特种加工考试题(附有答案)(修改).doc

1．试述特种加工的特点及所能解决的主要加工问题，应该如何正确处理传统加工和特种加工工艺之间的关系？
答：特点主要有：①不是主要依靠机械能，而是利用其它的能量（如电能、热能、化学能、光能、声能等）去除工件材料；②工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些根本不需要工具；③加工过程中工具和工件之间不存在显著的切削力。
可以解决：①高硬度、高强度、高韧性、高脆性等各种难加工材料的加工问题；
②精密、微细、形状复杂零件的加工问题；③薄壁、弹性等低刚度零件的加工问题。
传统加工是指使用刀具进行的切削加工和磨削加工，是行之有效的实用加工方法，而且今后仍然占主导地位。但是随着难加工的新材料、复杂表面和有特殊要求的零件越来越多，传统加工工艺必然难以适应。所以可以认为特种加工工艺是传统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传统加工工艺，但不可能取代和排斥主流的传统加工工艺。

2．什么叫电火花加工中的极性效应？如何在生产中利用极性效应？
答：在电火花加工中，即使电极材料相同，但正、负电极上的蚀除速度仍是不同的，把由于正负极性接法不同而蚀除速度不同的现象叫极性效应。
在短脉宽的脉冲加工时，电子轰击是主要的，正极蚀除量大于负极；在长脉宽的脉冲加工时，离子轰击是主要的，负极蚀除量大。从提高生产率和减小工具损耗角度来看，极性效应越显著越好。如用交变脉冲电流加工时单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗，因此，电火花加工一般都采用单向脉冲电源。
一般在用短脉宽做精加工时，应将工件接正极，称正极性加工；在用长脉宽做粗加工时，应将工件接负极，称负极性加工。

3．电子束加工、离子束加工和激光加工各自的工作原理和应用范围如何？各有什么优缺点？
答：三者都适合于精密、微细加工，但电子束、离子束加工需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别适合于“洁净”加工。电子束加工是基于电能使电子加速转换成动能，在撞击工件时动能转换成热能使材料熔化、气化而被蚀除，主要用于打孔、切割、焊接、热处理等。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，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，主要用于精微表面工程，有离子刻蚀、溅射沉积、离子镀、离子注入等形式。激光加工是靠高能量密度的光能转换成热能使材料熔化、气化而被蚀除，可在空气中加工，不受空间结构的限制，故也使用于大型工件的切割、焊接、热处理等工艺。
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380 V、50 Hz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16000 Hz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0.2 μm，加工精度可达0.05～0.02 mm，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。（3分
四、综合题
1、参照右图，简述电火花加工的一般过程：
脉冲电源提供脉冲电压→作用于工具电极和工件电极上→两电极之间的工作液被电离、介质被击穿→ 形成放电通道；在电场力作用下→电子奔向阳极、正离子奔向阴极→导致火花放电；电子和离子的高速运动→轰击阳极和阴极，使动能转化为热能（10000℃）→电极表面金属迅速熔化甚至汽化→工件表面形成一个极小的圆坑，工件被蚀除，工具不断进给→工件不断被蚀除。
六、计算题[10分]：
用NaCl电解液在低碳钢上加工Φ50 mm的圆孔，深度为30mm，若要求10min内加工完，需要用多大电流？若电源电压为12V，δE=2V，电导率σ为0.02/·mm，求达到平衡时的加工间隙是多少？（Fe的体积电化学当量ω为2.22mm3/(A·min)）

解：设η＝100%，vl＝h/t ＝30/10＝3 mm/min

I＝i A＝A·vl /(ηω)＝3.14×252×3/（100%×2.22）＝2652 A

δE=2V，σ＝0.02/·mm，
由公式=100%×2.22×0.02×(12-2)÷3=0.148 mm.