《机械制造工艺》教学课件-第六章-现代制造技术及工艺方法

现代制造技术及工艺方法第六章01020304先进制造工艺理论高速切削技术超精密加工与纳米加工技术现代制造工艺方法05复合加工技术06光刻蚀加工307快速原型制造08机械制造自动化技术先进制造生产模式0910智能制造技术第一节先进制造工艺理论现代制造工艺技术是先进制造技术的重要组成部分，也是最有活力的部分。产品从设计变为现实是必须通过加工才能完成的，工艺是设计和制造的桥梁，设计的可行性往往会受到工艺的制约，工艺（包括检测）往往会成为零件加工过程中的“瓶颈”，因此工艺方法和水平是十分重要的。不是所有设计的产品都能加工出来，也不是所有的产品通过加工都能达到预定的技术性能要求。工艺是生产中最活跃的因素，有了某种工艺方法才有相应的工具和设备出现，反过来，这些工具和设备的发展与进步又提高了该工艺方法的技术性能及水平，扩大了其应用范围。第一节先进制造工艺理论加工技术的发展往往是从工艺突破的。世界上制造技术比较强的国家都是非常重视工艺的，众所周知，德国、日本、美国、英国、西班牙、意大利等国的制造工艺相对比较发达，产品质量上乘、可靠。产品质量是一个综合性问题，与设计、工艺技术、管理和人员素质等多个因素有关，但与工艺技术的关系最密切。工艺技术的发展缓慢和工艺问题的不被重视又密切相关。长期以来，人们认为工艺是手艺，是一些具体的加工方法，未能上升到理论高度。但到20世纪初，工业发达国家，特别是德国非常重视制造工艺，出版了不少工作手册。到了20世纪50年代，工艺的重要性逐渐被广大学者所认识，苏联的许多学者在德国学者研究的基础上出版了《机械制造工艺学》《机械制造工艺原理》等著作，在大学开设了机械制造专业，将制造工艺作为一门学问来对待，使工艺提高到理论高度。此后，在20世纪70年代又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统，因此制造工艺技术已形成一门科学。6.1先进制造工艺理论6.1.1加工成型机理近年来在制造加工工艺理论和技术上的发展比较快，除传统制造方法外，由于加工精度、表面粗糙度等加工质量的提高，以及许多新材料的出现，特别是出现了不少新型产品的制造生产，如计算机、集成电路（芯片）、印制线路板等，与传统制造方法有很大的不同，从而开辟了许多制造工艺的新领域和新方法。这些发展主要可分为工艺理论、加工方法、制造模式、制造技术和系统等几个方面。先进制造工艺理论包括加工成型机理、精度原理、相似性原理和组成技术、工艺决策原理、优化原理等方面。6.1先进制造工艺理论6.1.1加工成型机理1.分层加工零件的成型方法有分离（去除）加工、结合（分层、堆积）加工、变形（流动）加工等。在加工成型机理上已经从分离加工（俗称减法加工）扩展到结合加工（俗称加法加工），形成了分层加工方法。分层加工的原理和分离加工的原理正好相反，它是将零件在某一方向按一定层厚分为若干薄层，逐一加工这些薄层，并在加工的同时将这些薄层依次堆积起来，即可成型。分层按其形式又可分为平面分层和曲面分层，分别如图6-1（a）、图6-1（b）所示。另一方面，它也可以将零件沿某方向按一定层厚展开成一条成型带子（通常为带材），将其加工（通常用数控剪切机）出来后再卷绕成型，如图6-1（c）所示。6.1先进制造工艺理论6.1.1加工成型机理图6-1分层加工6.1先进制造工艺理论6.1.1加工成型机理2.内加工分离加工是将毛坯通过去除总体余量而成型为零件，材料的去除加工方式可分为外切削方式和内加工方式。图6-2（a）表示了利用激光束在一个透明塑料材料内加工一个球体工件的情况，激光束通过聚集改变焦距，同时由数控系统控制其运动轨迹，加工后，球体工件留在被加工材料内，不能取出。当将被加工材料一分为二时，球体工件才能出来，如图6-2（b）所示。这种加工方法的意义在于可发展成为一种原型制造方法。例如，要加工一个齿轮零件，则可以用内加工方式先加工出齿轮，再将被加工材料切开，就可得到上、下模原型，再用其他材料翻制，便可得到齿轮的上、下模模具，从而可以制造齿轮零件。但这种加工方法就其成型原理来说，工件材料目前仅限于透光物质。6.1先进制造工艺理论6.1.1加工成型机理图6-2内加工6.1先进制造工艺理论6.1.1加工成型机理3.刀具材料随着新型材料的出现和切削速度的提高，刀具材料上出现了硬质合金、人造金刚石、立方碳化硼、陶瓷等系列，以及涂层、多元共渗、气相沉积等表面淀积工艺，同时从湿切削发展到无切削液的干切削（绿色切削）和硬（齿）表面切削等。金刚石刀具与精密加工和超精密加工的发展关系密切，由于其刀刃可磨制得相当锋利，因而出现了“极薄切削”机理，切屑厚度极限的研究为超精密加工机理的探索提供了理论基础。4.被加工材料被加工材料也从金属发展到非金属、高分子材料、半导体、陶瓷和石材等，从而发展了半导体、陶瓷和石材等多种加工工艺学。5.使用的能源零件成型使用的能源有力、电、声、化学、电子、离子、激光、磁等，十分丰富，从而发展了电火花加工、超声波加工、化学加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工、磁流变及复合加工等加工技术，由于加工上所使用的能源不同，其加工机理自然各异。6.1先进制造工艺理论6.1.2精度原理1.机械加工原理机械加工遵循的原则可分为继承性原则和创造性原则等。继承性原则又称“母性”原则、循序渐进原则或“蜕化”原则，它主要指加工用的机床（工作母机）精度一般应高于所欲加工工件的精度，这是很自然的、也是通常的选择，它能保证加工质量和生产效率。创造性原则又称“进化”原则，可分为直接创造性原则和间接创造性原则。直接创造性原则是利用精度低于工件精度要求的机床，借助工艺手段和特殊工具，直接加工出精度高于“工作母机”的工件。例如，“以粗干精”加工方法就是所用机床的精度可低于欲加工工件的精度，而是通过一些工艺措施来保证加工精度，如研磨、抛光等加工；“以小干大”原则是指加工的工件比机床要大，采用工件不动，靠机床移动进行加工，即所谓“蚂蚁啃骨头”的办法，主要用于大型零件、重型零件的加工。间接创造性原则是用较低精度的机床和工具，制造出加工精度能满足工件要求的高精度机床和工具，再用这些机床和工具加工所欲加工的工件。它先用直接创造性原则，再用继承性原则。例如，滚齿机工作台中的分度蜗轮是影响齿轮加工精度的关键零件，购买现成的加工分度蜗轮的机床是很昂贵的，而且可能买不到合适的，这时多采用自行研制的方法。6.1先进制造工艺理论6.1.2精度原理2.定位原理提出了定位与基准的概念和六点定位原理，其中包括完全定位、不完全定位、欠定位、过定位的判定，定位元件和各种基准的设计与确定。3.尺寸链原理提出了尺寸链原理，论述了尺寸链的产生和分类，建立了尺寸链的数学模型，针对线性尺寸链和角度尺寸链、工艺尺寸链和装配尺寸链提出了求解方法，并进行了计算机辅助建立和求解尺寸链的研究。4.质量统计分析原理针对加工精度等质量问题，应用数理统计学提出了分布曲线法和精度曲线法

等统计分析方法来分析与控制加工质量，取得了显著成效。6.1先进制造工艺理论6.1.3相似性原理和成组技术从相似性发展到相似性工程，我国学者在这方面有颇多建树。相似性是成组技术的理论基础，成组工艺是成组技术的核心，零件的分类成组方法是成组技术的关键问题，如我国建立了零件分类编码系统——JLBM-1系统等。在形状相似性的基础上提出派生相似性的概念，即工艺相似性、装配相似性和测量相似性等，这是对相似性的发展。针对从工艺相似性进行零件的分类成组提出了生产流程分析法，其中有关键机床法、顺序分枝法、聚类分析法、编码分类法和势函数法等。6.1先进制造工艺理论6.1.4工艺决策原理针对工艺问题的决策提出了数学模型决策（数学模型的建立和求解）、逻辑推理决策（决策树、决策表）和智能思维决策等方法，使工艺问题的决策从主观、经验的判定走向客观、科学的判断，这是一个很大的进步，同时和计算机技术结合起来，提高了判断的正确性和效率。数学模型决策是以建立数学模型并求解作为主要的决策方式。数学模型泛指公式、方程式和由公式系列构成的算法等，可分为系统性数学模型、随机性数学模型和模糊性数学模型三类。逻辑推理决策是采用确定性的逻辑推理来决策，常用的形式有决策树法和决策表法两种。决策树法是用树状结构描述、处理“条件”与“动作”之间关系的方法，如图6-3（a）所示。决策表法是用表格结构描述、处理“条件”与“动作”之间关系的方法，如图6-3（b）所示。6.1先进制造工艺理论6.1.4工艺决策原理图6-3决策树法与决策表法注：表中T为“真”，F为“假”。决策动作中的1、2、…表示动作顺序6.1先进制造工艺理论6.1.4工艺决策原理智能思维决策是依赖工艺技术人员的经验和智能思维能力来决策，即要应用人工智能。智能是运用知识解决问题的能力，学习、推理和联想是智能的三大重要因素。智能思维决策的主要方法有专家系统、模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等。机械制造工艺设计中常用的决策方式见表6-1。6.1先进制造工艺理论6.1.4工艺决策原理6.1先进制造工艺理论6.1.5优化原理将已有的优化方法应用到工艺问题的优化上，进行了单目标和多目标、单工序和多工序的工艺方案优化选择，对提高工艺方案的可行性和有效性、降低工艺成本、缩短生产周期有重要意义，这项技术也是与计算机技术密切结合的结果。机械加工优化通常要在保证质量的前提下，达到最高生产率、最低工艺成本或最大利润率。机械加工优化方法的实现首先要确定目标函数，然后选定控制参数，将选定控制参数引入目标函数的数学模型中进行求解，即可得到优化的控制参数值。单件加工成本与切削速度的关系如图6-4所示；单件加工成本与切削速度和进给量的关系图6-5所示，反映了多参数的优化问题。6.1先进制造工艺理论6.1.5优化原理图6-4单件加工成本与切削速度的关系图6-5单件加工成本与切削速度和进给量的关系第二节高速切削技术高速切削已经成为现代制造技术的重要组成部分和显著标志之一，成为制造业中装备制造工业、汽车工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门的关键技术。在工业发达国家，高速切削已是一项实用的高新技术，积极开发、应用高速切削新工艺成为企业提高加工效率和产品质量、降低制造成本、缩短交货周期从而提高竞争实力的重要举措。第二节高速切削技术高速切削加工具有高速、高精度的特点。在加工过程中应用高速切削技术，不仅可以大幅度提高零件的加工效率，缩短加工时间，降低加工成本，而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。因此，尽管高速切削技术从研究到实用只有近30年的时间，但它已广泛地应用于包括模具、工具制造及航空航天的复杂曲面、薄壁零件的加工等领域，对机械制造业产生了巨大的影响，被认为是21世纪最有发展潜力的几大技术之一。6.2高速切削技术6.2.1高速切削的概念高速切削理论的雏形是20世纪30年代德国切削专家萨洛蒙（CarlSalomon）博士首次提出的，他指出一个设想，即在常规切削速度范围内（见图6-6中A区），切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度可能不但不升高反而会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内（图6-6中B区），由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。虽然受当时实验条件的限制无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如果能越过这个“死谷”，在高速区（图6-6中C区）工作，就有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅提高生产效率。自从Salomon提出高速切削的概念以来，高速切削技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用和较成熟应用四个阶段。20世纪50年代的高速切削机理与可行性研究；70年代的工艺技术研究；80年代全面系统的高速切削技术研究；到90年代初，高速切削技术开始进入实用阶段；到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。6.2高速切削技术6.2.1高速切削的概念图6-6切削速度与切削温度的关系6.2高速切削技术6.2.1高速切削的概念高速切削是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。它所采用的切削参数要比传统工艺高出几倍、十几倍。目前，各个国家对高速切削的速度范围没有一个统一的规定。因为对不同的加工方式、不同的工件材料，高速切削的速度是不同的。因此，对此很难有一个一致的说法。通常高速切削的切削速度比常规切削速度高5～10倍。高速切削的显著标志是使被加工塑形金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，使得切除被加工材料所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具和磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。高速切削是一个相对的概念，不同的工件材料、不同的加工方式有着不同的切削速度范围，因而很难就高速切削的切削速度范围给定一个确切的数值。其中以德国达姆施塔特（Darmstadt）工业大学的舒尔茨（H.Schulz）教授提出的切削速度范围比较具有代表性，见表6-2。6.2高速切削技术6.2.1高速切削的概念6.2高速切削技术6.2.1高速切削的概念此外，高速切削的切削速度也可按工艺方法划分，分别是车削在700~7000m/min，铣削在300~6000m/min，钻削在200~1100m/min，磨削在150m/s以上。由以上可以看出，高速切削的“高速”是一个相对的概念，简单地说就是相对于常规加工速度而言高得多的一种加工速度。应当指出的是，高速切削中的“高速”不仅是一个技术指标，更是一项经济指标。也就是说，它不仅是一个技术上可以实现的切削速度，而且必须是一个可由此获得很大经济效益的高切削速度。没有经济效益的高速度是没有工程意义的。6.2高速切削技术6.2.2高速切削的技术特点高速切削之所以成为技术热点，得到广泛的工业应用，是因为它相对传统加工技术具有显著的优越性，具体来说高速切削具有以下优点：（1）加工效率高。高速切削加工允许使用较大的切削速度和进给量，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍，因而零件加工时间可大大减少，零件加工时间通常可缩减到原来的1/3，提高了加工效率和设备利用率，缩短了生产周期。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航天航空、模具工业具有十分重要的意义。（2）切削力小。和常规切削加工相比，高速切削加工时的切削力至少可降低30%，这对加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，提高零件的加工精度，使一些薄壁类工件的精细切削加工成为可能。同时，采用高速切削，单位功率材料切除率可提高40%以上，有利于延长刀具使用寿命，通常刀具寿命可延长约70%。6.2高速切削技术6.2.2高速切削的技术特点（3）切削热少。高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热量被切屑带离工件，工件积聚的热量极少，零件不会由于温升而翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削加工具有十分重要的意义。（4）加工精度高。由于高速切削加工的切削力小，切削热少，使得刀具、工件热变形小，因而保持了尺寸的精确性。另外，由于切屑被飞快地切离工件，切削热还来不及传给工件，切削热影响小，减小了工件表面的残余应力，达到较好的表面质量，实现了高精度、低粗糙度加工。6.2高速切削技术6.2.2高速切削的技术特点（5）切削过程稳定。由于高速旋转时刀具切削的振动频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，使切削过程稳定，有利于提高加工精度和表面质量。（6）工序集约化。高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削条件下可以对淬硬表面进行加工。尤其是对硬度在46～60HRC的高硬度金属进行铣削，从而可以部分取代电火花加工，这对于模具加工具有十分重要的意义。传统的模具加工路线是在退火阶段进行铣削加工，然后做热处理，再进行电火花加工，最后进行磨削和手工研磨。采用高速切削加工后可以直接一次加工，减少了后道工序，特别是缩短了手工加工时间，使加工工序集约化，取得良好的技术经济效益。6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削的相关技术。1.高速切削的刀具技术刀具是高速切削工艺系统中最活跃的因素。刀具材料的发展、刀具结构的变革及刀具可靠性的提高，成为高速切削得以实施的工艺基础。（1）刀具材料。高速切削产生的切削热和对刀具的磨损比普通切削要高得多，因此高速切削使用的刀具材料要有很大不同，对刀具材料有以下更高的要求：①高硬度、高强度和耐磨性。②韧性高，抗冲击能力强。③高的热硬性和化学稳定性。④抗热冲击能力强。6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术目前已有不少新的刀具材料，但能同时满足上述要求的刀具材料还很难找到，因此在具有较好的抗冲击韧性的刀具材料基体上加上高硬性和耐磨性涂层的刀具材料是刀具技术发展的重点，目前适合高速切削的刀具材料主要有以下几种：涂层刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具。（2）刀柄结构。刀柄是高速加工机床的一个重要配套件，起到提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度的作用。高速切削时为使刀具保持足够的夹持力，避免离心力造成刀具的损坏，对刀具的装夹装置也提出了相应的要求。在高速切削条件下，刀具与机床的连接结构要牢靠，工具系统应有足够的整体刚性；同时，装夹结构设计必须有利于迅速换刀，并有最广泛的互换性和较高的重复精度。目前，高速加工机床上普遍采用的是日本的BIG-PLUS刀柄系统（图6-7）和德国的HSK刀柄系统（图6-8）。6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术图6-7日本BIG-PLUS刀柄图6-8德国HSK刀柄6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术2.高速切削机床高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床（图6-9）与工件材料相适应的刀具和对具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合，而高速切削机床是高速切削应用的基本条件。高速机床主轴的高转速一般是由电主轴单元来实现，转速一般在18000r/min以上，30000～60000r/min已在工业中实际应用，功率在十几至几十千瓦，高速状态下达到最大功率，但扭矩降到最小，同时许用的铣刀直径也将减小。高动态进给驱动的直线进给速度一般在20～40m/min，采用直线电机的驱动速度在60～120m/min，加速度在（1～2）g。机床主轴和床身要求有良好的刚性、优良的吸振特性和隔热性能。而人造花岗岩床身具有很高的热稳定性和良好的吸振性能，并能根据需要可制作最合理的机床结构。研究表明，人造花岗岩的吸振性是铸铁的6倍左右，是制造高速机床床身、底座和立柱的常选材料。6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术图6-9高速切削机床6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术3.高速切削机理目前，关于铝合金的高速切削机理研究已取得较为成熟的理论，并已用于指导铝合金高速切削生产实践。而关于黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理研究尚在探索阶段，其高速切削工艺规范还很不完善，是目前高速切削生产中的难点，也是切削加工领域研究的焦点。正在开展的研究工作主要包括铸铁、普通钢材、模具钢、钛合金和高温合金等材料在高速切削过程中的切屑形成机理、切削力、切削热变化规律及刀具磨损对加工效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律，继而提出合理的高速切削加工工艺。另外，高速切削已进入铰孔、攻丝、滚齿等应用中，其机理也都在不断研究之中。6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术4.高速切削工艺高速切削作为一种新的切削方式，目前尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的高速切削数据库，在高速加工的工艺参数优化方面还需要做大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程不能满足高速切削加工的要求，需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。6.2高速切削技术6.2.3高速切削的关键技术高速切削第三节超精密加工与纳米加工技术普通精度和高精度是个相对概念，两者之间的分界线是随着制造技术水平的发展而变化的。不断提高加工精度和表面质量是现代制造业的永恒追求，其目的是提高产品的性能、质量及可靠性。就当前世界工业发达国家制造水平分析，一般工厂已能稳定掌握1μm（我国为2μm）制造公差的加工技术，制造公差大于此值的加工称为普通精度加工，制造公差小于此值的加工称为高精度加工。在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同还可以进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。加工精度为1.0～0.1μm、表面粗糙度Ra为0.10~0.02μm的加工称为精密加工，加工精度为0.10～0.01μm、表面粗糙度Ra为0.01～0.005μm的加工称为超精密加工，加工精度小于0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工称为纳米加工。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理发展超精密加工与纳米加工技术是21世纪机械制造技术最重要的发展方向之一。不掌握超精密加工与纳米加工技术，许多高新技术就上不去，许多尖端军品、民品就制造不出来。美国民兵Ⅲ型洲际导弹系统陀螺仪的精度为每小时0.03°~0.05°，其命中精度的圆概率误差为500m，而MX战略导弹制导系统陀螺仪精度比民兵Ⅲ型洲际导弹高出一个数量级，从而保证命中精度的圆概率误差只有50~150m。如果1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。惯性仪表中有许多零件的制造精度都要求达到小于微米级。计算机磁盘的存储量在很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离，目前已达到0.3μm，可争取达到0.15μm，为了实现如此微小的距离，要求加工出极其平坦、光滑的磁盘基片及涂层，这在很大程度上取决于超精密加工带来的磁盘基片与磁头加工精度的提高和表面粗糙度的减小。超精密加工与纳米加工技术水平的高低是衡量一个国家国力与科技实力的标志，发展超精密加工与纳米加工技术意义重大。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理1.微量切除原理一种加工方法所能达到的加工精度等级取决于这种加工方法能够切除的最小极限深度amin，欲达到0.1μm级的加工精度，金刚石刀具必须具有从加工表面上切除深度小于0.1μm材料的能力。道理很简单，若检测发现工件尺寸大了0.1μm，如果金刚石刀具没有能力切除这多余的0.1μm材料，那么金刚石切削的加工精度就达不到0.1μm级。以此类推，纳米级加工方法的最小极限背吃刀量amin必须小于1nm。一种加工方法能切除的最小极限深度值amin越小，它的加工精度就越高。影响微量切除能力的主要因素如下：（1）切削工具的刃口锋利程度。切削工具的刃口锋利程度一般都用切（磨）削工具的刃口钝圆半径ρ进行评定，钝圆半径值ρ越小，刃口就越锋利。由图6-10知，切削点Ai处的负前角6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理分析式（6-1）可知，切削点Ai处的负前角γi值将随着刀刃钝圆半径ρ的增大和切削位置ai的减小而增大；负前角γi值越大，切削阻力越大，负前角γi值大到一定程度，切削工具就将丧失切削能力。切削工具所能切除的最小极限深度amin与切（磨）削工具刃口钝圆半径ρ、机床加工系统刚度等因素有关，作为估算，可取图6-10切削工具刃口钝圆半径ρ与工作前角γ6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理切削工具刃口钝圆半径ρ值大小与所采用的切削工具材料有关，表6-3列出了几种常用切削工具材料的刃口钝圆半径ρ。由表6-4可以看出，天然单晶金刚石的ρ是几种切削工具材料中最小的，可以刃磨得非常锋利，因此金刚石刀具材料是目前进行超精密加工不可替代的刀具材料。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理（2）机床加工系统的刚度。机床加工系统的刚度主要是机床主轴系统和刀架进给系统的刚度。美国LLL实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory）研制的DTM-3型金刚石切削车床的主轴系统刚度高达500N/μm。高的刚度是保证微量切削的基础。（3）机床进给系统的分辨力。为实现微量切除，数控系统的脉冲当量值要小，数控系统的脉冲当量值一般应为最小极限背吃刀量amin值的1/5～1/10。设amin=0.1μm，数控系统的脉冲当量值应为每脉冲0.02～0.01μm。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理2.精密切除条件具有微量切除能力是实现超精密加工的必备条件，还必须具有能进行精密切削的设备条件和环境条件。实现精密切削总的要求是：由机床加工系统不准确引起的静态误差，连同由力作用、热作用和外界环境干扰引起的动误差，必须小于超精密加工规定的制造公差要求。影响精密切除能力的主要因素有以下几个:（1）机床加工系统的几何精度。它主要是机床主轴的回转精度、床身导轨的平直度及导轨相对于机床主轴的位置精度。美国研制的大型光学金刚石超精密车床（LODTM）的主轴静态径向跳动小于0.025μm，导轨直线度误差为全长0.10μm。我国已能制造主轴回转精度为0.05μm的超精密机床。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理（2）机床加工系统的静刚度、动刚度和热刚度。提高机床加工系统的静刚度及热刚度可以减少由力作用和热作用引起的加工误差；提高机床加工系统的动刚度，可以降低由动态力作用引起的振动响应幅值。（3）加工环境条件。加工环境主要指空气的洁净度，机床加工环境的温度和湿度变化及外界振动的干扰。超精密加工要求每立方英尺（1cuft=0.028m3）的空气中大于0.5μm的灰尘不得超过100个，机床加工环境温度要求达到（20±0.005）℃。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理超精密加工6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.1超精密加工基本原理超精密加工6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.2金刚石超精密切削天然单晶金刚石质地坚硬，其硬度高达6000～10000HV，是已知材料中硬度最高的。金刚石刀具具有很高的耐磨性，它的耐用度是硬质合金的50～100倍。表6-4列出了几种硬质材料的硬度对比数据，表6-5列出了金刚石的物理力学性能数据。金刚石刀具的弹性模量大，断裂强度比氧化铝高3倍，切削工具刃口钝圆半径可以磨得很小，不易断裂，能长期保持刀刃的锋利程度；金刚石刀具的热膨胀系数小，热变形小；但金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化，开始氧化的温度为900～1000K，开始石墨化的温度为1800K，故用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制风冷或进行酒精喷雾冷却，务使刀尖温度降至650℃以下。此外，由于金刚石是由碳原子组成的，它与铁族元素的亲和力大，因而不能用金刚石刀具切削黑色金属。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.2金刚石超精密切削6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.2金刚石超精密切削用金刚石刀具进行超精密切削，刀具的刃磨质量是关键，刀刃必须磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径ρ值要小，国际上目前达到的最高水平ρ值为0.01μm，国内目前只能达到0.1～0.3μm。为实现超精密切削，除了有高质量的金刚石刀具外，还应有金刚石超精密机床做支撑。用天然金刚石刀具进行超精密切削有许多优点：一是加工精度高，加工表面质量好，加工表面形状误差可控制在0.1～0.01μm，表面粗糙度Ra为0.01～0.001μm；二是生产效率高，Cu、Al材料的光学镜面可以通过金刚石超精密车削直接制取；三是加工过程易于实现计算机自动控制；四是不仅可以加工平面、球面，而且可以很方便地通过数控编程加工非球面和非对称表面。金刚石超精密切削主要用于加工光学镜面（平面、球面及非球面），以及感光鼓、磁盘等精密器件，其材料多为铜、铝及其合金，也可加工硬脆材料（如陶瓷、单晶锗、单晶硅等）。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.3超精密磨削对于铜、铝及其合金等软金属，用金刚石刀具进行超精密切削是十分有效的，但金刚石不能切钢铁材料，因为切削过程产生的局部高温会使金刚石中的碳原子很容易扩散到铁素体中，造成金刚石的碳化磨损（扩散磨损）。虽然金刚石刀具可以切陶瓷、玻璃、硬质合金、单晶硅、单晶锗等硬脆材料，但用金刚石刀具微量切削硬脆材料时，要克服所切材料原子（或分子）间键合力才能将薄层材料切除，承担切削的刀刃部位所承受的高应力和高温作用会使切削刃产生较大的机械磨损；机床加工系统所承受的力作用和热作用也比切铜、铝及其合金大得多；故用金刚石刀具切硬脆材料工件的加工质量不易达到超精密加工要求，生产效率也不高，刀具消耗亦大。对于上述金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料或不宜加工的硬质材料，超精密磨削则是一种比较理想的超精密加工方法。超精密磨削与普通磨削相比，其主要特征有以下两个：6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.3超精密磨削（1）使用超硬磨料。超精密磨削的磨削深度极小，磨屑极薄，磨削行为通常在被磨材料的晶粒内进行（普通磨削的磨削行为在晶粒间进行，主要是利用晶粒周界处缺陷和材料内部其他缺陷实现材料切除的，磨削抗力相对较小），只有在磨削力超过被磨材料原子（或分子）间键合力的条件下才能从加工表面上磨去一薄层材料，磨粒所承受的切应力极大，温度亦很高，要求磨粒材料必须具有很高的高温强度和高温硬度。超精密磨削一般多用人造金刚石、立方氮化硼CBN等超硬磨料。使用金属结合剂的金刚石砂轮可以磨削玻璃、宝石、单晶硅等，使用金属结合剂的CBN砂轮可以磨削钢铁等黑色金属。（2）加工机床精度高。超精密磨床是实现超精密磨削的基本条件。为实现精密切除，数控系统最小输入增量要小（如0.1μm、0.01μm），机床加工系统的几何精度要高，还需有很高的静刚度、动刚度和热刚度；为实现微量切除，在横向进给（背吃刀量）方向应配置微量进给装置；为降低砂轮不平衡质量引起的振动，超精密磨床应配置精密动平衡装置和防振、隔振装置；为获得光洁表面，超精密磨床须配置砂轮精密修整装置。目前超精密磨削所能达到的水平：尺寸精度为±0.25～±5μm，圆度为0.25～0.1μm，圆柱度为0.25∶25000～1∶50000，表面粗糙度Ra为0.006～0.01μm。超精密磨削常用于玻璃、陶瓷、硬质合金、硅、锗等硬脆材料零件的超精密加工。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.3超精密磨削超精密磨削6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术纳米技术是一个涉及范围非常广泛的术语，包括纳米材料、纳米摩擦、纳米电子、纳米光学、纳米生物、纳米机械等，这里只讨论与纳米级加工有关的问题。纳米级加工的材料去除过程与传统的切削、磨削加工的材料去除过程有原则区别。为加工具有纳米级加工精度的工件，其最小极限背吃刀量必须小于1nm，而加工材料原子间间距为10-1nm，这表明，在纳米级加工中材料的去除(增加)量是以原子或分子数计量的；纳米级加工是通过切断原子（分子）间结合进行加工的，而这只有在外力对去除材料做功产生的能量密度超过了材料内部原子（分子）间结合能密度（105～108J/cm3）才能实现。传统的切削、磨削加工所能产生的能量密度较小，用传统的切削、磨削方法切断工件材料原子（分子）间结合是无能为力的。纳米级加工方法种类很多，此处仅以扫描隧道显微加工为例介绍纳米加工原理和方法，并用以展示近年来人们在研究、发展纳米级加工方面所达到的水平。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术扫描隧道显微镜STM（scanningtunnelingmicroscope）于1981年由两位在IBM瑞士苏黎世实验室工作的科学家C.Binning和H.Rohrer发明。STM可用于测量三维微观表面形貌，也可用作纳米加工。STM的工作原理主要基于量子力学的隧道效应。当一个具有原子尺度的探针针尖足够接近被加工表面某一原子A时（图6-11），探针针尖原子与A原子的电子云相互重叠，此时若在探针与被加工（测量）表面之间施加适当电压，即使探针针尖与A原子并未接触，也会有电流在探针与被加工材料间通过，这就是隧道电流。从受力分析考虑，在外加电场作用下A原子受到两方面力的作用，一方面是探针针尖原子对原子A的吸引力，包括范德华力和静电力；另一方面是被加工工件上其他原子对A原子的结合力；在外界电场作用下，当探针针尖原子与A原子的距离小到某一极限距离时，探针针尖原子对A原子的吸引力将大于工件上其他原子对A原子的结合力，探针针尖就能拖动A原子跟随探针针尖在加工表面上移动，实现原子搬迁。控制探针针尖与被移动原子之间的偏压和距离是实现原子搬迁的两个关键参数。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术图6-11扫描隧道显微加工原理图1—压电陶瓷管;2—探针;3—工件6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术在扫描隧道显微镜中，探针用金属制取，探针针尖要做得十分尖；探针安装在压电陶瓷管的下部（图6-11），压电陶瓷管的顶部被固定在机架上（图中未表示）。压电陶瓷管用锆钛铅等材料高温烧结并经极化处理制成，压电陶瓷管外壁对称分布了相互隔开的四个金属膜电极（见图6-11压电陶瓷管横截面图），其中相对的两个电极成对使用；压电陶瓷管内壁也镀了金属膜形成内壁电极，在图6-11中内壁电极与地相接。当对z方向的一对电极分别施加电压Ux和－Ux时，在x方向压电陶瓷管壁的一侧伸长，相对的另一侧缩短，压电陶瓷管下端将向缩短的那一侧弯曲，从而带动探针在x方向移动；同理，当对y方向的另一对电极分别施加电压Uy和-Uy时，压电陶瓷管将带动探针在y方向移动；如果两个相对的外壁电极同时接上相等的正电压或负电压，内壁电极仍接地，压电陶瓷管将在z向伸长或缩短，实现z向位移。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术在STM上用搬迁原子方法进行纳米加工已取得成功，1990年美国IBM实验室研究人员在高真空和低温（4.2K）状态下成功地在金属晶体Ni（110）表面通过逐一搬迁Xe原子，用35个Xe原子排成了“IBM”字样，每个字母高5nm，原子间距离为1nm，如图6-12所示；研究人员又在铜Cu（111）表面上成功地移动了101个吸附的Fe原子，写成汉字“原子”两个字，这是首次用原子写成的汉字，也是最小的汉字，如图6-13所示。图6-12用搬迁Xe原子写成“IBM”字样6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术图6-13用搬迁Fe原子写成汉字“原子”字样图6-14在Si表面连续去除Si原子写成“中国”字样6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术1995年，中科院北京真空物理研究所的庞世谨研究员等，为纪念毛泽东一百周年诞辰，在高真空、室温状态下，在Si（111）表面用STM针尖连续施加电脉冲，移走Si原子形成沟槽，写成“中国”字样（图6-14），此外还写出“毛泽东”“100”等字的图形结构。在STM上除了用搬迁原子方法进行纳米级加工外，还可以应用化学沉积、电流曝光等方法进行纳米级加工。6.3超精密加工与纳米加工技术6.3.4纳米级加工技术纳米加工第四节现代制造工艺方法特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法，它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺，是对传统加工工艺方法的重要补充与发展，目前仍在继续研究开发和改进。特种加工亦称现代加工方法，在欧美国家又称为非传统加工，它是直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。6.4现代制造工艺方法6.4.1特种加工技术1.特种加工的发展特种加工是相对于常规加工而言的。由于早在第二次世界大战后期苏联就发明了电火花加工，开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法，因此出现了电加工的名称。以后出现了电解加工、超声波加工、电子束加工、等离子弧加工、激光加工等方法，提出了特种加工的名称和概念。这些加工方法有些不用成型的工具，而利用密度很高的能量束流进行加工。对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件，特种加工有很大的适用性和发展潜力，在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。特种加工的发展方向主要是：提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。特种加工的概念应该是相对的，其内容将随着加工技术的发展而变化。6.4现代制造工艺方法6.4.1特种加工技术2.特种加工方法的种类特种加工方法的类别很多，根据加工机理和所采用的能源可分为以下几类：（1）力学加工。应用机械能进行加工，如超声波加工、喷射加工、喷水加工等。（2）电物理加工。利用电能转换为热能、机械能或光能等进行加工，如电火花成型加工、电火花线切割加工、电子束加工、离子束加工等。（3）电化学加工。利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工、电镀、刷镀、镀膜和电铸加工等。（4）激光加工。利用激光光能转化为热能进行加工。（5）化学加工。利用化学能或光能转换为化学能进行加工，如化学铣削和化学刻蚀（光刻加工）等。（6）复合加工。将机械加工和特种加工叠加在一起就形成了复合加工，如电解磨削、超声电解磨削等；最多有四种加工方法叠加在一起的复合加工，如超声电火花电解磨削等。6.4现代制造工艺方法6.4.1特种加工技术3.特种加工的特点及应用范围（1）特种加工主要不是依靠刀具和磨料进行切削与磨削，而是利用电能、光能、声能、热能和化学能去除金属与非金属材料，因此工件和工具之间无明显的切削力，只有微小的作用力，在机理上与传统加工有很大不同。（2）特种加工的内容包括去除和结合等加工。去除加工即分离加工，如电火花成型加工等是从工件上去除一部分材料。结合加工又可分为附着加工、注入加工和结合加工。附着加工是使工件被加工表面覆盖一层材料，如电镀、镀膜、离子束溅射等；注入加工是将某些元素离子注入工件表层，以改变工件表层的材料结构，达到所要求的物理力学性能，如离子束注入、化学镀、氧化等；结合加工是使两个工件或两种材料结合在一起，如激光焊接、化学粘接等。因此，特种加工在加工概念的范围上又有很大的扩展。6.4现代制造工艺方法6.4.1特种加工技术（3）在特种加工中，工具的硬度和强度可以低于工件的硬度和强度，因为它主要不是靠机械力切削，同时工具的损耗很小，甚至无损耗，如激光加工、电子束加工、离子束加工等。故特种加工适于加工脆性材料、高硬材料、精密微细零件、薄壁零件、弹性零件等硬脆、易变形零件。（4）加工中的能量易于转换和控制，工件一次装夹中可实现粗、精加工，有利于保证加工质量和提高生产率。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法1.电火花加工（1）电火花加工基本原理。电火花加工是利用工具电极与工件电极之间脉冲性的火花放电，产生瞬时高温将金属蚀除，又称为放电加工、电蚀加工或电脉冲加工。图6-15为电火花加工原理图，为正极性接法，即工件接阳极，工具接阴极，由直流脉冲电源提供直流脉冲。工作时，工具电极和工件电极均浸泡在绝缘的工作液中，工具电极缓缓下降与工件电极保持一定的放电间隙，在相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部形成火花放电，瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。连续不断地高频放电，工具电极不断地向工件进给，电蚀出一个又一个小凹坑，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件表面，整个加工表面是由无数多个小凹坑组成。电火花加工是电力、热力、磁力和流体力等综合作用的过程，一般可以分成以下四个连续的加工阶段：6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法①介质电离、击穿、形成放电通道。②火花放电产生熔化、气化、热膨胀。③抛出蚀除物。④间隙介质消电离。图6-15电火花加工原理图1—进给系统;2—工具电极;3—工件电极；4—工作液;5—工作液泵站;6—直流脉冲电源6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（2）电火花加工的基本工艺。影响电火花加工的因素有下列几项：①极性效应。单位时间蚀除工件金属材料的体积或重量，称为蚀除量或蚀除速度。由于正、负极性的接法不同而蚀除量不一样，称为极性效应。将工件接阳极称为正极性加工，将工件接阴极称之为负极性加工。在脉冲放电的初期，由于电子质量轻、惯性小，很快就能获得高速度而轰击阳极，因此阳极的蚀除量大于阴极。随着放电时间的增加，离子获得较高的速度，由于离子的质量大，轰击阴极的动能较大，因此阴极的蚀除量大于阳极。控制脉冲宽度就可控制两极蚀除量的大小。短脉宽时，选正极性加工，适合于精加工；长脉宽时，选负极性加工，适合于粗加工和半精加工。②工作液。工作液应能压缩放电通道的区域，提高放电的能量密度，并能加剧放电时流体动力过程，加速蚀除物的排出。工作液还应加速极间介质的冷却和消电离过程，防止电弧放电。常用的工作液有煤油、去离子水、乳化液等。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法③电极材料。电极材料必须是导电材料，要求在加工过程中损耗小、性能稳定、机械加工性好，常用的材料有纯铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等。蚀除量与工具电极和工件材料的热学常数有关，如熔点、沸点、热导率和比热容等。熔点、沸点越高，热导率越大，则蚀除量越小；比热容越大，耐蚀性越高。（3）电火花加工的类型。电火花加工主要有电火花成型加工、电火花线切割加工、电火花回转加工、电火花表面强化和电火花刻字等。①电火花成型加工。电火花成型加工主要指穿孔加工、型腔加工等。穿孔加工主要是加工冲模、型孔和小孔（一般为ɸ0.05～ɸ2mm），冲模加工是指凹模加工。型腔加工主要是加工型腔模和型腔零件，相当于加工成型盲孔，加工示意图如图6-15所示，如塑料模具和锻模加工。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法②电火花线切割加工。用连续移动的电极丝（工具）做阴极，工件做阳极，两极通以直流高频脉冲电流。电火花线切割加工机床可以分为两大类，即高速走丝电火花线切割加工机床和低速走丝电火花线切割加工机床。高速走丝电火花线切割加工机床结构原理如图6-16所示，电极丝3（目前多为钼丝）绕在卷丝筒2上，并通过两个导丝轮7形成锯弓状。卷丝筒2装在走丝溜板1上，电动机带动卷丝筒2做周期正、反转，走丝溜板1相应于卷丝筒2的正、反转在卷丝筒2轴向与卷丝筒2一起做往复移动，使电极丝3总能对准丝架4上的导丝轮，并得到周期往复移动。同时，丝架可绕两水平轴分别做小角度摆动，其中绕y轴的摆动是通过丝架的摆动而得到，而丝架绕x轴的摆动是通过丝架上、下臂在y方向的相对移动得到，这样可以切割各种带斜面的平面二次曲线型体。电极丝多用钼丝，走丝速度一般为2.5～10m/s。电极丝使用一段时间后要更换新丝，以免因损耗断丝而影响工作。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法图6-16高速走丝电火花线切割加工机床结构原理1—走丝溜板;2—卷丝筒;3—电极丝;4—丝架;5—下丝臂;6—上丝臂;7—导丝轮;8—工作液喷嘴;9—工件;10—绝缘垫块;11、16—伺服电机;12—工作台;13—溜板;14—伺服电机电源;15—数控装置;17—脉冲电源6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法低速走丝电火花线切割加工机床的结构原理如图6-17所示，是以成卷筒丝作为电极丝，经张紧机构和导丝轮、导向装置形成锯弓状，走丝做单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速度一般低于0.2m/min，但其导向、张紧机构比较复杂。低速走丝电火花线切割加工机床由于电极丝走丝平稳无振动，损耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值小，同时断丝可自动停机报警，并有气动自动穿丝装置，使用方便。由于低速走丝的显著特点，现已成为当前的主流产品和发展方向。目前，电火花线切割加工机床已经数控化，具有多维切割、重复切割、丝径补偿、图形缩放、移位、偏转、镜像、显示和加工跟踪、仿真等功能。无论是高速走丝电火花线切割加工机床还是低速走丝电火花线切割加工机床，现在都具有四坐标数控功能，因此可加工各种锥面、复杂直纹表面。图6-18所示为电火花线切割加工的一些零件。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法图6-17低速走丝电火花线切割加工机床的结构原理1—溜板;2—绝缘垫块;3、13—伺服电机;4—工作台;5—放丝卷筒;6、11—导丝轮和旋紧机构;7—导向装置;8—工作液喷嘴;9—工件;10—脉冲电源;12—收丝卷筒;14—数控装置;15—伺服电机电源6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法图6-18电火花线切割加工的一些零件6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（4）电火花加工的特点。电火花加工可加工任何导电材料，不论其硬度、脆性、熔点如何。现已研究出加工非导体材料和半导体材料。由于加工时工件不受力，适于加工精密、微细、刚性差的工件，如小孔、薄壁、窄槽、复杂型孔、型面、型腔等零件。加工时，加工参数调整方便，可在一次装夹下同时进行粗、精加工。（5）电火花加工的应用范围。电火花加工的应用范围非常广泛，是特种加工中最广泛应用的方法。①穿孔加工。可加工型孔、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔等。②型腔加工。可加工锻模、压铸模、塑料模、叶片、整体叶轮等零件。③线电极切割。可进行切断、开槽、窄缝、型孔、冲模等加工。④回转共轭加工。将工具电极做成齿轮状和螺纹状，利用回转共轭原理可分别加工相同模数不同齿数的内外齿轮和相同螺距齿形的内外螺纹。⑤电火花回转加工。加工时工具电极回转，类似钻削、铣削和磨削，可提高加工精度。这时工具电极可分别做成圆柱形和圆盘形，称为电火花钻削、铣削和磨削。⑥金属表面强化。⑦打印标记、仿形刻字等。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法电火花加工6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法2.电解加工（1）电解加工基本原理。电解加工是在工具和工件之间接上直流电源，工件接阳极，工具接阴极。工具阴极一般用铜或不锈钢等材料制成，两极间外加直流电压6～24V，极间间隙保持0.1～1mm，在间隙处通以6～60m/s的高速流动电解液，形成极间导电通路，产生电流，工件阳极表面的材料不断产生溶解，其溶解物被高速流动的电解液及时冲走，工具阴极不断进给，保持极间间隙，其加工示意图如图6-19所示，可见其基本原理是阳极溶解，是电化学反应过程，包括电解质在水中的电离及其放电反应、电极材料的放电反应和电极间的放电反应。图6-19电解加工示意图1—工具阴极;2—工件阳极;3—泵;4—电解液;5—直流电源6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（2）电解加工的特点。电解加工的一些特点与电火花加工类似，不同处有以下几点：①加工型面、型腔生产率高，比电火花加工高5～10倍。②阴极在加工中损耗极小，但加工精度不及电火花加工，棱角、小圆角（r<0.2mm）很难加工出来。③加工表面质量好，表面无毛刺、残余应力和变形层。④设备要求防腐蚀、防污染，应配置废水处理系统，因为电解液大多采用中性电解液（如NaCl、NaNO3等）、酸性电解液（如HCl、HNO3、H2SO4等），对机床和环境有腐蚀与污染作用，应进行相应处理。（3）电解加工方法及其应用。除上述基本方法外，尚有充气电解加工、振动进给脉冲电流电解加工及电解磨削等复合加工，图6-20所示为中间电极法电解加工，中间电极对工件起电解作用，普通砂轮起磨削和刮削阳极薄膜作用。

6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（3）电解加工方法及其应用。除上述基本方法外，尚有充气电解加工、振动进给脉冲电流电解加工及电解磨削等复合加工，图6-20所示为中间电极法电解加工，中间电极对工件起电解作用，普通砂轮起磨削和刮削阳极薄膜作用。图6-20中间电极法电解加工1—普通砂轮;2—工件（阳极）;3—中间电极;4—电解液6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法3.水喷射加工几千年来，成语“滴水石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，能够以柔克刚。然而，作为一项独立而完整的加工技术，高压水喷射加工的产生却才是最近30年的事。人们利用高压水为生产服务约始于19世纪70年代。当时人们用其开采金矿，剥落树皮。直到20世纪50年代，高压水喷射切割才出现，第一项切割技术专利在美国产生，即1968年由美国密苏里大学教授诺曼·弗兰兹博士获得。在最近20多年里，水喷射切割技术和设备有了长足进步，并逐步应用到工业生产中。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（1）加工基本原理。水喷射加工（图6-21）是利用从喷嘴中高速喷出的水流的冲击力破碎和去除工件材料的特种加工。水喷射加工于20世纪50年代末开始应用，它是利用压力为200～400MPa（最高可达1500MPa）的高压水，从孔径为0.05～0.4mm的蓝宝石或金刚石喷嘴孔中以每秒数百米至1000m以上的高速喷出，形成一股高能量密度（流速的功率密度达106W/mm2）的射流冲击工件，代替金属刀具做精密加工或切割，使材料破碎而去除，“切屑”进入液流排出。人们又把它称为“水刀”。图6-22所示为美国Flow（福禄）国际股份有限公司制造的水刀设备。图6-21水喷射加工原理图6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法水喷射加工主要用于切割各种薄金属和非金属材料，如塑料、橡胶、石棉、石墨、木材、胶合板、石膏、水泥、皮革和纸板等。切割厚度为几毫米至几十毫米，取决于使用的喷射压力和材料的性质。图6-22美国福禄水刀6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（2）加工形式与特点。根据不同需要，高压水喷射加工有以下三种形式：①纯水射流。只用水做介质，可切割软材料，如纸张、橡胶、塑料、毛毯、玻璃钢、石棉板、木材和纤维制品等，但切割力较小，如图6-21所示。②磨料水射流。在水中加入固体磨料颗粒，常用60～100目的石榴石、石英砂和氧化铝等磨料，可成倍提高切割力，几乎可切割所有的硬质材料，如金属、非金属、金属基及陶瓷基复合材料等，是应用最广的射流切割方法，如图6-23所示。③聚合物水射流。在水中加入少量高分子长链聚合物，如聚乙烯酰胺等，可提高射流密集度及射程，能切割较软或稍硬材料。图6-23磨料水射流示意图1—高压水接头;2—红宝石或金刚石喷嘴;3—磨料;4—混合腔；5—保护套;6—切割水流;7—被切割工件6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法水喷射加工的主要特点如下：①切缝小，一般为0.08～0.4mm。②切割速度高，如切割厚度为6.4mm胶合板的切割速度达1.7m/s。③切屑被液体带走，不致粉尘飞扬，因而能避免环境污染。水喷射加工还可用于穿孔、切割薄金属材料、金属零件去毛刺和表面清理等。④加工时对材料无热影响，工件不会产生热变形和热损伤，对加工热敏感材料尤为有利。⑤可由计算机控制，实现CAD/CAM一体化。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（3）材料切割速度和加工精度。切割速度主要由工件材料决定，并与功率大小成正比，和材料的厚度成反比。加工精度主要受机床精度的影响，切缝比喷嘴孔径约大0.025mm。加工复合材料时，采用的射流速度要高，喷嘴直径要小，并具有小的前角，压射距离小。切边质量受材料性质的影响很大，塑性好的材料可以切割出高质量的切边。液压过低会降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起工件表面起鳞。进给速度慢可以改善切割质量。水中加入添加剂（丙三醇、聚乙烯、长链形聚合物）能改善切割性能和减少切割宽度。另外，压射距离对切口斜度的影响很大，压射距离越小，切口斜度也越小。高能量密度的射流束将引起温度的升高，进给速度慢时有可能使某些塑料熔化，但温度不会高到影响纸质材料的切割。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（4）设备。水喷射加工设备和元件，主要是要能够承受的系统压力达到400～800MPa，液压系统通过小的柱塞泵使液体增压到1500～4000MPa。增压后的水通过内外径之比达5～10的不锈钢管道和特殊的管道配件，再经过针形阀通过喷嘴进行加工。喷口直径为0.05～0.4mm的喷嘴，喷射时会产生一股长达30～40mm的聚合射流。把高压液体转变成高速射流的喷嘴，对设计者提出了苛刻的要求。为了使侵蚀最小，喷嘴材料应是耐磨、耐腐蚀的；同时为了有光滑的轮廓结构，喷嘴材料还应具有一定的韧性和易于机械加工。常常利用金刚石或红、蓝宝石做成喷嘴，并可把它们放进钢套里作为镶嵌件使用，以满足强度和韧性的综合需要。金刚石、碳化钨和特种钢已经成功地用于制造优质的喷嘴。水射流机床喷嘴部件的复杂运动轨迹是由数控系统控制的。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（5）实际应用。水喷射加工的液体流束直径为0.05～0.38mm，可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，如普通钢板、不锈钢、铜、铝、铅、石材、玻璃、塑料、木材、橡胶、纸及复合材料等七八十种材料。所加工的材料厚度少则几毫米，多则几百毫米。例如，切割19mm厚的吸声天花板，采用的水压为310MPa，切割速度为76m/min；切割3.55mm厚的玻璃钢板，采用的水压为412MPa，切割速度为0.15m/min。由于加工的切缝较窄，因此可节约材料和降低加工成本。图6-24所示为水射流切割的一些形状复杂的零件。由于加工温度较低，因而可以加工木板和纸品，还能在一些化学加工的零件保护层表面上划线。图6-24水射流切割的一些形状复杂的零件6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法4.超声加工玻璃、陶瓷脆弱得一击就碎，宝石、金刚石强硬得很难加工。可是有一种机器却能在玻璃上打出大小不同的孔，能将金刚石做成各种形状的零件，这种机床就是超声加工机。早在1927年，美国物理学家伍德和卢米斯就做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。1951年，美国的科恩制成第一台实用的超声加工机。超声加工有时也称超声波加工。电火花和电化学加工都只能加工金属导电材料。然而，超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、半导体锗、硅片等不导电的非金属脆硬材料，同时还可以应用于清洗、焊接、探伤、测量、冶金等其他方面。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（1）超声加工的基本原理。人听到声音的音调高低是由声音的频率决定的。频率越高，音调也越高，当频率高到16kHz以上时，人就听不到了。通常把人耳听不到的高频声波称为超声，超声波描述的是高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz的所有声波。超声波的上限频率主要是取决于发生器，实际用的频率在500MHz以内。超声加工是利用工具端面做超声振动，工具将超声波的能量传递给游离磨料，使磨料对被加工工件进行不断的磨削来实现的，如图6-25所示。加工时，将工具轻轻压在工件上，在工具和工件之间加入磨料、水或煤油等液体的悬浮液，当超声换能器产生频率为16kHz以上的超声频轴向振动时，通过变幅杆将振幅放大到0.05～0.1mm，驱动工具端面做轴向超声振动，由于超声波振动的次数多、能量大，磨粒又细，就像用细小的锉刀以很高的速度进行精雕细琢一样，因此加工硬而脆的零件既精确又非常光洁。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（2）超声加工机。超声加工机有三个主要部分：第一部分是超声发生器，它将50Hz的交流电转换为有一定功率的超声频率振荡（超声电能）输出，通常为16～25kHz，以提供工具端面超声振动和去除被加工材料的能量；第二部分是超声换能振动装置器（超声换能器）可把超声发生器输出的超声频电振荡转换并放大成具有一定振幅的机械振动。超声振动系统由换能器和变幅杆组成，变幅杆起着放大振幅和聚能的作用；第三部分是机床本体，一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置。图6-25超声加工原理1—工具;2—工件;3—磨料悬浮液;4、5—变幅杆;6—换能器;7—超声波发生器6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法（3）超声加工工艺。加工速度是指单位时间内去除的工件材料量，以g/min或mm3/min表示。其影响因素有工具振动频率、振幅，工具与工件之间的静压力，工具与工件材料，加工尺寸、深度，磨料种类和粒度，工作液的磨料含量等。加工速度最大可达2000～4000mm3/min。①工具的振幅和频率。一般振幅为0.01～0.1mm，频率在16～25kHz，应将频率调至共振频率，以便获得最大振幅。振幅过大、频率过高会使工具和变幅杆承受的内应力增大，超过疲劳强度，降低使用寿命，增大工具消耗。②进给压力。超声加工时，工具与工件之间应有合适的静压力，静压力主要影响加工间隙。静压力过大使加工间隙减小，不利于工作液的更新和补充；静压力过小使加工间隙增大，减弱了磨料对工件的打击力度，两者都会降低生产率。③磨料的种类和粒度。磨料的硬度高，加工速度快。磨料的粒度号小（磨粒大），加工速度快。一般加工金刚石、宝石时可用金刚石磨料，加工硬质合金、淬火钢时可用碳化硼、碳化硅磨料，加工玻璃、石英、半导体等材料时可用刚玉类磨料。原则上是被加工材料越硬、脆，磨料硬度应越高。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工方法④被加工材料。被加工材料越脆，受冲击载荷能力越低，越易被超声去除加工。若以玻璃的加工生产率为100％，则锗、硅半导体单晶为200％～250％，石英为50％，硬质合金为2％～3％，淬火钢为1％，普通钢小于1％。⑤工作液磨料含量。工作液中的磨料太少，会造成加工区磨料少，甚至局部无磨料情况，使加工速度下降。工作液磨料含量增加会使加工速度增加，但工作液磨料含量太高会使加工间隙的工作液循环受阻，影响磨料的打击作用，导致加工速度下降。通常所用磨料与水的比例为0.5～1。6.4现代制造工艺方法6.4.2特种加工