特種加工課件

1、機械工程機械工程特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”，泛指用電能、熱能、光能、電化學能、化學能、聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法，從而實現(xiàn)材料被去除、變形 、改變性能或被鍍覆等。特種加工是近幾十年發(fā)展起來的新工藝,是對傳統(tǒng)加工工藝方法的重 要補充與發(fā)展,目前仍在繼續(xù)研究開發(fā)和改進。電火花成型線切割加工激光加工 超聲波加工電子束加工離子束加工 超聲波加工英文簡稱為 （Ultrasonic Machining）USM，是利用超聲頻作小振幅振動的工具，并通過它與工件之間游離于液體中的磨料對被加工表面的捶擊作用，使工件材料表面逐步破碎的特種加工。常用于穿孔、切割、焊接、套料和

2、拋光。 超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，通過振幅擴大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具端面產(chǎn)生超聲波振動，迫使磨料懸浮液高速地不斷撞擊、拋磨被加工表面使工件成型。適合于加工各種不導(dǎo)電的硬脆材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金等，也能進行加工，但加工生產(chǎn)率較低。對于橡膠則不可進行加工。加工精度較高。由于去除加工材料是靠磨料對工件表面撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，公差可達 0.0

3、08mm之內(nèi)，表面粗糙度 Ra值一般在 0.10.4 m之間。由于工具和工件不做復(fù)雜相對運動，工具與工件不用旋轉(zhuǎn)，因此易于加工出各種與工具形狀相一致的復(fù)雜形狀內(nèi)表面和成形表面。超聲波加工機床的結(jié)構(gòu)也比較簡單，只需一個方向輕壓進給，操作、維修方便。超聲波加工面積不大，工具頭磨損較大，雖然具有一定的生產(chǎn)速度，但生產(chǎn)率較低。（1）成形加工：超聲波加工目前在各工業(yè)部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔、彎曲孔、刻槽、落料、復(fù)雜溝槽等。（2）切割加工：一般加工方法用于普通機械加工切割脆硬的半導(dǎo)體材料是很困難的，采用超聲波切割則較為有效，而且超聲波精密切割半導(dǎo)體、氧化鐵、石英等，精度高

4、、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟性好，并且可以利用多刃刀具，切割單晶硅片，一次可以切割加工1020 片。（3）超聲波焊接加工：超聲波焊接是利用超聲頻振動作用，使被焊接工件的兩個表面在高速振動撞擊下，去除工件表面的氧化膜，使該表面摩擦發(fā)熱黏結(jié)在一起。因此它不僅可以加工金屬，而且可以加工尼龍、塑料等制品。例如在機械制造業(yè)中，利用超聲波焊接加工的雙聯(lián)齒輪。特點：不需要外加熱和焊劑，熱影響小、外加壓力也小，不產(chǎn)生污染，工藝性和經(jīng)濟性也好。因此，該種方法可焊接直徑或厚度很小的材料(可達0.0150.03mm)，焊接材料不僅僅限于金屬，還可以焊接塑料、纖維等制品。目前在大規(guī)模的集成電路制造中已廣泛采用該中加工方法。（4）

5、超聲波清洗：超聲波清洗的原理主要是基于清洗液在超聲波的振動作用下，使液體分子產(chǎn)生往復(fù)高頻振動，引起空化效應(yīng)（存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學過程）的結(jié)果。眼鏡、精密儀器零件等。 電子束加工（Electron Beam Machining,EBM）人們通常把利用高能量的電子束對材料進行工藝處理的各種方法統(tǒng)稱為電子束加工。電子束加工是利用高能電子束流轟擊材料，使其產(chǎn)生熱效應(yīng)或輻照化學和物理效應(yīng)，以達到預(yù)定的工藝目的。 在真空條件下，電子槍射出高速運動的電子束，電子束通過一極或多極匯聚形成高能束流，經(jīng)電磁透鏡聚焦后轟擊工件表面，由于高能束流沖擊

6、工件表面時，電子的動能瞬間大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｓ捎诠獍咧睆綐O小(其直徑在微米級或更小)，在轟擊處形成局部高溫，可使被沖擊部分的材料在幾分之一微秒內(nèi)，溫度升高到幾千攝氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸發(fā)而實現(xiàn)加工目的。所以電子束加工是通過熱效應(yīng)進行的。束斑極小。由于電子束能夠極其微細地聚焦，甚至聚焦到 0.1m，加工面積可以很小，是一種精密微細的加工方法。能量密度很高。去除材料主要靠瞬時蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。適合于加工精微深孔和狹縫等，速度快，效率高?？煽匦院??？梢酝ㄟ^磁場或電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制，可加工出斜孔、彎孔及特殊表面，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。生產(chǎn)率很高。電子束的能量密

7、度高，而且能量利用率可達90%以上。無污染。電子束加工是在真空中進行。電子束加工有一定的局限性，一般只用來加工小孔、小縫及微小的特形表面，且需要一套專用設(shè)備和數(shù)萬伏的高壓真空系統(tǒng)，價格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。（1）電子束打孔 目前，電子束打孔的最小直徑已達1 m 。適用于各種材料。同時生產(chǎn)率極高?？杉庸じ鞣N異型孔、斜度孔、錐孔、彎孔。 在噴氣發(fā)動機燃燒室罩、機翼的吸附屏、化纖噴絲頭、人造革透氣孔、塑料上的孔，不但用電子束來加工，而且效率高。加工異型孔極其方便。 利用磁場對電子束方向進行偏轉(zhuǎn)，控制合適的曲率半徑，從而得到所需的彎孔或彎縫。（2）電子束焊接 電子束焊接是電子束加工技術(shù)中發(fā)展最快

8、、應(yīng)用最廣的一種，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的焊接方法。電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝，焊接過程不需要填充物(焊條)，焊接過程又是在真空中完成。因此焊縫中的化學成分純凈，焊接接頭的強度往往高于母材。 焊縫深寬比高、焊接速度高、工件熱變形小、焊縫物理性能好、可焊材料范圍廣等特點。航空航天領(lǐng)域的焊接基本都是使用電子束。電子束焊接還常用于傳感器以及電器元件的連接和封接。（3）電子束熱處理 電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時間很短，只有幾分之一秒乃至千分之

9、一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達到的硬度，硬化深度可達 0.30.8mm。（4）電子束刻蝕 集成電子器件、集成光學器件、表面聲波器以及微機械元器件的圖形制作技術(shù)中，為制造多層固體組件，可用電子束刻出許多微細溝槽和孔?？涛g工藝過程如下：a.工件預(yù)處理?？涛g前，在工件表面涂上抗蝕劑，厚度0.01m，此圖層為掩模層。b.電子束掃描曝光。即用聚焦后電子束斑直徑為0.31m，可在0.5 5mm范圍內(nèi)掃描。由于照射區(qū)與未照射區(qū)化學性質(zhì)及相對分子質(zhì)量的差異，故在掩模層上形成“潛圖”。c.顯影。將曝光后的掩模層放入顯影液中，則可得到電子束掃描的圖形。(4)

10、電子束成形加工 電子束成形技術(shù)與激光快速制造的成型原理基本相同，差別就是熱源不同。電子束成型具有加工效率高、零件變形小、成型過程中不需要金屬支撐、微觀組織致密等優(yōu)點。 現(xiàn)主要應(yīng)用于航空航天用復(fù)雜結(jié)構(gòu)TC4零件和醫(yī)療領(lǐng)域中人骨修復(fù) 離子束加工的基本原理 離子束加工的原理與電子束加工類似，也是在真空條件下，將氬、氪、氙等隋性氣體，通過離子源產(chǎn)生離子束并經(jīng)過加速、集束、聚焦后，以其動能轟擊工件表面的加工部位，實現(xiàn)去除材料的加工。由于離子的質(zhì)量大，故離子束轟擊工件表面，比電子束具有更大的能量。 離子束加工主要是一種無熱過程。當入射離子碰到工件材料時，撞擊原子、分子。因離子與原子之間的碰撞接近于彈性碰撞

11、，使離子所損失的能量傳遞給原子、分子，其中一部分能量使工件產(chǎn)生濺射、拋出，其余能量轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧暇Ц竦恼駝幽?。?）易于精確控制，加工精度高。離子束可通過離子光學系統(tǒng)進行聚焦掃描，使微離子束的聚焦光斑直徑在1 m 以內(nèi)進行加工。（2）加工應(yīng)力小、變形小。（3）加工所產(chǎn)生的污染少。（4）離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，它是一種微觀作用，宏觀應(yīng)力很小，所以加工應(yīng)力、變形等極小，加工質(zhì)量高，適合于各種材料和低剛度零件的加工。（1）離子束蝕刻 離子刻蝕是從工件上去除材的濺射過程。當離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍍合力時，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達到刻蝕的目的。（2）濺射鍍膜 濺射鍍膜是基于離子轟擊靶材時的濺射效應(yīng)。在鍍膜的工藝領(lǐng)域中占有極為重要的地位。（3）離子鍍 離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)。離子鍍這種真空鍍膜技術(shù)是在膜層在沉積的同時受到高能粒子束的轟擊。這種粒子流的組成可以是離子，也可以是通過能量交換而形成的高能中性粒子。