第九章 其他现代加工方法第一节 化学加工第二节 等离子加工第三节 挤压珩磨第四节 水射流切割第五节 磁性磨料研磨和磁性磨料电解研磨加工第六节 铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术 第一节 化学加工Chemical Machining，CHM•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•应用：–化学铣切–光化学腐蚀–化学抛光–化学镀膜 一、化学铣切Chemical Milling，CHM•(一）化学铣切的原理、特点、应用范围•1、原理：大面积、深尺寸的化学蚀刻 •2、特点•优点：–加工任何难切削金属–适于大面积加工、多件加工–加工中无应力、裂纹、毛刺，Ra2.5-1.5–加工操作技术简单 •2、特点•缺点–不适宜加工窄而深的槽和型孔，难以加工出尖角或深槽–原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除–腐蚀液对设备和人体有危害、不环保–化学铣削不适合于加工疏松的铸件和焊接的表面–不高，一般为±0.05～±0.15毫米 •3、应用范围•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•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。
•（二）、工艺过程•1、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•2、保护胶一般用氯丁橡胶或丁基橡胶等•3、刻型一般用小刀沿样板轮廓切开保护层，并使之剥除 二、光化学腐蚀加工Optical Chemical Machining，OCM•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•包括光刻、照相制版、化学冲切(或称化学落料)和化学雕刻等•与化学蚀刻区别：–不用人工刻形、划线，用照相感光确定工件表面要蚀刻的图形 （一）照相制版原理和工艺1、原理利用照相复制和化学腐蚀相结合的技术制取金属印刷版的化学加工方法光刻和化学雕刻等加工工艺的基础 2、工艺过程过程：1）把所需文字和图像按要求缩放到底片上，再将底片贴合在涂有感光胶的金属板上进行曝光，经过显影在金属板上形成所需要文字或图像的感光胶膜2）对胶膜进行抗蚀性处理，使之成为一种有很强的耐酸碱性、有光泽的珐琅质薄层3）再将金属板浸入硝酸或三氯化铁溶液中，无珐琅质胶膜的金属表面便被腐蚀溶解，形成凸出的文字或图像的印刷版 （二）光刻加工的原理和工艺1.原版制作原版制作2.光刻光刻Ø涂胶涂胶Ø暴光暴光Ø显影与烘片显影与烘片Ø刻蚀刻蚀Ø剥膜与检查剥膜与检查 光学光刻原理与印像片相同，只是用涂覆了感光胶(抗蚀剂)的硅片取代了相纸，掩模版取代了底片。
UV光光母板母板掩膜掩膜光刻胶光刻胶SiO2光刻胶光刻胶SiO2 •曝光：将掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上，曝光：将掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上，掩模相当于照相底片，一定波长的光线通过掩模相当于照相底片，一定波长的光线通过这个这个““底片底片””，使光刻胶获得与掩模图形同，使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形样的感光图形•显影与后烘：曝光之后进行显影、定影、坚显影与后烘：曝光之后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形有的区域保留下来，形成了版图图形•刻蚀：把经曝光、显影后光刻胶微图形中下刻蚀：把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形现与光刻胶相同的图形 光刻工艺过程光刻工艺过程 光刻工艺图示光刻工艺图示 涂光刻胶涂光刻胶 曝光曝光 显影与后烘显影与后烘 腐蚀腐蚀 剥胶剥胶 光刻加工过程光刻加工过程 第二节 等离子加工Plasma Arc Machining，PAM一、基本原理•1、等离子体：–高温电离的气体–气体原子或分子在高温下获得能量后离解成带正电荷的离子和带负电的自由电子–整体正负电荷数值相等 2、等离子弧加工•利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气化来去除材料 精密等离子弧切割割嘴原理a）普通双气等离子弧切割 b）精密等离子弧切割 第三节 挤压珩磨•又称为流动磨料加工，主要用于复杂零件内外表面的抛光及去毛刺。
•采用一种含有磨料的具有粘弹性的物质做为挤压珩磨介质，在一定压力下强迫在被加工表面流过，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料的加工方法 挤压珩磨应用 q 工作原理：q 加工装置q 喷嘴材料及工作条件 项目项目 材料材料 孔径孔径/mm 至工件距离至工件距离/mm 喷射角度喷射角度/°参数参数金刚石，蓝宝金刚石，蓝宝石，淬火钢石，淬火钢0.075～～0.42.5～～500～～30第四节第四节 水喷射加工水喷射加工利利用用超超高高压压水水（（或或水水与与磨磨料料的的混混合合液液））对对工工件件进进行行切切割割（（或或打打孔孔）），，又又称称高高压压水水切切割割，，或或““水水刀刀”” 水喷射加工水喷射加工 水喷射加工特点水喷射加工特点•数控设备控制下，进行任意图案切割；数控设备控制下，进行任意图案切割；•高压元件质量可靠，易损件质优价廉，维修成本低；高压元件质量可靠，易损件质优价廉，维修成本低；•钻孔及切割功能设备可一次完成，降低切割成本；钻孔及切割功能设备可一次完成，降低切割成本；•加工一次成型，切口光滑，可节省时间及制造成本；加工一次成型，切口光滑，可节省时间及制造成本；•无毒害、无粉尘、无污染，为操作人员提供更健康的无毒害、无粉尘、无污染，为操作人员提供更健康的工作环境；工作环境；•切缝窄，可减少大量废弃材料的产生；切缝窄，可减少大量废弃材料的产生；•相对其它同类切割设备，加工成本低廉。
相对其它同类切割设备，加工成本低廉•根据设计及工件材质的不同，可以非常方便、快捷的根据设计及工件材质的不同，可以非常方便、快捷的进行调整，极大的缩短从接单至成品产出的时间，为进行调整，极大的缩短从接单至成品产出的时间，为您的企业带来更多的商机和更大的利润您的企业带来更多的商机和更大的利润 水喷射加工特点水喷射加工特点•切割精度切割精度：： 0.051-0.254mm,0.051-0.254mm,取决于机器精度、切割取决于机器精度、切割工件大小及厚度工件大小及厚度•切割缝隙切割缝隙：： 与工作材质大小厚薄和喷嘴有关纯水与工作材质大小厚薄和喷嘴有关纯水切割之切口约为切割之切口约为0.1-1.1mm0.1-1.1mm，磨料水混流切割之切口，磨料水混流切割之切口约为约为0.8-1.8mm0.8-1.8mm磨料管的直径扩口，切口愈大磨料管的直径扩口，切口愈大 •切割产生的斜边：切割产生的斜边： 取决于切割速度好的切割品质取决于切割速度好的切割品质单侧斜边为单侧斜边为0.076-0.102mm0.076-0.102mm •应用：应用： 复杂曲线图案、厚、脆、易碎、怕热及多种复杂曲线图案、厚、脆、易碎、怕热及多种材质复合之材料。
材质复合之材料 高压水射流切割大理石高压水射流切割大理石 高压水射流加工的零件高压水射流加工的零件钻削的钻削的0.8mm 孔孔切割切割7cm 厚不锈钢厚不锈钢微小零件铣削微小零件铣削 第五节 磁性磨料研磨和磁性磨料电解研磨加工•通过在磁场作用下形成的磁流体使悬浮其中的非磁性磨粒能在磁流体的流动力和浮力作用下压向旋转的工件进行研磨和抛光，从而能提高精整加上的质量和效率•可以获得Ra≤0.01μm的无变质层的加上表面，并能研抛复杂表面形状的工件由于磁场的磁力线及由其形成的磁流体本身不直接参与材料的去除故称之为磁场辅助加工 1.磁性浮动抛光利用磁流体向强磁场方向移动，而非磁性磨粒被排斥向磁感应强度较弱的方向的特性，使悬浮于磁流体中的磨料分离出来富集在一起磨料在磁浮力作用下，上浮压向运动的工件1—主轴 2—驱动轴 3—导向环 4—磁流体和磨料 5—橡胶环 6—陶瓷球 7—浮体 8—铝座 9—磁铁 10—钢磁轭 2.磁性磨料精整加工•磁性磨料在磁极N-S之间沿着磁力线有序地相互链接在一起，聚集成一层弹性的磁性磨料刷，当工件与它作相对运动时，就进行研抛加工 微弧阳极氧化微弧阳极氧化 微微弧弧阳阳极极氧氧化化是是将将铝铝及及铝铝合合金金零零件件置置于于溶溶液液中中，，在在电电极极间间施施加加高高电电压压，，使使其其表表面面微微孔孔中中产产生生火火花花或或微微弧弧放放电电，，从从而而生生成成氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷膜膜层层的的新新技技术术。
微微弧弧阳阳极极氧氧化化又又称称阳阳极脉冲陶瓷化、阳极火花沉积或微等离子体氧化极脉冲陶瓷化、阳极火花沉积或微等离子体氧化 第六节 铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术 1．特点和应用．特点和应用 铝及铝合金微弧阳极氧化与硬质阳报氧化相比，无论在氧铝及铝合金微弧阳极氧化与硬质阳报氧化相比，无论在氧化工艺上或膜层性能上都有许多优越之处微弧氧化的工艺化工艺上或膜层性能上都有许多优越之处微弧氧化的工艺流程简单，除油后即可氧化；适用范围广，除铝及铝合金、流程简单，除油后即可氧化；适用范围广，除铝及铝合金、铝基复合材料外，还能在钛、镁、锆、钽、铌等金属及其合铝基复合材料外，还能在钛、镁、锆、钽、铌等金属及其合金表面生成氧化陶瓷层；氧化速度快，通常金表面生成氧化陶瓷层；氧化速度快，通常30min~60min可取可取得膜层厚度得膜层厚度50 µ m ；溶液无侵蚀性，对环境基本无污染溶液无侵蚀性，对环境基本无污染 微弧阳极氧化形成的陶瓷膜层具有伏良的综合性能：微弧阳极氧化形成的陶瓷膜层具有伏良的综合性能： (1) 耐蚀性能高，经耐蚀性能高，经5％％NaCl中性盐雾腐蚀试验，其耐蚀能中性盐雾腐蚀试验，其耐蚀能力达力达1000h以上。
以上 (2) 硬度高，耐磨性好，膜层硬度高达硬度高，耐磨性好，膜层硬度高达HV800~2500，取，取决于材料及工艺，明显高于硬质阳极氧化磨损试验表明陶决于材料及工艺，明显高于硬质阳极氧化磨损试验表明陶瓷膜具有与硬质合金相当的耐磨性能，比硬铬镀层高瓷膜具有与硬质合金相当的耐磨性能，比硬铬镀层高75％以％以上；陶瓷膜还具有摩擦系数较低的特点上；陶瓷膜还具有摩擦系数较低的特点 (3) 电绝缘性能好，体绝缘电阻率可达电绝缘性能好，体绝缘电阻率可达5×× 1010 Ω ·cm，在，在干燥空气中的击穿电压为干燥空气中的击穿电压为3000V~5000V (4) 导热系数小，膜层具有良好的隔热能力导热系数小，膜层具有良好的隔热能力 (5) 外观装饰性好，可按使用要求大面积加工成各种不外观装饰性好，可按使用要求大面积加工成各种不同颜色及不同花纹的膜层同颜色及不同花纹的膜层 微弧阳极氧化新技术问世以来，虽尚未投入大规模生产，微弧阳极氧化新技术问世以来，虽尚未投入大规模生产，但已引起人们的普遍关注，在许多工业领域有着广阔的应用前但已引起人们的普遍关注，在许多工业领域有着广阔的应用前景。
航空、航天、石油、化工等部门应用的铝合金零部件，如景航空、航天、石油、化工等部门应用的铝合金零部件，如叶片、轮箍、传动元件、气动元件及密封件等经微弧氧化后，叶片、轮箍、传动元件、气动元件及密封件等经微弧氧化后，表面耐蚀性、耐磨性明显提高电子、电工产品及仪器、仪表表面耐蚀性、耐磨性明显提高电子、电工产品及仪器、仪表中的某些零件应用微弧氧化直接进行绝缘处理，以取代包覆绝中的某些零件应用微弧氧化直接进行绝缘处理，以取代包覆绝缘材料的常规方法空压机铝气缸覆盖缘材料的常规方法空压机铝气缸覆盖50 µ m ~80 µ m微弧氧微弧氧化膜，性能优于硬质氧化膜在汽车发动机活塞上制备化膜，性能优于硬质氧化膜在汽车发动机活塞上制备80 µ m ~100 µ m的陶瓷膜层，具有耐烧蚀、耐磨损和隔热的优异性能，的陶瓷膜层，具有耐烧蚀、耐磨损和隔热的优异性能，应用效果很好纺织机械行业也有不少关键性铝合金零件，如应用效果很好纺织机械行业也有不少关键性铝合金零件，如气纺机的纺杯、倍捻机转杯及储纱轮等在试验或试用陶瓷膜气纺机的纺杯、倍捻机转杯及储纱轮等在试验或试用陶瓷膜电熨斗底板进行微弧氧化处理，可起耐磨、耐热和绝缘作用。
电熨斗底板进行微弧氧化处理，可起耐磨、耐热和绝缘作用 2．微弧氧化膜的形成．微弧氧化膜的形成 通常阳极氧化是在电压通常阳极氧化是在电压—电流曲线的法拉第区进行电流曲线的法拉第区进行的当外加电压继续增加则进入非法拉第区的当外加电压继续增加则进入非法拉第区(火花放电区火花放电区)，将发生氧化膜被击穿，阳极氧化无法进行下去微弧，将发生氧化膜被击穿，阳极氧化无法进行下去微弧氧化突破传统阳极氧化的限制，利用电极间施加很高的氧化突破传统阳极氧化的限制，利用电极间施加很高的电压，使浸于溶液中的电极表面发生微弧放电而生成氧电压，使浸于溶液中的电极表面发生微弧放电而生成氧化膜 微弧阳极氧化的机理至今尚在探讨之中，对其进行微弧阳极氧化的机理至今尚在探讨之中，对其进行确切的叙述尚有困难，可以认为其最重要的标志是火花或确切的叙述尚有困难，可以认为其最重要的标志是火花或微弧放电现象实验表明，微弧氧化过程中表面产生的现微弧放电现象实验表明，微弧氧化过程中表面产生的现象，有明显的阶段性，经历初始态绝缘膜的形成，微弧的象，有明显的阶段性，经历初始态绝缘膜的形成，微弧的发生，陶瓷结构的发育，以及膜层的成长等几个阶段。
发生，陶瓷结构的发育，以及膜层的成长等几个阶段最初阶段，材料表面有大量气泡产生，金属光泽逐最初阶段，材料表面有大量气泡产生，金属光泽逐渐消失，在电场作用下表面生成一层具有电绝缘特性的渐消失，在电场作用下表面生成一层具有电绝缘特性的Al2O3氧化膜随着时间的延长，膜厚逐渐增加，其承受的氧化膜随着时间的延长，膜厚逐渐增加，其承受的电压也越来越大，再加上材料表面有大量气体生成，为等电压也越来越大，再加上材料表面有大量气体生成，为等离子体的产生创造了条件离子体的产生创造了条件 第二阶段第二阶段初生的氧化膜被高压击穿，材料表面形成大量的等初生的氧化膜被高压击穿，材料表面形成大量的等离子体微弧，可以观察到不稳定的白色弧光此时在电场离子体微弧，可以观察到不稳定的白色弧光此时在电场作用下新的氧化物不断生成，氧化膜的薄弱区不断变化，作用下新的氧化物不断生成，氧化膜的薄弱区不断变化，白色弧光点似乎在表面高速游动同时，在微等离子体的白色弧光点似乎在表面高速游动同时，在微等离子体的作用下又形成瞬间的高温高压微区，其温度达作用下又形成瞬间的高温高压微区，其温度达2000℃以上，以上，压力达数百个大气压，造成氧化膜熔融。
等离子体微弧消压力达数百个大气压，造成氧化膜熔融等离子体微弧消失后，溶液很快将热量带走，熔融物迅速凝固，在材料表失后，溶液很快将热量带走，熔融物迅速凝固，在材料表面形成多孔状氧化膜如此循环反复，微孔自身扩大或与面形成多孔状氧化膜如此循环反复，微孔自身扩大或与其他微孔连成一体，形成导电通道，从而出现较大的红色其他微孔连成一体，形成导电通道，从而出现较大的红色光泽的弧斑光泽的弧斑 第三阶段第三阶段氧化进一步向深层渗透一段时间后，内层可能氧化进一步向深层渗透一段时间后，内层可能再次形成较完整的再次形成较完整的A12O3电绝缘层，随着氧化膜的加厚，电绝缘层，随着氧化膜的加厚，微等离子体造成的熔融氧化物凝固后可能在表面形成较微等离子体造成的熔融氧化物凝固后可能在表面形成较完整的凝固结晶层，造成较大孔径，导电通道封闭，使完整的凝固结晶层，造成较大孔径，导电通道封闭，使红色弧斑减少直至消失然而，微等离子体现象依然存红色弧斑减少直至消失然而，微等离子体现象依然存在，氧化并未终止，进人第四阶段即氧化、熔融、凝固在，氧化并未终止，进人第四阶段即氧化、熔融、凝固平稳阶段平稳阶段 在铝合金表面上形成的微弧氧化膜是由结合层、致密层在铝合金表面上形成的微弧氧化膜是由结合层、致密层和表面层三层结构组成，层与层之间无明显界限，总厚度和表面层三层结构组成，层与层之间无明显界限，总厚度一般为一般为20 µ m ~200 µ m ，最厚可达，最厚可达400 µ m 。
三层结构中三层结构中均含有大量的均含有大量的αα－－A12O3，和，和γγ－－A12O3致密层中的致密层中的αα－－A12O3，可达，可达60％以上，硬度可高达％以上，硬度可高达HV3700，很耐磨表，很耐磨表面层较粗糙疏松，可能是由微弧溅射物和电化学沉积物所面层较粗糙疏松，可能是由微弧溅射物和电化学沉积物所形成 3．工艺要点．工艺要点 (1)工艺方法工艺方法 根据微弧阳极氧化过程中零件所处的极根据微弧阳极氧化过程中零件所处的极化形式可分为：直流型化形式可分为：直流型——采用恒值电压，零件为阳极；采用恒值电压，零件为阳极；交流型交流型——采用不规则正弦波电压，零件的极性呈周期性采用不规则正弦波电压，零件的极性呈周期性变化；阳极脉冲型变化；阳极脉冲型——采用脉冲或直流加脉冲的电压形式，采用脉冲或直流加脉冲的电压形式，零件为阳极；交变脉冲型零件为阳极；交变脉冲型——正负脉冲电压按一定的方式正负脉冲电压按一定的方式交替地施加在零件上交替地施加在零件上 (2)工艺流程工艺流程 一般零件的工艺流程为：化学除油一般零件的工艺流程为：化学除油——水洗水洗——去离子水洗去离子水洗——微弧氧化微弧氧化——水洗水洗——干燥。
干燥 (2)设备设备 微弧氧化设备主要包括专用电源、电解槽、冷微弧氧化设备主要包括专用电源、电解槽、冷却系统和搅拌系统其具体要求应根据工艺方法及生产规模却系统和搅拌系统其具体要求应根据工艺方法及生产规模确定 (3)溶液溶液 溶液配方应有利于维持氧化膜及随后形成的陶溶液配方应有利于维持氧化膜及随后形成的陶瓷氧化层的电绝缘性，又有利于抑制微弧氧化产物的溶解瓷氧化层的电绝缘性，又有利于抑制微弧氧化产物的溶解在大多数情况下采用弱碱性溶液，其在大多数情况下采用弱碱性溶液，其pH值为值为8~11，有磷酸盐、，有磷酸盐、硅酸盐、柠檬酸盐、铝酸盐等不同体系，必要时可加入少量硅酸盐、柠檬酸盐、铝酸盐等不同体系，必要时可加入少量无机或有机添加剂以改善氧化层的性质无机或有机添加剂以改善氧化层的性质 (4)工作电压工作电压 微弧氧化通常采用较高的工作电压，范微弧氧化通常采用较高的工作电压，范围也比较宽，从最小围也比较宽，从最小100V至高达至高达1000V以上选择工作以上选择工作电压的基本原则是：既要保证在氧化过程中尽可能长时电压的基本原则是：既要保证在氧化过程中尽可能长时间地维持发育良好的火花或电弧现象，又要防止电压过间地维持发育良好的火花或电弧现象，又要防止电压过高而引发破坏性电弧的出现。
直流法选用的工作电压相高而引发破坏性电弧的出现直流法选用的工作电压相对要低一些；交流法则可采用较高的工作电压对要低一些；交流法则可采用较高的工作电压 (5)温度温度 与硬质阳极氧化相比，微弧阳极氧化对环境与硬质阳极氧化相比，微弧阳极氧化对环境温度的要求并不苛刻溶液温度在温度的要求并不苛刻溶液温度在60 ℃以下均可正常工以下均可正常工作，但因其自身的特点，必须考虑热量及时排除，使整作，但因其自身的特点，必须考虑热量及时排除，使整个氧化过程中的温度尽可能保持一致个氧化过程中的温度尽可能保持一致。