精密与特种加工技术第十一章其他精密与特种加工技术ppt课件

1、第第11章章 其他精细与特种加工技术其他精细与特种加工技术 11.1 功率超声光整加工功率超声光整加工11.1.1 功率超声珩磨普通珩磨时，油石易堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨铜、铝、钛合金等韧性资料管件时，油石极易堵塞，使油石寿命减小，加工外表质量差、效率低。采用功率超声珩磨那么珩磨力小、珩磨温度低、油石不易堵塞、加工质量好、效率高，零件滑动面耐磨性高，可以处理上述普通珩磨存在的主要问题。11.1.2 功率超声研磨功率超声研磨是在研磨工具或工件上施加功率超声振动以改善研磨效果的一种新工艺。与普通机械研磨相比，具有效率高、外表粗糙度低的优点。功率超声研磨安装由功率超声发生器，功率超声振动系统(

2、包括换能器、变幅杆和研磨工具)，机械加压冷却或磨料供应系统组成。 11.1.3 功率超声抛光功率超声抛光的振动系统构造与研磨类似。功率超声抛光工具有两类：一类是具有磨削作用的磨具，如烧结金刚石、烧结刚玉油石等；另一类是没有磨削作用的工具，如金属棒、木片和竹片等，运用时另加抛光膏。11.1.4 功率超声压光功率超声压光是在传统压光工艺根底上，给工具沿工件外表法线方向上施加功率超声振动，在一定压力下工具与工件外表振动接触，从而对工件外表进展机械冷作硬化，大大提高了加工外表的硬度和耐磨性，降低外表粗糙度。右图所示是功率超声压光安装的表示图。11.2 化化 学学 加加 工工化学加工(Chemical

3、Machining，CHM)是利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反响，使金属腐蚀溶解，改动工件尺寸和外形(以致外表性能)的一种加工方法。化学加工的运用方式很多，但属于成形加工的主要有化学铣切(化学蚀刻)和光化学腐蚀加工法。属于外表加工的有化学抛光和化学镀膜等。11.2.1 化学铣切加工1. 化学铣切加工的原理、特点和运用范围1) 化学铣切的特点 (1) 可加工任何难切削的金属资料，而不受任何硬度和强度的限制，如铝合金、钼合金、钛合金、镁合金、不锈钢等。(2) 适于大面积加工，可同时加工多件。(3) 加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，外表粗糙度Ra可达2.51.25。(4) 加工操作

4、技术比较简单。2) 化学铣切的缺陷(1) 不适宜加工窄而深的槽和型孔等。(2) 原资料中缺陷和外表不平度、划痕等不易消除。(3) 腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。3) 化学铣切的运用范围(1) 主要用于较大工件的金属外表厚度减薄加工。铣切厚度普通小于13mm。如在航空和航天工业中常用于部分减小构造件的质量，对大面积或不利于机械加工的薄壁形整体壁板的工件适宜。(2) 用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的形孔。2. 化学铣切工艺过程化学铣切的主要过程如以下图所示，其中主要的工序是涂维护层、刻形和化学腐蚀。11.2.2 光化学腐蚀加工光化学腐蚀加工简称光化学加工(Optic

5、al Chemical Machining，OCM)是光学照相制版和光刻(化学腐蚀)相结合的一种精细微细加工技术。它与化学蚀刻(化学铣削)的主要区别是不靠样板人工刻形、划线，而是用照相感光来确定工件外表要蚀除的图形、线条，因此可以加工出非常精细的文字图案，目前已在工艺美术、机制工业和电子工业中获得运用。11.2.3 化学抛光1. 化学抛光的原理和特点普通是用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件外表氧化，此氧化层又能逐渐溶入溶液，外表微凸起处被氧化较快而较多，微凹处那么被氧化慢而少。同样凸起处的氧化层又比凹处更多、更快地分散、溶解于酸性溶液中，因此使加工外表逐渐被整平，到达外表平滑化和光

6、泽化。化学抛光的特点是：可以大外表或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛光内外表和外形复杂的零件，不需外加电源、设备，操作简单、本钱低。其缺陷是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛光液用后处置较费事。2. 化学抛光的工艺要求及运用1) 金属的化学抛光常用硝酸、磷酸、硫酸、盐酸等酸性溶液抛光铝、铝合金、钼、钼合金、碳钢及不锈钢等。有时还参与明胶或甘油之类的添加剂。抛光时必需严厉控制溶液温度和时间。温度从室温到90，时间自数秒到数分钟，只需资料、溶液成分经实验后才干确定最正确值。2) 半导体资料的化学抛光如锗和硅等半导体基片在机械研磨平整后，还要最终用化学抛光去除外表杂质和蜕变层。常用氢氟酸和硝酸、硫酸

7、的混合溶液或双氧水和氢氧化铵的水溶液。11.2.4 化学镀膜1. 化学镀膜的原理和特点其原理是在含金属盐溶液的镀液中参与一种化学复原剂，将镀液中的金属离子复原后堆积在被镀零件外表。其特点是：有很好的均镀才干，镀层厚度均匀，这对大外表和精细复杂零件很重要；被镀工件可为任何资料，包括非导体如玻璃、陶瓷、塑料等；不需电源，设备简单；镀液普通可延续、再生运用。2. 化学镀膜的工艺要点及运用化学镀铜主要用硫酸铜、镀镍主要用氯化镍、镀铬主要用溴化铬、镀钴主要用氯化钴溶液，以次磷酸钠或次硫酸钠作为复原剂，也有选用酒石酸钾钠或葡萄糖等为复原剂的。对特定的金属，需选用特定的复原剂。镀液成分、质量分数、温度和时间

8、都对镀层质量有很大影响。镀前还应对工件外表除油、去锈等作净化处置。运用最广的是化学镀镍、钴、铬、锌，其次是镀铜、锡。在电铸前，常在非金属的外表用化学镀膜法镀上很薄的一层银或铜作为导电层和脱模之用。11.3 水射流及磨料流加工技术水射流及磨料流加工技术11.3.1 水射流加工原理1. 射流液滴与资料的相互作用过程2. 资料的失效机理11.3.2 水射流加工工艺及运用水射流的压力和流量取值范围很广，方式也多种多样，因此它的运用就非常广泛。水射流的运用来源于采矿业，后来较多用于工业清洗、工业除锈和工业切割。1. 磨料流加工磨料流加工是水射流加工的一种方式。磨料射流是在水射流中混入磨料颗粒即成为磨料射

9、流。磨料射流的引入大大提高了液体射流的作用效果，使得射流在较低压力下即可进展除锈、切割等作业；或者在同等压力下大大提高作业效率。因此，普通情况下水射流的工业切割均采用磨料射流介质。 2. 其他水射流加工技术高压水射流及磨料射流不仅可运用于金属与非金属的切割，还可用于车削、磨削、铣削、钻孔、抛光等。射流或磨料射流可在4 mm薄板上加工出直径0.4mm的小孔，也可在金属内钻出几百毫米的长孔；可车削出内外螺纹；可在直径20 mm的棒材上加工出0.15mm的薄片；对金属或其他脆性资料进展高精度铣削，深度误差可控制在0.025mm以内；对硬质资料进展外表抛光等。11.4 等离子体加工等离子体加工11.4

10、.1 根本原理以下图所示为等离子体加工原理表示图。该安装由直流电源供电，钨电极5接阴极，工件9接阳极。利用高频振荡或瞬时短路引弧的方法，使钨电极与工件之间构成电弧。电弧的温度很高，使工件气体的原子或分子在高温中获得很高的能量。其电子冲破了带正电的原子的束缚，成为自在的负电子，而原来呈中性的原子失去电子后成为正离子，这种电离化的气体，正负电荷的数量依然相等，从整体看呈电中性，称之为等离子体电弧。在电弧外围不断送入工质气体，盘旋的工质气流还构成与电弧柱相应的气体鞘，紧缩电弧，使其电流密度和温度大大提高。采用的工质气体有氮、氩、氦、氢或是这些气体的混合。11.4.2 资料去除速度和加工精度 等离子体

11、切割的速度是很高的，成形切割厚度为25mm的铝板时的切割速度为760mm/min，而厚度为6.4mm钢板的切割速度为4 060mm/min，采用水放射可添加碳钢的切割速度，对厚度为5mm的钢板，切割速度为6 100mm/min。切边的斜度普通为27，当仔细控制工艺参数时，斜度可坚持在12之间。对厚度小于25mm的金属，切缝宽度通常为2.55mm；厚度达150mm的金属，切缝宽度为1020mm。等离子体加工孔的直径在10mm以内，钢板厚度为4mm时，加工精度为0.25mm，当钢板厚度达35mm，加工孔或槽的精度为0.8mm。加工后的外表粗糙度Ra通常为1.63.2，热影响层分布的深度为15mm，

12、决议于工件的热学性质、加工速度、切割深度，以及所采用的加工参数。11.4.3 设备和工具简单的等离子体加工安装有手持等离子体切割器和小型手提式安装；比较复杂的有程序控制和数字程序控制的设备、多喷嘴的设备；还有采用光学跟踪的设备。任务台尺寸达13.4m25m，切割速度为506 100mm/min。在大型程序控制成形切削机床上可安装先进的等离子体切割系统，并配备有喷嘴的自顺应控制，以自动寻觅和坚持喷嘴与板材的正确间隔。除了平面成形切割外，还有用于车削、开槽、钻孔和刨削的等离子体加工设备。11.4.4 实践运用等离子体加工已广泛用于切割。各种金属资料，特别是不锈钢、铜、铝的成形切割，已获得重要的工业

13、运用。它可以快速而较整齐地切割软钢、合金钢、钛、铸铁、钨、钼等。切割不锈钢、铝及其合金的厚度普通为3100mm。等离子体还用于金属的穿孔加工。此外，等离子体弧还作为热辅助加工。这是一种机械切削和等离子电弧的复合加工方法，在切削过程中，用等离子电弧对工件待加工外表进展加热，使工件资料变软，强度降低，从而使切削加工具有切削力小、效率高、刀具寿命长等优点，已用于车削、开槽、刨削等。11.5 挤挤 压压 珩珩 磨磨挤压珩磨在国外称磨料流动加工(Abrasive Flow Machining，AFM)，是20世纪70年代开展起来的一项外表加工的新技术，最初主要用于去除零件内部通道或隐蔽部分的毛刺而显示出

14、优越性，随后扩展运用到零件外表的抛光。11.5.1 根本原理挤压珩磨是利用一种含磨料的半流动形状的黏弹性磨料介质、在一定压力下强迫在被加工外表上流过，由磨料颗粒的刮削作用去除工件外表微观不平资料的工艺方法。 11.5.2 挤压珩磨的工艺特点(1) 适用范围：由于挤压珩磨介质是一种半流动形状的黏弹性资料，它可以顺应各种复杂外表的抛光和去毛刺，如各种型孔、型面，像齿轮、叶轮、交叉孔、喷嘴小孔、液压部件、各种模具等，所以它的适用范围是很广的，而且几乎能加工一切的金属资料，同时也能加工陶瓷、硬塑料等。(2) 抛光效果：加工后的外表粗糙度与原始形状和磨料粒度等有关，普通可降低为加工前外表粗糙度值的非常之

15、一，最低的外表粗糙度Ra可以到达0.025。磨料流动加工可以去除在0.025mm深度的外表剩余应力，可以去除前面工序(如电火花加工、激光加工等)构成的外表蜕变层和其他外表微观缺陷。(3) 资料去除速度：挤压珩磨的资料去除量普通为0.010.1mm，加工时间通常为15min，最多十几分钟即可完成，与手任务业相比，加工时间可减少90%以上，对一些小型零件，可以多件同时加工，效率可大大提高。对多件装夹的小零件的消费率每小时可达1 000件。(4) 加工精度：挤压珩磨是一种外表加工技术，因此它不能修正零件的外形误差。切削均匀性可以坚持在被切削量的10%以内，因此，也不至于破坏零件原有的外形精度。由于去

16、除量很少，可以到达较高的尺寸精度，普通尺寸精度可控制在微米的数量级。11.5.3 黏弹性磨料介质黏弹性磨料介质由一种半固体、半流动性的高分子聚合物和磨料颗粒均匀混合而成。这种高分子聚合物是磨料的载体，能与磨粒均匀黏结，而与金属工件那么不发生黏附。它主要用于传送压力，携带磨粒流动以及起光滑作用。11.5.4 夹具夹具是挤压珩磨的重要组成部分，是使之到达理想效果的一个重要措施，它需求根据详细的工件外形、尺寸和加工要求而进展设计，但有时需经过实验加以确定。夹具的主要作用除了用来安装、夹紧零件、包容介质并引导它经过零件以外，更重要的是要控制介质的流程。由于黏弹性磨料介质和其他流体的流动一样，最容易经过

17、那些路程最短、截面最大、阻力最小的途径。为了引导介质到所需的零件部位进展切削，可以对夹具进展特殊设计，在某些部位进展阻挠、拐弯、干扰，迫使黏弹性磨料经过所需求加工的部位。 11.5.5 挤压珩磨的实践运用挤压珩磨可用于边缘光整、倒圆角、去毛刺、抛光和少量的外表资料去除，特别适用于难以加工的内部通道抛光和去毛刺。挤压珩磨曾经运用于硬质合金拉丝模、挤压模、拉伸模、粉末冶金模、叶轮、齿轮、燃料旋流器等的抛光和去毛刺，还用于去除电火花加工、激光加工等产生的热影响层。11.6 光光 刻刻 技技 术术光刻(photolithography)也称照相平版印刷，它源于微电子的集成电路制造，是在微机械制造领域运

18、用较早并仍被广泛采用且不断开展的一类微细加工方法。光刻是加工制造半导体构造或器件和集成电路微图形构造的关键工艺技术，其原理与印刷技术中的照相制版类似：在硅等基体资料上涂覆光致抗蚀剂(或称为光刻胶)，然后利用极限分辨率极高的能量束来经过掩模对光致抗蚀剂层进展曝光(或称光刻)。经显影后，在光致抗蚀剂层上获得了与掩模图形一样的极微细的几何图形，再利用刻蚀等方法，在工件资料上制造出微型构造。 光刻技术普通由以下根本的工艺过程构成，如以下图所示 11.6.2 光刻加工运用及关键技术光刻加工中的关键技术主要包括掩模制造、曝光技术、刻蚀技术等。1. 光刻掩模制造掩模的制造技术发源于光刻，而后在其开展中逐渐独

19、立于光刻技术。制造工艺可分为幅员设计、掩模原版制造、主掩模制造和任务掩模制造四个主要阶段。 2. 曝光技术1) 远紫外曝光技术2) 电子束曝光技术3) 离子束及其曝光技术4) X射线曝光技术3. 刻蚀技术化学刻蚀是经过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反响将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。大多数化学刻蚀是不易控制的各向同性刻蚀。其最大缺陷就是在刻蚀图形时容易产生塌边景象，即在纵向刻蚀的同时，也出现侧向刻蚀，以致使刻蚀图形的最小线宽遭到限制。通常、采用刻蚀系数Kf来反映刻蚀向纵向深化和向侧向刻蚀的情况，刻蚀系数表示为Et=2D/(W2-W1)=D/R。11.6.3 光刻技术的极限和开展前景1. 相移

20、掩模技术 相移掩模是相对于传统的透射掩模(TM)或振幅掩模而言的。振幅掩模上凡透光部分所透过的光波相位都是一样的，而振幅不同。而相移掩模那么是掩模上透过的光波相位处处不同，相邻区域相位差为180，而振幅能够一样，也能够不同，随相移掩模种类而定。相移掩模上，在指定的一些透光区域中部分地添加一层适当厚度的透明介质层，即所谓的相移器或相移层，来改动该处透过光的相位，使与无相移器区域透过光波之间有180相位差，从而改善硅片上光学像的对比度，提高分辨率，同时焦深、像亮度曝光量和宽容度也得到改善。2. CQUEST和SHRINC技术CQUEST的原理是选择和控制用于微细图构成像的照明光，使经过透镜的光程到

21、达优化，以提高像质和添加焦深。 SHRINC方法也可用在准分子激光照明情况下，并可与相移掩模结合运用。当与i线分步重步光刻机结合时，可用于大规模消费64 Mbit DRAM；当与KrF准分子激光光刻结合时，可用于大规模消费256 Mbit DRAM；进一步与ArF(193 nmm)准分子激光光刻和相移掩模结合，可望用于1 Gbit DRAM的消费。11.7 磁性磨料加工磁性磨料加工磁性磨料研磨加工按磨粒的形状分为干性研磨和湿性研磨两种。干性研磨运用的磨料是干性磨料；湿性研磨是将磨料与不同的液体混合。这两种方式都能进展抛光、去毛刺和棱边倒圆。这里主要引见干性磁力研磨。11.7.1 加工原理 干性

22、磁力研磨的表示图如右图所示。把磁性磨料放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线的方向有序地陈列成磁力刷。把工件放入N-S磁极中间，并使工件相对N极和S极坚持一定的间隔，当工件相对磁极作相对运动时，磁性磨料将对工件外表进展研磨加工。11.7.2 磁性磨料磁性磨料的制造工艺虽不完全一样，但运用的原资料是根本一样的。常用的原料是铁加普通磨料(例如A12O3、SiC等)。普通的制造方法是将一定粒度的A12O3或SiC与铁粉混合、烧结，然后粉碎、挑选，制成一定尺寸的磁性磨料，如右图所示。11.7.3 加工工艺参数对加工质量的影响1. 磁场强度的影响加工间隙中的磁感应强度大小可以经过改动励磁电压的大小来控制。当励磁电压一定时，磁性磨料遭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。