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1、03GDD11,主编,第十一章其他精密与特种加工技术,第一节等离子体加工第二节挤 压 珩 磨第三节磨料喷射加工第四节磁性磨料研磨加工第五节光 刻 加 工第六节纳米级加工技术,第一节等离子体加工,一、基本原理二、材料去除速度和加工精度三、设备和工具四、实际应用,一、基本原理,图-等离子体加工的原理图切缝距离喷嘴保护罩冷却水钨电极工质气体等离子体电弧保护气体屏工件,一、基本原理,()机械压缩效应电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通道对电弧产生机械压缩作用。()热收缩效应喷嘴的内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在
2、电弧中心的高温区通过，使电弧的有效截面缩小，电流密度大大增加。()磁收缩效应由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使电弧变得更细，电弧区中心的电流密度更大，使电弧更稳定。,二、材料去除速度和加工精度,等离子体切割加工的速度很高。例如，成形切割厚度为的铝板时，切割速度为；切割厚度为.的钢板时，切割速度高达。等离子体切割加工的切边斜度一般为。通过控制工艺参数，切边斜度可以保持在。对于厚度小于的金属材料，切缝宽度通常为.；对于厚度达的金属材料，切缝宽度一般为。,三、设备和工具,简单的等离子体加工装置有手持等离子体切割器和小型手提式装置；比较复杂的等离子体加工装置有程序控制和数字控制
3、的设备、多喷嘴设备；还有采用光学跟踪的设备。工作台尺寸最大的有.，切割速度为。,四、实际应用,等离子体加工已广泛用于切割加工领域。各种金属材料，特别是不锈钢、铜、铝等的等离子体成形切割，已经获得了重要的工业应用。,第二节挤 压 珩 磨,一、基本原理二、挤压珩磨的工艺特点三、粘性磨料介质四、夹具五、挤压珩磨的加工后处理六、挤压珩磨的实际应用,一、基本原理,图-挤压珩磨加工过程示意图粘性磨料夹具上部磨料室工件下部磨料室活塞,二、挤压珩磨的工艺特点,()适用范围()加工效果()加工效率()加工精度,()适用范围,由于粘性磨料是一种半流动状态的粘弹性材料，可以适应各种复杂表面的抛光和去毛刺，如各种型孔
4、、型面等等，适用范围很广，而且几乎能加工所有的金属材料，同时也能加工陶瓷、硬塑料等。,()加工效果,加工后的表面粗糙度与原始状态和磨料粒度等有关，一般可以达到原始表面粗糙度值的，最小的表面粗糙度值可以达到.的镜面。磨料流动加工可以去除在.深度的表面残余应力，可以去除前面工序(例如电火花加工、激光加工等)形成的表面变质层和其他表面微观缺陷。,()加工效率,挤压珩磨的材料去除量一般为.，加工时间通常为，最多十几分钟即可完成。与手工作业相比，加工时间可以减少以上。对一些小型零件，可以多件同时加工，效率大大提高。对于可以多件装夹的小型零件，每小时可以加工件以上。,()加工精度,挤压珩磨是一种表面加工技
5、术，不能修正零件的形状误差。切削均匀性可以保持在被切削量的以内，因此，也不至于破坏零件原有的形状精度。由于去除量很少，故可以达到较高的尺寸精度，一般尺寸精度可以控制在微米的数量级。,三、粘性磨料介质,.粘性磨料介质应具备的性能.粘性磨料介质的组成,.粘性磨料介质应具备的性能,)具有一定的流动性和粘弹性，以适应不同工件表面的加工，通过工件的孔时，使磨料对工件孔壁产生足够的切削力。)磨料颗粒在介质中分散均匀，并要求介质有很强的内聚力。)具有很小的内摩擦力，使磨粒顺利通过工件表面进行往复切削运动，提高加工效率。)稳定性好，使用寿命长。)介质是磨料的载体，能与磨粒均匀混合，与工件不发生粘附，否则会给后
6、续清洗工作造成困难。)介质对零件无腐蚀作用，不应有刺激气味或引起操作工人皮肤过敏、对环境无污染。,.粘性磨料介质的组成,()基体介质一种半固体、半流动状态的高分子聚合物，主要起着粘结磨料颗粒的作用。()添加剂为了使粘性磨料介质获得理想的粘性、稠性、稳定性而加入到基体介质中的成分，包括增稠剂、减粘剂、润滑剂等。()磨料一般使用氧化铝、碳化硼、碳化硅等。,夹具是挤压珩磨加工设备的重要组成部分，也是加工中比较灵活的因素，需要根据具体的工件形状、尺寸和加工要求进行设计。但有时需要通过试验加以确定。,四、夹具,四、夹具,图-介质的流动情况,四、夹具,图-挤压珩磨齿轮模具的夹具,四、夹具,图-挤压珩磨型腔
7、的夹具,五、挤压珩磨的加工后处理,挤压珩磨结束后，需要将填充在工件和夹具中的粘性磨料介质取出。由于介质本身的结合力强，因此，当剥离介质有困难时，可以准备少量介质使其与工件上的介质相互结合而简单地引出。,六、挤压珩磨的实际应用,()铝型材挤压模()合金钢落料模()硬质合金落料模,()铝型材挤压模,图-麻花钻头挤压凹模,()合金钢落料模,()硬质合金落料模,图-硬质合金凹模,第三节磨料喷射加工,一、基本原理二、设备和工具三、实际应用,一、基本原理,图-磨料喷射加工示意图气源过滤器磨料室手柄喷嘴集收器工件控制阀振动器,二、设备和工具,磨料喷射加工的设备主要包括四部分：储藏、混合和载运磨料装置；工作室
8、；粉尘集收器；干燥气体供应装置。粉尘集收器的功率约需，它带有过滤器，可以控制粉末微粒在以内。气体压力不小于。气体应经过干燥处理，湿度应小于十万分之五。可以采用瓶装二氧化碳或氮作为干燥气体。工作地点应有充足的照明。,磨料喷射加工可用于玻璃、陶瓷或脆硬金属的切割、去毛刺、清理和刻蚀。还可以应用于小型精密零件，例如液压阀、航空发动机的燃料系统零件、医疗器械上的交叉孔、窄槽以及螺纹的去毛刺等。,三、实际应用,三、实际应用,图-喷嘴与工件之间的距离对加工效果的影响,第四节磁性磨料研磨加工,一、加工原理二、磁性磨料三、加工工艺参数对加工质量的影响四、应用实例,一、加工原理,二、磁性磨料,图-磁性磨料结构示
9、意图,三、加工工艺参数对加工质量的影响,.磁场强度的影响.加工间隙的影响.磁极形状的影响,.磁场强度的影响,加工间隙中的磁感应强度大小可以通过改变励磁电压的大小来控制。当励磁电压一定时，磁性磨料受到的作用力与磁感应强度的平方成正比。增大加工间隙中的磁感应强度，就能有效地提高研磨抛光效率，因此，要正确选用励磁电压。,.加工间隙的影响,当磁性磨料、工件转速、励磁电压一定时，应正确选择加工间隙的大小。试验结果和理论分析都证明：加工间隙增大，磁感应强度会减小；加工间隙小，则磁感应强度大。在粗加工时，加工间隙要尽量选小；精加工时，加工间隙要选大。加工间隙大小的值应根据具体的加工要求而定。,.磁极形状的影
10、响,为了有效和可靠地工作，必须正确设计磁极的形状。若磁极的中央部分是圆弧，中央部分不容易保存磁性磨粒，中央部分就没有研磨作用，降低了磁极的利用率。,四、应用实例,()利用回转磁极研磨球面(图-)()磁力研磨阶梯形零件(图-),()利用回转磁极研磨球面(图-),图-球面的磁力研磨,利用磁力研磨方法抛光圆柱阶梯形零件，可以将棱边上高度的毛刺在几分钟内去除，研磨成的棱边圆角半径为.，这是其他方法无法或者很难实现的，在精密偶合件中用来抛光和去毛刺十分有效。,()磁力研磨阶梯形零件(图-),()磁力研磨阶梯形零件(图-),图-阶梯形零件的磁力研磨,第五节光 刻 加 工,一、光致抗蚀剂的分类二、光刻加工工
11、艺,第五节光 刻 加 工,图-光刻加工实例)硅片氧化)涂敷光致抗蚀剂膜)曝光)显影)的腐蚀)除去光致抗蚀剂)扩散,一、光致抗蚀剂的分类,()正型抗蚀剂在光照后发生光分解、光降解反应，使溶解性增大。()负型抗蚀剂在光照后发生交联、光聚合，使溶解性减小。,二、光刻加工工艺,.涂胶.曝光.显影.腐蚀.去胶,.涂胶,一般是在涂胶机上用旋转法涂敷，其他方法有刷涂、浸渍和喷涂等，厚度约为。光刻的分辨率约为胶膜厚度的倍，因此，在精密图形的光刻中，胶膜厚度一般选择在左右。,.曝光,掩模与胶膜贴紧曝光的方法称为接触式曝光，其分辨率较高，图形畸变小。但胶膜容易受到磨损，因而产生了掩模不与胶膜接触的其他曝光方式，例
12、如投影曝光。,.显影,不同的光致抗蚀剂要求使用不同的显影液。例如，对于胶最常使用的显影液是丁酮；对这类重铬酸胶质光刻胶，通常只用或的温水显影。,.腐蚀,选用合适的腐蚀方法，将没有被胶膜覆盖的衬底部分腐蚀掉，而将有胶膜覆盖的区域保留下来，刻蚀出精细的图形。腐蚀方法可以分为湿腐蚀和干腐蚀。,.去胶,腐蚀结束后，光致抗蚀剂就完成了它的作用，此时要设法把这层无用的胶膜去掉。去胶的方法主要有溶剂去胶、氧化去胶和等离子去胶等。,第六节纳米级加工技术,一、纳米级加工的物理实质二、纳米级加工精度三、纳米加工中的()技术四、扫描隧道显微加工技术,纳米级加工的物理实质和传统的切削、磨削加工有很大的不同，一些传统的
13、切削、磨削方法和规律已经不能用在纳米级加工领域。,一、纳米级加工的物理实质,一、纳米级加工的物理实质,二、纳米级加工精度,.纳米级的尺寸精度.纳米级的几何形状精度.纳米级的表面质量,.纳米级的尺寸精度,)较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级。)较大尺寸的相对精度或重复精度达到纳米级，这在某些超精密加工中会遇到。)微小尺寸加工达到纳米级精度，这是精密机械、微型机械和超微型机械中遇到的问题，无论是加工或测量都需要继续研究发展。,.纳米级的几何形状精度,这在精密加工中经常遇到。例如精密轴和孔的圆度和圆柱度；精密球(如陀螺球、计量用标准球)的球度；制造集成电路用的单晶硅基片的平面度；光学、激光、射线的透镜
14、和反射镜、要求非常高的平面度或是要求非常严格的曲面形状。,.纳米级的表面质量,表面质量不仅仅指它的表面粗糙度，而且包含其内在的表层的物理状态。例如，制造大规模集成电路的单晶硅基片，不仅要求很高的平面度、很小的表面粗糙度值和无划伤，而且要求无表面变质层(或极小的变质层)、无表面残留应力、无组织缺陷。,三、纳米加工中的()技术,是最新发展的使用射线的深度光刻与电铸相结合，实现高深宽比的微细构造复合微细加工新技术，被认为是三维立体微细加工最有发展和应用前景的加工新技术，将对微型机械的发展起到很大的促进作用。,四、扫描隧道显微加工技术,.原子级加工的基本原理.原子级加工技术及其发展,四、扫描隧道显微加工技术,图-扫描隧道显微镜的结构原理图)结构立体，其中、是压电驱动杆，是静电初调位置架，是样品架)针尖顶端与样品架放大倍后的示意图)图放大倍后的示意图,.原子级加工的基本原理,扫描隧道显微镜在发明的初期主要用于测量试件表面纳米级的形貌。在的基础上，与和一起于年又发明了原子力显微镜()。是将的工作原理与针式轮廓曲线仪原理结合起来形成的一种新型显微镜。,
