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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0.050.15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 2.光刻 涂胶 暴光 显影与烘片 刻蚀 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 母板 掩膜 光刻胶 SiO2 光刻胶 SiO2 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 这个“底片”，使光刻胶获得与掩模图形同 样的感光图形。 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 ，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 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。 光刻工艺过程光刻工艺过程 光刻工艺图示 涂光刻胶 曝光 显影与后烘 腐蚀 剥胶 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 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数 金刚石，蓝宝 石，淬火钢 0.0750.42.550030 第四节第四节 水喷射加工水喷射加工 利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件 进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“ 水刀”。 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； 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； 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 工作环境； 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。 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 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： 0.051-0.254mm,取决于机器精度、切割 工件大小及厚度。 切割缝隙： 与工作材质大小厚薄和喷嘴有关。纯水 切割之切口约为0.1-1.1mm，磨料水混流切割之切口 约为0.8-1.8mm。磨料管的直径扩口，切口愈大。 切割产生的斜边： 取决于切割速度。好的切割品质 单侧斜边为0.076-0.102mm。 应用： 复杂曲线图案、厚、脆、易碎、怕热及多种 材质复合之材料。 高压水射流切割大理石 高压水射流加工的零件 钻削的0.8mm 孔切割7cm 厚不锈钢微小零件铣削 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Ra0.01m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 微弧阳极氧化是将铝及铝合金零件置于溶液中，在电 极间施加高电压，使其表面微孔中产生火花或微弧放电， 从而生成氧化铝陶瓷膜层的新技术。微弧阳极氧化又称阳 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 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 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 金表面生成氧化陶瓷层；氧化速度快，通常30min60min可取 得膜层厚度50 m ；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： (1) 耐蚀性能高，经5NaCl中性盐雾腐蚀试验，其耐蚀能 力达1000h以上。 (2) 硬度高，耐磨性好，膜层硬度高达HV8002500，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 瓷膜具有与硬质合金相当的耐磨性能，比硬铬镀层高75以 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5 1010 cm，在 干燥空气中的击穿电压为3000V5000V。 (4) 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 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， 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 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 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50 m 80 m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80 m 100 m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 。 2微弧氧化膜的形成 通常阳极氧化是在电压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(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 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 化膜。 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 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 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 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。 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 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， 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2000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。 第三阶段 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A12O3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 存在，氧化并未终止，进人第四阶段即氧化、熔融、凝 固平稳阶段。 在铝合金表面上形成的微弧氧化膜是由结合层、致密层 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20 m 200 m ，最厚可达400 m 。三层结构中 均含有大量的A12O3，和A12O3。致密层中的 A12O3，可达60以上，硬度可高达HV3700，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 形成。 3工艺要点 (1)工艺方法 根据微弧阳极氧化过程中零件所处的极 化形式可分为：直流型采用恒值电压，零件为阳极； 交流型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；交变脉冲型正负脉冲电压按一定的方 式交替地施加在零件上。 (2)工艺流程 一般零件的工艺流程为：化学除油 水洗去离子水洗微弧氧化水洗干燥。 (2)设备 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 确定。 (3)溶液 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。 在大多数情况下采用弱碱性溶液，其pH值为811，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 量无