第九章 其他现代加工方法

挤压珩磨应用
第四节 水喷射加工
工作原理：
利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件 进行切割（或打孔），又称高压水切割，或 “水刀”。
加工装置 喷嘴材料及工作条件
材料 孔径/mm 至工件距离/mm 参数 金刚石，蓝宝 0.075～0.4 2.5～50 石，淬火钢 项目 喷射角度/° 0～30
失后，溶液很快将热量带走，熔融物迅速凝固，在材料表
面形成多孔状氧化膜。如此循环反复，微孔自身扩大或与 其他微孔连成一体，形成导电通道，从而出现较大的红色 光泽的弧斑。
第三阶段 氧化进一步向深层渗透。一段时间后，内层可能
再次形成较完整的A12O3电绝缘层，随着氧化膜的加厚，
微等离子体造成的熔融氧化物凝固后可能在表面形成较
（二）光刻加工的原理和工艺
1.原版制作 2.光刻 涂胶 暴光 显影与烘片 刻蚀 剥膜与检查
光学光刻
原理与印像片 相同，只是 用涂覆了感 光胶 ( 抗蚀剂 ) 的硅片取代 了相纸，掩 模版取代了 底片。
UV光
母板
掩膜
光刻胶
SiO2
光刻胶
SiO2
光刻工艺过程
• 曝光：将掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上， 掩模相当于照相底片，一定波长的光线通过 这个“底片”，使光刻胶获得与掩模图形同 样的感光图形。 • 显影与后烘：曝光之后进行显影、定影、坚 膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉 ，有的区域保留下来，形成了版图图形。 • 刻蚀：把经曝光、显影后光刻胶微图形中下 层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重 现与光刻胶相同的图形。
第一节 化学加工 Chemical Machining，CHM
• 利用酸、碱或盐的溶液对工件材料的腐 蚀溶解作用，以获得所需形状、尺寸或 表面状态的工件的特种加工 • 应用：
– – – – 化学铣切 光化学腐蚀 化学抛光 化学镀膜
一、化学铣切 Chemical Milling，CHM
• (一）化学铣切的原理、特点、应用范围 • 1、原理：大面积、深尺寸的化学蚀刻
第二阶段 初生的氧化膜被高压击穿，材料表面形成大量的等 离子体微弧，可以观察到不稳定的白色弧光。此时在电场 作用下新的氧化物不断生成，氧化膜的薄弱区不断变化， 白色弧光点似乎在表面高速游动。同时，在微等离子体的
作用下又形成瞬间的高温高压微区，其温度达2000℃以上，
压力达数百个大气压，造成氧化膜熔融。等离子体微弧消
二、光化学腐蚀加工 Optical Chemical Machining，OCM
• 照相复制和化学腐蚀相结合的技术，在 工件表面加工出精密复杂的凹凸图形， 或形状复杂的薄片零件的化学加工法 • 包括光刻、照相制版、化学冲切(或称化 学落料)和化学雕刻等 • 与化学蚀刻区别：
– 不用人工刻形、划线，用照相感光确定工件 表面要蚀刻的图形
水喷射加工
水喷射加工特点
• • • • • 数控设备控制下，进行任意图案切割； 高压元件质量可靠，易损件质优价廉，维修成本低； 钻孔及切割功能设备可一次完成，降低切割成本； 加工一次成型，切口光滑，可节省时间及制造成本； 无毒害、无粉尘、无污染，为操作人员提供更健康的 工作环境； • 切缝窄，可减少大量废弃材料的产生； • 相对其它同类切割设备，加工成本低廉。 • 根据设计及工件材质的不同，可以非常方便、快捷的 进行调整，极大的缩短从接单至成品产出的时间，为 您的企业带来更多的商机和更大的利润。
交流型——采用不规则正弦波电压，零件的极性呈周期性
变化；阳极脉冲型——采用脉冲或直流加脉冲的电压形式， 零件为阳极；交变脉冲型——正负脉冲电压按一定的方式 交替地施加在零件上。 (2)工艺流程 一般零件的工艺流程为：化学除油——
水洗——去离子水洗——微弧氧化——水洗——干燥。
(2)设备 微弧氧化设备主要包括专用电源、电解槽、冷
完整的凝固结晶层，造成较大孔径，导电通道封闭，使
红色弧斑减少直至消失。然而，微等离子体现象依然存
在，氧化并未终止，进人第四阶段即氧化、熔融、凝固
平稳阶段。
在铝合金表面上形成的微弧氧化膜是由结合层、致密层
和表面层三层结构组成，层与层之间无明显界限，总厚度
一般为20 µ m ~200 µ m ，最厚可达400 µ m 。三层结构中
光刻工艺图示
涂光刻胶
曝光
显影与后烘
剥胶
腐蚀
光刻加工过程
第二节 等离子加工 Plasma Arc Machining，PAM
一、基本原理 • 1、等离子体：
– 高温电离的气体 – 气体原子或分子在高温下获得能量后离解成 带正电荷的离子和带负电的自由电子 – 整体正负电荷数值相等
2、等离子弧加工 • 利用电弧放电使气体电离成过热的等离 子气体流束，靠局部熔化及气化来去除 材料
均含有大量的α －A12O3，和γ －A12O3。致密层中的α －
A12O3，可达60％以上，硬度可高达HV3700，很耐磨。表
面层较粗糙疏松，可能是由微弧溅射物和电化学沉积物所 形成。
3．工艺要点 (1)工艺方法 根据微弧阳极氧化过程中零件所处的极 化形式可分为：直流型——采用恒值电压，零件为阳极；
微弧阳极氧化的机理至今尚在探讨之中，对其进行 确切的叙述尚有困难，可以认为其最重要的标志是火花或 微弧放电现象。实验表明，微弧氧化过程中表面产生的现 象，有明显的阶段性，经历初始态绝缘膜的形成，微弧的 发生，陶瓷结构的发育，以及膜层的成长等几个阶段。
最初阶段，材料表面有大量气泡产生，金属光泽逐
渐消失，在电场作用下表面生成一层具有电绝缘特性的 Al2O3氧化膜。随着时间的延长，膜厚逐渐增加，其承受 的电压也越来越大，再加上材料表面有大量气体生成，为 等离子体的产生创造了条件。
• 2、特点 • 优点：
– – – – 加工任何难切削金属 适于大面积加工、多件加工 加工中无应力、裂纹、毛刺，Ra2.5-1.5 加工操作技术简单
• 2、特点 • 缺点
– 不适宜加工窄而深的槽和型孔，难以加工出尖 角或深槽 – 原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除 – 腐蚀液对设备和人体有危害、不环保 – 化学铣削不适合于加工疏松的铸件和焊接的表 面 – 不高，一般为±0.05～±0.15毫米
• 3、应用范围 • 化学铣削适合于在薄板、薄壁零件表面 上加工出浅的凹面和凹槽
– 如飞机的整体加强壁板、蜂窝结构面板、蒙 皮和机翼前缘板等。wk.baidu.com
• 用于减小锻件、铸件和挤压件局部尺寸 的厚度，以及蚀刻图案等，加工深度一 般小于13毫米。
• （二）、工艺过程 • 1、工件表面预处理、涂保护胶、固化、 刻型、腐蚀、清洗和去保护层等工序 • 2、保护胶一般用氯丁橡胶或丁基橡胶等 • 3、刻型一般用小刀沿样板轮廓切开保护 层，并使之剥除
从而生成氧化铝陶瓷膜层的新技术。微弧阳极氧化又称阳
极脉冲陶瓷化、阳极火花沉积或微等离子体氧化。
1．特点和应用
铝及铝合金微弧阳极氧化与硬质阳报氧化相比，无论在氧
化工艺上或膜层性能上都有许多优越之处。微弧氧化的工艺 流程简单，除油后即可氧化；适用范围广，除铝及铝合金、 铝基复合材料外，还能在钛、镁、锆、钽、铌等金属及其合 金表面生成氧化陶瓷层；氧化速度快，通常30min~60min可
取得膜层厚度50 µ m ；溶液无侵蚀性，对环境基本无污染。
微弧阳极氧化形成的陶瓷膜层具有伏良的综合性能： (1) 耐蚀性能高，经5％NaCl中性盐雾腐蚀试验，其耐蚀能
力达1000h以上。
(2) 硬度高，耐磨性好，膜层硬度高达HV800~2500，取
决于材料及工艺，明显高于硬质阳极氧化。磨损试验表明陶 瓷膜具有与硬质合金相当的耐磨性能，比硬铬镀层高75％以 上；陶瓷膜还具有摩擦系数较低的特点。 (3) 电绝缘性能好，体绝缘电阻率可达5× 1010 Ω · cm，
应用效果很好。纺织机械行业也有不少关键性铝合金零件，如
气纺机的纺杯、倍捻机转杯及储纱轮等在试验或试用陶瓷膜。 电熨斗底板进行微弧氧化处理，可起耐磨、耐热和绝缘作用。
2．微弧氧化膜的形成
通常阳极氧化是在电压—电流曲线的法拉第区进行 的。当外加电压继续增加则进入非法拉第区(火花放电 区)，将发生氧化膜被击穿，阳极氧化无法进行下去。 微弧氧化突破传统阳极氧化的限制，利用电极间施加很 高的电压，使浸于溶液中的电极表面发生微弧放电而生 成氧化膜。
叶片、轮箍、传动元件、气动元件及密封件等经微弧氧化后，
表面耐蚀性、耐磨性明显提高。电子、电工产品及仪器、仪表 中的某些零件应用微弧氧化直接进行绝缘处理，以取代包覆绝
缘材料的常规方法。空压机铝气缸覆盖50 µ m ~80 µ m微弧氧
化膜，性能优于硬质氧化膜。在汽车发动机活塞上制备80 µ m ~100 µ m的陶瓷膜层，具有耐烧蚀、耐磨损和隔热的优异性能，
2.磁性磨料精整加工
• 磁性磨料在磁极NS之间沿着磁力线 有序地相互链接在 一起，聚集成一层 弹性的磁性磨料刷， 当工件与它作相对 运动时，就进行研 抛加工
第六节 铝合金微弧氧化表面陶 瓷化处理技术
微弧阳极氧化
微弧阳极氧化是将铝及铝合金零件置于溶液中，在电
极间施加高电压，使其表面微孔中产生火花或微弧放电，
1.磁性浮动抛光
利用磁流体向强磁场方向移动， 而非磁性磨粒被排斥向磁感应 强度较弱的方向的特性，使悬 浮于磁流体中的磨料分离出来 富集在一起。磨料在磁浮力作 用下，上浮压向运动的工件。
1—主轴 2—驱动轴 3—导向 环 4—磁流体和磨料 5—橡 胶环 6—陶瓷球 7—浮体 8— 铝座 9—磁铁 10—钢磁轭
高压水射流切割大理石
高压水射流加工的零件
钻削的0.8mm 孔
切割7cm 厚不锈钢
微小零件铣削
第五节 磁性磨料研磨 和磁性磨料电解研磨加工
• 通过在磁场作用下形成的磁流体使悬浮其中的 非磁性磨粒能在磁流体的流动力和浮力作用下 压向旋转的工件进行研磨和抛光，从而能提高 精整加上的质量和效率 • 可以获得Ra≤0.01μm的无变质层的加上表面， 并能研抛复杂表面形状的工件。由于磁场的磁 力线及由其形成的磁流体本身不直接参与材料 的去除故称之为磁场辅助加工
水喷射加工特点
• 切割精度： 0.051-0.254mm,取决于机器精度、切割 工件大小及厚度。 • 切割缝隙： 与工作材质大小厚薄和喷嘴有关。纯水 切割之切口约为0.1-1.1mm，磨料水混流切割之切口 约为0.8-1.8mm。磨料管的直径扩口，切口愈大。 • 切割产生的斜边： 取决于切割速度。好的切割品质 单侧斜边为0.076-0.102mm。 • 应用： 复杂曲线图案、厚、脆、易碎、怕热及多种 材质复合之材料。
精密等离子弧切割割嘴原理 a）普通双气等离子弧切割 b）精密等离子弧切割
第三节 挤压珩磨
• 又称为流动磨料加工，主要 用于复杂零件内外表面的抛 光及去毛刺。 • 采用一种含有磨料的具有粘 弹性的物质做为挤压珩磨介 质，在一定压力下强迫在被 加工表面流过，由磨料颗粒 的刮削作用去除工件表面微 观不平材料的加工方法
却系统和搅拌系统。其具体要求应根据工艺方法及生产规模 确定。 (3)溶液 溶液配方应有利于维持氧化膜及随后形成的陶
瓷氧化层的电绝缘性，又有利于抑制微弧氧化产物的溶解。 在大多数情况下采用弱碱性溶液，其pH值为8~11，有磷酸盐、 硅酸盐、柠檬酸盐、铝酸盐等不同体系，必要时可加入少量
（一）照相制版原理和工艺
1、原理
利用照相复制和化学腐蚀相结合的技术制取金属印刷 版的化学加工方法 光刻和化学雕刻等加工工艺的基础
2、工艺过程
过程： 1）把所需文字和图像按要求缩放到底片上，再 将底片贴合在涂有感光胶的金属板上进行曝光， 经过显影在金属板上形成所需要文字或图像的感 光胶膜 2）对胶膜进行抗蚀性处理，使之成为一种有很 强的耐酸碱性、有光泽的珐琅质薄层。 3）再将金属板浸入硝酸或三氯化铁溶液中，无 珐琅质胶膜的金属表面便被腐蚀溶解，形成凸出 的文字或图像的印刷版
在干燥空气中的击穿电压为3000V~5000V。
(4) 导热系数小，膜层具有良好的隔热能力。 (5) 外观装饰性好，可按使用要求大面积加工成各种不 同颜色及不同花纹的膜层。
微弧阳极氧化新技术问世以来，虽尚未投入大规模生产， 但已引起人们的普遍关注，在许多工业领域有着广阔的应用前 景。航空、航天、石油、化工等部门应用的铝合金零部件，如