《机械制造技术》-第十三章

13.1现代加工技术

现代加工技术又称特种加工技术，将电、磁、声、光等物理能量及化学能量或其组合施加在被加工的表面上，从而使材料变形或去除、改变性能等，可以完成传统机械加工难以加工的材料的精密、微细、复杂的加工。特种加工是传统加工工艺方法的重要补充和发展，已成为航空、航天、电子仪表、家用电器及通信、汽车、拖拉机、轻工等各个机械制造行业，特别是模具制造行业不可缺少的一种加工方法。表13-1为常用特种加工方法的分类。特种加工的特点如下。

(1)适应性强，加工范围广，可以加工任何硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、具有特殊性能的金属或非金属材料。下一页返回13.1现代加工技术(2)多数特种加工几乎没有力的作用，工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。

(3)便于实现控制和操作的自动化，适于加工二维或三维复杂曲面、微细表面、微小孔、窄缝、低刚度零件。

(4)可获得较低的表面粗糙度，热应力、残余应力、冷作硬化等较小，尺寸稳定性好。13.1.1电火花加工电火花加工是在一定绝缘性能的液体介质(如煤油、机械油)中，通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工的方法。

上一页下一页返回13.1现代加工技术

电火花加工可以加工用普通机械加工方法难以加工或无法加工的高硬度导电材料，加工精度高。加工时，工具电极与工件不直接接触，没有机械切削力，因此适用于低刚度工件加工和细微加工。

1.电火花加工原理电火花加工是指在一定介质中，通过工具电极和零件电极之间不断产生的脉冲性火花放电，并瞬时产生高温把金属蚀除掉，对零件进行加工的一种方法。电火花加工也被称为放电加工或电蚀加工，其工作原理如图13-1所示。零件和工具电极分别与脉冲电源的两个输出端连接，并浸入到充满绝缘工作介质的液体中，自动进给调节装置使工具电极和零件之间经常保持一个很小的间隙(一般为0.01~0.05mm)。上一页下一页返回13.1现代加工技术

当脉冲电源不断发出脉冲电压并作用在两极上时，由于工具电极和零件的微观表面是凹凸不平的，极间某凸点处的绝缘液体最先被击穿，形成放电通道，通道中心温度可达10000℃以上，致使放电处局部金属迅速熔化，甚至汽化。同时，通道高温还将工作液汽化、热裂，产生爆炸，爆炸力将熔化和汽化的金属材料迅速抛离电极表面，在零件表面形成了一个小凹坑，如图13-2所示。图13-2(a)表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图13-2(b)表示多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过脉冲间隔时间，使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上。这样随着相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，如图13-2(c)所示，整个加工表面将由无数个小凹坑组成，称为电蚀现象。上一页下一页返回13.1现代加工技术2.电火花加工的应用和特点

(1)电火花加工的应用。电火花适用于单件小批量生产，如图13-3所示，主要用于加工型孔(圆孔、方孔、多边形孔和异形孔)、小孔、微孔，例如喷嘴、喷丝孔及模具的型腔;进行线电极切割;电火花磨削平面、内外圆、小孔及成形撞磨和铲磨等;加工螺纹环规、塞规和齿轮等;表面强化，例如表面渗碳和涂覆特殊材料等;打印标记、雕刻、齿轮跑合和钻头等，还可以对已淬火零件进行修整。

(2)电火花加工的特点。①适用于难切削的材料。由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，与其力学性能(硬度、强度等)无关。上一页下一页返回13.1现代加工技术

目前电极材料多采用纯铜(俗称紫铜)或石墨，因此工具电极比较容易加工。②可以加工形状复杂的零件。加工中，工具电极和工件不直接接触，没有切削力，因此适用于低刚度加工件加工及微细加工。特别适用于表面形状复杂的工件的加工。③直接利用电能加工，电参数容易调节，便于实现过程的自动化。④主要用于加工金属等导电材料，在一定条件下也可以加工半导体。⑤加工速度较慢。通常安排工艺时多采用机械加工切除大部分余量，然后再进行电火花加工以提高生产率。⑥存在电极损耗。由于电极损耗多集中在尖角或底面，所以影响成形精度。上一页下一页返回13.1现代加工技术⑦对最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙(通常为0.02~0.3mm)，若电极有损耗，或采用平动或摇动加工，则角部半径还要增大。13.1.2线切割加工

1.线切割加工原理线切割加工是利用连续移动的细金属丝(钥丝或黄铜丝)作为工具电极，对工件进行脉冲火花放电，按预定的轨迹进行切割加工。如图13-4所示，贮丝筒7使钥丝作正反向交替移动，以钥丝4作为工具电极进行切割，工件2和电极丝4分别与脉冲电源3的两个输出端连接，在电极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序。上一页下一页返回13.1现代加工技术

根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，将工件切割成形。电火花线切割机床按电极丝的运行速度分为两大类，一类是高速走丝电火花线切割机床，其走丝速度一般为10m/s左右，电极丝可作往复移动，并可以循环使用(磨损以后需更换)，是我国研究发明的一种线切割加工模式和主要使用的机种;另一类是低速走丝电火花线切割机床，其走丝速度一般低于0.2m/s，电极丝为单向运动，且为一次性使用，但走丝平稳，无振动，电极丝损耗小，加工精度较高，是国外使用的主要机种。电火花线切割机床现在都采用数字程序控制;按加工尺寸范围可分为大、中、小型，还可以分为普通型与专用型等。上一页下一页返回13.1现代加工技术

目前，国内外的线切割机床采用不同水平的微机数控系统，从单片机、单板机到微型计算机系统，一般都有自动编程功能。2.线切割加工应用和特点

(1)线切割加工的应用。①适用于加工各种冲模，还可以加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模具。②加工电火花用的电极，对于铜钨、银钨合金之类的材料，用线切割加工特别经济，同时也适于加工微细复杂形状的电极。③试制新产品时，用线切割在板料上直接加工零件，修改设计、变更加工程序比较方便，可大大缩短制造周期、降低成本;多片薄件可在一起加工。上一页下一页返回13.1现代加工技术

还可加工品种多、数量少的零件，难加工材料的零件，材料试验样件，各种型孔、凸轮、样板、成型刀具。

(2)线切割加工的特点①省掉了成型的工具电极，缩短了生产准备时间，加工周期短，精度高。②由于电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件，实际金属去除量很少，适合加工贵重金属。③采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗较少，对加工精度的影响比较特别在低速走丝线切割加工时，电极丝为一次性使用，电极损耗对加工精度的影响更小。上一页下一页返回13.1现代加工技术13.1.3电解加工电解加工是一种电化学加工方法。目前，电解加工已成为世界各国航空、航天、国防和机械制造业中不可缺少的重要工艺手段。

1.电解加工原理如图13-5所示，以工件为阳极(接直流电源的正极)、工具为阴极(接直流电源的负极)，两极之间加6~24V的直流电压，电解液以5~60m/s的速度从两极之间的缝隙(约0.1~1mm)冲过，使两极之间形成导电通路，两极和电解液之间就有电流通过。金属工件表面在电化学反应的作用下，不断地溶解到电解液中，电解产生物则被高速流动的电解液带走。在开始加工时，工件毛坯的形状与工具电极不一致，如图13-6(a)所示，使得阴阳两极间的间隙差别较大。上一页下一页返回13.1现代加工技术

这时，间隙大处的电流密度小，金属溶解速度慢;间隙小处的电流密度大，金属溶解速度快。随着工具电极的不断进给，两极之间的间隙会趋于一致，阳极表面的形状也就逐渐与阴极表面吻合，如图13-6(b)所示，最终使工件与工具电极之间各处的间隙趋于一致，如图13-6所示，在工件上加工出和工具电极型面相反的形状。

2.电解加工的应用和特点

(1)电解加工的应用。①电解穿孔。加工形状复杂、尺寸较小的型孔(四方孔、六方孔、椭圆、半圆等形状的通孔和不通孔)。为了避免形成锥度，阴极(工具)侧面必须绝缘，一般用环氧树脂作为绝缘层与阴极侧面粘牢。目前，电解穿孔工艺已广泛应用于炮管、枪管及各种型孔、深孔的加工。上一页下一页返回13.1现代加工技术②电解成形。电解加工可以使用成形阴极(工具)对复杂的工件型腔进行一次成形加工，生成率高，表面粗糙度小，但加工精度不高，可控制在0.1~0.2mm，目前多应用于锻模模腔加工。③电解去毛刺。采用电解加工去毛刺，可以提高工效，节省费用。利用电解加工，不仅可以完成上述重要的工艺过程，而且还可以应用于深孔的扩孔加工、型孔加工及抛光等工艺过程。

(2)电解加工的特点。①加工范围广，不受金属材料本身硬度、强度等力学性能影响，能加工硬质合金、淬火钢、耐热合金等各种高强度、高硬度、高韧性的金属材料。上一页下一页返回13.1现代加工技术②能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔。③生产效率高，约为电火花加工的5~10倍。在某些情况下，还高于切削加工的生产效率，且加工生产效率不受加工精度和表面粗糙度的限制。④能获得较好的加工精度，尺寸精度可达±0.1mm左右，其表面粗糙度Ra值可达1.25~0.2μm。⑤加工过程中，工具电极基本上没有损耗，可长期使用。⑥由于影响电解加工的参数很多，且很难控制，不易达到较高的加工精度和加工稳定性。⑦不能加工非导电材料，加工小孔、窄缝及尖角比较困难。上一页下一页返回13.1现代加工技术⑧具有复杂表面的工具电极设计、制造和修整比较费力，因而不适用于单件小批量生产。⑨加工设备投资较大，且设备易腐蚀和生锈，需采取防护措施。电解液和电解产物容易污染环境。13.1.4超声波加工超声波加工是利用工具端面做超声波振动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形加工方法，适合加工玻璃、陶瓷、宝石、金刚石和半导体等不导电的硬脆非金属材料。

1.超声波加工原理如图13-7所示，超声波发生器7产生高频交流电源，输送给超声波换能器6，产生超声波振动，变幅杆4和5将振幅放大，使变幅杆下端的工具产生强烈振动。上一页下一页返回13.1现代加工技术

含有水与磨料的悬浮液3由工具带动也产生强烈振动，冲击工件2表面。工件表面受到磨料以很大速度和加速度的不断撞击，被粉碎成很细的微粒，从工件表面上脱落下来。虽然每次打击下来的材料很少，但每秒钟打击的次数多达1.6万次以上，所以仍能获得一定的加工速度。循环流动的悬浮液带走脱落下来的微粒，并使磨料不断更新。同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象，也加速了工件表面发生机械破坏作用的效果。工具连续进给，加工持续进行，工具的形状便“复印”在工件上，直到达到所要求的尺寸。

2.超声波加工的应用和特点

(1)超声加工的应用。上一页下一页返回13.1现代加工技术①加工硬脆材料的圆孔、异形孔和各种型腔、雕刻和研抛等(如图13-8所示)。②切割脆硬的单晶硅片，如图13-9所示。用锡焊或铜焊将工具(薄钢片或磷青铜片)焊接在变幅杆的端部。加工时，喷注磨料悬浮液，一次可以割10~20片。③工件表层的分子在超声波高速振动撞击下，摩擦生热并焊接在一起。它可以焊接铝制品及尼龙、塑料等高分子制品。④把超声波加工与电化学或电火花加工结合起来，就是复合加工，复合加工可以提高加工速度，降低工具损耗。例如加工喷油嘴、喷丝板上的小孔或窄缝，能极大地提高加工速度和加工质量。

上一页下一页返回13.1现代加工技术

(2)超声加工的特点。①加工范围广，既能加工导电的硬质金属材料，如淬火钢、硬质合金，也能加工不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等，但加工生产效率较低。对于脆性和硬度不大的韧性材料，由于它对冲击有缓冲作用，则不易加工。②超声波加工机床的结构较简单，只需按一个方向进给，操作维修方便。③加工精度好，能获得较好的加工质量，表面粗糙度Ra值可达0.1~0.8um，尺寸精度可达0.01~0.02mm。上一页下一页返回13.1现代加工技术13.1.5激光加工激光加工是20世纪60年代随着激光技术的发展，出现的一种新型的特种加工方法。激光加工具有加工速度快，效率高，表面变形小，不需要加工工具的特点，可以加工各种硬淬和难溶的材料，应用非常广泛。

1.激光加工原理激光加工是指利用光能经过透镜聚焦后，形成能量密度很高的激光束，照射在零件的加工表面上，依靠光热效应加工各种材料的一种加工方法。激光是一种受激辐射得到的加强光，具有强度高、单色性好(波长或频率确定)、相干性好(相干长度长)、方向性好(几乎是一束平行光)等特点。上一页下一页返回13.1现代加工技术

当把激光束照到零件的加工表面上时，光能被零件吸收并迅速转化为热能，温度高达10000℃以上，使材料瞬间(千分之几秒或更短的时间)熔化甚至汽化而形成小坑，随着激光能量的不断吸收和热扩散，使斑光周围的材料也熔化，材料小坑内金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，产生微型爆炸，在冲击波的作用下将熔融材料喷射出去，并在零件内部产生一个方向性很强的反冲击波，于是在零件加工表面打出一个具有一定锥度(上大下小)的小孔。

2.激光加工的应用与特点

(1)激光加工的应用。①激光打孔。它主要用于特殊零件或特殊材料上的孔的加工。上一页下一页返回13.1现代加工技术

如火箭发动机和柴油机的喷油嘴、化学纤维喷丝板、钟表及仪表中的宝石轴承和金刚石拉丝模等零件上的微细孔加工，孔径可小到0.01mm以下，孔深与孔径之比可达50以上。②激光切割。用激光束沿切口连续打一排小孔就可以把零件割开。激光可以切割金属、陶瓷、玻璃、半导体材料、布、纸、橡胶、木材等各种材料，切割效率高，切缝窄，并可十分方便地切割出各种曲线形状。③激光雕刻。激光雕刻与切割基本相同。只是工件的移动由两个坐标的数控系统传动，可在平板上蚀出所需图样，一般多用于印染行业及美术作品。

上一页下一页返回13.1现代加工技术④激光焊接。既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，还可以透过玻璃进行焊接。具有时间短、效率高、热影响区小、无喷渣、被焊材料不易氧化和焊缝质量高特点。⑤激光表面热处理。可以对铸铁、中碳钢甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火，特别适合形状复杂的零件的加工。加工速度极快，内部受热极小，零件不产生热变形。此外，激光还可以用于平衡校正、划线、薄膜蒸发、镀膜热处理和对精密零件进行刻线等工作。

(2)激光加工的特点。①加工范围广，由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工各种金属和非金属材料。

上一页下一页返回13.1现代加工技术②激光用于精密微细加工，如直径为0.01mm的小孔和窄缝切割加工等。③激光加工无机械力和工具损耗。加工速度快，热影响区小，易实现加工过程自动化。④加工性能好，零件可以离开加工机进行加工，并能通过透明体进行加工。⑤激光加工时会产生金属气体和火星等飞溅物，操作者应戴防护眼镜，并注意通风。13.1.6电子束加工电子束加工是近几年得到较大发展的新型特种加工，在微电子领域应用较多。

1.电子束加工原理上一页下一页返回13.1现代加工技术

如图13-10所示，在真空条件下，电子枪利用电流加热阴极发射电子束，带负电荷的电子束高速飞向加速阳极，并通过电磁透镜聚集，使能量非常集中，与工件表面的原子相互作用时，将冲击能量转换成热能，加热被照射部位，温度迅速升高到熔点或沸点以上，使材料局部熔化、蒸发或成雾状粒子飞散喷射出来。随着电子束冲击孔不断变深，电子束照射点也越深人，可以打出很细、很深的微孔。

2.电子束加工的应用及特点

(1)电子束加工应用。①电子束加工孔，最小直径可达0.003mm左右;加工小深孔，孔的深径比可达10:1;还可以加工型孔、斜孔、弯孔，加工速率高，精度高，表面粗糙度小，不受材料限制。上一页下一页返回13.1现代加工技术

②电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。除能对普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等材料进行焊接外，还能焊接高熔点金属(如担、妮、钥、钨等及其合金)、化学性能活泼金属(钦、错、铀等)、异种金属(铜一不锈钢、钢一硬质合金等)、半导体材料和陶瓷等绝缘材料。焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小、焊接接头的强度高于母材等特点，应用非常广泛。③电子束刻蚀，可在陶瓷、半导体材料上刻出许多微细沟槽和孔;可进行刻蚀制版等。④电子束热处理，是把电子束作为热源，使金属表面加热而不熔化，能获得一种超细晶位组织，获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.3~0.8mm。上一页下一页返回13.1现代加工技术⑤电子束光刻加工是利用低能量密度的电子束照射高分子材料，由于人射电子和高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起相对分子量的变化。按规定图形进行电子束照射就会产生潜像。若再将它浸入适当的溶剂中，由于相对分子量不同而溶解速度不同，就会使潜像显影出来。如果将这种方法与其他处理工艺并用，就能在金属掩模或材料的表面上进行刻槽。

(2)电子束加工的特点。①电子束能够极其微细地聚焦，加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。②电子束能量密度很高，去除材料主要靠瞬时蒸发，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。上一页下一页返回13.1现代加工技术

加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工，且生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上打50个直径为0.4mm的孔。③可以控制电子束的强度、位置、聚焦等，整个加工过程便于实现自动化。④电子束加工是在真空中进行的，污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。⑤电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。上一页下一页返回13.1现代加工技术13.1.7水射流加工水射流加工是20世纪70年代发展起来的一项高新技术，目前，该项技术主要应用在机械、建材、建筑、国防、轻工、纺织等领域。

1.水射流加工原理将过滤后的工业用水加压至100~400MPa，再经过直径0.08~0.5mm的喷嘴孔口后，形成500~900m/s的超声速细径水柱，功率密度高达10^6W/mm^2，可以切割塑料、石棉、碳纤维等软质材料。在超高压水射流中混入磨料，磨料颗粒便被加速，形成磨料高压水射流，用于切割石材、金属等硬质材料。如图13-11所示为超高压水射流切割原理。储存在水箱1中的水，经过过滤器2处理后，由水泵3抽出送至蓄能器4中。上一页下一页返回13.1现代加工技术

液压机构5驱动增压器6，使水压增高。高压水经控制器7、阀门8和喷嘴9喷射到工件10上的加工部位，进行切割。切割过程中产生的切屑和水混合在一起，排入水槽11。2.水射流加工应用及特点

(1)水射流加工的应用。①在建材及建筑装演业，用于切割大理石、花岗岩、陶瓷、玻璃纤维、石棉等材料，切割尺寸精确，无粉尘污染。如图13-12所示为两款石材拼花的图案。②在汽车制造业，用于切割仪表盘、内饰及外饰件、门板、车窗玻璃等。

上一页下一页返回13.1现代加工技术③在航空、航天领域，切割铝合金、不锈钢、钦合金、耐热合金等金属材料时，无金相变化，无热影响区，无热应力，切缝窄，切口质量高，材料利用率高。④在食品加工业，用于切割松脆食品、菜、肉等，可减少细胞组织的损坏，延长保质期。⑤在电子工业，用于印制电路板的轮廓切割。⑥在纺织工业，用于切割多层布料，可提高切割效率、减少边端损伤。⑦在造纸工业，用于牛皮纸、波纹箱板等的分卷切条，无粉尘污染，切速高达1828m/min。还可用于切割硼纤维、碳纤维等复合材料，切割时不产生分层，无热聚集，工件切割边缘质量高。

上一页下一页返回13.1现代加工技术

总之，超高压水射流切割技术的应用范围在日益扩展，潜力巨大，随着设备成本的不断降低，其应用的普遍程度将进一步得到提高。

(2)水射流加工的特点。①水射流加工是常温切割，不会产生结构变化或热变形，这对许多热敏感材料的切割十分有利，这是锯切、火焰切割、激光切割和等离子体切割所不能比拟的。②一切割力强，可切割180mm厚的钢板。③一切口质量较高，水射流切口的表面平整光滑、无毛刺，切口公差可达±0.06~±0.25mm,切口可窄至0.015mm，可节省大量的材料消耗，对贵重材料更为有利。上一页下一页返回13.1现代加工技术④由于水射流切割的流体性质，因此可从材料的任一点开始进行全方位切割，特别适合复杂工件的切割，也便于实现自动控制。⑤水射流加工由于属湿性切割，切割下来的切屑(末)被液体带走，工作环境比较干净、卫生，也不存在火灾与爆炸危险。⑥水射流切割设备比较复杂，价格较贵，如一台5自由度自动控制式水射流设备的价格可高达10~50万美元。此外，喷嘴磨损严重，有时一只硬质合金喷嘴的使用寿命仅为2~4h。⑦水射流加工使用廉价的水作为工作介质，是一种冷态切割新工艺，属于绿色加工范畴，是目前世界上先进的切割工艺方法之一。上一页下一页返回13.1现代加工技术13.1.8其他现代加工技术

1.化学加工化学加工是利用酸、碱、盐等化学溶液和金属发生的化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件尺寸和形状的一种加工方法。

(1)化学铣削。化学铣削(ChemicalMilling,CHM)，实质上是较大面积和较深尺寸的化学蚀刻(ChemicalEtching)，它的加工原理如图13-13所示。先把工件非加工表面用耐腐蚀性涂层保护起来，露出需要加工的表面，浸人到化学溶液中进行腐蚀，使金属按特定的部位溶解去除，达到加工目的。金属的腐蚀和溶解在保护层下面的侧向也同时进行，并呈圆弧状。上一页下一页返回13.1现代加工技术

金属的溶解速度与工件材料的种类及腐蚀溶液的成分有关。化学铣削的特点如下。①可加工任何硬度和强度的金属材料，如铝合金、钥合金、钦合金、镁合金、不锈钢等。②适于大面积加工，可同时加工多个工件。③加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度Ra可达2.5~1.25um。④加工操作方法比较简单。⑤不适于加工窄而深的槽和型孔等。⑥原材料中的缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。⑦腐蚀液对设备和人体有危害，需有适当的防护性措施。上一页下一页返回13.1现代加工技术

化学铣削的应用范围如下。①主要用于较大工件的金属表面厚度减薄加工。如在航空和航天工业中常用于局部减轻结构件的重量，也适于加工大面积或不利于机械加工的薄壁型整体壁板。②用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的型孔。

(2)光化学腐蚀。光化学腐蚀加工简称光化学加工，是光学照相制版和光刻(化学腐蚀)相结合的一种精密微细加工技术。它与化学铣削的主要区别是不靠样板人工刻型、划线，而是用照相感光来确定工件表面要蚀出的图形、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应用。上一页下一页返回13.1现代加工技术

照相制版是把所需图像摄影到照相底片上，并经过光化学反应，将图像复制到涂有感光胶的铜板或锌板上，再经过坚膜固化处理，使感光胶具有一定的抗蚀能力，最后经过化学腐蚀，即可获得所需图形的金属板。照相制版不仅是印刷工业的关键工艺，而且还可以加工一些切削加工难以解决的具有复杂图形的薄板、薄片或在金属表面上蚀刻图案、花纹等。光刻是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩膜板上的图形精确地印制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，可获得极为复杂的精细图形。光刻的精度甚高，其尺寸精度可达到0.005~0.01mm，是半导体器件和集成电路制造中的关键工艺之一。上一页下一页返回13.1现代加工技术

特别是对大规模集成电路、超大规模集成电路的制造和发展，起了极大的推动作用。利用光刻原理还可以制造一些精密产品的零部件，如刻线尺、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件等。

(3)化学抛光。化学抛光的目的是改善工件表面粗糙度或使表面平滑化和光泽化。化学抛光的原理一般是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，此氧化层又能逐渐溶入溶液，表面微凸起处被氧化快而多，微凹处则被氧化慢而少。同样，凸起处的氧化层又比凹处更多、更快地扩散、溶解于酸性溶液中，因此使加工表面逐渐被整平，达到表面平滑化和光泽化。上一页下一页返回13.1现代加工技术

化学抛光的特点是可以大面积或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛光内表面和形状复杂的零件，无须外加电源、设备，操作简单，成本低。缺点是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛光液用后处理较麻烦。

(4)化学镀膜。化学镀膜的目的是在金属或非金属表面镀上一层金属，起装饰、防腐蚀或导电等作用。化学镀膜的原理:在含金属盐溶液的镀液中加入一种化学还原剂，将镀液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面。化学镀膜的特点是有很好的均镀能力，镀层厚度均匀，这对大表面和精密复杂零件很重要;被镀工件可为任何材料，包括非导体，如玻璃、陶瓷、塑料等;无须电源，设备简单;镀液一般可连续、再生使用。上一页下一页返回13.1现代加工技术2.挤压琦磨挤压琦磨在国外被称为磨料流动加工，是20世纪70年代发展起来的一项表面加工的新技术，是一种通过专用设备(挤压琦磨机)来实现材料抛光的新型工艺。最初主要用于去除零件内部通道或隐蔽部分的毛刺，随后扩大应用到零件表面的抛光。挤压琦磨的原理是利用茹弹性物质(高分子树脂)作为介质，以磨料形成半流体磨料流反复挤压被加工表面，达到研抛、去毛刺的目的。加工的表面粗糙度Ra可达0.025~0.05um，精度可控制在微米级。

上一页下一页返回13.1现代加工技术

挤压琦磨可用于边缘光整、倒圆角、去毛刺、抛光和去除少量的表面材料，特别适用于难以加工的内部通道的抛光和去毛刺，从软的铝到韧性的镍合金材料均可进行磨料流动加工。挤压琦磨已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;还可用于去除电火花加工、激光加工或渗氮处理这类热能加工所产生的不希望有的变质层。

上一页下一页返回13.1现代加工技术

挤压琦磨的特点是加工时间短(通常为1~5min，最多十几分钟)，生产效率高，可不破坏零件原有的形状精度而达到较高的尺寸精度，同时能微量(0.01~0.05mm)去除其他加工方法产生的工件表面硬化层和表面微观缺陷及表面残余应力。挤压琦磨用不同粒度、黏度的磨料，在挤压力作用下，选择合适的工艺参数，可使零件表面粗糙度在原来表面粗糙度的基础上经琦磨提高2~3级，和手工抛光相比，具有较大的优越性。上一页返回13.2现代表面工程技术

现代表面工程技术是表面处理、表面涂(镀)层及表面改性的总称，是20世纪50年代世界十项关键技术之一，将成为21世纪主导技术之一。现代表面工程技术通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基体表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而满足特定的使用要求。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分。13.2.1热喷涂技术

1.热喷涂的原理热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作为热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态。下一页返回13.2现代表面工程技术

通过高速气流使其雾化，形成粒子，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面上，如图13-14所示，粒子在基体表面发生冲击、碰撞、变形、凝固和堆积，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。涂层的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构，如图13-15所示。在喷涂过程中，由于熔融的颗粒在熔化、软化、加速、飞行，以及与基体表面接触过程中与周围介质发生了化学反应，使得喷涂材料经喷涂后会出现氧化物。而且，由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反弹散失，在颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或孔洞。因此，喷涂层是由变形颗粒、气孔和氧化物组成的。如果将喷涂层再加热重熔，则产生冶金结合，这种方法称为热喷涂方法。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

采用热喷涂技术不仅能使零件表面获得各种不同的性能，如耐磨、耐热、耐腐蚀、抗氧化和润滑等性能，而且在许多材料(金属、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材等)表面上都能进行喷涂。喷涂工艺灵活，喷涂层厚度达0.5~5mm，而且对基体材料的组织和性能的影响很小。

2.热喷涂技术的应用和特点

(1)热喷涂技术的应用。①采用热喷涂涂层来制造长效防腐涂层。例如，在钢铁结构件上喷涂铝以防止锈蚀。②对磨损的工件实行再制造。工件磨损后尺寸减小，热喷涂后尺寸增大，经过机械加工，仍可继续使用。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

近年来，热喷涂技术在航空、航天、造船、化工、纺织、油田装置等方面应用十分广泛，特别是在能源、汽车和钢铁冶金工业方面的应用取得了较大的发展。

(2)热喷涂技术的特点。①方法多样，热喷涂方法多达十几种，可为制备涂层提供多种手段。②可在各种材料上喷涂涂层，如金属、陶瓷、玻璃、木材、塑料、石膏、布等材料。③可喷涂材料极为广泛，几乎所有固态工程材料都可喷涂，如各种金属、陶瓷、塑料、金属和非金属矿物及这些材料组合成的复合材料等。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术④可以制备单一种类材料的涂层，也可以将性能截然不同的两种以上的材料制备成具有综合优异性能的满足导电、绝缘、辐射及防辐射等特殊功能要求的涂层。⑤涂层厚度可以控制，涂层厚度可以从几十微米到几毫米。⑥不受工件限制，既可大面积喷涂，也可局部表面喷涂，室内及露天场所均可实施喷涂。工艺简单，效率高。⑦在喷涂过程中，基体几乎不发生组织变化，一般不变形。13.2.2气相沉积技术气相沉积技术是近30年来迅速发展的一项新技术，是现代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。现在，气相沉积技术不仅可以沉积金属膜、合金膜，而且还可以沉积各种各样的化合物、非金属、半导体、陶瓷、塑料膜等。按照使用要求，现在几乎可以在任何基体上沉积任何物质的薄膜。这些薄膜及其制备技术除大量用于电子器件和大规模集成电路制作外，还可用于制作磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导膜、超导膜、传感器膜、装饰膜及满足各种特殊需要的功能膜等，在促进电子电路小型化、功能高度集成化方面发挥着关键的作用。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术1.气相沉积技术的原理气相沉积技术是将真空中产生的待沉积材料的蒸汽，冷凝于基体材料上，而产生所需要的薄膜层(厚度为0.1~0.5um)的技术。按形成的基本原理，可以将其分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(aVD)，以及在此基础上发展的物理化学气相沉积(PQVD)。

(1)物理气相沉积技术的原理。物理气相沉积是利用物理的方法(如蒸发、溅射等)使镀膜材料汽化，在基体表面直接沉积成固体薄膜的方法，通常称为PVD法。物理气相沉积有3种基本方法，即真空蒸发、真空溅射和离子镀。①真空蒸发。在133.322x10^-4~133.322x10^-6Pa真空条件下，用电阻或电子束加热蒸发材料，使其蒸发并在工件表面沉积成膜。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

真空蒸发可在任何导电或绝缘材料上沉积金属、各种介质和高熔点材料，广泛应用于光学膜、电学膜、超导膜、磁性膜及各种包装薄膜材料的生产。②真空溅射。真空溅射是以沉积材料作为靶材，接上负高压，在133.322x10^-3~133.322x10^-2Pa真空条件下，使通入的氢气在真空室里产生辉光放电。电离成带正电的氢离子则去轰击靶材，使靶材原子或分子溅射到工件表面沉积成膜。靶材可以是纯金属或化合物，也可通入反应气体与纯金属靶材形成化合物，变成反应溅射。③离子镀。离子镀是在133.322x10^-4~133.322x10^-2P。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

真空条件下，使进入真空室的氢气产生辉光放电，靶材蒸发原子经电离和电场加速后，向接负极的工件猛烈轰击(能量高达几千电子伏特)，最终在表面上沉积成膜。物理气相沉积的特点如下。①蒸发或溅射的原子被电离和加速后，能量较高，可得到致密、结合性能良好的涂层。②工艺温度低，工件一般无受热变形等问题，不会产生退火软化，通常不需要再加工。③依靠离子溅射效应，使工件表面净化，并在整个沉积过程中均能保持清洁。④在金属、陶瓷、玻璃、塑料等表面都可沉积。采用反应性PVD能得到各种金属氧化物、碳化物或氮化物涂层。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术⑤工艺过程主要通过电参数控制，易调节，对环境无污染。⑥设备较复杂，一次性投资较大。

(2)化学气相沉积技术的原理。化学气相沉积是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基体的反应室，反应气体向基体表面扩散;反应气体吸附于基体表面;在基体表面上发生化学反应;在基体表面上产生的气相副产物脱离表面，留下的反应产物形成固态沉积薄膜的技术。化学气相沉积的特点如下。①覆盖性更好，可在深孔、阶梯、洼面或其他复杂的三维形体上沉积。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术②可在很宽广的范围内控制所制备薄膜的化学计量比，可制备各种各样高纯的、具有所希望的性能的晶态和非晶态金属、半导体及化合物薄膜和涂层。③成本低，既适合于批量生产，也适合于连续生产，与其他加工过程有很好的相容性。

2.气相沉积技术的应用

(1)耐磨沉积层及应用。

(2)耐蚀镀层及应用。

(3)耐热、抗高温氧化镀层及应用。物理气相沉积铝镀层具有耐高温氧化(480℃)、韧性好、对温度变化的适应性强等特点，因此可以提高零件的抗高温氧化性能和耐疲劳性能。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术(4)其他镀层及应用。气相沉积可获得各种装饰性镀层，如常用的真金、仿金(氮化钵)、真银、仿银(氮化铬或碳化铬)镀层已应用于钟表、金笔、照相机、工艺首饰、玩具、电影幻灯胶片、反光灯罩、塑料磁带和唱针磁头上。新开发的彩色镀层有金褐色TaC,紫色Ti(CN)、透明Al2O3、青色NbBe、亮黄ZrN、黄褐色HfN、黄色TiO等。通过调整工艺参数及添加适量元素，尚可制取红、桃红、淡绿等多种色彩。此外，气相沉积技术在超导材料、电子器件、磁性材料、印刷电路、光学玻璃、声学、冶金和化工等方面都有广泛的应用。13.2.3表面改性技术表面改性是采用某种工艺手段使材料表面获得不同于其基体材料的性能和组织结构的技术。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能(如耐磨、耐腐蚀、耐高温、超导性能、润滑、绝缘、合适的射线吸收、辐射和反射能力等)。表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高新技术的发展具有重要作用。

1.激光表面改性技术激光表面处理技术是采用激光对材料表面进行改性的表面处理技术，目的是改变表面层的成分和(或)显微结构，从而提高表面性能。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术(1)激光表面改性原理。激光束向金属表面辐射，金属表层将其所吸收的激光进行光一热转换，将其吸收的能量转化为晶格的热振荡，使其表面的一薄层金属温度迅速升高。从理论上分析，在激光加热过程中，金属表面极薄层的温度可在微秒((10^-6s)级、甚至纳秒(10^-9s)级或皮秒(10^-12s)级内就能达到相变或熔化温度。

(2)激光表面改性的应用。①激光表面非晶态处理。激光加热金属表面至熔融状态后，以大于一定临界冷却速度激冷至低于某一特征温度，防止晶体成核和生长，从而获得非晶态结构，也称为金属玻璃。非晶态处理可减少表层成分偏析，消除表层的缺陷和可能存在的裂纹，在保持良好韧性的情况下具有高的屈服点和非常好的耐蚀性、耐磨性及优异的磁性和电学性能，受到材料界的广泛关注。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术②激光表面合金化。激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，又改变其化学成分的激光表面处理技术。方法是用镀膜或喷涂等技术把所需合金元素涂覆在金属表面(预先或与激光照射同时进行)，这样，激光照射时使涂覆层合金元素和基体表面薄层熔化、混合，而形成物理状态、组织结构和化学成分不同的新的表层，从而提高表层的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。③激光表面涂覆激光表面涂覆又可以分为两种，激光涂覆陶瓷层和有色金属激光涂覆。它可以从根本上改善工件的表面性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为重要。

上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

目前，激光表面处理技术已用于汽车、冶金、石油、机车、机床、军工、轻工、农机及刀具、模具等多种领域，并显示出越来越广泛的工业应用前景。

(3)激光表面改性的特点。①激光束加热金属速度快，基体自冷速度高;输入热量少。②可以局部加热，只加热必要部分，工件处理后的热变形很小。③能精确控制加工条件，易于与计算机连接，实现自动化操作。④不适宜进行大面积加工处理。⑤设备价格昂贵。

2.离子注入改性技术上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

离子注入是利用离子注入机将被注入的元素电离成带正电荷的离子，经高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定深度的表面处理技术。

(1)离子注入改性技术的原理。离子注入可以原子量级改变材料表面的微观结构，形成各种不同元素在金属中的过饱和固溶体，引起位错、应力场、化合物和合金相、无序层等，实现材料表面的改性。①离子注入提高硬度和耐磨性的机理。注入的离子进入位错附近或固溶体产生固溶强化。当注入的是非金属元素时，常与金属元素形成高硬度的氮化物、碳化物或硼化物，产生弥散强化。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

离子轰击所造成的表面压应力也有冷作硬化作用，这些都使离子注入表面硬度显著提高，增强耐磨性。②离子注入提高抗疲劳强度的机理。离子注入后在近表面层形成大量细小弥散均匀分布的第二相硬质点，使表面强度大大提高;同时，离子注入产生的表面压应力可以压制表面裂缝的产生，从而延长了疲劳寿命。③离子注入提高抗氧化性的机理。注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一步向内扩散，形成致密的氧化物薄膜阻挡层，使其他元素的扩散难以通过;从而降低氧化速率。④离子注入提高耐腐蚀性的机理。离子注入不但形成致密的氧化膜，而且改变表面电化学性能，提高耐蚀性。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术(2)离子注入改性技术的应用。离子注入对改善材料表面的性能具有很好的效果。目前，该项技术已广泛应用于刀具、模具、航天、航空等领域，主要是为了提高零件或产品的抗磨损、抗腐蚀、抗高温氧化、抗疲劳等特性。表13-2是我国离子注入技术在部分模具和零件上的应用效果。

(3)离子注入表面改性的特点。①离子注入不同于任何热扩散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响。②离子注入温度和注入后的温度可以任意控制，且在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术③通过改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度和分布;通过可控扫描机构，可实现在较大面积上的均匀化，且在小范围内进行局部改性。④可获得两层或两层以上性能不同的复合材料，注入层薄，工件尺寸基本不变。

3.电子束表面改性采用电子束加热，通过改变材料表层的组织结构和(或)化学成分，达到提高其性能的表面改性技术称为电子束表面改性处理。

(1)电子束表面改性技术的原理。当用电子枪发射的高速电子束轰击金属表面时，与基体金属的原子核及电子发生相互碰撞。上一页下一页返回13.2现代表面工程技术

能量以热能的形式传给金属表层原子，使被处理金属的表层温度迅速由室温加热到奥氏体化温度或熔化温度，快速的加热和冷却强化了金属表面。

(2)电子束表面改性技术的应用。①应用于汽车离合器凸轮，硬度为