化学能腐腐蚀蚀光刻光刻光能、化学能光能、化学能光化学腐光化学腐蚀蚀特特 种种 加加 工工 方方 法法能量来源及形式能量来源及形式加工原理加工原理特种加特种加工的特点工的特点1 12 23 3特种加工不是主要依靠机特种加工不是主要依靠机械能而是主要用其他能量械能而是主要用其他能量(如电、化学、光、声、热如电、化学、光、声、热等等)来去除金属材料的。来去除金属材料的。工具的硬度可以低于被加工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。工材料的硬度。特种加工过程中工具和工特种加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械件之间不存在显著的机械切削力。切削力。总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、任

9、性、脆性的总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、任性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，同时，在特种加工范围内还有一些属于减小表面粗糙度或改善表面同时，在特种加工范围内还有一些属于减小表面粗糙度或改善表面性能的工艺。性能的工艺。缩短了新产品试制周期缩短了新产品试制周期 提高了材料的可加工性提高了材料的可加工性 改变了零件的典型工艺路线改变了零件的典型工艺路线 对产品零件的结构设计对产品零件的结构设计产生很大影响产生很大影响 对零件的结构工艺性好坏的衡量对零件的结构工艺性好坏的衡量标准产生重要影响标准产生

10、重要影响 1234512.1.2 12.1.2 特种加工对机械制造加工工艺的影响特种加工对机械制造加工工艺的影响 12.2.1 12.2.1 电火花加工原理电火花加工原理 研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是：电火花放电时，研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是：电火花放电时，电火花通道中瞬时产生大量的热，足以使任何金属材料局部熔电火花通道中瞬时产生大量的热，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。这样人们在研究抗腐蚀化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。这样人们在研究抗腐蚀方法的同时，开始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加方法的同时，开始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加

11、工的方法。工的方法。12.2 12.2 电火花加工电火花加工电火花加工原理图电火花加工原理图1 1工件；工件；2 2脉冲电源；脉冲电源；3 3自动进给调节装置；自动进给调节装置；4 4工具；工具；5 5工作液；工作液；6 6过滤器；过滤器；7 7工作液泵工作液泵 如图所示为电火花加工如图所示为电火花加工原理图。工具原理图。工具4 4与工件与工件1 1分别分别与脉冲电源与脉冲电源2 2的两个输出端相的两个输出端相连接。自动进给调节装置连接。自动进给调节装置3 3（此处为电动机及丝杠螺母（此处为电动机及丝杠螺母机构）使工具机构）使工具4 4和工件和工件1 1间经间经常保持一很小的放电间隙，常保持一

12、很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间时，当脉冲电压加到两极之间时，便在当时条件下相对某一间便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生电击穿介质，在该局部产生电火花放电，瞬时高温使工具火花放电，瞬时高温使工具4 4和工件和工件1 1表面都蚀除掉一部分表面都蚀除掉一部分金属而各自形成一个小凹坑。金属而各自形成一个小凹坑。1 1属于不接触加工属于不接触加工 工具电极和工件之间工具电极和工件之间并不直接接触，而是并不直接接触，而是存在一个电火花放电存在一个电火花放电间隙（间隙（0.10.10.01 0.01 mm)mm)，该间隙中充满，该间隙中充满

13、了煤油工作液。了煤油工作液。2 2加工过程中没有宏观加工过程中没有宏观切削力切削力 电火花放电时，局部、电火花放电时，局部、瞬时爆炸力的平均值瞬时爆炸力的平均值很小，不足以引起工很小，不足以引起工件的变形和位移。件的变形和位移。3 3可以以柔克刚可以以柔克刚由于电火花加工直接由于电火花加工直接可利用电能和热能来可利用电能和热能来去除金属材料，与工去除金属材料，与工件材料的强度和硬度件材料的强度和硬度等关系不大，因此，等关系不大，因此，可以用软的工具电极可以用软的工具电极加工硬的工件，以实加工硬的工件，以实现以柔克刚。现以柔克刚。1.1.电火花加工的特点电火花加工的特点1 1可以加工任何难于加可

14、以加工任何难于加工的金属材料和导电工的金属材料和导电材料材料由于加工中材料由于加工中材料的去除是靠放电时的的去除是靠放电时的电热作用实现的，材电热作用实现的，材料的可加工性主要取料的可加工性主要取决于材料的导电性及决于材料的导电性及其热学特性。其热学特性。2 2可以加工形状复杂的可以加工形状复杂的表面表面由于可以简单地将工由于可以简单地将工具电极的形状复制到具电极的形状复制到工件上，因此特别适工件上，因此特别适用于复杂表面形状工用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型件的加工，如复杂型腔模具加工等。腔模具加工等。3 3可以加工有特殊要求可以加工有特殊要求的零件的零件由于加工中工具电极由于加工中工具

15、电极和工件不直接接触，和工件不直接接触，没有机械加工的切削没有机械加工的切削力，因而适宜加工低力，因而适宜加工低刚度工件和进行微细刚度工件和进行微细加工。加工。2.2.电火花加工的适用范围电火花加工的适用范围 12.2.2 12.2.2 电火花线切割机床电火花线切割机床 电火花线切割加工（电火花线切割加工（wire cut electrical discharge machining，简称为，简称为WCEDM)是在电火花加工基础上于是在电火花加工基础上于5050年代末在前苏联发年代末在前苏联发展起来的一种新工艺，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠电火花放展起来的一种新工艺，是用线状电极（钼丝或铜丝）

16、靠电火花放电对工件进行切割的，故称为电火花线切割。电火花线切割机床电对工件进行切割的，故称为电火花线切割。电火花线切割机床已获得广泛的应用，目前国内外的线切割机床已占电加工机床的已获得广泛的应用，目前国内外的线切割机床已占电加工机床的60%60%以上。以上。1.1.电火花线切割加工的原理电火花线切割加工的原理 电火花线切割加工的原理如图所示，被切割的工件作为工件电极，电火花线切割加工的原理如图所示，被切割的工件作为工件电极，电极丝作为工具电极。电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的电极丝作为工具电极。电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。当电脉冲到来时，在电极丝和工件之间可能产生一次

17、电火花放正极。当电脉冲到来时，在电极丝和工件之间可能产生一次电火花放电，在放电通道的中心温度瞬时可达电，在放电通道的中心温度瞬时可达5 000 5 000，高温使工件局部金属，高温使工件局部金属熔化，甚至有少量汽化，高温也使电极丝和工件之间的工作液产生汽熔化，甚至有少量汽化，高温也使电极丝和工件之间的工作液产生汽化，这些汽化后的金属蒸气和工作液瞬间迅速热膨胀，并具有爆炸的化，这些汽化后的金属蒸气和工作液瞬间迅速热膨胀，并具有爆炸的特性。靠这种热膨胀和局部微爆炸，抛出熔化和汽化了的金属材料而特性。靠这种热膨胀和局部微爆炸，抛出熔化和汽化了的金属材料而实现对工件材料进行电蚀切割加工。实现对工件材料

18、进行电蚀切割加工。DK7725DK7725高速走丝微机控制电火花线切割加工的原理高速走丝微机控制电火花线切割加工的原理2.2.DK7725高速走丝微机控制电火花线切割机床高速走丝微机控制电火花线切割机床 DK7725高速走丝微机控制电火花线切割机床由机床本体、脉冲高速走丝微机控制电火花线切割机床由机床本体、脉冲电源、微机控制装置、工作液循环系统等部分构成，如图所示。电源、微机控制装置、工作液循环系统等部分构成，如图所示。DK7725DK7725高速走丝微机控制电火花线切割机床的结构高速走丝微机控制电火花线切割机床的结构1 1储丝筒；储丝筒；2 2走丝滑板；走丝滑板；3 3丝架；丝架；4 4上工

19、作台；上工作台；5 5下工作台；下工作台；6 6床身；床身；7 7脉冲电源及微机控制柜脉冲电源及微机控制柜电火花穿孔成形机床的加工范围电火花穿孔成形机床的加工范围12.2.3 12.2.3 电火花穿孔成形机床电火花穿孔成形机床 电火花穿孔成形加工是利用电火花放电腐蚀金属的原理，用电火花穿孔成形加工是利用电火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行加工的工艺方法，其加工范围如图所示。工具电极对工件进行加工的工艺方法，其加工范围如图所示。最常见的电火花穿孔成形机床如图所示。它包括主机、电源箱、最常见的电火花穿孔成形机床如图所示。它包括主机、电源箱、工作液循环过滤系统。工作液循环过滤系统。电火花穿

20、孔成形机床电火花穿孔成形机床1 1床身；床身；2 2液压油箱；液压油箱；3 3工作液槽；工作液槽；4 4主轴头；主轴头；5 5立柱；立柱；6 6工作液箱；工作液箱；7 7电源箱电源箱 主机主要由床身、立柱、主机主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统等主轴头、工作台及润滑系统等组成，用于支承工具电极及工组成，用于支承工具电极及工件，保证它们之间的相对位置，件，保证它们之间的相对位置，并实现电极在加工过程中稳定并实现电极在加工过程中稳定的进给运动。的进给运动。电源箱包括脉冲电源、自电源箱包括脉冲电源、自动进给控制系统和其他电气系动进给控制系统和其他电气系统。工作液循环过滤系统和液统。工作液循环

21、过滤系统和液压伺服进给系统均包括液压泵压伺服进给系统均包括液压泵（油泵）、过滤器、各种控制（油泵）、过滤器、各种控制阀和管道等。阀和管道等。光的产生与光源内部原子运动状态有关。原子内的原子核与光的产生与光源内部原子运动状态有关。原子内的原子核与核外电子之间存在着吸引和排斥的矛盾。电子按一定半径的轨道核外电子之间存在着吸引和排斥的矛盾。电子按一定半径的轨道围绕原子核运动，当原子吸收一定的外来能量或向外释放一定的围绕原子核运动，当原子吸收一定的外来能量或向外释放一定的能量时，核外电子的运动轨迹半径将发生变化，即产生能级变化，能量时，核外电子的运动轨迹半径将发生变化，即产生能级变化，并发出光。激光是

22、由处于激发状态的原子、离子或分子受激辐射并发出光。激光是由处于激发状态的原子、离子或分子受激辐射而发出的光。而发出的光。12.3 12.3 激光加工激光加工 12.3.1 12.3.1 激光加工原理激光加工原理 激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有高亮度、高激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大综合性能。通过光学系统聚焦方向性、高单色性和高相干性四大综合性能。通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调整，后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被融化甚至气化。当

23、激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被融化甚至气化。随着激光能量不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压随着激光能量不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。激光加工器一般分为固体激光器和二氧化碳气体激光器。如激光加工器一般分为固体激光器和二氧化碳气体激光器。如图所示为固体激光器的工作原理。图

24、所示为固体激光器的工作原理。固体激光器的工件原理固体激光器的工件原理激光可通过玻璃等透明材激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管料进行加工，如对真空管内部的器件进行焊接等。内部的器件进行焊接等。激光加工属高能束流加激光加工属高能束流加工，功率密度可高达工，功率密度可高达1010 W/cm，几乎可以，几乎可以加工任何金属材料和非加工任何金属材料和非金属材料。金属材料。激光加工无明显机械力，不存在激光加工无明显机械力，不存在机械损耗，加工速度快，热影响机械损耗，加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。区小，易实现加工过程自动化。激光可以通过聚焦形成微米级激光可以通过聚焦形成微米级的光斑

25、，输出功率的大小可以的光斑，输出功率的大小可以调节，因此，可进行精密微细调节，因此，可进行精密微细加工。最高加工精度可达加工。最高加工精度可达0.01 mm，表面粗糙度，表面粗糙度Ra可达可达0.40.1 m。激光加工的主要参数为激光的功率密度、激光加工的主要参数为激光的功率密度、激光的波长和输出的脉宽、激光照在工件激光的波长和输出的脉宽、激光照在工件上的时间及工件对能量的吸收等。只要对上的时间及工件对能量的吸收等。只要对主要参数进行合理选用，激光便可以进行主要参数进行合理选用，激光便可以进行多种类型的加工。多种类型的加工。1234512.3.2 12.3.2 激光加工特点激光加工特点激光加工

26、应用激光加工应用激光打孔激光打孔激光切割激光切割激光打孔主要应用于在特殊零激光打孔主要应用于在特殊零件或特殊材料上加工孔，如火件或特殊材料上加工孔，如火箭发动机和柴油机的喷油嘴、箭发动机和柴油机的喷油嘴、化学纤维的喷丝板、钟表上的化学纤维的喷丝板、钟表上的宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模等零件上的微细孔加工。等零件上的微细孔加工。激光切割可以切割金属材料，也激光切割可以切割金属材料，也可以切割非金属材料，还可以透可以切割非金属材料，还可以透过玻璃切割真空管内的灯丝。大过玻璃切割真空管内的灯丝。大功率二氧化碳气体激光器输出的功率二氧化碳气体激光器输出的连续激光不但广泛用于切割

27、钢板、连续激光不但广泛用于切割钢板、钛板、石英和陶瓷，而且用于切钛板、石英和陶瓷，而且用于切割塑料、木材、纸张和布匹等。割塑料、木材、纸张和布匹等。12.3.3 12.3.3 激光加工应用激光加工应用如图所示为二氧化碳气体激光器切割钛合金的示意图。如图所示为二氧化碳气体激光器切割钛合金的示意图。二氧化碳气体激光器切割钛合金的示意图二氧化碳气体激光器切割钛合金的示意图 3 3.激光焊接激光焊接 激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔热熔”在一起即可，如图所示。激光焊接过程迅速，热影响区小，焊接质在一起即可，如图所示。激光焊接过程迅速

28、，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。接。激光焊接过程示意图激光焊接过程示意图1 1激光；激光；2 2被焊接零件；被焊接零件；3 3被熔化金属；被熔化金属；4 4已冷却的熔池已冷却的熔池 4 4.激光表面处理激光表面处理 激光可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬激光可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为火。淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高，淬火层硬度比常规淬火约高20%20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面

29、淬火强化问题。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。激光表面淬火处理的应用实例激光表面淬火处理的应用实例 激光表面合金化是在工件基体表面采用沉积法预先涂一激光表面合金化是在工件基体表面采用沉积法预先涂一层合金，然后用激光束照射涂层表面。当激光转化为热量后，层合金，然后用激光束照射涂层表面。当激光转化为热量后，涂层表面和工件基体表面被熔化，使其混合而形成合金。采涂层表面和工件基体表面被熔化，使其混合而形成合金。采用这种工艺方法能使贵重金属如铬、钴和镍等熔入低级而廉用这种工艺方法能使贵重金属如铬、钴和镍等熔入低级而廉价的钢表面。价的钢表面。表面激光熔覆可在低熔点工件基体表面熔覆一层高熔

30、点表面激光熔覆可在低熔点工件基体表面熔覆一层高熔点的合金，并能局部覆盖，具有良好的接触性。此外，它还具的合金，并能局部覆盖，具有良好的接触性。此外，它还具有微观结构细致、热影响区小、表面熔覆层均匀无缺陷的特有微观结构细致、热影响区小、表面熔覆层均匀无缺陷的特点。点。人耳能感受的声波频率在人耳能感受的声波频率在1616 000 Hz内，声波频率超过内，声波频率超过16 000 Hz称为超声波。超声波加工称为超声波。超声波加工(ultrasonic machining，简，简称为称为USM)有时也称为超声加工，是近几十年发展起来的一种加有时也称为超声加工，是近几十年发展起来的一种加工方法，它弥补了

31、电火花加工和电化学加工的不足。电火花加工工方法，它弥补了电火花加工和电化学加工的不足。电火花加工和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金和电化学加工都只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属属材料，然而超声加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料，而且更适于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的材料，而且更适于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。非金属脆硬材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。12.4 12.4 超声波加工超声波加工从而使工具从而使工具1 1的

32、端面做超声频振动，的端面做超声频振动，在工具在工具1 1和工件和工件2 2之间注入磨料悬浮液之间注入磨料悬浮液3 3，当工具，当工具1 1端面迫使磨料悬浮液端面迫使磨料悬浮液3 3中中的磨粒以很大的速度和加速度不断地的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击和抛磨被加工表面时，被加工表撞击和抛磨被加工表面时，被加工表面的材料被粉碎成很细的微粒，从工面的材料被粉碎成很细的微粒，从工件上剥落下来。虽然每次剥落下来的件上剥落下来。虽然每次剥落下来的材料很少，但由于每秒钟撞击的次数材料很少，但由于每秒钟撞击的次数多达多达16 00016 000次以上，因而仍有一定的次以上，因而仍有一定的加工速度。加工速度。

33、超声波加工的原理超声波加工的原理1 1工具；工具；2 2工件；工件；3 3磨料悬浮液；磨料悬浮液；4 4、5 5变幅杆；变幅杆；6 6换能器；换能器；7 7超声波发生器超声波发生器12.4.1 12.4.1 超声波加工原理超声波加工原理 超声波加工是磨粒在超声频振动作用下，产生机械撞击、抛磨超声波加工是磨粒在超声频振动作用下，产生机械撞击、抛磨以及超声空化的结果。超声波加工的原理如图所示，超声波发生器以及超声空化的结果。超声波加工的原理如图所示，超声波发生器7 7产生的超声频电振荡通过换能器产生的超声频电振荡通过换能器6 6产生产生16 000 Hz以上的超声频纵以上的超声频纵向振动，借助于变

34、幅杆向振动，借助于变幅杆4 4、5 5把振幅扩大到把振幅扩大到0.050.1 mm，普通超声波加工机床的结构比较普通超声波加工机床的结构比较简单，其包括支承超声波振动系统简单，其包括支承超声波振动系统的支架、安装工件的工作台、使工的支架、安装工件的工作台、使工具以一定压力作用在工件上的进给具以一定压力作用在工件上的进给机构以及床身等部分，如图所示为机构以及床身等部分，如图所示为CSJ-2型超声波加工机床。超声波振型超声波加工机床。超声波振动系统安装在能上下移动的导轨动系统安装在能上下移动的导轨7 7上，上，导轨导轨7 7由上下两组滚动导轮定位，使由上下两组滚动导轮定位，使导轨导轨7 7能灵活、

35、精密地上下移动。工能灵活、精密地上下移动。工具具4 4的向下进给以及对工件施加的压的向下进给以及对工件施加的压力是靠超声波振动系统的自重来实力是靠超声波振动系统的自重来实现的。为了调节压力大小，在机床现的。为了调节压力大小，在机床后可加平衡重锤后可加平衡重锤2 2，也可以采用弹簧，也可以采用弹簧进行平衡。进行平衡。CSJ-2型超声波加工机床型超声波加工机床1 1支架；支架；2 2平衡重锤；平衡重锤；3 3工作台；工作台；4 4工具；工具；5 5振幅扩大棒；振幅扩大棒；6 6换能器；换能器；7 7导轨；导轨；8 8标尺标尺12.4.2 12.4.2 超声波加工装置超声波加工装置模具加模具加工方法

36、工方法超超声声波加波加工的特点工的特点1.适合于加工各种脆硬材适合于加工各种脆硬材料，既然超声波加工是料，既然超声波加工是基于微观局部撞击作用，基于微观局部撞击作用，所以材料越是脆硬，受所以材料越是脆硬，受撞击作用所遭受的破坏撞击作用所遭受的破坏越大，越适宜超声波加越大，越适宜超声波加工。工。2.由于工具可用较软的材由于工具可用较软的材料，做成较复杂的形状，料，做成较复杂的形状，因而不需要使工具和工件因而不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动做比较复杂的相对运动。3.由于去除加工材料是靠极由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，小磨料瞬时局部的撞击作用，因而工件表面的宏观切削力因而工件

37、表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，而且可表面粗糙度也较好，而且可以加工薄壁、窄缝和低刚度以加工薄壁、窄缝和低刚度零件。零件。4.生产率低，这是超声波加生产率低，这是超声波加工的一大缺点。工的一大缺点。12.4.3 12.4.3 超声波加工的特点超声波加工的特点 12.4.4 12.4.4 超声波加工的应用超声波加工的应用 超声波加工虽然比电火花、电解加工效率低，但其加工精超声波加工虽然比电火花、电解加工效率低，但其加工精度和表面粗糙度却更好，而且能加工非导体、半导体等脆硬材料，度和表面粗糙度却更好，

38、而且能加工非导体、半导体等脆硬材料，例如，玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。即使是电火花例如，玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等。即使是电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具，还常加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具，还常采用超声波抛磨法进行光整加工。采用超声波抛磨法进行光整加工。1.1.超声波孔、腔和套料加工超声波孔、腔和套料加工 超声波加工目前在工业部门中主要用于对脆硬材料进行圆超声波加工目前在工业部门中主要用于对脆硬材料进行圆孔、型腔、异形孔、套料和微细孔等加工，如图所示。孔、型腔、异形孔、套料和微细孔等加工，如图所示。超声波孔、腔和套料加工超声波孔

39、、腔和套料加工 2.2.超声波切割加工超声波切割加工 用普通机械加工切割用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难，脆硬的半导体材料很困难，采用超声波切割则较为有采用超声波切割则较为有效。如图所示为超声波切效。如图所示为超声波切割加工单晶硅片的示意图。割加工单晶硅片的示意图。用锡焊或铜焊将工具（薄用锡焊或铜焊将工具（薄钢片或磷青铜片）焊接在钢片或磷青铜片）焊接在变幅杆的端部，加工时注变幅杆的端部，加工时注意喷注磨料悬浮液，一次意喷注磨料悬浮液，一次可割可割10102020片。片。超声波切割加工单晶硅片的示意图超声波切割加工单晶硅片的示意图1 1变幅杆；变幅杆；2 2工具（薄钢片）；工具（薄钢片）

40、；3 3磨料悬浮液；磨料悬浮液；4 4工件（单晶硅）工件（单晶硅）如图所示为成批切块如图所示为成批切块刀具。它采用了一种多刃刀具。它采用了一种多刃刀具，即包括一组厚度为刀具，即包括一组厚度为0.127 mm的软钢刀片的软钢刀片5，每，每个刀片间隔个刀片间隔1.14 mm，用铆，用铆钉钉3 3铆合在一起后焊接在变铆合在一起后焊接在变幅杆幅杆1 1上。软钢刀片伸出的上。软钢刀片伸出的高度应足够在磨钝后做几高度应足够在磨钝后做几次重磨。最外边的刀片应次重磨。最外边的刀片应比其他刀片高出比其他刀片高出0.5 mm，切割时插入坯料的导向槽切割时插入坯料的导向槽中，起定位作用。中，起定位作用。成批切块刀具

41、成批切块刀具 1 1变幅杆；变幅杆；2 2焊缝；焊缝；3 3铆钉；铆钉；4 4导向片；导向片；5 5软钢刀片软钢刀片 加工时喷注磨料悬浮液，将坯料片先切割成加工时喷注磨料悬浮液，将坯料片先切割成1 mm宽的长条，宽的长条，然后将刀具旋转然后将刀具旋转9090，使导向片插入另一导向槽中，进行第二次，使导向片插入另一导向槽中，进行第二次切割，以完成对模块的切割加工。如图所示为已切成的陶瓷模块。切割，以完成对模块的切割加工。如图所示为已切成的陶瓷模块。已切成的陶瓷模块已切成的陶瓷模块超声波电解复合加工小孔和深孔的示意图超声波电解复合加工小孔和深孔的示意图1 1换能器；换能器；2 2变幅杆；变幅杆；3

42、 3工具；工具；4 4磨料电解液；磨料电解液；5 5工件；工件；6 6直流电源；直流电源；7 7超声波发生器超声波发生器3.3.超声波复合加工超声波复合加工 利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料时，存在加工利用超声波加工硬质合金、耐热合金等金属材料时，存在加工速度低、工具损耗大等问题。为了提高加工速度，降低工具损耗，速度低、工具损耗大等问题。为了提高加工速度，降低工具损耗，可以把超声波加工与其他加工方法结合起来，这就是所谓的复合加可以把超声波加工与其他加工方法结合起来，这就是所谓的复合加工。工。在光整加工中，利用导在光整加工中，利用导电油石或镶嵌金刚石颗粒的电油石或镶嵌金刚石颗粒的导电工

43、具，对工件表面进行导电工具，对工件表面进行电解超声波复合抛光加工，电解超声波复合抛光加工，更有利于改善表面粗糙度。更有利于改善表面粗糙度。如图所示，用一套超声波振如图所示，用一套超声波振动系统使工具手柄产生超声动系统使工具手柄产生超声频振动，并在变幅杆上接直频振动，并在变幅杆上接直流电源负极，在被加工工件流电源负极，在被加工工件上接直流电源正极。上接直流电源正极。手携式电解超声波复合抛光的原理图手携式电解超声波复合抛光的原理图1 1超声波发生器；超声波发生器；2 2压电陶瓷换能器；压电陶瓷换能器；3 3工具手柄；工具手柄；4 4变幅杆；变幅杆；5 5导电油石；导电油石；6 6电解液喷嘴；电解液

44、喷嘴；7 7直流直流电源电源 4 4.超声波清洗超声波清洗 超声波清洗的原理主要是利用超声频振动在液体中产生的交超声波清洗的原理主要是利用超声频振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。超声波在清洗液（汽油、煤油、酒精、变冲击波和空化作用。超声波在清洗液（汽油、煤油、酒精、丙醇或水等）中传播时，液体分子往复高频振动形成正负交变丙醇或水等）中传播时，液体分子往复高频振动形成正负交变的冲击波。当声强达到一定数值时，液体中产生微小空化气泡的冲击波。当声强达到一定数值时，液体中产生微小空化气泡并瞬时强烈闭合，造成的微冲击波使被清洗物表面的污物脱落并瞬时强烈闭合，造成的微冲击波使被清洗物表面的污物脱落下来

45、。下来。即使污物在深孔、弯即使污物在深孔、弯孔中，也能被清洗干净。孔中，也能被清洗干净。虽然每个空化气泡的作用虽然每个空化气泡的作用并不大，但每秒钟有上亿并不大，但每秒钟有上亿个空化气泡作用，仍可获个空化气泡作用，仍可获得很好的清洗效果。所以得很好的清洗效果。所以超声波广泛应用于对喷油超声波广泛应用于对喷油嘴、喷丝板、微型轴承、嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表整体机芯、仪表齿轮、手表整体机芯、印制电路板、集成电路微印制电路板、集成电路微电子器件的清洗。如图所电子器件的清洗。如图所示为超声波清洗装置的示示为超声波清洗装置的示意图。意图。超声波清洗装置的示意图超声波清洗装置的示意图1 1清洗槽

46、；清洗槽；2 2硬铅合金；硬铅合金；3 3压紧螺钉；压紧螺钉；4 4压电陶瓷换压电陶瓷换能器；能器；5 5镍片（）；镍片（）；6 6镍片（）；镍片（）；7 7接线螺钉；接线螺钉；8 8垫圈；垫圈；9 9铜垫块铜垫块 5 5.超声波焊接超声波焊接 超声波焊接的原理是利用超声频振动作用除去工件表面的氧超声波焊接的原理是利用超声频振动作用除去工件表面的氧化膜，暴露出新的本体表面，通过两个工件基体表面在一定压力化膜，暴露出新的本体表面，通过两个工件基体表面在一定压力下相互剧烈摩擦、发热面亲和而黏结在一起。它不仅可以焊接尼下相互剧烈摩擦、发热面亲和而黏结在一起。它不仅可以焊接尼龙、塑料以及表面易生成氧化

47、膜的铝制品等，还可以在陶瓷等非龙、塑料以及表面易生成氧化膜的铝制品等，还可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂覆熔化的金属薄层等。如图所示为超声金属表面挂锡、挂银、涂覆熔化的金属薄层等。如图所示为超声波焊接的示意图。波焊接的示意图。超声波焊接的示意图超声波焊接的示意图1 1换能器；换能器；2 2固定轴；固定轴；3 3变幅杆；变幅杆；4 4焊接工具头；焊接工具头；5 5被焊工具；被焊工具；6 6反射体反射体 电子束加工（电子束加工（electron beam machining，简称为，简称为EBM）是近年来得到较大发展的新兴特种加工。它主要）是近年来得到较大发展的新兴特种加工。它主要用于打孔、焊

48、接等的精加工和电子束光刻化学加工。用于打孔、焊接等的精加工和电子束光刻化学加工。12.5 12.5 电子束加工电子束加工 如图所示，电子束加工如图所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时面极小面积上，在极短的时间内，其能量大部分转变为间内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽熔化和气化，被真空系统抽走。控

49、制电子束能量密度的走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。以达到不同的加工目的。电子束加工原理及设备组成电子束加工原理及设备组成12.5.1 12.5.1 电子束加工原理电子束加工原理电子枪电子枪电子枪是获得电子束的装电子枪是获得电子束的装置。它包括电子发射阴置。它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极极、控制栅极和加速阳极等。发射阴极经电流加热等。发射阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程极，在飞向阳极的过程中，经过加速阳极加速，中，经过加速阳极加速，又通过

50、电磁透镜把电子束又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。聚焦成很小的束斑。真空系统真空系统真空系统是为了保证在真空系统是为了保证在电子束加工时维持一定电子束加工时维持一定的真空度。因为只有在的真空度。因为只有在高真空中，电子才能高高真空中，电子才能高速运动。此外，加工时速运动。此外，加工时的金属蒸气会影响电子的金属蒸气会影响电子发射，产生不稳定现发射，产生不稳定现象。象。控制系统控制系统电子束加工装置的控制电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移度控制以及工作台位移控制等。束流聚焦控制控制等。束流聚焦控制是为了