特种加工课后习题答案.doc

特种加工习题解答概 论1.从特种加工的发生和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是物极必反 有哪些事例是坏事有时变为好事 答:这种事例还是很多的.以物极必反来说,人们发明了螺旋桨式飞机,并不断加大螺旋桨的转速和功率以提高飞机的飞行速度和飞行高度.但后来人们发现证实螺旋桨原理本身限制了飞机很难达到音速和超音速,随着飞行高度愈高,空气愈稀薄,螺旋桨的效率愈来愈低,更不可能在宇宙空间中飞行.于是人们采用爆竹升空的简单原理研制出喷气式发动机取代了螺旋桨式飞行器,实现了洲际和太空飞行.由轮船发展成气垫船,也有类似规律.以坏事变好事来说,火花放电会把接触器、继电器等电器开关的触点烧毛、损蚀,而利用脉冲电源瞬时、局部的火花放电高温可用作难加工材料的尺寸加工.同样,铝饭盒盛放咸菜日久会腐蚀穿孔,钢铁器皿、小刀等在潮湿的环境下会腐蚀.钢铁在风吹雨淋时遭受锈蚀,海洋船舰的钢铁船体为了防止海水的腐蚀,得消耗巨资进行防锈、防蚀.人们研究清楚钢铁电化学锈蚀的原理后,创造了选择性阳极溶解的电解加工方法.这些都是坏事变好事的实例.2.试列举几种采用特种加工工艺之后,对材料的可加工性和结构工艺性产生重大影响的实例.答:这类实例是很多的,例如:硬质合金历来被认为是可加工性较差的材料,因为普通刀具和砂轮无法对它进行切削磨削加工,只有碳化硅和金刚石砂轮才能对硬质合金进行磨削.可是用电火花成形加工或电火花线切割加工却可轻而易举地加工出各式内外圆、平面、小孔、深孔、窄槽等复杂表面,其生产效率往往高于普通磨削加工的生产率.更有甚者,金刚石和聚晶金刚石是世界上最硬的材料,过去把它作为刀具和拉丝模具等材料只有用金刚石砂轮或磨料自己磨自己,磨削时金刚石工具损耗很大,正是硬碰硬两败俱伤,确实是可加工性极差.但特种加工中电火花可成形加工聚晶金刚石刀具,工具,而激光加工则不但削铁如泥而且可削金刚石如泥.在激光加工面前,金刚石的可加工性和钢铁差不多了.对过去传统概念上的可加工性,的确需要重新评价.(2)对结构工艺性,过去认为方孔,小孔,小深孔,深槽,窄缝以及细长杆,薄壁等低刚度零件的结构工艺性很差,在结构设计时应尽量避免.对E字形的硅钢片硬质合金冲模,由于90*内角很难磨削,因此常采用多块硬质合金拼镶结构的冲模.但采用电火花成形加工或线切割数控加工,则很容易加工成整体硬质合金的E形硅钢片冲模,特种加工可使某些结构工艺性由差变好.3.常规工艺和特种加工工艺之间有何关系(应该说如何正确处理常规工艺和特种加工之间的差别) 答:一般而言,常规工艺是在切削,磨削,研磨等技术进步中形成和发展起来的行之有效的实用工艺,而且今后也始终是主流工艺.但是随着难加工的新材料,复杂表面和有特殊要求的零件愈来愈多,常规,传统工艺必然会有所不适应.所以可以认为特种加工工艺是常规加工工艺的补充和发展.特种加工工艺可以在特定的条件下取代一部分常规加工工艺,但不可能取代和排斥主流的常规加工工艺.第二章 电火花加工1.两金属在(1)在真空中火花放电;(2)在空气中;(3)在纯水(蒸馏水或去离子水)中;(4)在线切割乳化液中;(5)在煤油中火花放电时,在宏观和微观过程以及电蚀产物方面有何相同和相异之处 答:(1)两金属在真空中火花放电时,当电压(电位差)超过一定时即产生击穿,电子由-极逸出飞向+极,由于真空中没有物质阻挡电子的运动,所以没有正离子形成,没有发热的放电通道的概念,示波器,显象管中电子流的运动与此类似.基本上没有电蚀产物生成.(2)两金属在空气中放电的例子是电火花表面强化,涂覆.电焊,等离子切割,等离子焊等,也是在空气中放电,利用电子流在空气中撞击气体原子形成放电通道,在通道中和工件表面产生大量的热能用于强化,涂覆,切割和焊接.(3)在纯水,蒸馏水或去离子水中,两金属间电火花放电与在煤油中类似,只是水分子,原子受电子,正离子撞击发热气化,最后分解为氧原子和氢原子(分子),而不像煤油中会分解出碳原子(碳黑微粒)和氢气等.(4),(5)在乳化液中和煤油中放电过程,详见教材中有关章节,不再另行论述.2.有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花加工的脉冲直流电源 在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用的脉冲直流电源 (提示:轧辊电火花对磨,齿轮电火花跑合时,不考虑电极相对磨损的情况下,可用工频交流电源;在电火花磨削,切割下料等工具,工件间有高速相对运动时,可用直流电源代替脉冲电源,但为什么 )如提示所述,在不需要极性效应,不需要考虑电极损耗率等的情况下,可以直接用220V的50HZ交流电作为脉冲电源进行轧辊电火花对磨和齿轮电火花跑合等.不过回路中应串接限流电阻,限制放电电流不要过大.如需精规准对磨或跑合,则可在交流工频电源上并联RC电路(R=500-1000,C=0.1-0.01),再接到两个工件上.在用高速转动的金属轮或圆片作电火花磨削,电火花切割,下料时,如果可以不计电极损耗率,则就可以用全波整流或整流后并联电解电容滤波的直流电源进行电火花磨削.由于工具电极高速转动,所以一般不会产生稳定电弧烧伤工件.最好是经调压变压器降压到5-100V再整流供磨削之用,一则可以调节电压或电流,二则和220V交流电源隔离,以保障人身避免触电的危险.3.电火花加工时的自动进给系统和车,钻,磨削时的自动进给系统,在原理上,本质上有何不同 为什么会引起这种不同 答:电火花加工时工具电极和工件间并不接触,火花放电时需通过自动调节系统保持一定的放电间隙,而车,钻,磨削时是接触加工,靠切削力把多余的金属除去,因此进给系统是刚性的,等速的,一般不需要自动调节.4.电火花共轭同步回转加工和电火花磨削在原理上有何不同 工具电极和工件上的瞬间放电之间有无相对移动 加工内螺纹时为什么不会乱扣 用铜螺杆做工具电极,在内孔中用平动法加工内螺纹,在原理上和共轭同步回转法有何异同 答:不同之处在于电火花共轭同步回转加工时:(1)工具电极和工件的转动方向相同;(2)转速严格相等(或成倍角,比例关系);(3)工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动.而电火花磨削时工具和工件可以同向或反向转动;工具和工件的转速并不相同,磨削点之间有很大的相对移动.加工内螺纹时,其所以不会乱扣,是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等,工具和工件圆周表面上有着各点对应的关系,所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会乱扣.在内孔中用平动法加工内螺纹,本质上和共轭同步回转法相同,不同之处在于平动法加工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作公转行星式运动,其内外圆上各点对应的规则仍然存在.5,电火花加工时,什么叫做间隙蚀除特性曲线 粗,中,精加工时,间隙蚀除特性曲线有何不同 脉冲电源的空载电压不一样时(例如80V,100V,300V三种不同的空载电压),间隙曲线有何不同 试定性,半定量地作图分析之.答:间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小(间隙平均电压的大小)之间的关系,此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线.粗,中,精加工时,由于脉宽,峰值电流等电规准不同,同样大小间隙的蚀除速度也就不一样,总的来说,粗加工时蚀除速度较大,上凹的间隙蚀除特性曲线就高于中,精加工的曲线.当脉冲电源的空载电压不一样时,例如电压较高为300V时,其击穿间隙,平均放电间隙都大于100V或80V的放电间隙,因此横坐标上的A点(电火花击穿间隙)将大于100V或80V时的间隙.间隙特征曲线原点不动,整个曲线稍向右移.同理,80V空载电压的间隙特征曲线的A点将偏向左边.S/ m/V6,在电火花加工机床上用10mm的纯铜杆加工10mm的铁杆,加工时两杆的中心矩偏距5mm,选用=200 s, i=5.4A,各用正极性和负极性加工10min, 试画出加工后两杆的形状,尺寸,电极侧面间隙大小和表面粗糙度值(提示:利用电火花加工工艺参数曲线图表来测算).答:加工示意图见图2-1a.设先用正极性加工,加工后的图形见图b,负极损耗较大;负极性加工后的图形见图c,正极工具损耗较小.具体数据请自行在图中标明,并与书中工艺曲线图表进行对照比较).图2-17,电火花加工一个纪年章浅型腔花模具,设花纹模电极的面积为10mm20mm=200,花纹的深度为0.8,要求加工出模具的深度为1,表面粗糙度为=0.63 m,分粗,中,精三次加工,试选择每次的加工极性,电规准脉宽,峰值电流,加工余量及加工时间,并列成一表(提示:用电火花加工工艺参数曲线图表来计算).答:可按书中电火花加工工艺曲线图表选择粗,中,精加工的规准.例如:极性脉宽脉间峰值电流加工余量加工后表面粗糙度时间粗加工(可不加抬刀)负600 s100 s10A0.93 m约30min中加工(加抬刀)负100 s50 s4A0.081.25 m30min精加工(加正20 s50 s2A0.0230min答:不同之处在于电火花共轭同步回转加工时:(1)工具电极和工件的转动方向相同;(2)转速严格相等(或成倍角,比例关系);(3)工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动.而电火花磨削时工具和工件可以同向或反向转动;工具和工件的转速并不相同,磨削点之间有很大的相对移动.加工内螺纹时,其所以不会乱扣,是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等,工具和工件圆周表面上有着各点对应的关系,所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会乱扣.在内孔中用平动法加工内螺纹,本质上和共轭同步回转法相同,不同之处在于平动法加工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作公转行星式运动,其内外圆上各点对应的规则仍然存在.5,电火花加工时,什么叫做间隙蚀除特性曲线 粗,中,精加工时,间隙蚀除特性曲线有何不同 脉冲电源的空载电压不一样时(例如80V,100V,300V三种不同的空载电压),间隙曲线有何不同 试定性,半定量地作图分析之.答:间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小(间隙平均电压的大小)之间的关系,此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线.粗,中,精加工时,由于脉宽,峰值电流等电规准不同,同样大小间隙的蚀除速度也就不一样,总的来说,粗加工时蚀除速度较大,上凹的间隙蚀除特性曲线就高于中,精加工的曲线.当脉冲电源的空载电压不一样时,例如电压较高为300V时,其击穿间隙,平均放电间隙都大于100V或80V的放电间隙,因此横坐标上的A点(电火花击穿间隙)将大于100V或80V时的间隙.间隙特征曲线原点不动,整个曲线稍向右移.同理,80V空载电压的间隙特征曲线的A点将偏向左边.S/ m/V6,在电火花加工机床上用10mm的纯铜杆加工10mm的铁杆,加工时两杆的中心矩偏距5mm,选用=200 s, i=5.4A,各用正极性和负极性加工10min, 试画出加工后两杆的形状,尺寸,电极侧面间隙大小和表面粗糙度值(提示:利用电火花加工工艺参数曲线图表来测算).答:加工示意图见图2-1a.设先用正极性加工,加工后的图形见图b,负极损耗较大;负极性加工后的图形见图c,正极工具损耗较小.具体数据请自行在图中标明,并与书中工艺曲线图表进行对照比较).图2-17,电火花加工一个纪年章浅型腔花模具,设花纹模电极的面积为10mm20mm=200,花纹的深度为0.8,要求加工出模具的深度为1,表面粗糙度为=0.63 m,分粗,中,精三次加工,试选择每次的加工极性,电规准脉宽,峰值电流,加工余量及加工时间,并列成一表(提示:用电火花加工工艺参数曲线图表来计算).答:可按书中电火花加工工艺曲线图表选择粗,中,精加工的规准.例如:极性脉宽脉间峰值电流加工余量加工后表面粗糙度时间粗加工(可不加抬刀)负600 s100 s10A0.93 m约30min中加工(加抬刀)负100 s50 s4A0.081.25 m30min精加工(加正20 s50 s2A0.0230min第三章 电火花线切割加工1.电火花线切割时,粗,种,精加工时生产率的大小和脉冲电源的功率,输出电流的大小有关.用什么方法衡量,判断脉冲电源加工性能的好坏(绝对性能和相对性能) 答:可用单位电流(每安培电流)的生产率来衡量,即可客观地判断脉冲电源加工性能的 好坏.例如某脉冲电源峰值电流25A时的切割速度为100mm2/min,另一电源峰值电流27A时切割速度为106mm2/min,则前者的相对生产率为100/25=4mm2/min,优于后者106/27=3.9mm2/min .又如某线切割脉冲电源3A s时切割速度为100mm2/min,另一电源3,5A时为124mm2/min,则前者相对切割速度为33.3mm2/min,后者35.5mm2/min.2.电火花加工和线切割加工时,如何计算脉冲电源的电能的利用率 试估计一般线切割方波脉冲电源的电能利用率 答:设脉冲电源的空载电压为100V ,加工时火花放电间隙的维持电压为25V则消耗在晶体管限流电阻上的电压为 100-25=75V,由此可以算出电能利用率:有用能量:输入能量=25:100=1:4=25%能量的消耗率为:损耗能量:输入能量=75:100=3:4=75%可见75%的能量损耗在限流电阻的发热上.4.一般线切割加工机床的进给调解特性曲线和电火花加工机床的进给特性曲线有何不同 与有短路回退功能的线切割加工机床的进给调解特性曲线又有什么不同 答:一般线切割机床的进给的进给系统,往往没有短路回退功能,或短路后经一定时间例如30s后仍不能自动消除短路状态,则回退256步(相当于0.256 mm),如仍不能消除短路,则自动停止进给或同时报警,这与电火花成型加工机床遇短路即退回不一样.上述无短路回退功能的线切割机床的进给特性曲线就不会有横坐标左下部分的曲线,亦即工具电极(钼丝)的进给速度 vd没有负值.即使有短路回退功能的线切割机床,短路后的回退速度是固定的(不象电火花成型加工机床那样短路后将以较高的速度vd0回退),所以进给调节特性曲线的左下部为窄小矩形,即放电间隙较小时,进给速度vd0,一旦完全短路后,钼丝才低速(恒速)回退.6.今拟用数控线切割加工有8个齿的爪牙离合器,试画出其工艺示意图并编制出相应的线切割3B相应程序.答:由于爪牙离合器工件是圆筒形的,端面上需切割出8个爪牙方齿,故切割时必须有一个数控回转工作台附件.办法为先在圆套筒上钻一个12mm的穿丝孔,装夹好工件后,调整到穿丝孔为最高点时穿丝,回转台转动切除爪牙的端面,见示意图.(俯视图)切割的程序(一次切出凹,凸两个爪牙离合器)为:BBBJ=穿丝孔距离GXL3(x向移动)BBBJ=1/2齿宽GYL4(y向转动)BBBJ=齿深GXL3(x向移动)BBBJ=齿宽GYL4(y向转动)BBBJ=齿深GXL1(x向移动) BBBJ=齿宽GYL4(y向转动)第四章 电化学加工 1从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为纳米级加工或原子级加工技术？原则上要采用哪些措施才能实现？ 答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中阳极溶解而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层切削去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。 2为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？ 答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu 2+正离子氧化而溶解入CuCl2溶液，而溶液中的Cu 2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。3原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？ 答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的碳原子或杂质。两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电位差，电位较正的称为正极，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子流）。电解加工时人为地外部加以电源，接电源正极称阳极，接电源负极的称阴极，阳极表面流出电流（流入电子流），阴极表面流入电流（流出电子流），两者的方向仍一致，见图4 -1。 4举例说明电极电位理论在电解加工中有什么具体应用？ 答：电极电位理论在研究、分析电解加工中有很重要的作用，具体应用在： 1）分析电极上电化学反应的产物 在电解加工时，在阴阳两极都有电化学反应，可能参与反应的有电极金属材料、电解液中的有效成分以及水的电离产物H +、OH 。但真正能在电极上完成电化学反应的是什么？则需要应用电极电位理论加以分析判断。即：在阳极上，只有电极电位最的离子才能参与反应。 2）估计某种金属材料电解加工的质量和可加工性 每一种金属材料都是由不同元素所组成（真正由单一元素组成的材料极少），而在电解加工时，人们希望阳极金属的电解过程是均匀的。只有这样，加工表面的粗糙度值才会比较好，加工过程才能平稳。如果阳极金属材料的组成元素其电极电位相差很大，则在电解加工中会由于一些元素的电极电位较，而不能及时溶解，使加工表面形成一些凸出点，造成加工表面粗糙度值增大。更为严重的是这种凸出的质点会造成加工过程的短路、烧损电极，甚至使加工无法进行。例如铸铁和高碳钢中有C及Fe 3C存在，它们的电极电位高达+0.37V，而Fe/Fe 2+的电极电位仅为0.59V，因 此C及Fe 3C在电解加工中几乎无法被阳极溶解而最终形成凸出质点，从而造成铸铁、高碳钢甚至渗碳钢的电解加工可加工性很差。5阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点？举例说明。 答：电极钝化现象的存在，使电解加工中阳极溶解速度下降甚至停顿。从生产率的角度出发人们不希望选用能产生钝化现象的钝化型电解液。 但是，当采用 NaCl 等非钝化型电解液工作时，虽然生产率很高，但因为杂散腐蚀严重，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，促进电解加工的推广应用。 电解磨削、电解研磨等加工方法也是利用了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表面的保护作用，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。 6在厚度为 64mm的低碳钢钢板上用电解加工方法加工通孔，已知阴极直径24mm，端面平衡间隙 b0.2mm。求：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的通孔在钢板上表面及下表面其孔径各是多少？（ 2）当阴极工具侧面绝缘，且阴极侧面工作圈高度 b=1mm 时，所加工出的孔径是多少？7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（成形加工时）。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，则不能按照电流的大小进行控制。电火花加工的自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙（放电状态）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，进给速度大，平衡间隙变小。在进给方向、端面上不易短路；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，所以必须调节进给速度以保证放电间隙。8电解加工时，何谓电流效率？它与电能利用率有何不同？如果用 12V 的直流电源(如汽车蓄电池)作电解加工，电路中串联一个滑杆电阻来调节电解加工时的电压和电流(例如调到两极间隙电压为 8V)，问：这样是否会降低电解加工时的电流效率？为什么？ 答：电解加工时的电流效率是指按照法拉第电解定律所计算出的理论金属蚀除量与实际金属蚀除量之比。由于在电解加工阳极溶解的同时，还会出现如析氧等副反应，因此电解加工时电流效率一般小于 1。 电能利用率是指电源输入的总能量在电解加工中用了多少，在其它方面（如线路损耗）又用了多少。如题所示，利用滑杆电阻可以调节电解加工时的输入电流、电压，而滑杆电阻本身产生的热损耗与电解加工无关。滑杆电阻的热损耗愈大，电能利用率愈低。而经过滑杆电阻调节电压、电流之后进行电解加工时，它的电流效率并没有变化，仍然是按照法拉第电解定律计算，与其它因素无关。 9电解加工时的电极间隙蚀除特性与电火花加工时的电极间隙蚀除特性有 何不同？为什么？ 答：电解加工时，电极间隙蚀除特性曲线是一条双曲线，即 a = C（常数）如图 4-3a 所示；而电火花加工的蚀除特性曲线则是一条蚀除速度在起点和终点都为零的上凸二次曲线，如图 4-3b 所示。电解加工时，只要电极不发生短路，电极间隙愈小，阳极工件的蚀除速度就愈高，生产率就愈高；反之，当电极间隙变大时，蚀除速度将下降。 电火花加工时，当放电间隙为零时，蚀除速度也为零。其实，当放电间隙很小时，排屑困难，短路率增加，蚀除速度将大大下降，甚至无法正常加工；而当放电间隙过大时，间隙无法击穿，蚀除速度也为零（相当于非线性电解液中电解加工时有一切断间隙）。 10如何用电极间隙的理论进行电解加工阴极工具的设计？ 答：电解加工时的蚀除速度应遵循双曲线规律，即 a = C 。对平板电极而言，当电极进给速度与阳极蚀除速度相等时，电极间隙相对平衡不变，称为端面平衡间隙。对于曲面电极各法线方向的平衡间隙等于： 第五章 激光打印1.激光为什么比普通光有更大的加工瞬时能量和功率密度 为什么称它为激光 答:因为激光器可在较长时间吸收,积聚某一波长光的能量,然后在很短的时间内放出,并且通过光学透镜将大面积光通道上的激光束聚焦在很小的焦点上,经过时间上和空间上的两次能量集中,所以能达到很大的瞬时能量和功率密度.其所以称之为激光,是因为激光器中的工作物质吸收某一波长的光能,达到粒子数反转之后,再受到这一波长的光照后,就会瞬时受激,产生跃迁,并发出与此波长相同的激光.2.试述激光加工的能量转换过程,即如何从电能具体转换为光能又转化为热能来蚀除材料的 答:固体激光器一般都用亮度很高的氙灯将电能转变为光能,使激光器内的工作物质如红宝石中的铬离子,钕玻璃或钕钇铝石榴石(YAG)中的钕离子吸收光能,达到粒子数反转状态,经触发而产生功率密度很大的强激光,照射到工件上的光能转换为热能,使材料气化而蚀除材料.3.固体,气体等不同激光器的能量转换过程是否相同 如不相同,则具体有何不同 答:并不完全相同.固体激光器有由电能点燃氙灯等强光源(光泵),将电能转换为能使激光器吸收的一般光,到一定程度后发出激光.而气体激光器则直接由电激励激光物质,例如二氧化碳分子,使之连续产生激光.4.不同波长的红外线,红光,绿光,紫光,紫外线光能转换为热能的效率有何不同 答:不同波长,频率的光所含的能量E=hv,其中v为光的频率,h为普朗克常数.可见光所含的能量和其频率成正比.但照射到物体上后光能转换成热能的大小,即光能转换的频率,却随波长(频率)和物体对该光波的吸收率不同而不同.例如红光或红外线照射到人体皮肤上,人们感觉到远比绿光,紫光更温暖,因为皮肤吸收红光的效率远比其他广博为高.同样激光打孔,切割时,影响光能转换为热能效率的因素,除材料对该光波的吸收率外,还有反射率也起很大作用,因此很难加工反射率很高的光洁镜面.5.从激光产生的原理来思考,分析,它以后如何被逐步应用于精密测量,加工,表面热处理,甚至激光信息存储,激光通信,激光计算机等技术领域的 这些应用的共同技术基础是什么 可以从中获得哪些启迪 答:激光之所以能广泛应用于上述高,新技术中,主要是基于它的一系列固有的特点,例如单色性,相干性,方向性极好,瞬时功率,能量密度极大等技术基础.以激光通信为例,由于光的频率高,波长短,发射角小,故具有下列优点:(1)信息容量大,传送路数多.因为信息容量和信息道的带宽成正比.带宽愈宽容量愈大.光波的频率极高,约可容纳100亿个通话线路;若每个电视台占用10MHZ带宽,则可同时播送1000万套电视节目而互不干扰.这是过去任何一种通信系统所不能达到的巨大通信容量.(2)通信距离远,保密性能好.由天线发射的波束,其发散角和D成正比(为波长,D为天线直径).所以波长愈短,天线愈大,发射就愈小.例如,对于波长为1 m的光波,若用直径20cm的透镜(就是激光的发射天线),那么发射角就只是1.1,而对于微波来说,即使使用庞大的天线,发射角仍有几度.由于激光束发射角很小,能量集中在狭小的范围内,以此可以把信息传送到很远的距离.这对空间通信,宇宙通信有重要的意义.激光束不仅发射角小,而且可以采用不可见光,因此敌人不易从中截获,保密性能好.(3)结构轻便,设备经济.由于激光的发散角小,方向性好,光通信所需的发射天线和接收天线都可以做得很小.一般天线直径为几十厘米,重量不过几公斤.而功能类似的微波天线,重量以十吨,百吨计.激光电视与普通电视相比,后者存在着屏幕小,亮度低,设备庞大等缺点.而激光电视则:(1)摄像时无需外部照明,免除了庞大的照明设备,因而轻便,激动,还可以拍摄完全处于黑暗中的景物.以其狭窄的光束迅速扫描,即使在黑暗中也难于觉察.若采用不可见的紫外光或红外光,则肉眼根本无法发现,保密性极高.(2)激光摄像无需成像光学系统.物体不管多远,都在焦点上.其有效范围仅受短距离的视觉和长距离的信号功率的限制.至于显示过程,在普通电视中,传递的电视图象显示在显象管的荧光屏上.而在激光电视中,图象可以通过显示器在普通的电影屏幕上.由于激光具有很高的亮度,所以激光电视图象的亮度很高,可以在白天普通的房子里观看,不需要暗室设备.(3)激光显示不需要在真空条件下工作,显示图象的屏幕单独摆在大气空间,这样电视图象就可以放得很大.根据现有水平,图象面积可达34m 甚至更大.看电视和看电影一样.这是激光电视的一个重要特色.由于激光束很平行,激光显示的清晰度可以做得比较高.由于激光的颜色很纯,因而所显示图象色彩鲜艳.以上给人的启迪是:任何一种物理化学现象,只要有它一定的与众不同的特点,就有可能发展成为一种有用的新技术,所谓天生其物,比有其用.第六章 电子束和离子束加工1.电子束加工和离子束加工在原理上和在应用范围上有何异同 答:二者在原理上的相同点是基于带电粒子于真空中在电磁场的加速,控制作用下,对工件进行撞击而进行加工.其不同处在于电子束加工加速转换成电能,在撞击工件时动能转换成热能使金属熔化,气化而被蚀除.而离子束加工是电能使质量较大的正离子加速后,打到工件表面,是靠机械撞击能量使工件表面的原子层变形,破坏或切除分离,并不发热.在工艺上:有离子刻蚀,渐射沉积,离子镀,离子注入(表面改性)等多种形式,而不象电子束加工,有打孔,切割,焊接,热处理等形式.2.电子束加工,离子束加工和激光加工相比各自的使用范围如何,三者各有什么优缺点 答:三者都适用于精密,微细加工,但电子束,离子束需在真空中进行,因此加工表面不会被氧化,污染,特别适合于清洁,洁净加工.离子束主要用于精微表面工程,激光因可在空气中加工,不受空间结构的限制,故也适用于大型工件的切割,热处理等工艺.3.子束,离子束,激光束三者相比,哪种束流和相应的加工工艺能聚焦得更细 最细的焦点直径大约是多少 答:激光聚焦后焦点的直径取决于光的波长.波长为0.69 m的红色激光,聚焦的光斑直径很难小于1 m,因为聚焦透镜有像差等误差.二氧化碳气体激光器发光1.06 m的红外激光,其焦点光斑直径更大.波长较短的绿色激光和准分子激光器可获得较小的焦点,常用于精密,微细加工.电子束最佳时可获得0.25 m的聚焦直径.可用于制作大规模集成电路的光刻.如果用波长很短的X光射线(波长为10-9-10-10,即1-0.1nm),可得到0.1 m左右的聚焦直径.4.电子束加工装置和示波器,电视机的原理有何异同之处 答:它们都有一个电子枪用来发射电子,使电子奔向高电压的正极,而后再用线圈(电磁透镜)进行聚焦,用电场进行偏转,控制扫描出图形来.只不过电子束加工装置的功率较大,而示波器,电视机的功率较小而已.彩色电视机因有红,蓝,黄三种基本色,故需有三个电子枪,结构和控制更为复杂.第七章 超声加工超声加工时的进给系统有何特点 答:超声加工时的进给系统是靠重锤通过杠杆使工具轻轻压在工件上,靠轻微的压力使工具端面和磨粒与工件表面接触,工件表面去掉多少,进给多少,是悬浮式的柔性进给系统,而不是刚性的进给系统实现的,它与机械加工和电火花加工的进给系统不一样.2.一共振频率为25KHZ的磁致伸缩型超声清洗器,底面中心点的最大振幅为0.01mm,试计算该点最大速度和最大加速度.它是重力加速度g的多少倍 如果是共振频率为50KHZ的压电陶瓷型超声清洗器,底面中心点的最大振幅为0.005mm,则最大速度和加速度又是多少 答:按教材中超声振动时的最大速度Vmax和最大加速度amax计算公式Vmax=wA=2fA=2250000.01=1570.8mm/s=1.57m/s,amax=w A=4 25000 0.01=246.74106mm/s =246740m/s ,是地心加速度g=9.8m/s 的25000倍.如果共振频率增加为一倍f=50KHZ,振幅减小成一半A=0.005mm,则Vmax=1.572/2=1.57mm/s,amax=2467404/2=493480m/s ,是地心加速度g的5000倍.3.试判断超声加工时:(1)工具整体在作超声振动;(2)只有工具端面在作超声振动;(3)工具各个横截面都在作超声振动,单个截面同一时间的振幅并不一样;(4)工具各个横截面依次都在作原地踏步式的振动.以上各点,哪种说法最确切 有无更确切的说法 答:以上说法中,(3)比较确切,超声波在工具(变幅杆)内传递时,各个横截面都在作超声振动,单个截面在同一时间的振幅不一样,有的截面始终为零(如固定超声系统的驻波点),有的有时振幅最大,如工具端面的加工点.最确切的说法是,应按教材中的超声波在固体中的传播过程,各质点都在传播方向上振动,但传到端面后波在反射,两者的合成运动才是各质点的实际运动.4.超声波为什么能强化工艺过程,试举出几种超声波在工业,农业或其他行业中的应用.答:超声波因具有较大的瞬时速度,尤其是瞬时加速度,故可用作强化工艺过程.如工业中的粉碎(使物质颗粒细化),乳化.在农业上可用强超声处理种子优化品种,在医学上可用强超声波击碎人体内的肾结石,胆结石等等.第八章 快速成型加工1.快速成型的工艺原理与常规加工工艺有何不同 具有什么优点 答:快速成型在工艺原理上是增材法,与切削加工,电火花蚀除,电化学阳极溶解等减材法不同.其特点是整个工艺过程建立在激光(断层)扫描,数控技术,计算机CAD技术,高分子材料等高科技基础之上,因此工艺先进,柔性好,生产周期短.2.试对常用的快速成型工艺作一优缺点比较.答:下表是4种快速成形工艺的综合比较.几种最常用的快速成形工艺优缺点比较有关指标工艺精度表面质量材料价格材料利用率运行成本生产效率设备费用市场占有率%液相固化SL法好优较贵接近100%较高高较贵70粉末烧结SLS法一般一般较贵接近100%较高一般较贵10纸片叠层LOM法一般较差较便宜较差较低高较便宜7熔丝堆积FDM法较差较差较贵接近一般较低较便宜6第九章 其它特种加工试列表归纳,比较本章中各种特种加工方法的优缺点和适用范围.答:优点缺点适用范围化学铣削加工可大面积多工件同时加工不易加工深孔,型孔航空航天零件减薄,去毛刺光化学腐蚀加工可刻蚀精度的文字图案刻蚀深度有限用于相片制版,刻蚀精细的网孔图案等离子体加工可高速切割难加工材料切割精度较差,割缝较宽切割,下料各种难加工金属挤压研磨可去除内(外)表面的毛刺和改善表面质量只是表面加工,不能改变尺寸表面光整加工水射流切割可对任何材料切割下料,加工速度高,无毛刺,无残余应力切缝较宽,尺寸精度较差适用于石材,钢筋,水泥板等切削磁性磨料研磨可无应力表面光整加工去除量小,生产率较低精密零件的表面光整加工2.如何能提高化学刻蚀加工和光化学腐蚀加工的精密度(分辨率) 答:在腐蚀液中加入保护剂等添加剂,以减小钻蚀,详见教材有关章节.3.从水滴穿石到水射流切割工艺的实用化,在思想上有何启迪 要具体逐步解决什么技术关键问题 答:滴水穿石因能量密度较小,所以只能靠长年累月时间才能穿石.要提高穿石的速度,水射流切割技术中应使超高的水由小孔中喷出,尤其是水中混有细小磨料颗粒高速撞击工件表面,更能提高单位面积上的能量密度和切割速度.当然喷嘴的材料小孔的加工也是关键问题.4.人们日常工作和日常生活中,有哪些物品,商品(包括工艺美术品等),是由本书所述的特种加工方法制造的 答:很多家电的外壳,内部构件,如电视机,照相机,洗衣机等的模具都是由电火花,线切割等很多方法制造的.汽车,门窗,建筑用的铝材型品都是电火花,线切割加工的拉伸,挤压模具,又经过挤压抛光后拉制的.有些金黄色的手表壳,手链都是离子镀覆的氮化钛.有些太阳眼镜是离子镀覆的反光层.珍珠项链等采用超声钻孔,金银首饰厂用超声清洗首饰.电动剃须刀的网罩是电铸的产物,手表中宝石轴承小孔都是经过激光打孔而后又用超声研