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2)超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工。
3)超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工,线宽可达0.1μm。
如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工,线宽可达2~5nm。
4.加工精度
超精密切削,在符合条件的机床和环境条件下,可以得到超光滑表面,表面粗糙度Ra可达0.02~0.005μm,精度<
0.1μm。
5.加工范围
塑性材料,如有色金属(铜、铝合金等)、金、银、无电镍、有机玻璃、各种塑料制品(照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片)等;
脆性材料,如硅、锗、红外光学晶体(碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化钠、氯化钾、氯化锶、氟化镁、氟化钙、铌酸锂、KDP晶体等)。
精密与超精密磨料加工技术
1.概述
金刚石超精密切削加工主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削,而对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工,则主要是应用精密和超精密磨料加工。
所谓精密和超精密磨料加工,就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工,以得到高加工精度和低表面粗糙度值。
精密与超精密磨料加工的磨具按其形状和特征又可以分为固结磨具、涂覆磨具和研磨剂三类。
将一定粒度的磨粒或微粉与结合剂黏结在一起,形成一定形状并具有一定强度,再采用烧结、黏结、涂敷等方法即形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。
其中用烧结方法形成砂轮、砂条、油石等称为固结磨具,其性能评价指标主要有磨粒、粒度、结合剂、组织与浓度、硬度、强度等方面。
用涂敷方法形成砂带,称为涂覆磨具或涂敷磨具,常用的涂覆磨有砂纸、砂布、砂带、砂盘和砂布套等。
涂覆磨具的制造方法有重力落砂法、涂敷法和静电植砂法等
2.加工机理
1)精密磨削加工机理
精密磨削主要是靠砂轮的具有微刃性和等高性的磨粒实现的,精密磨削多用于机床主轴、轴承、液压阀件、滚动导轨、量规等的精密加工。
2)超精密磨削加工机理
密磨削是近年来发展起来的有最高加工精度、最小表面粗糙度的砂轮磨削方法,一般是指加工精度达到或高于0.1μm,表面粗糙度小于Ra0.025um,是一种亚微米级的加工方法,并正向纳米级发展。
3.主要设备
我国对精密磨削的研究尚处于初级阶段,主要集中在高校。
哈尔滨工业大学以袁哲俊教授为首的ELID课题组研制成功ELID磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮,在国产机床上开发出平面、外圆和内圆ELID磨削装置,实现了多种难加工材料的精密镜面磨削。
目前正积极推广普及该技术,实现产品化。
上海的东华大学机械学院研究者用固结磨粒低频振动(频率为0.5Hz~20Hz,振幅为0.5mm~3mm)压力进给的精整加工研究了适宜的经济加工条件及有关参数,并验证了经过磨削加工后的陶瓷工件,再经过超精加工可以进一步降低其表面粗糙度,可降低2~4个等级。
清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削等方面进行了深入研究,并有相应产品问世。
目前,精密加工是指加工精度为1~0.1μm,表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术,但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的,今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
超精密加工就是在超精密机床设备上,利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动,对材料进行微量切削,以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。
当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm,表面粗糙度Ra小于0.025μm,以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术,亦称之为亚微米级加工技术,且正在向纳米级加工技术发展。
5.特点
精密和超精密磨床是超精密磨削的关键
精密和超精密磨削是在精密和超精密磨床上进行,其加工精度主要决定于机床。
由于超精密磨削的精度要求越来越高,已经进入0.01μm,甚至纳米级。
精密和超精密磨削是微量、超微量切除加工精密和超精密磨削是一种极薄切削,其去除的余量可能与工件所要求的精度数量级相当,甚至于小于公差要求,因此在加工机理上与一般磨削加工是不同的。
精密和超精密磨削是一个系统工程
影响精密和超精密磨削的因素很多,各因素之间相互关联,所以超精密磨削是一个系统工程。
超精密磨削需要一个稳定的工艺系统,对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性要求,并有较强的抗击来自系统内外的各种干扰能力,有了高稳定性,才能保证加工质量的要求。
6.主要应用
普通磨削一般是指加工表面粗糙度为Ra0.04~1.25μm,加工精度大于1μm的磨削方法;
精密磨削当前可以达到的表面粗糙度一般为Ra0.16~0.16μm,加工精度为0.5~1μm。
超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法,表面粗糙度可达到≤Ra0.01μm,精度≤0.01μm
甚至进入纳米级。
热作用特种加工技术
一、电火花加工
1.基本原理
电火花加工是在一定介质(煤油或水)中,利用两极(工具电极与工件电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象(高温熔化、气化金属材料)对材料进行加工,以使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定要求的加工方法。
基于电火花腐蚀原理,是在工具电极与工件电极相互靠近时,极间形成脉冲性火花放电,在电火花通道中产生瞬时高温(10000℃以上),使金属局部熔化,甚至气化,从而将金属蚀除下来。
2.加工特点
1)主要优势
适合于任何难切削材料的加工性。
其可加工性主要取决于材料导电性及热学特性;
适合于加工特殊及复杂形状的表面和零件。
工件无宏观作用力,适宜加工低刚度工件及进行微细加工。
2)局限性
主要用于加工金属等导电材料;
一般加工速度比较慢,影响到生产率;
存在电极损耗,影响到成形精度。
3.加工精度
目前电火花的加工精度一般为1μm。
4.主要应用
由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点,因此其应用领域利益扩大,目前已广泛应用于机械(特别是模具工业)、宇航、航空、电子工业、电气工业、精密机械、仪器仪表、轻工等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。
如型孔(圆孔、方孔、多边孔、异形孔)、曲线孔(弯孔、螺旋孔);
小孔、微孔、喷嘴/喷丝孔;
落料模、复合模、级进模;
拉丝模;
塑料模、锻模、压铸模、挤压模、胶木模,以及整体叶轮、叶片等各种曲面零件。
加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝,大到几米的超大型模具和零件。
二、电火花线切割
被切割的工件作为工件电极,电极丝作为工具电极。
电极丝接脉冲电源的负极,工件接脉冲电源的正极。
当来一个电脉冲时,在电极丝和工件之间可能产生一次火花放电,在放电通道的中心温度瞬时可高达5000℃以上,高温使工件局部金属熔化,甚至有少量气化,高温也使电极丝和工件之间的工件液部分产生气化,这些气化后的工作液和金属蒸气迅速热膨胀,并具有爆炸的特性。
靠这种热膨胀和局部微爆炸,抛出熔化和气化了的金属材料而实现对工件材料进行电蚀切割加工。
(1)与电火花成形加工相似的特点
●放电电压、电流波形相似;
单个脉冲也有多种放电状态
●加工机理、生产率、表面粗糙度相似;
●材料的可加工性相似;
(2)与电火花成形加工不同之处
●脉冲宽度、平均电流不能太大,属中、精正极性电火花加工;
●采用水基工作液,易实现无人运转,但由于工作液电阻率较小,存在电解效应;
●一般不存在稳定电弧放电;
●电极丝与工件之间存在“疏松接触式”轻压放电现象
●省去了成形工具电极;
●有利于微细加工,如微细异形孔、窄缝等;
●电极丝损耗对加工精度影响非常小。
加工精度一般为±
0.01~±
0.02毫米,最高可达±
0.004毫米;
表面粗糙度一般为Rα2.5~1.25微米,最高可达Rα0.63微米;
切割厚度一般为40~60毫米,最厚可达600毫米。
4.应用范围
线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途径,主要适用于以下几个方面。
(1)加工模具
适用于加工各种形状的冲模。
调整不同的间隙补偿量,只需一次编程就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等。
(2)加工电火花成形加工用的电极
一般穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极,以及铜钨、银钨合金之类的电极材料,用线切割加工特别经济,同时也适用于加工微细复杂形状的电极。
(3)加工零件
在试制新产品时,用线切割在坯料上直接割出零件,由于不需另行制造模具,可大大缩短制造周期、降低成本。
另外修改设计、变更加工程序比较方便。
在零件制造方面,可用于加工品种多、数量少的零件,特殊难加工材料的零件、材料试验样件、各种型孔、特殊齿轮凸轮、样板、成型刀具。
同时还可进行微细加工,异形槽和人工标准缺陷的窄缝加工等。
三、激光加工
1.原理
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性,对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。
2.特点
1)高功率密度,可高达108~1010W/cm²
;
2)聚焦微小,输出功率可调整;
3)无明显机械作用力,无工具损耗。
加工速度快,热影响区域很小;
4)加工装置比较简单;
5)加工重复精度和表面粗糙度不容易保证。
对光反射敏感的材料,必须在加工前另加处理;
6)加工产生废气、废物,必须及时排除。
操作人员应有一定安全防护要求。
激光加工机的组成部分
(1)激光器:
将电能转变成光能,产生激光束;
(2)激光器电源:
为激光器提供所需能量及控制功能;
(3)光学系统:
包括激光聚焦系统和观察瞄准系统;
(4)机械系统:
包括床身、工作台和机电控制系统等。
激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门,对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
四、电子束加工
电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小面积上,在极短的时间内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走。
1)可微细聚焦;
2)非接触加工,工件不产生宏观应力和变形,加工范围广泛;
3)生产率很高;
4)易实现加工自动化;
5)加工环境为真空条件,工件表面不发生氧化;
6)设备昂贵。
(一)电子枪:
包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等,是获得电子束的装置。
(二)真空装置:
由机械转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成,保证电子束加工时维持1.33×
10-2~1.33×
10-4Pa的真空度。
(三)控制系统和电源:
包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。
(一)高速打孔;
(二)加工型孔及特殊表面;
(三)刻蚀;
(四)焊接;
(五)热处理;
(六)曝光。
五、离子束加工
等离子体具有极高的能量密度,是由以下三种效应造成的:
1)机械压缩效应
等离子体切割嘴通道直径及长度
2)热收缩效应
气流流量与压力;
冷却水作用
3)磁收缩效应
由电弧电流形成磁场
综合结果:
高电流密度,高温度,高速度(高动能)→热能
1)是一种精密微细的加工方法。
2)非接触式加工,不会产生应力和变形。
3)加工速度很快,能量使用率可高达90%。
4)加工过程可自动化。
5)在真空腔中进行,污染少,材料加工表面不氧化。
6)离子束加工需要一整套专用设备和真空系统,价格较贵。
7)由于离子束流密度及离子的能量可以精确控制,因而能控制加工效果。
8)加工应力小。
变形微小,对材料适应性强。
9)加工在较高真空度中进行,故产生污染少,特别适于加工易氧化的材料。
离子束加工装置可分为离子源系统、真空系统、控制系统和电源系统。
其中离子源系统与电子束加工装置不同,其余系统均类似。
等离子弧喷涂;
等离子弧热处理;
等离子弧切割;
等离子弧焊接。
电化学作用特种加工技术
一、电解加工
利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成形。
在工件阳极与工具阴极之间接上直流电源,使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1~0.8mm),间隙中通过高速流动的电解液。
这时,工件阳极开始溶解。
开始时,两极之间的间隙大小不等,间隙小处电流密度大,阳极金属去除速度快;
而间隙大处电流密度小,去除速度慢。
随着工件表面金属材料的不断溶解,工具阴极不断地向工件进给,溶解的电解产物不断地被电解液冲走,工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状,如此下去直至将工具的形状复制到工件上。
(1)加工范围广泛,不受工件材料力学性能的限制;
(2)生产率较高,约为电火花成形加工的5~10倍;
(3)表面质量好,Ra1.25~0.2;
(4)加工表面无残余应力、无毛刺;
(5)阴极理论上不会损耗。
3.局限性
(1)难以获得高加工精度及高加工稳定性;
(2)阴极设计和修正比较困难;
(3)设备投资较多;
(4)电解产物可能产生污染,有待处理。
4.电解加工设备
(一)直流电源
(二)机床
(1)机床的刚性;
(2)进给速度的稳定性;
(3)防腐及绝缘;
(4)抽风防爆。
(三)电解液系统
供液泵、贮液槽、过滤装置、加热及降温装置等
(四)控制系统
5.应用范围
1.孔加工固定阴极扩孔;
移动阴极扩孔。
2.型孔加工
3.型腔加工锻模型腔成形。
4.套料加工
5.叶片型面成形
6.电解去除毛刺(倒角)
7.电解刻字、电解抛光
8.数控展成电解加工
二、电铸加工
1.电铸的基本原理
把预先按所需形状制成的电铸模作为阴极,用电铸材料作为阳极,一同放入与阳极材料相同的金属盐溶液中,通以直流电。
在电解作用下,电铸模表面逐渐沉积出金属电铸层,达到所需的厚度后从溶液中取出,将电铸层与原模分离,便获得与原模形状相对应的金属复制件。
是一种“加材”加工方法,以原子为单位实现材料的叠加与堆砌;
具有制备纳米金属材料的理论基础。
能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路,唱片模、工艺品模、纸币、证券、邮票等制版模。
能获得尺寸精度高、表面粗糙度小于Ra0.1微米的复制品,且同一原模生产的电铸件一致性极好。
适用材料多,单金属、合金、复合等材料,60多种。
应用范围广,手机、家电、电脑、汽车、五金、玩具、工艺品、航空航天、武器装备、模具、微机械等行业。
加工速度较慢;
原模准备周期长。
3.电铸的应用
主要用来是精确复制微细、复杂和某些难于用其他方法加工的特殊形状的工件。
广泛应用于手机,电话,电脑,照相机等电子产品上。
在手机上的应用主要在,Logo、摄像头装饰件,功能键、小的装饰片等
4.优缺点
电铸法的优点﹕
1、能进行超精密加工(复制精度好)。
电铸最重要的特征是它具有高度“逼真性”。
电铸甚至可复制0.5微米以下的金属线。
例如﹕1英寸的宽度内,有2500根3.5微米的超细线的电视摄像机用的高精度金属网(超细金属网),就使用了电铸法进行生产的。
而香烟过滤嘴的纤维,也是使用纤维素通过超细金属网制成的,这是用其他金属加工法所不能达到的。
电铸复制的精度是非常高的。
高精度金属网的制造法,是在底板上用照相制板技术按需要涂上绝缘层(保护层),然后以此作为模板进行电铸。
2、能调节沉积金属的物理性质。
可以通过改变电镀条件,镀液的组分的方法来调节沉积金属的硬度、韧性和拉伸强度等。
还可以采用多层电镀、合金电镀、复合电度镀方法得到其他加工方法不能得到的物理性质。
3、不受制品大小的限制。
只要能够放入电镀槽就行。
4、容易制出复杂形状的零件。
电铸法的缺点﹕
1、操作时间长。
例如﹕用3A/dmm的阴极电流密度沉积3mm厚的镍层,需要25h20min。
即使用是小薄零件要镀厚层时,成本很高,但是电镀过程中可以无人管理。
2、要有经验和熟练技能的人员操作。
电铸装置是简单的,但在复制复杂形状的模型中要制造母模、导电层处理、剥离处理等,这些工序都要求有经验和熟练技能的人员才能操作。
3、必须有很大的作业面积。
即使是小制品,也需要有镀槽、水洗槽等平面布置,废水处理装置必须有相当大的作业面积。
4、除了要有电镀操作技术外,还必须有机械加工和金属加工知识。
电铸法并不是单用电镀操作而制出制品,还要进行衬底加工、研磨等机械操作,所以必须具备这些方面的知识和技巧。
化学作用特种加工技术
一、化学洗切加工
化学铣切加工,实质上是较大面积和较深尺寸的化学蚀刻。
其原理是:
先把工件非加工表面用耐腐蚀性涂层保护起来,需要加工的表面露出来,浸入到化学溶液中进行腐蚀,使金属按特定的部位溶解取出,达到加工目的。
优点1)可加工难切削材料,不受材料的硬度和强度的限制;
2)适合大面积、多件同时加工;
3)加工表面质量较好,无应力,无毛刺;
4)操作技术容易掌握。
缺点:
1)加工窄槽及深腔较困难;
2)不能改变工件原有缺陷;
3)腐蚀液对操作人员及设备有一定危害;
4)利用溶液对基底进行蚀刻的过程中,由于化学反应是一个放热过程,产生的热量易导致溶液沸腾和流动,使基底的表面质量降低,而且对于一些特殊的化合物如硅的氮化物,却没有相应的湿法蚀刻方法。
3.化学铣切的应用范围
1)主要用在较大工件的金属表面厚度减薄加工。
铣切厚度一般小于13mm,如在航空和航天工业中常用于局部减轻结构件的重量,也适宜于大面积或不利于机械加工的薄壁型整体壁板的加工。
2)用于厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的型孔。
二、化学抛光
金属试样表面各组成相的电化学电位不同,形成了许多微电势,在化学溶液中会产生不均匀溶解。
在溶解过程中试样面表层会产生一层氧化膜,试样表面凸出部分由于粘膜薄,金属的溶解扩展速度较慢,抛光后的表面光滑,但形成有小的起伏波形,不能达到十分理想的要求。
在低和中等放大倍数下利用显微镜观察时,这种小的起伏一般在物镜垂直鉴别能力之内,仍能观察到十分清晰的组织。
电化学抛光设备除了电抛光槽之外,还应包括除油、除锈、除膜以及冷热水清洗等设备。
但最基本的设备应包括除油槽、除锈(或除膜)槽、电抛光槽、热水清洗槽、冷水清洗槽、中和槽、干燥器等。
其前后还应该有装夹台及零件抛光后的拆卸台等。
3.特点
优点:
化学抛光设备简单,可以处理形状比较复杂的零件。
缺点:
1、化学抛光的质量不如电解抛光。
2、化学抛光所用溶液的调整和再生比较困难,在应用上受到限制。
3、化学抛光操作过程中,硝酸散发出大量黄棕色有害气体,对环境污染严重。
化学抛光得到的表面粗糙度一般为数10μm。
主要应用
它可广泛用于气动、液压、工程机械、油嘴油泵、汽车、发动机等行业不同金属材质泵体、阀体、连杆、柱塞针阀偶件等零件去毛刺加工。
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