先进成形与智能技术 课件 第6章 特种加工及增材制造技术

6.1电化学加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.1电化学加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造电化学加工种类电化学加工是指基于电化学作用原理去除材料(阳极溶解)或增加材料(阴极沉积)的加工技术。电化学加工分类利用电化学阳极溶解来加工利用电化学阴极沉积来加工利用电化学加工和其他加工相结合的电化学复合加工工艺6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1.电解加工基本原理和规律特性：去除材料、非接触加工工作原理：阳极的金属工件在电解液中溶解，去除材料，实现成形选用电解加工的原则：难切削材料；相对复杂形状的零件；批量大的零件电解加工成形原理图－+－+电流工具工件6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1.电解加工基本原理和规律电解加工过程指定工艺条件阳极金属溶解工具向工件进给达到加工需求电解加工时，工件接直流电源的正极，工具接电源的负极。加工开始时，阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也较高，阳极溶解速度也就较快。由于工件不断进给，使工件表面不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极工作面相似而相反的形状为止。电解加工示意图1—直流电源2—工具阴极3—工件阳极4—电解液泵5—电解液6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1.电解加工基本原理和规律电解加工电极反应阴极反应

阳极反应

6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1.电解加工基本原理和规律电解加工的基本规律法拉第定律电流效率η法拉第第一定律法拉第第二定律电极的两相界面处发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比电极上溶解或析出1mol当量任何物质所需的电量是一样的，与该物质的本性无关表征实际溶解（或沉积）金属所占的耗电量对通过总电量的有效利用率

6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2.电解加工的设备及工艺特点基本设备机床（主体）电解加工中常用的直流电源包括硅整流电源和晶闸管整流电流等，某些情况可用脉冲电流电解液系统的主要组成部件有泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀等，功能包括供液、净化、三废处理。基本设备在电解加工机床上要安装夹具、工件和阴极工具，实现进给运动电源（核心）电解液系统6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2.电解加工的设备及工艺特点工艺特点优点缺点加工范围广材料去除率高加工表面质量好不存在机械切削力加工精度不够高加工型面、型腔的阴极设计制造的工作量大设备投资大处理不当，会对周围环境造成污染6.1.1电解加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3.电解加工的应用枪、炮管膛线电解加工叶片加工电解抛光标题数字等都可以通过点击和重新输入进行更改。添加标题型孔加工和型腔加工6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造电沉积加工：是阴极沉积材料的加工工艺，与电解加工相反，是金属正离子在电场的作用下运动到阴极，并得到电子在阴极沉积下来的过程。分类电镀加工电铸加工复合镀加工涂镀加工6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1.电沉积金属质量的计算考虑到阴极电流效率，即通过阴极的电流实际只有一部分用于沉积金属，电沉积金属的质量应表示为

电流效率是评价电沉积液性能的重要参数，提高电流效率可以加快镀层的沉积速度。

6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2.电沉积加工的基本原理利用电化学原理在某些金属表面上镀上一薄层其他金属或合金。阳极：镀层金属阴极：待镀工件电镀液：含镀层金属阳离子的溶液（1）电镀原理6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造在直流电源作用下，阳极上的金属原子交出电子成为正金属离子进入电铸液，并进一步在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀覆在阴极原模表面，阳极金属源源不断地成为金属离子补充进入电铸液，保持质量分数基本不变，阴极原模上电铸层逐渐加厚，当达到预定厚度时即可去除，设法与原模分离，即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件。电铸加工原理图1—电铸槽2—阳极3—直流电源4—电铸层5—原模（阴极）6—搅拌器7—电铸液8—过滤器9—泵10—加热器2.电沉积加工的基本原理（2）电铸原理6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造复合镀的基本原理与电镀相似。只是其在金属工件表面镀复金属镍或钴的同时，将磨料作为镀层的一部分也一起镀到工件表面上，故称为复合镀。2.电沉积加工的基本原理（3）复合镀原理6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造涂镀又称刷镀或无槽电镀，是在金属工件表面局部快速电化学沉积金属的技术。涂镀加工原理图1—工件2—镀液3—电源4—镀笔5—脱脂棉套6—容器转动的工件1接直流电源3的负极，正极与镀笔相接，镀笔端部的不溶性石墨电极用外包尼龙布的脱脂棉套5包住镀液2饱蘸在脱脂棉中或另再浇注，多余的镀液流回容器6。镀液中的金属正离子在电场作用下在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面，从而获得性能良好的沉积层。2.电沉积加工的基本原理（4）特殊形式电沉积加工原理(涂镀)6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造喷射电沉积又称射流电沉积，属于电沉积新技术之一，它是一种局部高速电沉积技术，由于其具有非常特殊的流场及电场，因此在传质速率、扩散层厚度、极限电流密度等方面与常规电沉积具有很大的差异，可以认为是电沉积技术中的一种特种技术。

电沉积时，一定流量和压力的电解液从阳极喷嘴垂直喷射到阴极表面，使得电沉积反应在喷射流与阴极表面冲击的区域发生。电解液的冲击不仅对镀层进行了机械活化，同时还有效地减少了扩散层的厚度，改善了电沉积过程，使镀层组织致密，晶粒细化，性能提高。2.电沉积加工的基本原理（4）特殊形式电沉积加工原理（喷射电沉积）6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3.电沉积加工的设备及工艺特点电镀设备镀前处理处理中镀后处理磨、抛光机、刷光机、喷砂机、滚光机、各类固定槽各类固定槽、滚镀槽、挂具、吊篮等磨、抛光机、各类固定槽（1）电沉积加工的基本设备1）电镀设备6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3.电沉积加工的设备及工艺特点（1）电沉积加工的基本设备2）电铸设备电镀设备电铸槽直流电源搅拌和循环过滤系统由铅板、由铅板、橡胶或塑料等耐腐蚀的材料作为衬里，小型的可用陶瓷、玻璃或搪瓷容器。和电解、电镀电源类似，电压3~20V可调，电流和功率能满足15~30A/dm2即可，一般常用硅整流或晶闸管直流电源。减少浓差极化，加大电流密度，提高电铸质量。过滤器的作用是除去溶液中的固体杂质微粒，常用玻璃棉、丙纶丝、泡沫塑料或滤纸芯筒等过滤材料。加热和冷却装置电铸的时间较长，为了使电铸液保持温度基本不变，需有加热冷却和恒温控制装置。常用蒸汽或电热加温，用吹风或自来水冷却。6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3.电沉积加工的设备及工艺特点（1）电沉积加工的基本设备3）涂镀设备涂镀设备：包括电源、镀笔、镀液及泵等。电源：涂镀所用直流电源与电解、电镀、电解磨削等所用的相似，电压在3~30V无级可调，电流30~100A视所需功率而定。镀笔：镀笔由手柄和阳极两部分组成。阳极采用不溶性的石墨块制成，防止阳极与工件直接接触短路和滤除阳极上脱落下来的石墨微粒，在石墨块外面需包上一层脱脂棉和一层耐磨的涤棉套。镀液：涂镀用的镀液，根据所镀金属和用途不同有很多种，比槽镀用的镀液有更高的离子质量分数，由金属络合物水溶液及少量添加剂组成。镀液中还包括电净液和活化液等，以便镀表面进行预处理。6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3.电沉积加工的设备及工艺特点（2）电沉积加工的工艺特点电镀工艺特点形成金属光泽，具有良好的美观效果提高物品的耐腐蚀性、使用寿命和稳定性大规模、连续、自动地制造产品，从而提高了制造效率和降低了生产成本电铸工艺特点准确、精密地复制复杂型面和细微纹路获得尺寸精度高、表面粗糙度小的复制品，同一原模生产的电铸件一致性好可把复杂零件的内表面复制为外表面，外表面复制为内表面复合镀工艺特点设备投资少，操作简单，原材料利用率较高同一基质金属可以镶嵌多种性质各异的固体颗粒，适用范围要较广可以按需在零部件表面上获得一定厚度镀层复合镀层对基体材料本身的物理机械性能的影响很小涂镀工艺特点不需镀槽，可局部表面进行涂镀，操作简单，灵活性强涂镀液、涂镀的金属种类多，易实现复合镀层镀层与基体的结合力牢固，涂镀速度快，厚薄可控需手工操作，工作量大，难批量生产6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4.电沉积加工的应用电铸加工的应用复制精细的表面轮廓，如唱片等复制注塑用的模具、电火花型腔加工用的电极工具制造复杂、高精度的空心和薄壁零件，如波导管等制造表面粗糙度标准样块、表盘等特殊零件涂镀加工的应用修补表面被磨损的零件，如轴类零件的磨损修补补救尺寸超差的零件修补表面划伤、空洞、锈蚀等缺陷，例如机床导轨的修补大型、复杂工件表面的局部镀金属，或非金属零件的金属化复合镀加工的应用金刚石套料刀具及小孔加工刀具，如牙科钻可制造锥角较大近似平面的刀具，如制造电镀金刚石气门铰刀可制造金刚石小锯片，切割建筑材料电镀加工的应用加入镀层金属提高零件的性能，如钢铁基体表面防腐蚀的镀锌层等应用于零件再制造修复过程，如发动机中的磨损连杆电镀铜来修复6.1.2电沉积加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造课后习题简述电化学加工的原理和种类。电解加工中，何谓电流效率？喷射电沉积和传统电沉积有何区别？THANKS6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2高能束流加工概述电子束加工激光加工离子束加工高能束流加工是一种利用高能粒子束（如电子束、离子束）或高能光束（如激光束）对材料进行加工的技术该技术通过高能束流与材料的相互作用，在微观层面改变材料的组织结构和性能，从而实现对材料形状、尺寸及表面性能等的精确控制在真空中利用加速聚焦的电子束高速冲击工件表面，通过热效应或辐射效应实现特定工艺目的的技术。通过光热效应引发高温熔融及冲击波共同作用的综合加工过程。利用高速离子束实现材料表面的精确去除、改性或处理的加工技术。6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.1电子束加工1.电子束加工的基本原理能量密度大小注入时间不同的加工目的1-电子枪2-聚焦系统3-电子束4-工件5-电源及控制系统6-真空系统在真空条件下，电子束通过电子枪加速、聚焦后，以极高的速度冲击到工件表面的微小部位，导致材料局部熔化或蒸发，从而实现对材料的加工。6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.1电子束加工2.电子束加工的设备及工艺特点工艺特点束斑极小能量密度高工件变形小生产率高可控性好无污染成本高1-工作台系统2-偏转线圈3-电磁透镜4-光阑5-加速阳极6-控制栅极7-发射电子的阴极8-光学观察系统9-带窗真空室门10-工件6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.1电子束加工3.电子束加工的应用加工的应用高速打孔热处理电子束光刻6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.2激光加工1.激光加工的基本原理激光加工是一种重要的高能束流加工方法，利用光热效应产生的高温熔融和冲击波进行加工。1-电源2-激光器3-透镜4-平面镜5-聚焦镜6-工件7-机械系统6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.2激光加工2.激光加工的设备及工艺特点基本设备包括激光器电源光学系统机械系统常用的激光器按激活介质种类固体激光器气体激光器工艺特点适应性强加工效率高加工质量好综合效益高6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.1激光加工3.激光加工的应用激光加工的应用极其广泛在打孔、切割、焊接以表面淬火、冲击强化、表面合金化、表面融覆等表面处理的众多加工领域都得到了成功的应用激光打孔激光切割激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝质量好、热影响区小、加工柔性大等优点，在现代工业中得到广泛应用，是激光加工技术中最为成熟的技术之一是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要领域之一，利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔激光焊接用激光作为热源对材料进行加热，使材料熔化而连接6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.3离子束加工1.离子束加工的基本原理在真空条件下，将离子源产生的离子经过加速聚焦，利用产生高能离子束流射到材料表面，使材料发生变形、破坏、分离，从而实现加工。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。a）离子刻蚀b）溅射沉积c）离子镀d）离子注入6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.3离子束加工2.离子束加工的设备及工艺特点离子束加工装置与电子束加工装置类似，也包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。离子源用以产生离子束流。使原子电离的办法是把要电离的气态原子注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体。用一个相对于等离子体具有负电位的电极，就可从等离子体中引出正离子束流。根据离子束产生方式和用途的不同，离子源有很多形式，常用的有考夫曼型离子源和双等离子体型离子源。6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.3离子束加工2.离子束加工的设备及工艺特点考夫曼型离子源示意图双等离子体型离子源示意图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-阴极8-引出电极9-阳极10-电离室1-加工室2-离子枪3-阴极4-中间电极5-电磁铁6-阳极7-控制电极8-引出电极9-离子束10-静电透镜11-工件6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.3离子束加工2.离子束加工的设备及工艺特点优点缺点尺寸精度高污染少加工应力小成本较高加工效率底应用范围有一定限制6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.2.3离子束加工3.离子束加工的应用加工的应用刻蚀加工镀膜加工离子注入加工离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制。6.2高能束流加工战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造课后习题1、试述激光加工的能量转化过程，以及它是如何从电能转化为光能又转化为热能来加工材料的。2、电子束加工和离子束加工在原理上有何异同？3、离子束、激光束三者相比，在工艺和应用范围上各有何特点？THANKS6.3增材制造技术技术概述与核心工艺解析战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.1增材制造技术概述减材制造车、铣、刨、磨等锻造、锻压、注塑等等材制造激光粉末床熔融等增材制造铣削激光增材锻压6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.1增材制造技术概述等材/减材工艺增材制造过程受限于刀具/模具，复杂形状小批量定制困难增材制造——适用于复杂形状、小批量定制丝材液材片材粉材6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.1增材制造技术概述增材制造依据三维计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）模型数据，通过数字驱动逐层堆积的方式将粉材、丝材、液材和片材等各种形态的材料成形为三维实体。6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.1增材制造技术概述1.增材制造技术的内涵增材制造具有数字化、智能化的特征，其工作阶段分为数据处理过程和叠层制作过程。对三维CAD模型进行平面或曲面分层“切片”处理，将三维CAD数据分解为若干二维数据。数据处理过程依据分层的二维数据，采用某种工艺制作与数据分层厚度相同的薄片实体，将每层薄片叠加起来，构成三维实体，从而实现从二维薄片到三维实体的成形。叠层制作过程6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2.增材制造技术的发展6.3.1增材制造技术概述技术设备出现021986年：美国工程师赫尔（CharlesW.Hull）发明了光固化成形技术，获得专利。1989年-德克萨斯大学的卡尔·德克（CarlDeckard）-激光选区烧结1989年-斯科特·克拉姆普（ScottCrump）-熔融沉积成形（1992年，Stratasys公司获得专利）赫尔的光固化工作原理示意图CharlesW.Hull概念雏形初现0120世纪80年代，起源于日本、美国等国016.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2.增材制造技术的发展6.3.1增材制造技术概述快速发展阶段2000年代开始，在航空航天、医疗等制造领域开始应用金属增材制造技术开始兴起并快速发展增材制造不再仅限于快速原型制造，而是逐渐用于小批量生产和定制化生产036.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.1增材制造技术概述3.增材制造技术的典型工艺工艺类型工艺说明主要工艺技术名称粉末床熔融（PowderBedFusion）热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺激光粉末床熔融（LPBF）；激光粉末床烧结（LPBS）；电子束粉末床熔融（EBPBF)定向能量沉积(Directed

EnergyDeposition)聚焦热能将材料同步熔化沉积的增材制造工艺激光近净成形（LENS)，亦称激光立体成型(LSF)；电子束熔丝沉积（EBDM)；电弧熔丝增材制造（WAAM）立体光固化（VATPhotopolymerization）光致聚合作用选择性地固化液态光敏聚合物的增材制造工艺光固化成形（SLA）粘接剂喷射（BinderJetting）选择性喷射沉积液态粘结剂粘结粉末材料的增材制造工艺三维立体打印（3DP)材料挤出（MaterialExtrusion）通过喷嘴或孔口挤出材料的增材制造工艺熔融沉积成形（FDM）材料喷射（MaterialJetting）微滴形式的材料按需喷射沉积的增材制造工艺材料喷射成形（PJ）薄材叠层（SheetLamination）薄层材料逐层粘结以形成实物的增材制造工艺层压物体制造（LOM）、超声波增材制造(UAM）6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.2金属材料增材制造技术1~2.粉末床熔融增材制造技术铺粉熔化/烧结特定区域工作台下降一层成形构件激光束电子束6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.2金属材料增材制造技术3.激光近净成形技术激光近净成形技术原理图原理：把粉末状或丝状金属材料同步地送进激光辐照在基材上形成的移动熔池中，把所送进的金属材料以冶金结合的方式添加到基材上6.3.增材制造技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.2金属材料增材制造技术4.电弧增材制造技术电弧增材制造技术原理示意图原理：利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护、电弧为热源，通过熔化金属丝材，根据三维数字模型由线—面—体逐渐成形出金属实体构件战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6.3.2金属材料增材制造技术其他金属材料增材