精密加工和特种加工简答题与答案解析.docx

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精密加工和特种加工简答题与答案解析

三、简答题（30分，每题6分）

1、特种加工与传统切削加工方法在加工原理上的主要区别有哪些？

（6分）

答：

1）特种加工是用机械能以外的其他能量去除工件上多余的材料，以达到图样上全部技术要求。

（2分）

2）特种加工打破传统的硬刀具加工软材料的规律，刀具硬度可低于被加工材料的硬度。

（2分）

3）特种加工过程中，工具与工件不受切削力的作用。

（2分）

2、特种加工的本质特点是什么？

（6分）

答：

1）特种加工所使用的工具硬度可以低于被加工材料的硬度；（2分）

2）特种加工不依靠机械能，而是主要用其他能量（如电、化学、光、声、热等）去除材料（2分）

3）特种加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。

（2分）

3、电火花加工必须解决的问题有哪些？

（6分）

答：

1、由于在电火花加工的不同阶段，金属蚀除的速度不同，因此必须具有工具电极的自动进给和调节装置，使工具和工件之间保持合适的放电间隙；（2分）

2、火花放电必须是瞬时的、单极性、脉冲放电；（2分）

3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。

（2分）

4、什么是电火花加工的机理？

火花放电过程大致可分为哪四个连续的阶段？

（6分）

答：

电火花加工的机理是指电火花加工的物理本质，即火花放电时，电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的这一微观物理过程。

（2分）

火花放电过程大致可分为如下四个阶段：

1、极间介质的电离、击穿，形成放电通道；（1分）

2、介质热分解、电极材料融化、气化，热膨胀；（1分）

3、电极材料的抛出；（1分）

4、极间介质的消电离；（1分）

5、电火花加工的优缺点有哪些？

（6分）

答：

电火花加工的优点主要体现在以下四个方面：

1、特别适合任何难以进行切削加工的材料；（1分）

2、可以加工特殊或形状复杂的表面和零件；（1分）

3、工具与工件不接触，作用力极小；（1分）

4、脉冲放电时间短，冷却作用好，加工表面热影响小。

（1分）

但存在以下缺陷：

1、主要用于加工金属等导电材料；（1分）

2、加工速度较慢（需进行预加工，去除大部分余量）且存在一定的电极损耗。

（1分）

6、简要叙述电火花加工的应用场合（6分）

答：

1、可以使用硬度不高的紫铜或石墨作工具电极，去加工任何硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料；（2分）

2、加工时工件与工具不接触，无切削力，因此适于加工薄壁、窄槽、低刚度及微细精密的零件。

（2分）

3、可以加工任何形状特殊、结构复杂的工件；（1分）

4、脉冲电源的参数可以任意调节，能在同一台机床上进行粗加工、半精加工或精加工。

（1分）

7、在电火花加工中，工作液的作用有哪些？

（6分）

答：

1）形成火花放电通道，并在放电结束后迅速恢复放电间隙的绝缘状态；（2分）

2）压缩放电通道，并限制其扩展，使放电能量高度集中在极小的区域内，既加强了蚀除的效果，又提高了放电仿型的精确性；（2分）

3）加速电极间隙的冷却和消电离过程，有助于防止出现破坏性电弧放电；（1分）

4）加速电蚀产物的排除；（1分）

8、简述电火花加工用的脉冲电源的作用和输出要求（6分）

答：

脉冲电源作用：

把工频交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量，以蚀除金属。

（2分）

脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足如下要求：

（4分）

1）足够的放电能量

2）短时间放电

3）波形单向

4）主要参数有较宽的调节范围

5）有适当的脉冲间隔时间

9、简述RC线路脉冲电源的工作过程（6分）

答：

RC线路脉冲电源的工作过程：

1）当直流电源接通后，电流经限流电阻向电容器充电，电容器两端的电压上升，电能往电容器上储存；（2分）

2）当电容器两端的电压上升到工具与工件之间间隙的击穿电压时，电容器上储存的电能就瞬间释放，形成较大的脉冲电流；（2分）

3）电容器上的电能释放后，电压下降到接近于0，极间工作液又迅速恢复到绝缘状态；此后，电容器再次充电，重复上述过程！

（2分）

10、对电火花加工用脉冲电源的要求有哪些？

（6分）

答：

1、总的要求：

有较高的加工速度、工具电极损耗低、加工过程稳定性好、工艺范围广，从而，能适应粗加工、半精加工、精加工的要求；能适应不同材料的加工；能采用不同工具电极材料进行加工。

（2分）

2、具体要求：

1）所产生的脉冲应该是单向的；其目的是最大限度地利用极性效应，以提高生产率和减少工具电极的损耗。

（1分）

2）脉冲电压波形的前后沿应该较陡；其目的是保证加工工艺过程相对稳定。

（1分）

3）脉冲电源的主要参数应能在很宽的范围内可以调节；其目的是满足粗加工、半精加工、精加工的不同要求。

（1分）

4）工作可靠、成本低、操作方便、节能省电。

（1分）

11、简述快走丝线切割机床的工作过程（6分）

答：

快走丝线切割机床是利用细钼丝作为电极，多工件进行火花放电“切割”加工；贮丝筒使钼丝作正、反向交替移动，加工能源由脉冲电源供给，电极丝和工件之间浇注专用工作液介质。

（3分）

工作台在水平面两个坐标方向上，各自按预定的控制程序、并根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线运动，将工件切割成型。

（3分）

12、简述电化学反应加工的基本原理（6分）

答：

当两铜片接上约10v的直流电流并插入CuCl2的水溶液时，即形成通路，在金属片和溶液的界面上，必定会产生电化学反应，溶液中的Cu+2移向阴极，在阴极上析出为铜；同时，在阳极上的Cu原子因失去电子而成为Cu+2，进入溶液；这便是电解（电镀）液中的电化学反应；（4分）

这种以电化学反应为基础，对金属进行加工（阳极溶解、阴极沉积）的方法称为电化学加工；（2分）

13、简述激光加工的基本原理（6分）

答：

激光加工是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应下产生高温熔融，来加工各种材料；（2分）

激光加工时，把光束聚集在工件的表面上，由于区域小、亮度高，其焦点处的功率密度极高，温度可以达到一万多度；在此高温下，可以在瞬间熔化和蒸发任何坚硬的材料，并产生很强的冲击波，使熔化物质爆炸式地喷射去除。

（4分）

14、简述激光加工的特点（6分）

答：

1）不受工件材料硬度、熔点、导电性等各种性质的影响，几乎对所有金属和非金属都可以进行激光加工；（2分）

2）激光能聚集成极小的光斑，可以进行细微和精密加工；（1分）

3）可使用反射镜，将激光输送到远离激光器的隔离室或其它地点，进行加工；（1分）

4）无刀具，属于非接触式加工，无机械加工变形；（1分）

5）对环境无特殊要求，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小；（1分）

15、简述电子束加工原理（6分）

答：

电子束加工是利用电子高速运动时的冲击动能来加工工件的；（1分）

在真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，再经过加速极加速，将具有很高速度和能量的电子束聚焦在被加工材料上，高速电子撞击工件，其动能绝大部分转化为热能，使工件材料局部、瞬时熔融，汽化蒸发而去除；（4分）

 所以说电子束加工是通过热效应进行加工的。

（1分）

16、简述电子束加工特点（6分）

答：

1、电子束加工时，电子束聚焦直径小，可实现精密微细的加工。

（1分）

2、电子束加工属非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏现应力和变形。

（1分）

3、加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

（1分）

4、电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。

（1分）

5、电子束容易控制，加工过程便于实现自动化。

（1分）

6、电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。

（1分）

17、简述离子束加工原理（6分）

答：

与电子束加工比较相似，离子束加工也是在真空条件下，把惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。

（4分）

与电子束加工相比，离子束加工具有更大的能量。

（2分）

18、电子束和离子束加工为什么必须在真空条件下进行？

（6分）

答：

1、只有在较高的真空条件中，电子和离子才能高速运动。

（3分）

2、由于加工时的金属蒸汽会影响电子和离子发射，产生不稳定现象，所以在加工过程中，需要利用真空吸力，不断地把所产生的金属蒸汽抽出去。

（3分）

19、简述超声波加工的原理（6分）

答：

超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具头的振动，通过悬浮液磨料的撞击和抛磨作用，对工件进行成型加工的一种方法；（2分）

超声波加工时，在工件和工具之间注入液体（水或煤油等）和磨料混合的悬浮液，工具对工件保持一定的进给压力，并作高频振荡，频率为16~30kHz，振幅为0.01~0.15mm。

磨料在工具的超声振荡作用下，以极高的速度不断地撞击工件表面，使工件材料在瞬间高压下产生局部破碎；由于悬浮液的告诉搅动，又使磨料不断抛磨工件表面。

随着悬浮液的循环流动，使磨料不断得到更新，同时带走被粉碎下来的材料微粒。

在加工中，工具逐步伸入到工件中，工具的形状便被复制到工件上。

（4分）

20、简述超声波加工的主要特点（6分）

答：

1、适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。

也可以加工淬火钢和硬质合金等材料，但效率相对较低。

（2分）

2、加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。

表面粗糙度Ra值很小，可达0.2μm，加工精度可达0.05～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。

（2分）

3、由于工具材料较软，易制成复杂的形状，工具和工件又无需作复杂的相对运动，因此普通的超声波加工设备结构简单。

加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。

（2分）

21、简述快速成形技术（RP）的原理（6分）

答：

RP是用离散/堆积即分层加工、迭加成形原理来制造产品原型，其原理为：

产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。

（3分）

该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。

（3分）

22、简述快速成形技术的特点（6分）

答：

快速原型技术突破了“毛坯→切削加工→成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。

（2分）

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：

（4分）

1、可以制造任意复杂的三维几何实体。

2、快速性。

3、高度柔性。

4、是实现快速制造的核心。

23、简述立体光造型（SLA）工作原理（6分）

答：

由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择的扫描在光敏树脂体光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树脂；（3分）

每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面几何信息，使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成一零件实体模型。

1、用NaCl电解液在低碳钢上加工30×80的长方形孔，深度为40mm,若要求10min内加工完，需要用多大电流，若直流电源的最大容量为3000A，应改用的最大进给速度为多少？

加工完一个工件需多长时间？

（Fe的体积电化学当量ω为2.22mm3/（A·min））

解：

设η＝100%，vl＝h/t＝40/10＝4mm/min

I＝iA＝A·vl/（ηω）＝30×80×4/（2.22×100%）＝4324A

若电源最大容量为3000A，则改用的最大进给速度为

vl＝ηωi＝1×2.22×3000/（30×80）=2.775mm/min

此时需加工时间t＝h/vl＝40/2.775＝14.41min

2、用NaCl电解液在低碳钢上加工37×30的长方形孔，深度为20mm,若要求5min内加工完，需要用多大电流，若直流电源的最大容量为3000A，可采用的最大进给速度为多少？

加工完一个工件需多长时间？

（Fe的体积电化学当量ω为2.22mm3/（A·min））

解：

设η＝100%，vl＝h/t＝20/5＝4mm/min

I＝iA＝A·vl/（ηω）＝37×30×4/2.22＝2000A

若电源最大容量为3000A，可采用的最大进给速度为

vl＝ηωi＝1×2.22×3000/（37×30）=6mm/min

此时需加工时间t＝h/vl＝20/6＝3.33min

1.电火花加工中工具电极相对损耗的含义是什么？

如何降低工具电极的相对损耗？

答：

工具电极体积相对损耗用电极损耗速度ve与工件蚀除速度vw之比的百分数表示，即θ=ve/vw×100%。

也可用长度相对损耗θL来表示。

降低工具电极相对损耗的途径：

①正确选择电极的极性短脉宽精加工时，选正极性加工，将工件接正极；用长脉宽粗加工时，选负极性加工，将工件接负极。

②正确选择电极的材料选择熔点高、沸点高的材料，选择导热性好的材料。

常用石墨和纯铜作电极材料。

③正确选择脉宽等电参数。

④利用加工过程中的吸附效应来补偿和减小电极损耗，炭黑膜通常只在正极上形成，工具应接正极损耗小。

2.超精密加工的难点是什么？

超精密切削对刀具性能有哪些要求？

为什么单晶金刚石被公认为理想的超精密切削刀具材料？

答：

实现超精密加工的关键是超微量去除技术。

超微量加工时，工具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的，精度难以控制；工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响；去除层越薄，被加工表面所受的切应力越大，材料就越不易被去除。

超微量切削往往是在晶粒内进行，相当于从材料晶格上逐个地去除原子，切削力一定要超过晶体内部的原子结合力才能产生切削作用，其单位面积上的切应力急剧增大，因此要求采用高硬度、高耐磨性的刀具材料。

超精密切削对刀具性能的要求：

1）极高的硬度和耐磨性；2）刃口能磨得极其锋利；

3）刀刃无缺陷；4）与工件材料的抗粘接性好，摩擦系数低。

单晶金刚石被公认为理想的、不可代替的超精密切削刀具材料，是因为它有着一系列优异的特性，如硬度极高，耐磨性和强度高，导热性能好，和有色金属摩擦系数小，能磨出极锋利的刀刃等。

3.电解加工（如套料、成形加工等）的自动进给系统和电火花加工的自动进给系统有何异同？

为什么会形成这些不同？

答：

一般电解加工自动进给系统主要是控制均匀等速的进给速度，它的大小是事先设定的。

进给速度的大小与端面平衡间隙有直接关系（双曲线关系），而端面平衡间隙又直接影响到阴极形状。

在正常电解加工时，主要依照电流的大小来进行控制，但在电极开始进入或即将退出工件时，由于加工面积的变化，则不能依照电流的大小来进行控制。

  电火花加工自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙的稳定，它是按照电极间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线来工作的，它的进给速度不是均匀等速的。

之所以形成这种不同的进给特性，主要是电解加工中存在平衡间隙，进给速度越大，平衡间隙越小，工件的蚀除速度越高，在进给方向、端面上一般不易短路；而电火花加工中不存在平衡间隙，进给速度稍大于蚀除速度，极易引起短路，所以必需调节进给速度以保证放电间隙。

4．阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点？

举例说明。

答：

阳极钝化现象的存在，使电解加工中阳极溶解速度下降甚至停顿，从生产率的角度考虑人们不希望选用产生钝化现象的钝化型电解液。

但是，当采用NaCl等非钝化型电解液加工时，虽然生产率高，但杂散腐蚀严重，成形精度较差，严重影响了电解加工的应用。

而当采用钝化型电解液加工时，尽管电极工具的非工作面没有绝缘，但当加工间隙达到一定尺寸后，对应的工件表面就会产生钝化膜，可以避免产生杂散腐蚀，提高加工精度，促进了电解加工的推广应用。

电解磨削、电解研磨等加工方法就是利用阳极钝化现象的存在而开发出来的。

它们利用了钝化膜对金属的保护作用，采用机械去除钝化膜的方法，使金属微观表面凸点的钝化膜被刮除，并迅速电解，而低凹处的钝化膜起保护作用，使局部不被电解，最终使金属表面的整平作用加快，可实现精加工。

4、简述电火花加工的定义以及电火花加工的物理本质。

答：

电火花加工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，使金属局部熔化，甚至汽化，从而将金属蚀除下来。

电火花加工蚀除金属材料的微观物理过程，也就是电火花加工的物理本质，其包括四个阶段：

（1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道；

（2）电极材料的熔化、汽化热膨胀（能量的转换与分布）；（3）电极材料的抛出（电蚀产物的跑出）；（4）极间介质的消电离。

5、简述电火花加工、电火花线切割加工的特点。

答：

1．电火花加工、电火花线切割加工的共同特点

（1）二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。

（2）二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。

（3）最小角部半径有限制。

电火花加工中最小角部半径为加工间隙，线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙。

2．电火花加工、电火花线切割加工的不同特点

（1）从加工原理来看，电火花加工是将电极形状复制到工件上的一种工艺方法。

在实际中可以加工通孔（穿孔加工）和盲孔（成型加工；而线切割加工是利用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法。

（2）从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方法加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进行轮廓图形加工，余料仍可利用。

（3）从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极（一般用铜、石墨等材料制作而成）；线切割加工用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）做电极。

（4）从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，易损耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于电极丝连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。

（5）从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹等；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件。

6、简述精密与特种加工技术的特点。

答：

精密加工包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工关系密切。

　　特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源进行加工的非传统加工方法。

精密与特种加工与传统切削加工的不同特点主要有：

①主要不是依靠机械能，而是主要用其他的能量（如电能、热能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料；

　　②刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具；

　　③在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。