现代加工技术第8章-其他现代加工方法课件

现代加工技术第8章其他现代加工方法8.1.化学加工1化学蚀刻加工化学加工是利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件尺寸和形状的一种加工方法。i加工原理化学蚀刻加工的原理、特点和应用范围I先把工件非加工表面用来腐蚀性涂层保护起来，需要加工的表面露出来，浸入化学溶液中进行腐蚀，使金属按特定的部位溶解去处，达到加工的目的。溶解的速度与工件材料的种类及溶液成分有关；7/27/20232第8章其他现代加工方法8.1.化学加工1化学蚀刻加工ii加工特点：化学蚀刻加工的原理、特点和应用范围I可加工任何难切削的金属材料；适合大面积加工，可同时加工多件；加工过程不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度可达Ra2.5~Ra1.25；加工操作比较简单；不适宜于加工窄而深的槽、型孔；原材料中的缺陷和表面不平度、划痕等不易消除；腐蚀液对设备和人体有危害；7/27/20233第8章其他现代加工方法8.1.化学加工1化学蚀刻加工iii应用范围：化学蚀刻加工的原理、特点和应用范围I主要用于较大工件的金属表面厚度减薄加工，特别是不利于机械加工的薄壁、内表面层的金属蚀刻；用于在厚度小于1.5的薄壁零件上加工复杂的型孔；7/27/20234第8章其他现代加工方法8.1.化学加工1化学蚀刻加工i涂覆：化学蚀刻加工的工艺过程II清除工件表面油污、氧化膜，在相应的腐蚀液中预腐蚀；保护层必须具备良好的耐酸、碱性能，并在蚀刻过程中粘结力不下降；常用保护层材料：氯丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶；涂覆方式：刷涂、喷涂、浸涂；涂层均匀，不允许有气泡和杂质，涂后经一定时间和适当温度固化；7/27/20235第8章其他现代加工方法8.1.化学加工1化学蚀刻加工ii刻型或划线：化学蚀刻加工的工艺过程II根据样板的形状和尺寸，把待加工表面的涂层去掉；腐蚀速度受溶液成分、溶液浓度、温度和晶相组织影响；iii腐蚀7/27/20236第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工i原理照相制版的原理和工艺I光学照相制版和光刻相结合的一种精密微细加工技术；用照相感光来确定工件表面要蚀除的图形、线条；将图像拍摄到照相底片上，经光化学反应将图像复制到涂有感光胶的铜板或锌版上，再经过紧膜固化处理使感光胶具有一定的抗腐蚀能力，最后经过化学腐蚀，得到所需的图形的金属板。7/27/20237第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工ii工艺过程照相制版的原理和工艺I原图和照相：原图是将所需图像按一定比例放大描绘在纸上或刻在玻璃上，通过照相将原图按需要缩小在照相底片上；金属板和感光胶的涂覆：金属板多采用微晶锌版和紫铜板，常用感光材料有聚乙烯醇、骨胶、明胶等；7/27/20238第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工ii工艺过程照相制版的原理和工艺I曝光、显影和坚膜：固化：进一步提高感光坚膜后的胶膜的抗腐蚀能力；7/27/20239第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工ii工艺过程照相制版的原理和工艺I腐蚀：在腐蚀液中添加保护剂进行侧壁保护或有粉腐蚀法；7/27/202310第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工i光刻加工的原理、特点和应用范围光刻加工的原理和工艺II光刻是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩模版上的图形精确的印刷在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀；尺寸精度高，可达0.01~0.005；半导体器件和集成电路制造的关键工艺之一；精密产品零部件；7/27/202311第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工ii光刻加工的工艺过程光刻加工的原理和工艺II7/27/202312第8章其他现代加工方法8.1.化学加工2光化学腐蚀加工ii光刻加工的工艺过程光刻加工的原理和工艺II原图和掩模版的制备：涂覆光致抗蚀剂：对光敏感的高分子溶液；曝光：直接接触式曝光、光学投影式曝光；腐蚀：不同的光刻材料，采用不同的腐蚀液，腐蚀方法多样；去胶：去除腐蚀后残留在衬底表面的抗蚀胶膜；7/27/202313第8章其他现代加工方法8.1.化学加工3化学抛光i原理：化学抛光的原理和特点I一般用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，氧化层又能逐渐溶入溶液，表面微凸处氧化快而多，同样微凸处的氧化层溶解和扩散快，因此使工件表面被平整。改善工件表面粗糙度或使表面平滑化和光泽化。7/27/202314第8章其他现代加工方法8.1.化学加工3化学抛光化学抛光的原理和特点I抛光效果不如电解抛光，抛光废液处理较麻烦；可以大面积或多件抛光薄壁、低刚性零件；可以抛光内表面和形状复杂零件；不需电源、设备简单；ii特点：7/27/202315第8章其他现代加工方法8.1.化学加工3化学抛光化学抛光的工艺要点和应用II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；抛光时要严格控制温度和时间；要根据材料、溶液成分经试验得出温度和时间的最佳值；i金属的化学抛光：常用氢氟酸和硝酸、硫酸的混合溶液或双氧化和氢氧化铵的水溶液；ii半导体材料的化学抛光：7/27/202316第8章其他现代加工方法8.1.化学加工4化学镀膜化学镀膜的原理和特点I在含金属盐溶液的镀液中加入一种化学还原剂，将镀液中的金属原子还原后沉积在被镀零件表面；被镀工件可为任何材料；目的：在金属或非金属表面上镀一层金属，起装饰、防腐蚀或导电作用；i原理：镀层厚度均匀；ii特点：不需电源、设备简单，镀液可再生使用；7/27/202317第8章其他现代加工方法8.1.化学加工4化学镀膜化学镀膜的工艺要点及应用II镀铜主要用硫酸铜，镀镍主要用氯化镍，镀铬用溴化铬，镀钴用氯化钴；应用最广的是镀镍、钴、铬、锌，其次是铜、锡；i工艺要点：还原剂：次磷酸钠、次硫酸钠、酒石酸钾钠、葡萄糖；ii应用：7/27/202318第8章其他现代加工方法8.2.等离子体加工1基本原理利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部溶化及气化来去除材料。机械压缩效应I等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量之后，离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子所组成。电弧在被迫通过喷嘴通道时，通道对电弧产生机械压缩作用；喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大；7/27/202319第8章其他现代加工方法8.2.等离子体加工1基本原理热收缩效应II喷嘴内部通入冷却水内壁受到冷却，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性差，电弧中心电离度高，电弧电流被迫在电弧中心通过，使电弧有效截面积缩小，电流密度增加；高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却越充分，则热收缩效应越强烈；7/27/202320第8章其他现代加工方法8.2.等离子体加工1基本原理如果喷嘴接直流电的阳极，钨电极接阴极，使钨电极与喷嘴内壁之间发生电弧放电，吹入的工质气体受电弧作用加热膨胀从喷嘴喷出形成射流——等离体射流，使喷嘴前的材料充分加热，主要用于喷镀和热处理。磁收缩效应III电弧周围的磁场迫使电弧产生强烈的收缩作用，使电弧变细，电弧区中心电流密度更大；三种效应使等离子体电弧中心温度高达11000~28000℃；7/27/202321第8章其他现代加工方法8.2.等离子体加工2材料去除速度和加工精度成型切割厚度为25的铝板时的速度为760mm/min，厚度6.4的钢板速度为4060mm/min；I切边斜角一般为2º~7º，切缝宽度为2.5~5；II表面粗糙度Ra1.6~3.2；III7/27/202322第8章其他现代加工方法8.2.等离子体加工3设备和工具手持等离体切割器和小型手提式装置；I复杂的数控设备；II合金钢冶炼；III4实际应用切割金属；I热辅助加工；II表面处理；IV7/27/202323第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术1RPM技术的产生与发展80年代末RPM技术首先在美国问世；I工业国家称RPM技术是继数控技术后又一场技术革命；II我国92年进入RPM领域；III清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程；IV我国MRP许多关键技术达到或领先国际先进水平；V7/27/202324第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术2RPM技术原理快速原型制造系统是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。i可以制造任意复杂的三维几何实体；RPM技术的特点IiiCAD模型直接驱动；iii成形设备无需专用夹具或工具；iv成形过程无人干预或较少干预；7/27/202325第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术2RPM技术原理RPM技术的原理II采用离散/堆积成形原理；喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末7/27/202326第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术2RPM技术原理i零件CAD模型的建立；RPM技术的原理IIii数据转换文件的生成；iii分层切片；（离散）iv快速堆积成形；（堆积）7/27/202327第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术3典型的RPM工艺方法以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。SL（Stereolithography）光固化法I7/27/202328第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术3典型的RPM工艺方法单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割—粘合—切割……直到整个零件模型制作完成。该法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。LOM（LamitedObjectManufacturing）迭层法II7/27/202329第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术3典型的RPM工艺方法采用CO2激光器作能源，在工作台上均匀辅上一层很薄的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。激光选区烧结/SLS法（SelectiveLaserSintering）III1-激光器2-激光窗3-加工平面4-生成零件5-原料粉末6-铺粉滚筒

成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。7/27/202330第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术3典型的RPM工艺方法保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1℃左右）。FDM喷头受CAD分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025～0.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。FDM（FusedDepositionModeling）熔融沉积法IV7/27/202331第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用快速产品开发IRPM在医学领域的应用II7/27/202332第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III硅橡胶浇注法树脂浇注法精密铸造陶瓷模具电镀法制作金属模金属熔射喷涂法制作金属模熔模制造模具ii直接制模7/27/202333第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III硅橡胶浇注法：以RPM原型为母模，采用硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶软模。对RPM原型进行表面处理，并涂洒脱模剂；将原型放置模框并进行固定，在真空室配制硅橡胶；抽去气泡，向模框内浇注混合的硅橡胶液；硅橡胶固化后开模，取出原型。7/27/202334第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III树脂浇注法：以液态环氧树脂作为基材。对RPM原型进行表面处理，并涂洒脱模剂；确定分型面；环氧树脂浇注；取出原型。7/27/202335第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III精密铸造陶瓷型模具：RPM原型制造；复制硅橡胶或环氧树脂软模；移去母模原型；利用软模浇注或喷涂陶瓷浆料并硬化；浇注金属形成金属模；金属模型腔表面抛光；加入浇注系统和冷却系统；7/27/202336第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III电铸法制作金属模：RPM原型制造；复制硅橡胶或环氧树脂软模；移去母模原型；利用软模浇注石蜡石膏模型；石蜡石膏模型表面金属化处理；电铸、形成金属硬壳；制作背衬；加入浇注系统和冷却系统；7/27/202337第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III金属熔射喷涂法制作金属模：RPM原型表面处理；原型喷涂雾状金属、形成金属硬壳；制作背衬；加入浇注系统和冷却系统；7/27/202338第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用i间接制模快速模具制造III熔模制作模具：RPM原型制造；制作蜡模压型；蜡模；利用蜡模熔模铸造成金属模；7/27/202339第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术4RPM技术的应用快速模具制造III采用LOM工艺的纸基原型，经过适当的表面处理，可作为砂型铸造的木模，低熔点合金的铸模，注塑模；利用SLS工艺烧结有聚合物包覆的金属粉末，可得到金属的实体原型，经过对该原型进行后处理可直接得到金属模；ii直接制模iii快速制作电火花机床所用的金属电极和石墨电极；7/27/202340第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术5RPM技术的发展趋势i从制造目标来说，RPM主要用于不同制造目标相对独立发展I快速概念设计原型制造快速模具原型制造快速功能测试原型制造快速功能零件制造ii快速概念设计原型制造和快速模具原型制造将是研究和商品化的重点；iii快速测试计原型制造使用范围的限制和特点不够鲜明，快速功能零件制造技术难度大；7/27/202341第8章其他现代加工方法8.3.快速原型制造技术5RPM技术的发展趋势i由于大型模具的制造难度和RPM的优势，RPM市场将有一定比例被大型模具制造所占据；向大型制造和微型制造进军；IIiiSL的一个重要发展方向是微米印刷，以制造微米零件；追求RPM更快的制造速度，更高的精度，更高的可靠性；IIIRPM的设备安装使用外设化和智能化；IVRPM标准化，与制造行业相融合；V7/27/202342第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工1基本原理磁性研磨的原理在本质上和机械研磨相同，只是磨料是导磁的，磨料作用在工件表面的研磨力是磁场形成的；磁场将磁性磨料吸压在加工件表面；I磁性磨料在加工间隙间沿磁力线排列，形成弹性磁刷；II旋转磁场或旋转工件以形成相对磨削运动；III7/27/202343第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工2磁性磨料研磨加工特点自锐性好，磨削能力强，加工效率高；I在磁场作用下，磨粒不断地重新排列；磁性研磨温升小，工件变形小；II磨粒与工件作用时间短；磁性研磨切削深度小，加工表面平整光洁；III“磁刷”是具有一定刚度的柔性刷；工件表面交变励磁，提高了工件表面的物理和化学性能；IV工件表面反复充电，强化了表面的电化学过程，改变了表面应力状态；7/27/202344第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工2磁性磨料研磨加工特点无粉尘、废液和噪声污染，工作环境好；V磁场吸附切屑，“软磁刷”噪音较小；加工范围广，工艺适应性强；VI加工复杂的内、外表面；加工设备简单，不需要砂轮、油石、带传动等；VII磁性磨料更换方便；VIII7/27/202345第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工3设备和工具一般用台钻、立钻或车床改装；I小型零件的磁力系统采用永磁材料，大中型零件采用电磁铁；II磁性磨料是铁粉或铁合金的粉末与磨料加入粘结剂烧结而成；III7/27/202346第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工4设备分类：恒磁场，依靠磁性加工工具与加工表面相对移动来加工；I磁性磨料移动的距离小；采用易于磁化和退磁的铁磁性磨料，具有高的饱和磁化强度；7/27/202347第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工4设备分类：恒磁场；I7/27/202348第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨加工4设备分类：恒磁场；I7/27/202349第8章其他现代加工方法8.4.磁性磨料研磨