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1、第五章第5章精密加工和特种加工5.1精密和超精密加工5.2特种加工5.1精密和超精密加工5.1.1概述(1)一般加工指精度在10m左右，相当于IT5IT7级精度，表面粗糙度值为Ra0.20.8m的加工方法，如车、铣、刨、镗、磨等。(2)精密加工指加工精度为10.1m，表面粗糙度值为Ra0.10.01m的加工技术，如金刚车、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工、电火花加工、超声波加工、激光加工等。(3)超精密加工指加工精度小于0.1m，表面粗糙度值小于Ra0.025m的加工技术。5.1.2精密与超精密加工的特点1.加工对象2.加工环境5.1精密和超精密加工(1)恒温温度增加1时，100mm长的钢件就
2、会产生1m的伸长，精密加工和超精密加工的加工精度一般都在微米级、亚微米级或更高的精度，因此，加工区必须保证高度的恒温稳定性。(2)防振机床振动对精密加工和超精密加工有很大的危害，为了提高加工系统的动态稳定性，除了在机床设计和制造上采取各种措施外，还必须用隔振系统来保证机床不受或少受外界振动的影响。(3)超净在未经净化的一般环境下，尘埃数量极大。3.切削性能4.加工设备1)机床主轴应具有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性。5.1精密和超精密加工2)机床的进给系统应能提供超精确的匀速直线运动，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行。3)为了在超精密加工时实现微量进给，超精密机床必须配备位移精度极
3、高的微量进给机构。4)超精密加工机床广泛采用了微机控制系统、自适应控制系统，避免了手工操作引起的随机误差。图5-1盒式超精密立式车床1低热变形材料滑板2淋浴切削液3陶瓷滚珠丝杠4对称热源5切削液喷射装置6、9切屑回收装置7微位移工作台8卡盘10油温控制11隔振与调平装置12空气静压轴承 13散热片14热对称壳体15恒温循环装置16热对称圆导轨17隔热装置18热流控制19丝杠用电子冷却轴20热对称三点支承结构5.1精密和超精密加工5.工件材料6.测量技术匹配5.1.3精密与超精密加工方法1.金刚石刀具精密切削(1)金刚石刀具精密切削机理金刚石刀具实现精密切削，加工余量只有几微米，切屑非常薄，常在
4、0.1m以下。5.1精密和超精密加工图5-2车刀刃口圆角半径对的影响(2)影响金刚石刀具精密切削的因素5.1精密和超精密加工1)金刚石刀具材料的材质、几何角度设计、晶面选择、刃磨质量及对刀。2)金刚石刀具精密切削机床的精度、刚度、稳定性、抗震性和数控功能。3)被加工材料的均匀性和微观缺陷。4)工件的定位和夹紧。5)工作环境。2.超硬磨料砂轮精密和超精密磨削(1)超硬磨料砂轮磨削特点1)可用来加工各种高硬度、高脆性金属和非金属难加工材料。2)磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。5.1精密和超精密加工3)磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好。4)磨削效率高。5)加工综
5、合成本低。(2)超硬磨料砂轮的修整砂轮的修整过程可以分为整形和修锐两个阶段。1)车削法。2)磨削法。3)电加工法。图5-3电解修锐法1工件2切削液3超硬磨料砂轮4电刷5支架6负电极7电解液5.1精密和超精密加工3.新型研磨、抛光方法(1)磁性研磨工件放在两磁极之间，工件和极间放入含铁的刚玉等磁性磨料，在直流磁场的作用下，磁性磨料沿磁力线方向整齐排列，如同刷子一般对被加工表面施加压力，并保持加工间隙。(2)软质磨粒抛光软质磨粒抛光的特点是可以用较软的磨粒，甚至比工件材料还要软的磨粒(如SiO2、ZrO2)来抛光。图5-4磁性研磨原理5.1精密和超精密加工图5-5弹性发射加工原理图5.1精密和超精
6、密加工4.微细加工技术(1)微细加工的概念及特点微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。(2)微细加工方法微细加工方法与精密加工方法一样，也可分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工，大多数方法是相同的。1)预处理。2)涂胶。5.1精密和超精密加工3)曝光。4)显影与烘片。5)刻蚀。6)剥膜与检查。5.1精密和超精密加工表5-1光刻加工过程预处理（脱脂）（抛光）（酸洗）（水洗）显影烘片涂胶（甩涂）（浸渍）（喷涂）（印刷）刻蚀（化学）（离子束）（电解）曝光（电子束）（X射线）（远紫外线）（离子束）剥膜检查5.2特种加工5.2.1特种加工的概念(1)力学加工应用机械能来进行加工，如超声波
7、加工、喷射加工、水射流加工等。(2)电物理加工利用电能转化为热能、机械能和光能等进行加工，如电火花成形加工、电火花线切割加工、电子束加工、离子束加工等。(3)电化学加工利用电能转化为化学能进行加工，如电解加工、电镀、刷镀、镀膜和电铸加工等。(4)激光加工利用激光光能转化为热能进行加工。(5)化学加工利用化学能或光能转换为化学能进行加工，如化学铣削和化学刻蚀(即光刻加工)等。5.2特种加工(6)复合加工将机械加工和特种加工叠加在一起就形成复合加工，如电解磨削、超声电解磨削等，最多有四种加工方法叠加在一起的复合加工，如超声电火花电解磨削。5.2.2特种加工的特点及应用范围1)特种加工时工件和工具之
8、间无明显的切削力，只有微小的作用力，在机理上与传统加工方法有很大不同。2)特种加工的内容包括去除和结合等加工。3)特种加工中，工具的硬度和强度可以低于工件的硬度和强度，因为它主要不是靠机械力来切削，同时工具的损耗很小，甚至无损耗，如激光加工、电子束加工、离子束加工等。4)加工中的能量易于转换与控制，工件一次装夹中可实现粗、精加工，有利于保证加工精度，提高生产率。5.2特种加工5.2.3特种加工方法1.电火花加工(1)加工原理电火花加工是利用脉冲放电对导电材料的腐蚀作用去除材料，以满足一定形状和尺寸要求的一种加工方法，其原理如图5-6所示。图5-6电火花加工原理示意图1床身2立柱3工作台4工件电
9、极5工具电极6进给结构及间隙调节器7工作液8脉冲电源9工作液箱5.2特种加工图5-7电火花加工时工件表面形成过程5.2特种加工(2)影响电火花加工的因素1)极性效应。图5-8电火花线切割机床及加工件1走丝溜板2卷丝筒3丝架下臂4丝架上臂5丝架6钼丝7工件8绝缘垫板9工作台10溜板11床身5.2特种加工2)工作液。3)电极材料。(3)电火花加工的类型1)电火花成形加工。2)电火花线切割加工。(4)电火花加工的特点电火花加工可以加工任何导电材料，不论其硬度、脆性、熔点如何，在一定条件下，还可以加工半导体材料及非导电材料。(5)电火花加工的应用1)穿孔加工。2)型腔加工。3)线切割。5.2特种加工4
10、)回转共轭加工。5)电火花回转加工。6)金属表面强化。7)打印标记、仿形刻字等。2.电解加工(1)电解加工基本原理电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法。图5-9电解加工原理示意图1直流电源2工件3工具电极4电解液5进给机构(2)电解加工的特点和应用电解加工采用低电压(624V)、大电流(50020000A)工作；能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔(如锻膜、叶片等)；生产效率较高，约为电火花加工的510倍以上，在某些情况下比切削加工的生产效率还高；加工中无机械切削力或切削热；但加工精度不太高，平均精度为0.1mm左右；附属设备较多，造价昂
11、贵，占地面积大；另外电解液腐蚀机床，且容易污染环境。3.激光加工4.超声波加工5.电子束加工6.离子束加工7.水射流加工5.3表面处理技术3.激光加工(1)加工原理激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。(2)激光加工的应用(1)加工原理激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。图5-10固体激光器加工原理示意图1全反射镜2工作物质3部分反射镜4透镜5工件6激光束7聚光器8光泵9玻璃管(2)激光加工的应用1)激光打孔。2)激光切割。3)激光焊接。4)激光热处理。4.超声波加工(1)加工原理超声波加工是利用超声频振动(1630kHz)的工具冲击磨料直接对工件进行加工的一种方法，如图5-
12、11所示为超声波加工示意图。(2)超声波加工的特点和应用超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是电火花加工和电解加工无法加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。(1)加工原理超声波加工是利用超声频振动(1630kHz)的工具冲击磨料直接对工件进行加工的一种方法，如图5-11所示为超声波加工示意图。图5-11超声波加工示意图1超声波发生器2、3切削液4超声换能器5变幅杆6工具7工件8磨料悬浮液(2)超声波加工的特点和应用超声波加工适宜加工各种硬脆材料，尤其是电火花加工和电解加工无法加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。图5-12超声波振动车
13、削加工示意图6.离子束加工图5-13电子束加工原理示意图1高速加压2电子枪3电子束4电池透镜5偏转器6反射镜7加工室8工件9工作台及驱动系统10窗口11观察系统6.离子束加工图5-14离子束加工示意图1真空抽气口2灯丝3惰性气体注入口4电磁线圈5离子束流6工件7、8阴极9阳极10电离室7.水射流加工(1)水射流加工的基本原理与特点(2)水射流加工设备目前，国外已有系列化的数控水射流加工机。(3)水射流加工的应用水射流加工的流束直径为0.050.38mm，除可以加工大理石、玻璃外，还可以加工很薄、很软的金属和非金属材料。(1)水射流加工的基本原理与特点1)水射流加工的基本原理：如图5-15所示，
14、水射流加工是利用水或加入添加剂的液体，经水泵至贮液蓄能器使高压液体流动平稳，再经增压器增压，使其压力达到70400MPa，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300900m/s的高速液体射流束，喷射到工件表面，从而达到去除材料的目的。图5-15水射流加工的基本原理1带有过滤器的水箱2水泵3贮液蓄能器4控制器5阀6蓝宝石喷嘴7射流束8工件9排水口10压射距离11液压系统12增压器(1)水射流加工的基本原理与特点2)水射流加工的特点：采用水射流加工时，工件材料不会受热变形，切缝很窄(0.0750.40mm)，材料利用率高，加工精度一般可达0.0750.1mm。5.3表面处理技术5.3.1概述5.3.2表面涂层技术5.3.3表面改性技术5.3.4其他表面技术5.3.1概述1)施加各种覆盖层。2)用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组织、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种表面改性技术。5.3.2表面涂层技术1.电镀2.堆焊3.涂装4.热喷涂5.电火花涂敷6.陶瓷涂敷7.真空蒸镀5.3.3表面改性技术1.喷丸强化2.表面热处理3.化学热处理4.等离子扩散处理(PDT)5.离子注入表面改性5.3.4其他表面技术1.钢铁的氧化、磷化处理2.铝和铝合金的阳极氧化或化学氧化思考题和练习题
