特种加工技术复习(2)

22. 举例说明电极电势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Fe3C存在，它们的电极电位高达+0.37V，而Fe/Fe2+的电极电位仅为－0.59V，因 此C及Fe3C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。

23. 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。

24. 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φ24mm，端面平衡间隙?b＝0.2mm。 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？ 答： （1）当阴极侧面不绝缘时，加工出来的孔是喇叭口状，其孔纵剖面侧壁是一抛物线，设其上部为D1，下部尺寸为D2，则： D1=d+2△s= d+2△b2h2?64?1=24+2?0.2=34.12mm ?b0.2D2= d+2△b=24+2?0.2=24.4mm

（2）当阴极工具侧面绝缘，工作圈b=1mm时，上下孔的尺寸为： D=d+2△s=d+2△b

25. 电解加工(如套料、成型加工等)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。

26. 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a 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b 所示。

2b2?1?1=24+2?0.2?1?25.33mm ?b0.2

电解加工时，只要电极不发生短路，电极间隙愈小，电解液的电阻也愈小，电流密度就愈大，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”）。

27. 如何利用电极间隙的理论进行电解加工阴极工具的设计？ 答：利用cosθ法作图设计阴极：

工件加工形状已知时，如图所示工件曲线，可通过该工件曲线上的任意一点??1引一条法线及一条与进给方向平行的直线，在这条与进给方向平行的直线上取一段长度??1??1等于平衡间隙????,从??1点作一条与进给方向垂直的直线，求出它与法线的交点??1，这段法线长度??1??1就是???? cos??1,它与法向间隙相等，求出的??1点就是工具阴极上的一个相应点。以此类推，可根据工件上的??2、??3等点求得相应的??2、??3等点。将??1、??2、??3等点连接起来，就可得到所需工具阴极形状（阴极工具曲线）。

28. 激光为什么比普通光有更大的瞬时能量和功率密度？为什么称它作“激”光？

答：因为激光器可在较长时间吸收、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，所以能达到比普通光更大的瞬时能量和功率密度。

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，并发出和入射光子相位、频率一致的光子，是对入射激励光子的放大。因此称为“激”光。

29. 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换为热能来蚀除材料的？

答：固体激光器一般用光激励，即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，经激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。

气体激光器一般采用电激励方法。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，经激发产生激光，照射到工件上后将光能转换为热能，使材料气化而蚀除材料。

30. 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。固体激光器由电能点燃氙灯等强光源(光泵)，将电能转换为光能使激光器内的工作物质吸收，一定程度后发出激光。而气体激光器则由电能直接激励气体介质形成放电，气体粒子被激发后产生激光。

固体激光器的转换效率不如气体激光器；固体激光器具有较高的功率；固体激光器一般为脉冲激光器，而气体激光器一般为连续激光器。

31. 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光波更高。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，还有反射率也有很大影响，因此很难加工反射率较高的光洁镜面。

32. 从激光产生的原理来思考、分析，它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、激光电视、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。激光的频率极高，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λ∕D成正比(λ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。

另外，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。而激光电视则有一下优点：

(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3×4m 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，必有其用。

33. 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均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：离子束加工有离子刻蚀，渐射沉积，离子镀，离子注入(表面改性)等多种形式，而不像电子束加工，有打孔，切割，焊接，热处理等形式。

34. 电子束加工、离子束加工和激光束加工相比，各自的适用范围如何？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”； 电子束加工可以聚焦到0.1微米，离子束加工可以控制表面刻蚀速率到每秒10层原子层， 电子束和离子束加工的结合，是制造大规模集成电路的关键技术；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。

35. 电子束、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微米的红色激光，聚焦后的光斑直径很难小于1微米，因为聚焦透镜有像差等误差。二氧化碳气体激光器发光能发出波长为1.06微米的红外激光，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

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