特种加工[1]Z.doc

第一章概论1从特种加工的发生和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是“物极必 反”？有哪些事例是“坏事有时变为好事”？答：这种事例还是很多的。以“物极必反”来说，人们发明了螺旋桨式飞机，并不断加大螺旋桨的转速和功率以提高飞机的飞行速度和飞行高度。但后来人们发现证实螺旋桨原理本身限制了飞机很难达到音速和超音速，随着飞行高度愈高，空气愈稀薄，螺旋桨的效率 愈来愈低，更不可能在宇宙空间中飞行。于是人们采用爆竹升空的简单原理研制出喷气式发 动机取代了螺旋桨式飞行器，实现了洲际和太空飞行。由轮船发展成气垫船，也有类似规律。以“坏事变好事”来说，火花放电会把接触器、继电器等电器开关的触点烧毛、损蚀， 而利用脉冲电源瞬时、局部的火花放电高温可用作难加工材料的尺寸加工。同样，铝饭盒盛 放咸菜日久会腐蚀穿孔，钢铁器皿、小刀等在潮湿的环境下会腐蚀。钢铁在风吹雨淋时遭受 锈蚀，海洋船舰的钢铁船体为了防止海水的腐蚀，得消耗巨资进行防锈、防蚀。人们研究清 楚钢铁电化学锈蚀的原理后，创造了选择性阳极溶解的电解加工方法。这些都是“坏事变好 事”的实例。2试列举几种采用特种加工工艺之后，对材料的可加工性和结构工艺性 产生重大影响的实例。答：这类实例是很多的，例如：(1)硬质合金历来被认为是可加工性较差的材料，因为普通刀具和砂轮无法对它进行切削磨削加工，只有碳化硅和金刚石砂轮才能对硬质合金进行磨削。可是用电火花成形加工或 电火花线切割加工却可轻而易举地加工出各式内外圆、平面、小孔、深孔、窄槽等复杂表面， 其生产效率往往高于普通磨削加工的生产率。更有甚者，金刚石和聚晶金刚石是世界上最硬 的材料，过去把它作为刀具和拉丝模具等材料只有靠用金刚石砂轮或磨料“自己磨自己”， 磨削时金刚石工具损耗很大，正是硬碰硬两败俱伤，确实是可加工性极差。但特种加工中电 火花可成形加工聚晶金刚石刀具、工具，而激光加工则不但“削铁如泥”而且可“削金刚石 如泥”。在激光加工面前，金刚石的可加工性和钢铁差不多了。对过去传统概念上的可加工 性,的确需要重新评价。(2)对结构工艺性，过去认为方孔、小孔、小深孔、深槽、窄缝以及细长杆、薄壁等低 刚度零件的结构工艺性很差，在结构设计时应尽量避免。对 E 字形的硅钢片硬质合金冲模， 由于 90内角很难磨削，因此常采用多块硬质合金拼镶结构的冲模。但采用电火花成形加 工或线切割数控加工，则很容易加工成整体硬质合金的 E 形硅钢片冲模，特种加工可使某 些结构工艺性由“差”变“好”。3工艺和特种加工工艺之间有何关系（应该说如何正确处理常规工艺和特 种加工之间的差别）？答：一般而言，常规工艺是在切削、磨削、研磨等技术进步中形成和发展起来的行之有效的实用工艺，而且今后也始终是主流工艺。但是随着难加工的新材料、复杂表面和有特殊要求的零件愈来愈多，常规、传统工艺必然会有所不适应。所以可以认为特种加工工艺是 常规加工工艺的补充和发展。特种加工工艺可以在特定的条件下取代一部分常规加工工艺， 但不可能取代和排斥主流的常规加工工艺。第二章电火花加工1两金属在（1）在真空中火花放电；（2）在空气中；（3）在纯水（蒸馏水 或去离子水）中；（4）在线切割乳化液中；（5）在煤油中火花放电时，在宏观和 微观过程以及电蚀产物方面有何相同和相异之处？答：（1）两金属在真空中火花放电时，当电压（电位差）超过一定时即产生“击穿”，电子由“”极逸出飞向“+”极，由于真空中没有物质阻挡电子的运动，所以没有正离子形成，没有发热的放电“通道”的概念，示波器、显像管中电子流的运动与此类似。基本上 没有“电蚀产物”成生。（2）两金属在空气中放电的例子是电火花表面强化、涂覆。电焊、等离子切割、等离 子焊等，也是在空气中放电，利用电子流在空气中撞击气体原子形成放电通道，在通道中和 工件表面产生大量的热能用于强化、涂覆、切割和焊接。（3）在纯水、蒸馏水或去离子水中，两金属间电火花放电与在煤油中类似，只是水分 子、原子受电子、正离子撞击发热气化，最后分解为氧原子和氢原子（分子），而不像煤油 中会分解出碳原子（碳黑微粒）和氢气等。（4）、（5）在乳化液中和煤油中放电过程，详见教材中有关章节，不再另行论述。2有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花加工的脉冲 直流电源？在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用的脉冲直流电源？（提 示：轧辊电火花对磨、齿轮电火花跑合时，不考虑电极相对磨损的情况下，可用 工频交流电源；在电火花磨削、切割下料等工具、工件间有高速相对运动时，可 用直流电源代替脉冲电源，但为什么？）答：如提示所述，在不需要“极性效应”、不需考虑电极损耗率等的情况下，可以直接用 220V 的 50Hz 交流电作为脉冲电源进行轧辊电火花对磨和齿轮电火花跑合等。不过回路中应串接限流电阻，限制放电电流不要过大。如需精规准对磨或跑合，则可在交流工频电源 上并联 RC 电路（R5001000, C0.10.01F），再接到两个工件上。在用高速转动的金属轮或圆片作电火花磨削、电火花切断、下料时，如果可以不计电极 损耗率，则就可以用全波整流或整流后并联电解电容滤波的直流电源进行电火花磨削。由于 工具电极高速转动，所以一般不会产生稳定电弧烧伤工件。最好是经调压变压器降压到5100V 再整流供磨削之用，一则可以调节电压或电流，二则和 220V 交流电源隔离，以保 障人身避免触电的危险。3电火花加工时的自动进给系统和车、钻、磨削时的自动进给系统，在原 理上、本质上有何不同？为什么会引起这种不同？答：电火花加工时工具电极和工件间并不接触，火花放电时需通过自动调节系统保持一定的放电间隙，而车、钻、磨削时是接触加工，靠切削力把多余的金属除去，因此进给系统是刚性的、等速的，一般不需要自动调节。4电火花共轭同步回转加工和电火花磨削在原理上有何不同？工具电极和 工件上的瞬间放电点之间有无相对移动？加工内螺纹时为什么不会“乱扣”？用 铜螺杆做工具电极，在内孔中用平动法加工内螺纹，在原理上和共轭同步回转法 有何异同？答：不同之处在于电火花共轭同步回转加工时：（1）工具电极和工件的转动方向相同；（2）转速严格相等（或成倍角、比例关系）；（3）工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动。而电火花磨削时工具和工件可 以同向或反向转动；工具和工件的转速并不相同，磨削点之间有很大的相对移动。加工内螺 纹时，其所以不会“乱扣”，是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等，工具和工件 圆周表面上有着“各点对应”的关系，所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而 不会“乱扣”。在内孔中用平动法加工内螺纹，本质上和共轭同步回转法相同，不同之处在于平动法加 工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作“公转”行星式运动，其内外圆上“各点对 应”的规则仍然存在。5电火花加工时，什么叫做间隙蚀除特性曲线？粗、中、精加工时，间隙 蚀除特性曲线有何不同？脉冲电源的空载电压不一样时（例如 80V、100V、300V 三种不同的空载电压），间隙曲线有何不同？试定性、半定量地作图分析之。答：间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小（间隙平均电压的大小）之间的关系，此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线。粗、中、精加工时，由于脉宽、峰值电流等电规准不同，同样大小间隙的蚀除速度也就 不一样，总的来说，粗加工时蚀除速度较大，上凸的间隙蚀除特性曲线就高于中、精加工的 曲线。当脉冲电源的空载电压不一样时，例如电压较高为 300V 时，其击穿间隙、平均放电间 隙都大于 100V 或 80V 的放电间隙，因此横坐标上的 A 点（电火花击穿间隙）将大于 100V 或 80V 时的间隙。间隙特征曲线原点不动，整个曲线稍向右移。同理 80V 空载电压的间隙 特征曲线的 A 点将偏向左边。wdA 13 / 13A0100S /mue /V6在电火花加工机床上用10mm的纯铜杆加工10mm的铁杆，加工时两杆的中心线偏距 5mm，选用t1=200s，i=5.4A，各用正极性和负极性加工 10min，试画出加工后两杆的形状、尺寸，电极侧面间隙大小和表面粗糙度值（提示：利用电火花加工工艺参数曲线图表来测算）。答：加工示意图见图 2-1a。设先用正极性加工，加工后的图形见图 b，负极损耗较大；负极性加工后的图形见图 c，正极工具损耗较小。具体数据请自行在图中标明，并与书中工艺曲线图表进行对照比较。CuCu- +FeFe+-a)b)c)图 2-17 电火花加工一个纪念章浅型腔花纹 模具，设花纹模电极的面积为 10mm20mm=200mm2，花纹的深度为 0.8mm，要求加工出模具的深度为 1mm，表面粗糙度为Ra=0.63m，分粗、中、精三次加工，试选择每次的加工极性、电规准脉宽t1、峰值电流ie、加工余量及加工时间，并列成一表（提示：用电火花加工工艺参数曲线图表来计算）。答：可按书中电火花加工工艺曲线图表选择粗、中、精加工的规准。例如极 性脉宽脉间峰值电流加工余量加工后表面粗 糙度时间粗加工（可不加抬刀）负600s100s10A0.9mmRa3m约 30min中加工（加抬刀）负100s50s4A0.08mmRa1.25m30min精加工（加正20s50s2A0.02mmRa30min抬刀）0.63m第三章电火花线切割加工1电火花线切割时，粗、中、精加工时的生产率的大小和脉冲电源的功率、 输出电流的大小有关。用什么办法来衡量、判断脉冲电源加工性能的好坏（绝对 性能和相对性能）？答：可用单位电流（每安培电流）的生产率来衡量，即可客观地判断脉冲电源加工性能的好坏。例如某脉冲电源峰值电流 25A时的切割速度为 100mm2/min，另一电源峰值电流27A 时切割 速度为 106mm2/min ， 则前者 的相 对生产 率 为 100/25=4mm2/min, 优于 后者 106/27=3.9mm2/min。又如某线切割脉冲电源 3A时切割速度为 100mm2/min，另一电源 3.5A时为 124mm2/min，则前者相对切割速度为 33.3mm2/Amin，低于后者 35.5mm2/Amin。2电火花加工和线切割加工时，如何计算脉冲电源的电能的利用率？试估 计一般线切割方波脉冲电源的电能利用率？答：设脉冲电源的空载电压为 100V，加工时火花放电间隙的维持电压为 25V，则消耗在晶体管限流电阻上的电压为 10025=75V，由此可以算出电能利用率为：有用能量:输入能量=25:100=1:4=25% 能量的消耗率为： 损耗能量:输入能量=75:100=3:4=75%可见 75%的能量损耗在限流电阻的发热上。3设计一个测量、绘制数控线切割加工的间隙蚀除特性曲线的方法（提示： 使线切割等速进给，由欠跟踪到过跟踪）。答：这一习题有一定的难度，需对间隙蚀除特性曲线和线切割加工伺服进给系统有一定深度的理解才行。间隙蚀除特性曲线是蚀除速度和放电间隙（间隙平均电压）的关系曲线（参见第二章电火花加工的伺服进给）。线切割加工时，调节伺服进给量的大小，可以在一 定程度上改变平均放电间隙。例如把进给速度人为调慢，处于“欠进给”状态，则平均放电 间隙偏大，反之，进给速度过高，“过进给”时，则放电间隙偏小。测绘间隙蚀除特性曲线 时，利用“改变预置进给速度”来改变放电间隙的大小。实际上放电间隙的大小（绝对值） 很难测量，但可以用加工时的平均间隙电压大小来相对测量间隙值的大小。为此，要在工件 和钼丝（导电块）或直接在电源输出端并一个满刻度 100V（用于测空载、偏空载时的开路 间隙电压）、20V（用于测偏短路时的间隙电压）的直流电压表。实际测绘时，先不用线切 割机床的“自动档”（伺服）进给，而采用“人工档”（等速进给）进给功能。最初用较慢的等速进给速度进行切割，此时处于“欠跟踪”的进给状态，待切割稳定后 就记下进给速度和此时的间隙平均电压，在坐标上作出曲线上的某一点。以后稍微调快进给 速度（仍为等速进给），同样测得第二、三点的数据。当调节到进给速度约等于蚀除速度 时，此时即为最佳状态B点，放电间隙为最佳放电间隙SB，此时的切割速度为最大。当以更 大的进给速度（等速）切割时，由于没有伺服功能，进给速度大于可能的蚀除速度，放电间 隙逐步减小，最后即将形成短路，放电间隙为零。此时应尽快停止进给，并事先做好记录。在曲线最高点 B 之右，用上述方法比较容易做出间隙蚀除特性曲线的右半部分。但B点左边的曲线，因放电间隙逐步减小并趋于短路，易把钼丝顶弯，因此应多加小心。4一般线切割加工机床的进给调解特性曲线和电火花加工机床的进给特性曲线有何不同？与有短路回退功能的线切割加工机床的进给调解特性曲线又有 什么不同？答：一般线切割机床的进给系统，往往没有短路回退功能，或短路后经一定时间例如30s后仍不能自动消除短路状态，则回退 256 步（相当于 0.256mm），如仍不能消除短路，则自动停止进给或同时报警，这与电火花成形加工机床遇短路即退回不一样。上述无短路回退 功能的线切割机床的进给调解特性曲线就不会有横坐标左下部分的曲线，亦即工具电极（钼 丝）的进给速度d没有负值。即使有短路回退功能的线切割机床，短路后的回退速度是固定的（不像电火花成形加工 机床那样短路后将以较高的速度d0回退），所以进给调节曲线特征曲线的左下部为窄小矩形， 即放电间隙较小时，进给速度d0，一旦完全短路后，钼丝才低速（恒速）回退。5设计一个测量、绘制数控线切割加工机床的进给调解特性曲线的方法（提 示：在线切割机床上作空载模拟试验。用可调的直流电源模拟火花间隙的平均电 压）。答：这一习题也有一定难度，需对线切割机床的变频进给系统有一定的了解。线切割机床的进给速度d是由火花放电间隙的平均电压ue来决定的。ue越大，d亦大，ue小d也小，ue =0，d =0 或等速回退。为此可以用“模拟法”来测绘线切割加工机床的进给调解特性曲 线。具体的方法是：使线切割机床处于加工状态，可不开丝筒、不开高频电源，但应使工作 台处于“人工”等速进给状态。此时工作台进给的“取样电压”，并不是来自火花放电间隙 的平均电压ue(ue再经电阻分压成 1012V的电压，经“变频调节”电位器送至“压频”(-f)转换器，将此低电压转换成进给脉冲，频率为f，令工作台进给)，而是由+12V的外加电 压，经“变频调节”电位器调压输入至“压频”(-f)转换器。低电压 0V相当于间隙短路， 最高 1012V相当于间隙开路状态。可以将此电压由低向高调节，例如 0V、2V、4V、6V、8V、10V直至 12V，模拟不同的ue。记录下每种不同电压时的工作台进给速度（可以从控 制器面板数显表上测得），然后即可绘制出进给调节特性曲线。6今拟用数控线切割加工有 8 个齿的爪牙离合器，试画出其工艺示意图并 编制出相应的线切割 3B 程序。答：由于爪牙离合器工件是圆筒形的，端面上需切割出 8 个爪牙方齿，故切割时必须有一个数控回转工作台附件。办法为先在圆套筒上钻一个12mm 的穿丝孔，装夹好工件后，调整到穿丝孔为最高点时穿丝，回转台转动切除爪牙的端面，见示意图。穿丝孔 数控回转台爪牙侧面（俯视图）切割的程序（一次切出凸、凹两个爪牙离合器）为：1） BBBJ=穿丝孔距离GxL3（x向移动）2） BBBJ=1/2 齿宽GyL4（y向转动）3） BBBJ=齿深GxL3（x向移动）4） BBBJ=齿宽GyL4（y向转动）5） BBBJ=齿深GxL1（x向移动）6） BBBJ=齿宽GyL4（y向转动）7） 第四章电化学加工1从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为“纳米级加工” 或“原子级加工”技术？原则上要采用哪些措施才能实现？答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中“阳极溶解”而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层“切削”去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现 它，从技术上讲还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择 性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。但是由于它 们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很 不容易。2为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原 过程？答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度 不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu2+正离子氧化而溶解入CuCl2 溶液，而溶液中的Cu2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。3原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳 极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的 碳原子或杂质。两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电 位差，电位较正的称为“正极”，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子 流）。电解加工时人为地外部加以电源，接电源正极称阳极，接电源负极的称阴极，阳极表 面流出电流（流入电子流），阴极表面流入电流（流出电子流），两者的方向仍一致，见图4-1。图 4-14举例说明电极电位理论在电解加工中有什么具体应用？ 答：电极电位理论在研究、分析电解加工中有很重要的作用，具体应用在：1）分析电极上电化学反应的产物在电解加工时，在阴阳两极都有电化学反应，可能 参与反应的有电极金属材料、电解液中的有效成分以及水的电离产物H+、OH。但真正能 在电极上完成电化学反应的是什么？则需要应用电极电位理论加以分析判断。即：在阳极上， 只有电极电位最“”的离子才能参与反应。2）估计某种金属材料电解加工的质量和可加工性每一种金属材料都是由不同元素所 组成（真正由单一元素组成的材料极少），而在电解加工时，人们希望阳极金属的电解过程 是均匀的。只有这样，加工表面的粗糙度值才会比较好，加工过程才能平稳。如果阳极金属 材料的组成元素其电极电位相差很大，则在电解加工中会由于一些元素的电极电位较“”， 而不能及时溶解，使加工表面形成一些凸出点，造成加工表面粗糙度值增大。更为严重的是 这种凸出的质点会造成加工过程的短路、烧损电极，甚至使加工无法进行。例如铸铁和高碳 钢中有C及Fe3C存在，它们的电极电位高达+0.37V，而Fe/Fe2+的电极电位仅为0.59V，因 此C及Fe3C在电解加工中几乎无法被阳极溶解而最终形成凸出质点，从而造成铸铁、高碳钢 甚至渗碳钢的电解加工可加工性很差。5阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点？举例说明。 答：电极钝化现象的存在，使电解加工中阳极溶解速度下降甚至停顿。从生产率的角度出发人们不希望选用能产生钝化现象的钝化型电解液。但是，当采用 NaCl 等非钝化型电解液工作时，虽然生产率很高，但因为杂散腐蚀严重， 成形精度较差，严重影响了电解加工的应用。而当采用钝化型电解液加工时，尽管电极工具 的非工作面没有绝缘，但当加工间隙达到一定尺寸后，对应的工件表面就会产生钝化膜，可 以避免产生杂散腐蚀，提高加工精度，促进电解加工的推广应用。电解磨削、电解研磨等加工方法也是利用了阳极钝化现象的存在而开发出来的。它们利 用了钝化膜对金属表面的保护作用，采用机械去除钝化膜的方法，使金属微观表面凸点的钝 化膜被刮除，并迅速电解，而低凹处的钝化膜起保护作用，使局部不被电解，最终使金属表 面的整平作用加快，可实现精加工。6在厚度为 64mm的低碳钢钢板上用电解加工方法加工通孔，已知阴极直径24mm，端面平衡间隙b0.2mm。求：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的通孔在钢板上表面及下表面其孔径 各是多少？（2）当阴极工具侧面绝缘，且阴极侧面工作圈高度 b=1mm 时，所加工出的孔径是多少？D1答：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的孔是喇叭口状，其孔纵剖面侧壁为一抛物线（见图 4-2），设其上部直径为D1，下部尺寸为D2，则：D1 = d + 2 s= d + 2 b2h + 1b= (24 + 2 0.2= 34.1mm2 64 )mm0.2D2图 4-2D2= d+2b=(24+20.2)mm=24.4mm（2）当阴极工具侧面绝缘，并有 b=1mm 的 工作圈时，上、下孔的尺寸为：D = d + 2 s= d + 2 b2b + 1 = (24 + 2 0.2b2 1 + 1 )mm 25.33mm0.27电解加工（如套料、成形加工等）的自动进给系统和电火花加工的自动 进给系统有何异同？为什么会形成这些不同？答：一般电解加工自动进给系统主要是控制均匀等速的进给速度，它的大小是事先设定的。进给速度的大小与端面平衡间隙有直接关系（双曲线关系），而端面平衡间隙又直接影响到阴极形状（成形加工时）。在正常电解加工时，主要依照电流的大小来进行控制，但 在电极开始进入或即将退出工件时，由于加工面积的变化，则不能按照电流的大小进行控制。电火花加工的自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙（放电状态）的稳定， 它是按照电极间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线来工作的，它的进给速度不是均匀等速的。之所以形成这种不同的进给特性，主要是电解加工中存在平衡间隙，进给速度大，平衡 间隙变小。在进给方向、端面上不易短路；而电火花加工中不存在平衡间隙，进给速度稍大 于蚀除速度，极易引起短路，所以必须调节进给速度以保证放电间隙。8电解加工时，何谓电流效率？它与电能利用率有何不同？如果用 12V 的 直流电源(如汽车蓄电池)作电解加工，电路中串联一个滑杆电阻来调节电解加工 时的电压和电流(例如调到两极间隙电压为 8V)，问：这样是否会降低电解加工 时的电流效率？为什么？答：电解加工时的电流效率是指按照法拉第电解定律所计算出的理论金属蚀除量与实际金属蚀除量之比。由于在电解加工阳极溶解的同时，还会出现如析氧等副反应，因此电解加工时电流效率一般小于 1。 电能利用率是指电源输入的总能量在电解加工中用了多少，在其它方面（如线路损耗）又用了多少。如题所示，利用滑杆电阻可以调节电解加工时的输入电流、电压，而滑杆电阻 本身产生的热损耗与电解加工无关。滑杆电阻的热损耗愈大，电能利用率愈低。而经过滑杆 电阻调节电压、电流之后进行电解加工时，它的电流效率并没有变化，仍然是按照法拉第电 解定律计算，与其它因素无关。9电解加工时的电极间隙蚀除特性与电火花加工时的电极间隙蚀除特性有 何不同？为什么？答：电解加工时，电极间隙蚀除特性曲线是一条双曲线，即 a = C （常数）如图 4-3a所示；而电火花加工的蚀除特性曲线则是一条蚀除速度在起点和终点都为零的上凸二次曲 线，如图 4-3b 所示。蚀蚀除除 速速 度度 a w电解加工电极间隙电火花加工放电间隙sa)b)图 4-3电解加工时，只要电极不发生短路，电极间隙愈小，阳极工件的蚀除速度就愈高，生产 率就愈高；反之，当电极间隙变大时，蚀除速度将下降。电火花加工时，当放电间隙为零时，蚀除速度也为零。其实，当放电间隙很小时，排屑 困难，短路率增加，蚀除速度将大大下降，甚至无法正常加工；而当放电间隙过大时，间隙 无法击穿，蚀除速度也为零（相当于非线性电解液中电解加工时有一“切断间隙”）。10如何用电极间隙的理论进行电解加工阴极工具的设计？答：电解加工时的蚀除速度应遵循双曲线规律，即a = C 。对平板电极而言，当电 极进给速度与阳极蚀除速度相等时，电极间隙相对平衡不变，称为端面平衡间隙。对于曲面电极各法线方向的平衡间隙等于：n = b C2B2cos B1式中n法向平衡间隙；C1b端面平衡间隙； 法线方向与进给方向的夹角。A2b由此，在已知端面平衡间隙b的情况下，可以利用作图法（称为 cos 法）设计电极。步骤如下： 已知工件形状及端面平衡间隙b1）在工件轮廓线上取A1、A2点；2）过A1、A2作法线及与进给方向相平行的直线；3）在与进给方向相平行的线上取A1C1A2C2b；A1图 4-44）过C1，C2，作垂线，与各点法线的交点为B1，B2，；5）连接B1，B2，即为阴极工具轮廓。第五章激光加工1激光为什么比普通光有更大的加工瞬时能量和功率密度？为什么称它为 “激”光？答：因为激光器可在较长时间上吸收、积聚某一波长光的能量，然后在很短的时间内放出，并且通过光学透镜将大面积光通道上的激光束聚焦在很小的焦点上，经过时间上和空间上的两次能量集中，所以能达到很大的瞬时能量和功率密度。 其所以称之为“激光”，是因为激光器中的工作物质吸收某一波长的光能，达到粒子数反转之后，再受到这一波长的光照后，就会瞬时受激，产生跃迁，并发出与此波长相同的激 光。2试述激光加工的能量转换过程，即如何从电能具体转换为光能又转化为 热能来蚀除材料的？答：固体激光器一般都用亮度很高的氙灯将电能转变为光能，使激光器内的工作物质如红宝石中的铬离子、钕玻璃或钕钇铝石榴石（YAG）中的钕离子吸收光能，达到粒子数反转状态，经触发而产生功率密度很大的强激光，照射到工件上的光能转换为热能，使材料 气化而蚀除材料。3固体、气体等不同激光器的能量转换过程是否相同？ 如不相同，则具体 有何不同？答：并不完全相同。固体激光器是由电能点燃氙灯等强光源（光泵），将电能转换为能使激光器吸收的一般光，到一定程度后发出激光。而气体激光器则直接由电激励激光物质，例如二氧化碳激光器中的二氧化碳分子，使之连续产生激光。4不同波长的红外线、红光、绿光、紫光、紫外线光能转换为热能的效率 有何不同？答：不同波长、频率的光所含的能量 E=h，其中 为光的频率，h 为普朗克常数。可见光所含的能量和其频率成正比。但照射到物体上后光能转换成热能的大小，即光能转换的效率，却随波长（频率）和物体对该光波的吸收率不同而不同。例如红光或红外线照射到人 体皮肤上，人们感觉到远比绿光、紫光更温暖，因为皮肤吸收红光的效率远比其他光波为高。 同样激光打孔、切割时，影响光能转换为热能效率的因素，除材料对该光波的吸收率外，还 有反射率也起很大作用，因此很难加工反射率很高的光洁镜面。5从激光产生的原理来思考、分析，它以后如何被逐步应用于精密测量、 加工、表面热处理、甚至激光信息存储、激光通信、激光计算机等技术领域的？ 这些应用的共同技术基础是什么？可以从中获得哪些启迪？答：激光之所以能广泛应用于上述高、新技术中，主要是基于它的一系列固有的特点，例如单色性、相干性、方向性极好，瞬时功率、能量密度极大等技术基础。以激光通信为例，由于光的频率高、波长短，发射角小，故具有下列优点：（1）信息容量大、传送路数多。因为信息容量和信息道的带宽成正比。带宽愈宽容量 愈大。光波的频率极高，约可容纳 100 亿个通话线路；若每个电视台占用 10MHz 带宽，则 可同时播送 1000 万套电视节目而互不干扰。这是过去任何一种通信系统所不能达到的巨大通信容量。（2）通信距离远、保密性能好。由天线发射的波束，其发散角和/D 成正比（为波 长，D 为天线直径）。所以波长愈短，天线愈大，发射就愈小。例如，对于波长为 1m 的光 波，若用直径 20cm 的透镜（就是激光的发射天线），那么发射角就只有 1.1，而对于微波 来说，即使使用庞大的天线，发射角仍有几度。由于激光束发射角很小，能量集中在狭小的 范围内，以此可以把信息传送到很远的距离。这对空间通信、宇宙通信有重要的意义。激光 束不仅发射角小，而且可以采用不可见光，因此敌人不易从中截获，保密性能好。（3）结构轻便、设备经济。由于激光的发散角小，方向性好，光通信所需的发射天线 和接收天线都可以做得很小。一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤。而功能类似的微 波天线，重量则以十吨、百吨计。激光电视与普通电视相比，后者存在着屏幕小、亮度低、设备庞大等缺点。而激光电视 则：（1）摄像时无需外部照明，免除了庞大的照明设备，因而轻便、激动，还可以拍摄完 全处于黑暗中的景物。以极其狭窄的光束迅速扫描，即使在黑暗中也难于察觉。若采用不可 见的紫外光或红外光，则肉眼根本无法发现，保密性极高。（2）激光摄像无需成像光学系统。物体不管多远，都在焦点上。其有效范围仅受短距 离的视差和长距离的信号功率的限制。至于显示过程，在普通电视中，传递的电视图像显示 在显像管的荧光屏上。而在激光电视中，图像可以通过激光显示器显示在普通的电影屏幕上。 由于激光具有很高的亮度，所以激光电视图像的亮度很高，可以在白天普通的房子里观看， 不需要暗室设备。（3）激光显示不需要在真空条件下工作，显示图像的屏幕单独摆在大气空间，这样电 视图像就可以放得很大。根据现有水平，图像面积可达 34m2甚至更大。看电视和看电影 一样。这是激光电视的一个重要特色。由于激光束很平行，激光显示的清晰度可以做得比较 高。由于激光的颜色很纯，因而所显示图像色彩鲜艳。以上给人的启迪是：任何一种物理化学现象，只要有它一定的与众不同的特点，就有可 能发展成为一种有用的新技术，所谓天生其物，必有其用。第六章 电子束和离子束加工1电子束加工和离子束加工在原理上和在应用范围上有何异同？ 答：二者在原理上的相同点是均基于带电粒子于真空中在电磁场的加速、控制作用下，对工件进行撞击而进行加工。其不同处在于电子束加工是基于电能使电子加速转换成动能， 在撞击工件时动能转换成热能使金属熔化、气化而被蚀除。而离子束加工是电能使质量较大 的正离子加速后，打到工件表面，是靠机械撞击能量使工件表面的原子层变形、破坏或切除 分离，并不发热。在工艺上：有离子刻蚀、溅射沉积、离子镀、离子注入（表面改性）等多 种形式，而不像电子束加工，有打孔、切割、焊接、热处理等形式。2电子束加工、离子束加工和激光加工相比各自的适用范围如何，三者各 有什么优缺点？答：三者都适用于精密、微细加工，但电子束、离子束需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别适合于“清洁”、“洁净”加工。离子束主要用于精微“表面工程”，激光因可在空气中加工，不受空间结构的限制，故也适用于大型工件的切割、热处理等工艺。3电子束、离子束、激光束三者相比，哪种束流和相应的加工工艺能聚焦 得更细？最细的焦点直径大约是多少？答：激光聚焦后焦点的直径取决于光的波长。波长为 0.69m的红色激光，聚焦后的光斑直径很难小于 1m，因为聚焦透镜有像差等误差。二氧化碳气体激光器发出 1.06m的红外激光，其焦点光斑直径更大。波长较短的绿色激光和准分子激光器可获得较小的焦点，常 用于精密、微细加工。电子束最佳时可获得 0.25m的聚焦直径，可用于制作大规模集成电 路的光刻。如果用波长很短的X光射线（波长为 10-910-10m，即 10.1nm），可得到 0.1m左 右的聚焦直径。4电子束加工装置和示波器、电视机的原理有何异同之处？ 答：它们都有一个电子枪用来发射电子，使电子奔向高电压的正极，而后再用线圈（电磁透镜）进行聚焦，用电场进行偏转，控制扫描出图形来。只不过电子束加工装置的功率较 大，而示波器、电视机的功率较小而已。彩色电视机因有红、蓝、黄三种基本色，故需有三 个电子枪，结构和控制更为复杂。第七章超声加工1超声加工时的进给系统有何特点？ 答：超声加工时的进给系统是靠重锤通过杠杆使工具轻轻压在工件上，靠轻微的压力使工具端面和磨粒与工件表面接触，工件表面去掉多少、进给多少，是悬浮式的柔性进给系 统，而不是刚性的进给系统实现的，它与机械加工和电火花加工的进给系统不一样。2一共振频率为 25kHz 的磁致伸缩型超声清洗器，底面中心点的最大振幅 为 0.01mm，试计算该点最大速度和最大加速度。它是重力加速度 g 的多少倍？ 如果是共振频率为 50kHz 的压电陶瓷型超声清洗器，底面中心点的最大振幅为0.005mm，则最大速度和加速度又是多少？ 答：按教材中超声振动时的最大速度max和最大加速度amax计算公式max = A = 2fA = 2250000.01= 1570.8 mm/s = 1.57 m/s，a max = 2A = 422500020.01 = 246.74106 mm/s2= 246740 m/s2， 是地心加速度 g =9.8 m/s2的 25000 倍。如果共振频率增加为一倍 f =50kHz,振幅减小成一半 A =0.005mm,则max = 1.572/2 = 1.57 mm/s，a max = 2467404/2 = 493480 m/s2， 是地心加速度 g 的 50000 倍。3试判断超声加工时：（1）工具整体在作超声振动；（2）只有工具端面在 作超声振动；（3）工具各个横截面都在作超声振动，单个截面同一时间的振幅并 不一样；（4）工具各个横截面依次都在作“原地踏步”式的振动