精密與特種加工技術第十一章其他精密與特種加工技術ppt課件

1、第第11章章 其他精細與特種加工技術其他精細與特種加工技術 11.1 功率超聲光整加工功率超聲光整加工11.1.1 功率超聲珩磨普通珩磨時，油石易堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨銅、鋁、鈦合金等韌性資料管件時，油石極易堵塞，使油石壽命減小，加工外表質量差、效率低。采用功率超聲珩磨那么珩磨力小、珩磨溫度低、油石不易堵塞、加工質量好、效率高，零件滑動面耐磨性高，可以處理上述普通珩磨存在的主要問題。11.1.2 功率超聲研磨功率超聲研磨是在研磨工具或工件上施加功率超聲振動以改善研磨效果的一種新工藝。與普通機械研磨相比，具有效率高、外表粗糙度低的優(yōu)點。功率超聲研磨安裝由功率超聲發(fā)生器，功率超聲振動系統(tǒng)(

2、包括換能器、變幅桿和研磨工具)，機械加壓冷卻或磨料供應系統(tǒng)組成。 11.1.3 功率超聲拋光功率超聲拋光的振動系統(tǒng)構造與研磨類似。功率超聲拋光工具有兩類：一類是具有磨削作用的磨具，如燒結金剛石、燒結剛玉油石等；另一類是沒有磨削作用的工具，如金屬棒、木片和竹片等，運用時另加拋光膏。11.1.4 功率超聲壓光功率超聲壓光是在傳統(tǒng)壓光工藝根底上，給工具沿工件外表法線方向上施加功率超聲振動，在一定壓力下工具與工件外表振動接觸，從而對工件外表進展機械冷作硬化，大大提高了加工外表的硬度和耐磨性，降低外表粗糙度。右圖所示是功率超聲壓光安裝的表示圖。11.2 化化 學學 加加 工工化學加工(Chemical

3、Machining，CHM)是利用酸、堿、鹽等化學溶液對金屬產生化學反響，使金屬腐蝕溶解，改動工件尺寸和外形(以致外表性能)的一種加工方法?；瘜W加工的運用方式很多，但屬于成形加工的主要有化學銑切(化學蝕刻)和光化學腐蝕加工法。屬于外表加工的有化學拋光和化學鍍膜等。11.2.1 化學銑切加工1. 化學銑切加工的原理、特點和運用范圍1) 化學銑切的特點 (1) 可加工任何難切削的金屬資料，而不受任何硬度和強度的限制，如鋁合金、鉬合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼等。(2) 適于大面積加工，可同時加工多件。(3) 加工過程中不會產生應力、裂紋、毛刺等缺陷，外表粗糙度Ra可達2.51.25。(4) 加工操作

4、技術比較簡單。2) 化學銑切的缺陷(1) 不適宜加工窄而深的槽和型孔等。(2) 原資料中缺陷和外表不平度、劃痕等不易消除。(3) 腐蝕液對設備和人體有危害，故需有適當?shù)姆雷o性措施。3) 化學銑切的運用范圍(1) 主要用于較大工件的金屬外表厚度減薄加工。銑切厚度普通小于13mm。如在航空和航天工業(yè)中常用于部分減小構造件的質量，對大面積或不利于機械加工的薄壁形整體壁板的工件適宜。(2) 用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工復雜的形孔。2. 化學銑切工藝過程化學銑切的主要過程如以下圖所示，其中主要的工序是涂維護層、刻形和化學腐蝕。11.2.2 光化學腐蝕加工光化學腐蝕加工簡稱光化學加工(Optic

5、al Chemical Machining，OCM)是光學照相制版和光刻(化學腐蝕)相結合的一種精細微細加工技術。它與化學蝕刻(化學銑削)的主要區(qū)別是不靠樣板人工刻形、劃線，而是用照相感光來確定工件外表要蝕除的圖形、線條，因此可以加工出非常精細的文字圖案，目前已在工藝美術、機制工業(yè)和電子工業(yè)中獲得運用。11.2.3 化學拋光1. 化學拋光的原理和特點普通是用硝酸或磷酸等氧化劑溶液，在一定條件下，使工件外表氧化，此氧化層又能逐漸溶入溶液，外表微凸起處被氧化較快而較多，微凹處那么被氧化慢而少。同樣凸起處的氧化層又比凹處更多、更快地分散、溶解于酸性溶液中，因此使加工外表逐漸被整平，到達外表平滑化和光

6、澤化?；瘜W拋光的特點是：可以大外表或多件拋光薄壁、低剛度零件，可以拋光內外表和外形復雜的零件，不需外加電源、設備，操作簡單、本錢低。其缺陷是化學拋光效果比電解拋光效果差，且拋光液用后處置較費事。2. 化學拋光的工藝要求及運用1) 金屬的化學拋光常用硝酸、磷酸、硫酸、鹽酸等酸性溶液拋光鋁、鋁合金、鉬、鉬合金、碳鋼及不銹鋼等。有時還參與明膠或甘油之類的添加劑。拋光時必需嚴厲控制溶液溫度和時間。溫度從室溫到90，時間自數(shù)秒到數(shù)分鐘，只需資料、溶液成分經(jīng)實驗后才干確定最正確值。2) 半導體資料的化學拋光如鍺和硅等半導體基片在機械研磨平整后，還要最終用化學拋光去除外表雜質和蛻變層。常用氫氟酸和硝酸、硫酸

7、的混合溶液或雙氧水和氫氧化銨的水溶液。11.2.4 化學鍍膜1. 化學鍍膜的原理和特點其原理是在含金屬鹽溶液的鍍液中參與一種化學復原劑，將鍍液中的金屬離子復原后堆積在被鍍零件外表。其特點是：有很好的均鍍才干，鍍層厚度均勻，這對大外表和精細復雜零件很重要；被鍍工件可為任何資料，包括非導體如玻璃、陶瓷、塑料等；不需電源，設備簡單；鍍液普通可延續(xù)、再生運用。2. 化學鍍膜的工藝要點及運用化學鍍銅主要用硫酸銅、鍍鎳主要用氯化鎳、鍍鉻主要用溴化鉻、鍍鈷主要用氯化鈷溶液，以次磷酸鈉或次硫酸鈉作為復原劑，也有選用酒石酸鉀鈉或葡萄糖等為復原劑的。對特定的金屬，需選用特定的復原劑。鍍液成分、質量分數(shù)、溫度和時間

8、都對鍍層質量有很大影響。鍍前還應對工件外表除油、去銹等作凈化處置。運用最廣的是化學鍍鎳、鈷、鉻、鋅，其次是鍍銅、錫。在電鑄前，常在非金屬的外表用化學鍍膜法鍍上很薄的一層銀或銅作為導電層和脫模之用。11.3 水射流及磨料流加工技術水射流及磨料流加工技術11.3.1 水射流加工原理1. 射流液滴與資料的相互作用過程2. 資料的失效機理11.3.2 水射流加工工藝及運用水射流的壓力和流量取值范圍很廣，方式也多種多樣，因此它的運用就非常廣泛。水射流的運用來源于采礦業(yè)，后來較多用于工業(yè)清洗、工業(yè)除銹和工業(yè)切割。1. 磨料流加工磨料流加工是水射流加工的一種方式。磨料射流是在水射流中混入磨料顆粒即成為磨料射

9、流。磨料射流的引入大大提高了液體射流的作用效果，使得射流在較低壓力下即可進展除銹、切割等作業(yè)；或者在同等壓力下大大提高作業(yè)效率。因此，普通情況下水射流的工業(yè)切割均采用磨料射流介質。 2. 其他水射流加工技術高壓水射流及磨料射流不僅可運用于金屬與非金屬的切割，還可用于車削、磨削、銑削、鉆孔、拋光等。射流或磨料射流可在4 mm薄板上加工出直徑0.4mm的小孔，也可在金屬內鉆出幾百毫米的長孔；可車削出內外螺紋；可在直徑20 mm的棒材上加工出0.15mm的薄片；對金屬或其他脆性資料進展高精度銑削，深度誤差可控制在0.025mm以內；對硬質資料進展外表拋光等。11.4 等離子體加工等離子體加工11.4

10、.1 根本原理以下圖所示為等離子體加工原理表示圖。該安裝由直流電源供電，鎢電極5接陰極，工件9接陽極。利用高頻振蕩或瞬時短路引弧的方法，使鎢電極與工件之間構成電弧。電弧的溫度很高，使工件氣體的原子或分子在高溫中獲得很高的能量。其電子沖破了帶正電的原子的束縛，成為自在的負電子，而原來呈中性的原子失去電子后成為正離子，這種電離化的氣體，正負電荷的數(shù)量依然相等，從整體看呈電中性，稱之為等離子體電弧。在電弧外圍不斷送入工質氣體，盤旋的工質氣流還構成與電弧柱相應的氣體鞘，緊縮電弧，使其電流密度和溫度大大提高。采用的工質氣體有氮、氬、氦、氫或是這些氣體的混合。11.4.2 資料去除速度和加工精度 等離子體

11、切割的速度是很高的，成形切割厚度為25mm的鋁板時的切割速度為760mm/min，而厚度為6.4mm鋼板的切割速度為4 060mm/min，采用水放射可添加碳鋼的切割速度，對厚度為5mm的鋼板，切割速度為6 100mm/min。切邊的斜度普通為27，當仔細控制工藝參數(shù)時，斜度可堅持在12之間。對厚度小于25mm的金屬，切縫寬度通常為2.55mm；厚度達150mm的金屬，切縫寬度為1020mm。等離子體加工孔的直徑在10mm以內，鋼板厚度為4mm時，加工精度為0.25mm，當鋼板厚度達35mm，加工孔或槽的精度為0.8mm。加工后的外表粗糙度Ra通常為1.63.2，熱影響層分布的深度為15mm，

12、決議于工件的熱學性質、加工速度、切割深度，以及所采用的加工參數(shù)。11.4.3 設備和工具簡單的等離子體加工安裝有手持等離子體切割器和小型手提式安裝；比較復雜的有程序控制和數(shù)字程序控制的設備、多噴嘴的設備；還有采用光學跟蹤的設備。任務臺尺寸達13.4m25m，切割速度為506 100mm/min。在大型程序控制成形切削機床上可安裝先進的等離子體切割系統(tǒng)，并配備有噴嘴的自順應控制，以自動尋覓和堅持噴嘴與板材的正確間隔。除了平面成形切割外，還有用于車削、開槽、鉆孔和刨削的等離子體加工設備。11.4.4 實踐運用等離子體加工已廣泛用于切割。各種金屬資料，特別是不銹鋼、銅、鋁的成形切割，已獲得重要的工業(yè)

13、運用。它可以快速而較整齊地切割軟鋼、合金鋼、鈦、鑄鐵、鎢、鉬等。切割不銹鋼、鋁及其合金的厚度普通為3100mm。等離子體還用于金屬的穿孔加工。此外，等離子體弧還作為熱輔助加工。這是一種機械切削和等離子電弧的復合加工方法，在切削過程中，用等離子電弧對工件待加工外表進展加熱，使工件資料變軟，強度降低，從而使切削加工具有切削力小、效率高、刀具壽命長等優(yōu)點，已用于車削、開槽、刨削等。11.5 擠擠 壓壓 珩珩 磨磨擠壓珩磨在國外稱磨料流動加工(Abrasive Flow Machining，AFM)，是20世紀70年代開展起來的一項外表加工的新技術，最初主要用于去除零件內部通道或隱蔽部分的毛刺而顯示出

14、優(yōu)越性，隨后擴展運用到零件外表的拋光。11.5.1 根本原理擠壓珩磨是利用一種含磨料的半流動形狀的黏彈性磨料介質、在一定壓力下強迫在被加工外表上流過，由磨料顆粒的刮削作用去除工件外表微觀不平資料的工藝方法。 11.5.2 擠壓珩磨的工藝特點(1) 適用范圍：由于擠壓珩磨介質是一種半流動形狀的黏彈性資料，它可以順應各種復雜外表的拋光和去毛刺，如各種型孔、型面，像齒輪、葉輪、交叉孔、噴嘴小孔、液壓部件、各種模具等，所以它的適用范圍是很廣的，而且?guī)缀跄芗庸ひ磺械慕饘儋Y料，同時也能加工陶瓷、硬塑料等。(2) 拋光效果：加工后的外表粗糙度與原始形狀和磨料粒度等有關，普通可降低為加工前外表粗糙度值的非常之

15、一，最低的外表粗糙度Ra可以到達0.025。磨料流動加工可以去除在0.025mm深度的外表剩余應力，可以去除前面工序(如電火花加工、激光加工等)構成的外表蛻變層和其他外表微觀缺陷。(3) 資料去除速度：擠壓珩磨的資料去除量普通為0.010.1mm，加工時間通常為15min，最多十幾分鐘即可完成，與手任務業(yè)相比，加工時間可減少90%以上，對一些小型零件，可以多件同時加工，效率可大大提高。對多件裝夾的小零件的消費率每小時可達1 000件。(4) 加工精度：擠壓珩磨是一種外表加工技術，因此它不能修正零件的外形誤差。切削均勻性可以堅持在被切削量的10%以內，因此，也不至于破壞零件原有的外形精度。由于去

16、除量很少，可以到達較高的尺寸精度，普通尺寸精度可控制在微米的數(shù)量級。11.5.3 黏彈性磨料介質黏彈性磨料介質由一種半固體、半流動性的高分子聚合物和磨料顆粒均勻混合而成。這種高分子聚合物是磨料的載體，能與磨粒均勻黏結，而與金屬工件那么不發(fā)生黏附。它主要用于傳送壓力，攜帶磨粒流動以及起光滑作用。11.5.4 夾具夾具是擠壓珩磨的重要組成部分，是使之到達理想效果的一個重要措施，它需求根據(jù)詳細的工件外形、尺寸和加工要求而進展設計，但有時需經(jīng)過實驗加以確定。夾具的主要作用除了用來安裝、夾緊零件、包容介質并引導它經(jīng)過零件以外，更重要的是要控制介質的流程。由于黏彈性磨料介質和其他流體的流動一樣，最容易經(jīng)過

17、那些路程最短、截面最大、阻力最小的途徑。為了引導介質到所需的零件部位進展切削，可以對夾具進展特殊設計，在某些部位進展阻撓、拐彎、干擾，迫使黏彈性磨料經(jīng)過所需求加工的部位。 11.5.5 擠壓珩磨的實踐運用擠壓珩磨可用于邊緣光整、倒圓角、去毛刺、拋光和少量的外表資料去除，特別適用于難以加工的內部通道拋光和去毛刺。擠壓珩磨曾經(jīng)運用于硬質合金拉絲模、擠壓模、拉伸模、粉末冶金模、葉輪、齒輪、燃料旋流器等的拋光和去毛刺，還用于去除電火花加工、激光加工等產生的熱影響層。11.6 光光 刻刻 技技 術術光刻(photolithography)也稱照相平版印刷，它源于微電子的集成電路制造，是在微機械制造領域運

18、用較早并仍被廣泛采用且不斷開展的一類微細加工方法。光刻是加工制造半導體構造或器件和集成電路微圖形構造的關鍵工藝技術，其原理與印刷技術中的照相制版類似：在硅等基體資料上涂覆光致抗蝕劑(或稱為光刻膠)，然后利用極限分辨率極高的能量束來經(jīng)過掩模對光致抗蝕劑層進展曝光(或稱光刻)。經(jīng)顯影后，在光致抗蝕劑層上獲得了與掩模圖形一樣的極微細的幾何圖形，再利用刻蝕等方法，在工件資料上制造出微型構造。 光刻技術普通由以下根本的工藝過程構成，如以下圖所示 11.6.2 光刻加工運用及關鍵技術光刻加工中的關鍵技術主要包括掩模制造、曝光技術、刻蝕技術等。1. 光刻掩模制造掩模的制造技術發(fā)源于光刻，而后在其開展中逐漸獨

19、立于光刻技術。制造工藝可分為幅員設計、掩模原版制造、主掩模制造和任務掩模制造四個主要階段。 2. 曝光技術1) 遠紫外曝光技術2) 電子束曝光技術3) 離子束及其曝光技術4) X射線曝光技術3. 刻蝕技術化學刻蝕是經(jīng)過化學刻蝕液和被刻蝕物質之間的化學反響將被刻蝕物質剝離下來的刻蝕方法。大多數(shù)化學刻蝕是不易控制的各向同性刻蝕。其最大缺陷就是在刻蝕圖形時容易產生塌邊景象，即在縱向刻蝕的同時，也出現(xiàn)側向刻蝕，以致使刻蝕圖形的最小線寬遭到限制。通常、采用刻蝕系數(shù)Kf來反映刻蝕向縱向深化和向側向刻蝕的情況，刻蝕系數(shù)表示為Et=2D/(W2-W1)=D/R。11.6.3 光刻技術的極限和開展前景1. 相移

20、掩模技術 相移掩模是相對于傳統(tǒng)的透射掩模(TM)或振幅掩模而言的。振幅掩模上凡透光部分所透過的光波相位都是一樣的，而振幅不同。而相移掩模那么是掩模上透過的光波相位處處不同，相鄰區(qū)域相位差為180，而振幅能夠一樣，也能夠不同，隨相移掩模種類而定。相移掩模上，在指定的一些透光區(qū)域中部分地添加一層適當厚度的透明介質層，即所謂的相移器或相移層，來改動該處透過光的相位，使與無相移器區(qū)域透過光波之間有180相位差，從而改善硅片上光學像的對比度，提高分辨率，同時焦深、像亮度曝光量和寬容度也得到改善。2. CQUEST和SHRINC技術CQUEST的原理是選擇和控制用于微細圖構成像的照明光，使經(jīng)過透鏡的光程到

21、達優(yōu)化，以提高像質和添加焦深。 SHRINC方法也可用在準分子激光照明情況下，并可與相移掩模結合運用。當與i線分步重步光刻機結合時，可用于大規(guī)模消費64 Mbit DRAM；當與KrF準分子激光光刻結合時，可用于大規(guī)模消費256 Mbit DRAM；進一步與ArF(193 nmm)準分子激光光刻和相移掩模結合，可望用于1 Gbit DRAM的消費。11.7 磁性磨料加工磁性磨料加工磁性磨料研磨加工按磨粒的形狀分為干性研磨和濕性研磨兩種。干性研磨運用的磨料是干性磨料；濕性研磨是將磨料與不同的液體混合。這兩種方式都能進展拋光、去毛刺和棱邊倒圓。這里主要引見干性磁力研磨。11.7.1 加工原理 干性

22、磁力研磨的表示圖如右圖所示。把磁性磨料放入磁場中，磁性磨料在磁場中將沿著磁力線的方向有序地陳列成磁力刷。把工件放入N-S磁極中間，并使工件相對N極和S極堅持一定的間隔，當工件相對磁極作相對運動時，磁性磨料將對工件外表進展研磨加工。11.7.2 磁性磨料磁性磨料的制造工藝雖不完全一樣，但運用的原資料是根本一樣的。常用的原料是鐵加普通磨料(例如A12O3、SiC等)。普通的制造方法是將一定粒度的A12O3或SiC與鐵粉混合、燒結，然后粉碎、挑選，制成一定尺寸的磁性磨料，如右圖所示。11.7.3 加工工藝參數(shù)對加工質量的影響1. 磁場強度的影響加工間隙中的磁感應強度大小可以經(jīng)過改動勵磁電壓的大小來控制。當勵磁電壓一定時，磁性磨料遭到的作用力與磁感應強度的平方成正比。增大加工間隙中的磁感應強度，就能有效地提高研磨拋光效率，因此，要正確選用勵磁電壓。