特种加工改幻灯片.ppt

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1、特种加工改第1页，共31页，编辑于2022年，星期日精密超精密加工 是从被加工零件的精度和表面质量角度讨论加工方法和制造技术,主要研究精密和超精密加工技术以及当前加工精度的最高水平及其发展。特种加工 主要用电、化学、热、声、光能量去除零件多余材料，特别是利用高能密度束流进行加工如：电火花加工、电火花线切割加工、电子束加工、离子束加工、等离子体加工、电解加工、电铸加工、涂镀加工、超声加工、激光加工、化学加工、挤压珩磨加工、水射流切割加工和电解珩磨加工。第2页，共31页，编辑于2022年，星期日零件加工的精密程度划分一般加工、精密加工、超精密加工 （1）一般加工一般加工 一般加工的加工精度为10

2、左右，尺寸公差等级为1T71T5，表面精糙度值为Rz，1.60.2 。通常采用的加工方法有车削、铁削、刨削、磨削、铰削、拉削等。对一般机械，如汽车、拖拉机等，在制造中绝大多数零件均可用一般加工方法来实现。（2）精密加工精密加工 精密加工的加工精度为100.1 左右，尺寸公差等级为1T51T3，表面粗糙度值小于Rz，0.1 。通常采用的加工方法有金刚石车削、金刚镗、珩磨、研磨、超精加工、砂带磨削和镜面磨削等。精密加工在机械制造业中具有十分重要的地位，常用于精密丝杆、精密齿轮、精密涡轮、精密导轨和精密轴承等有关键零件的加工。第3页，共31页，编辑于2022年，星期日目前方法 （3）超精密加工超精密

3、加工 超精密加工设备的分辨率和重复精度0.01m，被加工零件的尺寸公差为 0.1-0.01m，表面粗糙度RZ0.001m。超精加工精度从m向nm 提高。方法有金刚石精密切削、超精密磨料加工和原子加工单位的加工、分子加工单位的加工等。原子、分子加工单位的加工方法是利用电子束或离子束对工件表面进行溅射去除、镀膜及注入，达到去除、附着或注入以原子或分子为单位的物质层，这就是当前最精密的制造工艺。超精密加工多用于精密元件制造，大规模和超大规模集成电路制造和计量标准元件的制造等方面，是国家制造工业水平的重要标志。第4页，共31页，编辑于2022年，星期日0.05nm加工设备特点 精密加工和超精密加工设备

4、的几何精度高，如平行度、垂直度、同轴度等都在向亚微米级（0.1um数量级）靠近。其加工设备的关键零部件，如主轴轴承采用液体静压轴承或空气静压轴承，后者的径向圆跳动和轴向窜动不超过0.05um导轨结构采用液体静压导轨、空气静压导轨及弹性导轨。目前，弹性导轨用之于微动工作台上。丝杆大多采用滚动丝杆。液体静压丝杆和空气静压丝杆。加工设备的微量进给和精确定位，对于精密、超精密加工至关重要。加工设备采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移机构实现微位移；采用高精度位置反馈元件构成闭环数控系统，并实施软件补偿定位精度，实现高精度定位。第5页，共31页，编辑于2022年，星期日工作环境工作环境 精密加工和超精密加工必

5、须具备相应的工作环境，如恒温室、净化间、防振地基等，才能保证其加工质量。一般要求净化100级，恒温 。净化间（洁净室）的净化级，即洁净室的洁净度等级，氛围1、10、100、1000等洁净度等级，数字越小，洁净度越高。净化100级得空气洁净度，表示每升空气中0.5um的尘粒数不超过3.5个。第6页，共31页，编辑于2022年，星期日超超 声声 加加 工工 利用工具端面作1625kHz的超声频振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工，称为超声加工。超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过磁致伸缩换能器或压电效应换能器，将超声频电振荡转变为超声机械振动，其振幅

6、很小，一般只超声加工原理示意图1超声波发生器 2换能器3振幅扩大棒4工作液5工件6工具第7页，共31页，编辑于2022年，星期日 有0.0050.01mm，再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，使振幅增大到0.01 0.15mm,固定在振幅扩大棒端头的工具即产生超声振动。上粗下细的振幅扩大棒之所以能扩大振幅，是因为整个振动子的能量W是不变的。当其截面积S减小时，能量密度增大，振幅也就随扩大棒截面积的减小而增大。能量密度J正比于振幅A的平方，即 ，即 所以式中k系数，若扩大棒的固有频率使之与外激振动的频率相等，则处于共振状态，可得到最大的振幅。因此，扩大棒的长度L应等于超声频振动波的半波长或其整数倍。

7、声速c等于波长乘以频率f。第8页，共31页，编辑于2022年，星期日 超声波在钢中的传播速度c=5050m/s，超声波频率/=1600025000Hz，据此可算出超声波在钢铁中传播的波长=0.310.2m(扩大捧常用45钢、黄铜或其它具有小的内摩擦损耗和 高的耐疲劳强度的钢材），则钢制扩大棒的长度L在100160mm(半波长）范围内。扩大棒的截面为圆形，其外形有锥形、指数曲线形和阶梯形等，如图所示。以指数形的应用较多，阶 梯形的因设计、制造简单也常采用。超声加工特别适于加工硬脆的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、硅、锗、玛瑙、宝石、玉石及金刚石等工件的切割、打孔和形面加工。工具可用较软的材料制造

8、，如45钢、20钢、黄铜 等。超声波加工机床的结构比较简单，操作维修都很方便。几种变幅杆形式第9页，共31页，编辑于2022年，星期日 电化学加工（ECM-Electrochemical Machining)包括从工件上去除金属的电解加工和向工件表面沉积金属的电铸、电镀、涂镀加工两大类。电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解”作用使工件加工成形的。工件接直流电源的正极，工具接负极，两极间保持较小的间隙，电解液以一定的压力和速度从间隙流过。当接通直流电源时，工件 与阴极接近的表面金属开始电解，工具以一定的速度向工件进给，逐渐使工具的形状覆映到工件上，得到所需要的加工形状。电电 化化 学学 加加

9、 工工 图 11-9 电解加工原理示意图 1直流电源 2进给机构 3工具 4工件 5电解液汞 6电解液第10页，共31页，编辑于2022年，星期日 电解加工不受材料的硬度、强度和韧性的限制，可加工硬质合金、淬硬钢、不锈钢、耐热合金等材料构成的零件，并可在一个工序中加工出复杂的形面来，效率比电火花成形加工高510倍。电解过程中，作为阴极的工具理论上没有损耗，故加工重复精度可达0.1mm。加工中没有切削力，因此不会产生残余应力和飞边 毛刺.可以加工薄壁、深孔零件，加工后的表面粗糙度值较小。电解加工的主要缺点是：设备投资较大，耗电量大，此外，电解液有腐蚀性，对设备及夹具需采取防护措施，对电解产物也需

10、要妥善处理，避免污染环境。电解加工在兵器、航空、航天、汽车、拖拉机、农机及模具等机械制造行业 中已广泛应用，例如用于加工枪炮的膛线、喷气发动机叶片、汽轮机叶片、花键孔、深孔、内齿轮、拉丝模及各种金属模具的型腔等，此外还可用来进行电解抛光、电解倒棱、去毛刺等。第11页，共31页，编辑于2022年，星期日电铸加工原理 电铸加工是在原模上电解沉积金厲，然后分离制造或复制金属制品的加工工 艺。其基本原理与电镀相同。不同之处是：电镀时要求得到与基体结合牢固的金厲镀层，以达到防护、装饰等目的。电电 铸铸 加加 工工 电铸加工的原理如图所示，用可导电的原模作阴极.用于电铸的金属作 阳极，金属盐溶液作电铸液即

11、阳极金厲材料与金属盐溶液中的金属离子的种类相同。在直流流电源作用下电铸溶液中的 金属离子在阴极还原成金属，沉积于原模表面，而阳极金属则源源不断地变成 离子溶解到电铸液中进行补充，使溶液 中金属离子的浓度保持不变。当阴极原模电铸层逐渐加厚达到要求的厚度时，与原模分离即获得与原模型相反的电铸件。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汞 10加热器第12页，共31页，编辑于2022年，星期日电铸加工的特点和应用范围1)能把机械加工较困难的零件内表面转化为原模外表面，能把难成型的 金属转化为易成型的原模材料（如石蜡、树脂等），因而能制造用其 它方法不能或

12、很难制造的特殊形状的零件。2)能准确地友制表曲轮廓和微细纹路。3)能够获得尺寸精度高，表面粗糙度为R,0.1pm以下的产品。同一原模生 产的电铸件一致性好。4)可以获得高纯度的金属制品。5)可以制造多层结构的构件，并能把多种金属、非金属拼镀成一个整体。6)电铸加工的缺点是：生产周期长，尖角或凹槽部分铸层不均匀，铸层 存在一定的内应力，原模上的伤痕会带到产品上等。第13页，共31页，编辑于2022年，星期日电铸加工的应用范围7)形状复杂、精度高的空心零件，如波导管等；注塑用 的模具；厚度仅几十微米的薄壁零件等。8)复制精细的表面轮廓，如唱片模、艺术品、纸币、证 券、邮票的印刷版等。9)表面粗糙度

13、标准样块、反光镜、表盘、喷嘴和电加工 电极等。第14页，共31页，编辑于2022年，星期日一、电火花加工 电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀工件表面材料的，也称为放电加工或电蚀加工。工具和工件一般都浸在工作液中自动调节进 给装置使工具与工件之间保持一定的放电间隙(约0.010.20mm)，当脉冲电压升高时，使两极间产生火花放电，放电通道的电流密度约为 ，放电区的瞬时高温 以上，使工件表面的金属局部熔化，甚至气化蒸发 而被蚀除微量的材料，当电压下降，工作液恢复 绝缘。这种放电循环每秒钟重复数千到数万次，就使工件表面形成许多小的凹坑，称为电蚀现象。电电 火火 花花

14、加加 工工 与与 线线 切切 割割 加加 工工 电火花加工装置及原理示意图1直流脉总电源 2工件 3工作液 4工具电极 5自动进给调节装置第15页，共31页，编辑于2022年，星期日电火花加工的条件1）工具电极与工件被加工表面之间经常保持一定的间隙。若极间间隙过大，则极间的脉冲电压便不能击穿扱间绝缘介质，也就不会火花放电；若极间间隙过小.则很容易形成短路接触，因此必须具有能使工具电极自动进给和精确调整的间隙自动控制机构。2）工具与工件之间应是间歇的脉冲放电，即毎次放电的延续时间（称为脉冲宽度如图中的)应足够短；相邻两次放电之间保持一定的时间间隔（称为脉冲间隔，简称脉间，如图中的），这样就可以使

15、放电所产生的热量来不及传导扩敗到其余部分，而仅仅是放电区局部产生瞬时高温，以免像电弧放电那样使表面大面积烧伤而达不到加工的目的。因此电火花加工必须采用直流脉冲电源。图为脉冲电源的电压波形。3）火花放电要在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。介质液体应具有较高的绝缘强度（），以利于产生脉冲性的火花放电。同时也起着排除电蚀产物（如金属屑、碳黑等）和冷却电极的作用。工作液循环系统中应有滤清装置以去除金属屑粒和杂质。电火花加工适用于导电性较好的金属材料。而且不受材料的强度、硬度、脆性、韧性及熔点的影响，因此为耐热钢、淬火钢、硬质合金等工件提供了有效的加工手段。又由于加工过程中

16、工具与工件不直接接触，故不存在切削力，从而工具电极可以用较软的材料如紫铜、石墨等制造，并可加工薄壁、小孔、窄缝等零件，在模具制造中已得到广泛应用。第16页，共31页，编辑于2022年，星期日线切割加工线切割加工 线切割线切割是线电极电火花切割的简称。线切割的加工原理与一般的电火花加工相同，其区别是所使用的工具不同，它不靠成型的工具电极将形状尺寸复制到工件上，而是用移动着的电极丝（一般小型线切割机采用0.080.12mm的钼丝，大型线切割机采用0.3mm左右的钼丝）以数控的方法按预定的轨迹进行切割加工，适于切割加工形状复杂、精密的模具和其它零件，加工精度可控制在0.01mm左右，表面粗糙度。线切

17、割加工时，阳极金属的蚀除速度大于阴极。因此采用正极性加工即工件接高频脉冲电源的正极，工具电极（钼丝接负极，工作液宜选用乳化液或去离子水。线切割示意图1被加工零件 2、4丝架3钼丝第17页，共31页，编辑于2022年，星期日电子束加工与离子束加工电子束加工与离子束加工 电子束加工和离子束加工是利用高能粒子束进行精密微细加工的先进技术，尤其在微电子学领域内已成为半导体（特别是超大规模集成电路制作）加工的重要工艺手段。电子束加工主要用于打孔、切槽、焊接及电子束光刻；离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子抛光、离子镀膜、离子注人等。目前进行的纳米加工技术的研究，实现原子、分子为加工单位的超微细加工，采用的

18、就是这种高能粒子束加工技术。电子束加工电子束加工1.电子束加工的原理和特点(1）电子束加工原理 在真空条件下，将具有很高速度和能的电子射线聚焦 （一次或二次聚焦）到被加工材料上，电子的动能大部分转变为热能，使被冲击部分材料的温度升高至熔点，瞬时熔化、气化及蒸发而去除，达到加工目的，这就是电子束加工的原理。(2)电子束加工的特点 由于在极小的面积上具有高能量（能量密度可达 ），故可加工微孔、窄缝等，其生产率比电火花加工高数百 倍至数百倍。此外，还可利用电子束焊接高熔点金属和用其它方法难以 焊接的金厲，以及用电子束炉生产高熔点高质量的合金及纯金属。1）加工中电子朿的压力很微小，主要靠瞬时蒸发，所以

19、工件产生的应力 及应变均甚小。第18页，共31页，编辑于2022年，星期日 2）电子束加工是在真空度为的真空加工室中进行的，加工表曲无杂质渗 入，不氧化，加工材料范围广泛，特别是适宜加工易氧化的金属和合金 材料以及纯度要求高的半导体材料。3）电子束的强度和位进比较容易用电、磁的方法实现控制，加工过程易实现自动化，可进行程序控制和仿形加工。电子束加工也有一定的局限性，一般只用于加工微孔、窄缝及微小的特形表面，而且，因为它需要有真空设施及数万伏的高压系统，设备价格较贵。第19页，共31页，编辑于2022年，星期日加工装置介绍(1)电子枪 这是获得电子束的核心部件。由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极

20、等组成。发射阴极用钨或钽制成，在加热状态下可发射大量电子。控制栅极为一中间有孔的圆筒件，其上加以较阴扱为负的偏压，其作用既能控制电子束的强度，又具有初步聚焦作用。加速阳极通常接地。为了使电子流得到更大的加速运动，常在阴极上施加很高的负电压。(2)真空系统 只有在高真空室内才能实现电子的高速运动；防止发射阴极及工件表面被氧化，需要真空系统经常保证电子束加工系统的高真空度要求。一舣其真空度为。(3)控制系统 其主要作用是控制电子束聚集直径、束流强度、束流位置和工作台位置。电子束经过聚焦而成为很细的束斑，它决定着加工的孔径和缝宽大小。电子束加工装置由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。电子束

21、加工装置示意图1电动机 2工作台 3工件4电子束 5更换工件用截止阀6束流位置控制 7束流聚焦控制8控制栅极 9发射阴极10观察孔 11换件盖第20页，共31页，编辑于2022年，星期日聚焦方法有利用高压静电场聚焦和“电磁透镜”聚焦两种方法。束流位置控制可采用磁偏转和静电偏转，但偏转距离只能在数毫米范围内，所以在加工大面积工件时，还需要控制工作台精密位移，与电子束偏转运动相配合来实现加工位置控制。(4)电源系统 供给稳压电源及高压电源。离子束加工离子束加工 真空条件下，把氩（Ar)、氪（Kr)、氙（Xr)等墯性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件衣面的加工部位，以实现

22、去除加工。离子的质量比电子的质量大千万倍，离子束加速轰击工件表面比电子束具有更大的能量。第21页，共31页，编辑于2022年，星期日 高速电子撞击工件材料时，因电子质量小，速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、气化，通过热效应进行加工。而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时，将引起变形、分离、破坏等机械作用。例如加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要用于离子溅射加工；如果加速到一万到几万电子伏时，且离子入射方向与被加工表面成2530角，则离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等；当加速到几十万电子伏或更高时，离子可穿入被加工材料内部，称为离子

23、注入。产生离子束的方法是将要电离的气态元素注入电离室，利用电弧放电或电子轰击等方法，使气态原子电离为等离子体（即正离子数和负离子数相等的混合体）。用一个相对于等离子体为电位的电极（吸极），从等离子体中吸出离子束流，再通过磁场作用或聚焦，形成密度很高的离子束去轰击工件表面。根据离子束产生的方式和用途不同，产生离子束流的离子源有多种型式，常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。第22页，共31页，编辑于2022年，星期日离子束加工的特点离子束加工的特点（1）易于精确控制 由于离子束可以通过离子光学系统进行扫描，使微离子束可以聚焦到光斑直径 以内进行加工，同时离子束流密度和离了的能量可以精确控制

24、，因此能稍确控制加工效果，如控制注人深度和浓度；抛光时可以一层层地把工件表面的原子抛掉，从而加工出没有缺陷的光整表面；此外，借助于掩膜技术可以在半导体上刻出 宽的沟槽。(2)加工所产生的污染少 由于加工是在较高的真空中进行，离子的纯度比较高，因此特別适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。(3)加工应力小、变形小 离子束加工是靠离子撞击工件表面的原子而实现的，这是一种微现作用，宏观作用很小，所以对脆性、半导体、高分子等材料都可以加工。第23页，共31页，编辑于2022年，星期日激光加工激光加工原理激光 有很好的相干性、单色性、方向性，通过光学系统可以使它聚焦成一个极小的光班（直径仅几微米到

25、几十微米），从而获得极高的能量密度。当能量密度极高的激光束照射在被加工表面上时，光能被加工表面吸收，并转换成热能，使照射斑点的局部区域的材料在千分之几秒，甚至在更短的时间内.，迅速被熔化以至气化，从而达到材料蚀除的目的。为了帮助蚀除物的排除，还需对加工区吹气或吸气，吹氧（加工金属时）或保护性气体（或 等）。第24页，共31页，编辑于2022年，星期日激激光光加加工工的的基基本本设设备备 激光加工机示意图1激光器 2光圈 3反射镜 4聚焦镜 5工件 6工作台 7电源第25页，共31页，编辑于2022年，星期日激光加工的特点激光加工的特点 1)不需要加工工具，故不存在工具磨损问题，同时也不存在断屑

26、、排屑问题，这对高度自动化生产系统非常有利，国外已在柔性制造系统中采用激光加工机床。2)激光束的功率密度很高，几乎对任何难加工材料（金属和非金属）都可以加工。3)激光加工是非接触加工，加工中的热变形、热影响区都很小，适用于微细加工。4)通用性强，同一台激光加工装置可作多种加工用，如打孔、切割、焊接等就可以在同一台机床上进行。第26页，共31页，编辑于2022年，星期日微机械指尺寸MM级以及更小的微型机械。半导光刻工艺过程半导光刻工艺过程微机械制造技术微机械制造技术 微机械的制造技术主要基于从半导体集成电路微细加工工艺发展起来的平面加工技术和体加工技术，所使用的W料以单晶硅及在其上形成的微米级厚

27、的薄膜为主，通过氧化、化学气淀枳、溅射等方法形成薄膜再通过光刻、腐蚀、特别是各相异性腐蚀、牺牲层腐蚀等方法形成各种形状，构成微型机械结构。第27页，共31页，编辑于2022年，星期日微型单向阀制造方法构造制作方法第28页，共31页，编辑于2022年，星期日光刻法形成微机械的图形。腐蚀法形成微机械的整体。淀积法主要用于配合刻加工或某些微机械构形的加工。键合法用于硅片与玻璃片键合或硅片与硅片键合的加工。扩散掺杂 离子注入掺杂第29页，共31页，编辑于2022年，星期日分类方法备注图形形成紫外线光刻同步加速器辐射光刻半导体工艺腐蚀各向同性腐蚀各向异性腐蚀牺牲层腐蚀与掺杂剂有关的腐蚀干法腐蚀 系KOH，EDP等多晶硅，等浓硼扩散层，即 层等离子体，反应离子，激光等淀积低压CVD等离子CVD溅射真空蒸发外延生长选择CVD选择硅化处理电镀多晶硅，金属膜，绝缘膜金属膜单晶硅W ，LIGA第30页，共31页，编辑于2022年，星期日 具代表性的微机械有微传感器、微马达、微泵等几种。微机器人是基于微传感器、微执行器、微机械元件、微控制等微机械技术基础上的综合微型技术，是微机械发展的主要方向。分类方法备注键合阳极键合硅玻璃键合，硅硅键合个别加工电子束、离子束、激光、电火花、扫描隧道显微镜技术个别特精、特微微机械的加工，原子移动和排列的原子级不平的加工第31页，共31页，编辑于2022年，星期日