1、本章要点工程塑料成形快速成形技术精密加工技术特种加工技术表面处理技术 按塑料受热后的性质可将其分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的特点是受热时软化并熔融，成为可流动的粘稠液体，冷却后便固化成形，这一过程可反复进行。热固性塑料的特点是在一定的温度下能软化或熔融，冷却后便固化(或加入固化剂)成形。一旦成形后，便不能溶解于溶剂中；再度加热，不会再度熔融，温度再高时只能分解而不能软化。所以热固性塑料只能塑制一次。 一、挤出成形一、挤出成形 挤出成形亦称挤塑，主要用于热塑性塑件成形。挤出成形可连续化生产，生产效率高，应用范围广。能加工大多数热塑性塑料和一些热固性塑料及塑料与其他材料的复合材料，广泛用
2、于生产塑料管材、板材、棒材、薄膜、单丝、电缆护层、中空制品、异形材等。 挤出成形工艺过程包括：物料的干燥、成形、制品的定型与冷却、制品的牵引与卷取(或切割)，有时还包括制品的后处理等。 二、注射成形二、注射成形注射成形也称注塑，是利用注塑机的螺杆或活塞，使料筒内的塑化熔融的塑料，经喷嘴、浇注系统，注入闭合的模具型腔而固化成形。注塑制品品种繁多，如日用塑料制品、机械设备和电器的塑料配件等。除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可采用注塑成形；另外还可以用于某些热固性塑料。注塑成形具有生产周期短、生产率高、易于实现自动化生产和适应性强的特点。目前，注塑制品约占热塑性塑料制品的2030。 注塑工艺过程包
3、括：成形前的准备、注射过程、制品的后处理等。1、成形前的准备、成形前的准备 成形前的准备工作包括：原料的检验，原料的染色和造粒；原料的预热及干燥，嵌件的预热和安放；试模、清洗料筒及试车等。 2、注射过程、注射过程 注射过程包括加料、塑化、注射、冷却和脱模等工序。 3、制品的后处理、制品的后处理 注射制品经脱模或机械加工后，常需进行适当的后处理以改善制品的性能，提高尺寸稳定性。制品的后处理主要是指退火和调质处理。 三、模压成形三、模压成形模压成形也称压塑，主要用于热固性塑料的成形。将原料倒人已加热的模具型腔内，通过压机给模具加压，塑料在模腔内加热塑化(融化)流动并在压力下充满模腔，同时发生化学反
4、应而固化，得到塑料制品。 模压过程包括加料、闭模、排气、固化、脱模和吹洗模具等步骤。 四、吹塑成形四、吹塑成形吹塑也称中空成形，属于塑料的二次加工，是制造空心塑料制品的方法。吹塑生产过程是先用挤塑、注塑等方法制成管状型坯，然后把保持适当温度的型坯置于对开的阴模模膛中，将压缩空气通人其中将其吹胀，紧紧贴于阴模内壁，两半阴模构成的空间形状即制品形状。 五、压注成形五、压注成形压注成形(注射压制)是注射和压制法相结合的工艺，主要用于成形热固性塑料。它先将在加料腔内受热塑化熔融的塑料，经过浇注系统，压人被加热的闭合型腔内，当熔料进入模腔时，模具在其压力作用下打开少许，当熔料充满模腔后，再相当于压制法，
5、用高压合紧模具制得所需的制品 快速成形(RP)是90年代发展起来的应用于制造业的高新技术。它为制造工业开辟了一条全新的制造途径，不用刀具而制造各类零部件。其本质是用积分法通过材料逐层添加直接制造三维实体。 一、分类一、分类从1987年世界第台快速成形机问世以来，快速成形技术的具体工艺方法已有十多种。按原料种类来分可将这些技术分为固相法、液相法、气相法以及固气相法四类 类型类型工工 艺艺原原 料料固固 相相 法法选区烧结选区烧结粉末材料粉末材料片层添加片层添加薄片材料薄片材料选区粘结选区粘结粉末材料加添加剂粉末材料加添加剂选区挤塑选区挤塑丝状热敏材料丝状热敏材料液液 相相 法法光敏液相固化光敏液
6、相固化光敏固化高分子材料光敏固化高分子材料气气 相相 法法选区沉积选区沉积气体气体固气相法固气相法选区反应烧结选区反应烧结气体粉末材料气体粉末材料二、基本原理二、基本原理零件是三维空间的实体，它可以由某个坐标方向上的若干个“面”叠加而成。利用离散、堆积成形的概念，可以将一个三维实体分解为若干个二维实体制造出来，再把二维实体堆积就构成了所需的三维实体，这就是快速成形制造的基本原理。首先要在计算机中产生一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件。将其转换成STL文件格式，用一个软件从STL文件“切”(s1ice)出设定厚度的一系列的片层。然后将上述每片层的资料传到快速成形机中去。最后用材料添加法依
7、次将每层做出来并同时连接各层，直到完成整个零件。 选区激光烧结(Selective LaserSintering，缩写SLS)成形法属于固相法。其优点是原材料广泛，原则上任何受热后粘结的粉末都可用作SLS原材料，主要包括塑料、蜡、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。选区激光烧结成形过程如图107所示。 在烧结过程中，激光束在计算机控制之下透过窗口以一定的速度和能量密度扫描，其能量在选定的区域作用于粉末，使粉末逐层粘结固化，激光束的开关与零件的每层形状信息有关，最终得到零件。 三、主要用途三、主要用途 快速成形技术的用途，归纳起来有三大类：(1)设计模型的制造 这是快速成形技术应用最多的领域。通过对原
8、型外观制造工艺的评估和某些性能参数的实际测试，工程师能迅速修改设计，加快产品开发进程。(2)小批量零件生产 对于那些小批量生产的零件，如人体骨骼和机械设备中的特殊零件，利用快速成形机来制造，成本会大大降低。(3)模具加工 用快速成形法，可以制造塑料模以取代传统木制模，也可以生产精密铸造用的熔模。把三维原型实体成形法与金属喷涂技术结合起来，还可以制造高质量的注塑模。如采用选区激光烧结法，可以用来直接生产陶瓷模具，甚至金属模具。精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1
9、mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体
10、望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度（表7-3）精密加工与超精密加工的发展（图7-17）图7-17 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-319001920194019601
11、9802000年份精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加
12、工地位结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密与超精密
13、加工分类。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件
14、的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。波及工件内层，可获得高精度和好表面质量照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等应用机理、特点加工设备关键技术图7-18 Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。 图7-19 T形布局的金刚石车床X轴滑台主轴刀架光路护罩基座z轴滑台周缘护板T形布局（图7-19）金刚
15、石车床主要性能指标（表7-5）数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）表7-5 金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m金刚石刀具a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（
16、110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）图7-21 （111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6 4.86.46.45B16B-B
17、110120RR=0.51.2B000000000图7-22 金刚石刀具角度金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图7-23 金刚石车床及其加工照片砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）特点：砂轮修整：进给图7-24 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷ELID（Electrolytic In-Process Dressing）塑性（延性）磨削 接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图7-25 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动精密与超精密砂带磨削几种常见砂带磨削方式（图7-27）图7-27 几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮
18、砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02m）。 3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28 静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性
19、，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29 弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。游离磨料加工抛光工具图7-30 液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒抛光工具活性抛光液图7-31 机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压q 激光测量受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦
20、距等数据计算出被测工件的尺寸。 图7-32 激光扫描尺寸计量系统激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）双频激光测量（图7-33）固定反射棱镜图7-33 双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2 +f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反射棱镜f2f2 +f2偏振分光镜f1f1ff +f2由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2 。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（ f2 f2 ）= f + f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（= f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光
21、镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较， 获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。图7-34 双频激光测量系统要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 实现方法：采用空气调节系统 要求：
22、10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 q 精密与超精密加工环境热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加
23、工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理表7-6 微细与超微细加工机理与加工方法主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石 车 刀 、 铣 刀 （ 图 7 -35）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。图7-35 单晶金刚石铣刀刀头形状微细机械加工设备FANUC ROBO nano Ui
24、型微型超精密加工机床（图7-36） BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C C图7-36 FANUC 微型超精密加工机床直接线性驱动（直线电机驱动）图7-37 电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）
25、表7-7 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 50000电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-39）。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图7-40 ）。线放电磨削法（WEDG）图7-40 WEDG 可加工的各种截形杆图7-39 WEDG工作原理工件金属丝导丝器离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电
26、路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构图7-42 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）
27、利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。离子束溅射去除加工四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图7-44 离子束去除加工装置加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动
28、装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图7-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。图7-45 离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图7-46 离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿
29、命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。离子束溅射注入加工离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。四、吹塑成形四、吹塑成形四、吹塑成形四、吹塑成形四、吹塑成形四、吹塑成形q 非传统加工方法特点机械过程q 非传统加工方法分类按加工
30、机理和采用的能源划分）热学过程电化学过程化学过程复合过程工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NSq 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。 4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real图
31、7-64 电火花加工机床q 工作要素q 电火花加工类型图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件RealRealReal电火花线切割机床图7-66 电火花线切割加工加工过程显示q 电火花加工特点q 电火花加工应用工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。 图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极q 电解加工特点q 电解加工应用 导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导
32、电基体磨料阳极膜q 电解磨削（图7-68）图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台工作原理（图7-69）q 特点及应用q 工作原理（图7-70）电源Real混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可见光能量效率5% 15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图q 激光器q 激光加工特点q 激光加工应用图7-72 焦点位置对孔形状影响RealRealReal图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割q 工作原理（图7-75） 变幅杆超声波
33、发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件q 超声波加工特点及应用q 工艺参数（表7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400
34、400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水切割参数60年代末形成的表面科学有力地促进了表面技术的发展，现在表面技术的应用已经十分广泛，对于固体材料来说，通过表面处理可以提高材料抵御环境作用的能力，赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。通过特定的表面加工可以制造构件、零部件和元器件等。 表面技术通过以下两条途径来提高材料抵御环境作用的能力和赋予材料表面某种功能特
35、性。 1、施加各种覆盖层、施加各种覆盖层。主要采用各种涂层技术，包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、电火花涂敷、热浸镀、搪瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延制膜、离子束合成薄膜技术等，此外，还有其他形式的覆盖层，例如：各种金属材料经氧化和磷化处理后的膜层；包箔、贴片的整体覆盖层；缓蚀剂的暂时覆盖层等。 2、用机械、物理化学等方法，改变材料表面的形貌、化、用机械、物理化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组织、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采学成分、相组织、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种表面改性技术。用各种表面改性技术
36、。主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性等。 一、表面涂层技术一、表面涂层技术1、电镀、电镀电镀主要用于提高制件的抗蚀性、耐磨性、装饰，或者使制件具有一定的功能。它是利用电解作用，即把具有导电表面的工件与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种，合金镀层有锌铜、镍铁、锌镍铁等一百多种。 2、堆焊、堆焊是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属
37、零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件的工艺技术。用于工程构件、零部件、工模具表面强化与修复。 3、涂装、涂装 它是用一定方法将涂料涂敷于工件表面而形成涂膜的过程。涂料或称漆为有机混合物，可以涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃等制品上。涂装具有保护、装饰或特殊性能(如绝缘、防腐、标志等)，用于各种工程构件，机械建筑和日常用品等。 4、热喷涂、热喷涂将金属、合金、金属陶瓷及陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的镀覆层，提高耐大气腐蚀、耐高温腐蚀、耐化学腐蚀、耐磨性、密封性等。广泛用于工程构件、机械零部件，也用于修复及特
38、种制造。5、电火花涂敷、电火花涂敷这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零件表面的火花放电作用，把作为火花放电电极的导电材料(如WC，TiC)熔渗于工件表层，从而形成含电极材料的合金化涂层，提高工件表层的性能，而工件内部组织和性能不改变。它适用于工模具和大型机械零件的局部处理，提高表面耐磨性、耐蚀性、热硬性和高温抗氧化性等，也用于修复受损工件。 6、陶瓷涂敷、陶瓷涂敷陶瓷涂层是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机物为基体的高温涂层，用于金属表面主要在室温和高温起耐蚀、耐磨等作用。在金属材料等基体上主要作保护涂层，也可作功能涂层
39、。能用于磨损件的修复。陶瓷涂敷在许多工业部门取得了广泛的应用。 7、真空蒸镀、真空蒸镀将工件放入真空室，并用一定方法加热，使镀膜材料蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜。工件材料可以是金属、半导体、绝缘体、乃至塑料、纸张、织物等，而镀膜材料也很广泛，包括金属、合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等。主要有装饰和功能性应用两大类。装饰性镀层广泛应用于汽车、器械、五金制品、钟表、玩具、服装珠宝等。功能性镀层用于光学仪器、电子电器元件、食品包装、各种材料和零部件的防护等。 二、表面改性技术二、表面改性技术1、喷丸强化、喷丸强化 喷丸强化又称受控喷丸，早在本世纪20年代应用于汽车工业，以后逐步扩大到其他工
40、业，目前已成为机械工程等工业部门的一种重要的表面技术，应用广泛。它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校型、喷丸强化等。其中喷丸强化不同于一般的喷丸工艺，它要求喷丸过程中严格控制工艺参数，使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场，从而大幅度地提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 2、表面热处理、表面热处理是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、激光热处理和电子束加热热处理等。主要用来提高钢件
41、的强度、硬度、耐磨性、耐腐性和疲劳极限。 3、化学热处理、化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都由介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应(或表面反应)和工件中扩散四个过程进行处理，具体方法有多种。主要用途是提高钢件的硬度、耐磨性、耐腐性和疲劳极限。 4、等离子扩散处理、等离子扩散处理(PDT)又称离子轰击热处理，是指在压力低于0.1MPa的特定气氛中利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行热处理的工艺。
42、常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等，尤以离子渗氮最普遍，优点是渗剂简单、无公害，渗层较深、脆性低，工件变形小，对钢铁材料适用面广，工作周期短。 5、离子注入表面改性、离子注入表面改性将所需的气体或固体蒸气在真空系统中离化，引出离子束后，用数千电子伏至数百电子伏加速直接注入材料，达一定深度，从而改变表面的成分和结构，达到改善性能之目的。其优点是注入元素不受材料固溶度限制，适用于各种材料，工艺和质量易控制。它的缺点是注人层不深，对复杂形状的工件注入有困难。它能提高金属材料的力学性能和耐腐蚀性；在微电子工程中，用于掺杂，制作绝缘隔离层，形成硅化物等；对无机非金属材料和有机高分子材料进行表面改性。 三、其他表面技术三、其他表面技术1、钢铁的氧化、磷化处理、钢铁的氧化、磷化处理氧化处理是将钢铁制件放人氧化性溶液中，使钢铁表面形成以Fe304为主的氧化物，颜色呈亮蓝色到亮黑色，故又称“发蓝”或“发黑”处理。磷化处理是将钢铁制件放入含磷酸盐的氧化液中，使表面形成不溶解的磷酸盐保护膜。2、铝和铝合金的阳极氧化或化学氧化、铝和铝合金的阳极氧化或化学氧化 阳极氧化是将具有导电表面的工件放入电解质溶液中，并且作为阳极，在外电流作用下形成氧化膜。化学氧化是将铝制件放人铬酸盐的碱性溶液或铬酸盐、磷酸和氟化物的酸性溶液进行化学反应，使铝或铝合金表面形成氧化物。
