大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：精密与特种加工学号：31804***姓名：***考试时间：2018-11-20《精密与特种加工》试题第一部分：1～6题为必答题（每题10分）1、电解加工中电解液的主要作用？简要介绍常用3种电解液及其特点。

答：电解液的主要作用是：（1）作为导电介质传递电流，形成电场；（2）在电场作用下进行电化学反应；（3）将加工间隙内产生的电解产物及热量及时带走，保证阳极溶解过程的顺利进行。

最常见的有NaCl、NaNO3、NaClO3三种电解液。

（1）NaCl电解液。

NaCl电解液中含有活性C1-离子，阳极工件表面不易易生成饨化膜，所以具有较大的蚀除速度，而且没有或很少有析氧等副反应，电流效率高，加工表面粗糙度值也小。

NaCl是强电解质，导电能力强，适用范围广，而且价格便宜，是点解加工中应用最广的一种电解液。

NaCl电解液的蚀除速度高，但其杂散腐蚀也严重，故复制精度较差。

（2）NaNO3电解液。

NaNO3电解液是一种钝化性电解液，其阳极极化曲线如图所示，在曲线AB段，电流密度随阳极电位升高而增大，符合正常的阳极溶解规律；在BC段，由于钝化膜的形成，使电流密度急剧减小，至C点时金属表面进入钝化状态；在CD段，阳极表面处于钝化状态，阳极溶解速度极小，至D点后，随着电压的升高，钝化膜开始破坏，电流密度又随着电位的升高而迅速增大，金属表面进入超钝化状态，阳极溶解速度又急剧增加。

若在电解加工中，工件的加工区，处于超钝化状态，而非加工区由于其阳极电位较低而处于钝化状态，收到钝化膜的保护，就可以减少杂散腐蚀，提高加工精度。

NaNO3电解液在质量分数为30%以下时，有较好的非线性性能，成形精度高，而且设备腐蚀性小，使用安全，价格也不高。

它的主要缺点是电流效率和生产率较低，另外加工时阴极上有氨气析出，NaNO3会有所消耗。

（3）NaClO3电解液。

NaClO3电解液也是一种钝化性电解液，其散蚀小，加工精度高。

当加工间隙达1.25mm以上时，阳极溶解几乎完全停止，而且有较小的加工表面粗糙度值。

NaClO3具有很高的溶解度，在20℃时溶解度达49%，因而导电能力强，可达到与NaCl电解液相近的生产率。

而且它对设备的腐蚀作用很小。

但不足之处是其价格较贵，而且它是一种强氧化剂，使用时要注意防火安全。

2、等离子体加工和离子束加工均属于高能束加工，这两种加工方法在加工原理上和应用范围上有何异同点？答：（1）原理上：等离子体加工是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气化来去除材料的。

等离子体加工装置由直流电源供电，钨电极接阴极，工件接阳极，利用高频震荡或瞬时短路弧的方法，使钨电极与工件之间形成电弧。

电弧的温度很高，使工质气体的或分子在高温中获得很高的能量，其电子冲破了带正电的原子核的束缚，成为自由电子，而原来呈中性的原子失去电子后成为正离子。

在电弧外围不断送入工质气体，回旋得工质气流还形成与电弧柱相应的气体鞘，压缩电弧，使其温度和密度大大提高，靠局部的熔化及气化来去除材料；离子束加工加速氩气电离出的氩离子，利用电磁透镜聚焦形成高能量密度离子束，机械冲击工作表面，离子束加工是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。

等离子体加工原理图离子束加工原理图（2）应用范围：等离子体加工已经广泛应用于切割，可以快速而较整齐的切割软钢、合金钢、钛、铸铁、钨等；等离子体电弧焊接；等离子体表面加工技术。

离子束加工可用于离子镀、离子刻蚀、镀膜加工、离子注入加工、离子束抛光、离子束平坦化加工、集成电路剖面检测、微细加工等。

3、何谓超精密加工？超精密磨削对磨床有哪些要求?答：超精密加工是一种精度极高的综合性的现代加工方法，所谓的精密加工，是指加工精度为1～0.1μm、表面超糙度为及Ra0.1～0.01μm的加工技术。

超精密加工是指加工精度高于0.1μm，表面粗糙度小于及Ra0.025μm的加工技术，又称亚微米级加工。

但目前超精密加工已进入纳米级，并称为纳米加工及相应的纳米技术。

超精密磨削对磨床应有以下要求：（1）高几何精度精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度，以保证工件的几何形状精度。

主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体多油楔式动压轴承及静压组合轴承等。

（2）低速进给运动的稳定性由于砂轮的修整导程要求为10-15mm/min，一次工作台必须作低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。

这就要求对机床工作台运动的液压系统进行特殊设计，采用排除空气、低流量节流阀、工作台导轨压力润滑等措施，以保证工作台低速运动的稳定性。

对于横向进给，也应保证运动的平稳性和准确性，应有高精度的横向进给机构，以保证工件的尺寸精度以及砂轮修整时的微刃性和等高行。

有时在砂轮头架移动上配置了相应要求的微进给机构。

（3）高抗振性精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。

因此对于精密磨床，在结构上应考虑减少机床振动。

（4）热变形小精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50%，故要求精密机床和工艺系统的热变形要十分的低。

4、干式研磨和湿式研磨在加工原理上有何异同点？答：（1）湿式研磨：在研磨过程中将研磨剂涂在研具上，用分散的砂粒进行研磨。

研磨剂中除砂粒外还有煤油、机油、硬脂酸等物质。

在研磨过程中，部分砂粒存在于研具与工件在之间，砂粒以滚动磨削为主，生产率高，表面粗糙度Ra0.04-0.02μm，一般作粗加工用，但加工表面一般无光泽。

（2）干式研磨：将磨料（W3.5-W0.5）均匀地压嵌在研具上，研磨时需在研具上表面涂以少量的润滑附加剂。

砂粒在研磨过程中基本固定在研具上，它的磨削作用以滑动磨削为主。

这种方法生差率不高，但可达到很高的加工精度和较小的表面粗糙度值（Ra0.02-0.01μm）。

5、超精密切削对刀具有哪些要求？答：超精密切削对刀具要求有以下几方面：（1）要求极小的切削刃表面粗糙度，一般要求表面粗糙度Ry0.1~0.2μm，特殊情况Ry10nm。

（2）要求极高的硬度、弹性模量、耐磨性，以保证具有很长的刀具寿命和很高的刀具耐用度。

（3）足够的强度，刀刃无缺陷，以保证耐崩刃性能。

（4）化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。

（5）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。

（6）刀刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。

6、何谓等离子体？简述等离子体喷涂原理及特点。

答：等离子体是高温电离的气体，它是由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子所组成，整体的正负电荷数值仍相等，所以称为等离子体。

等离子体喷涂的原理：气体进入电极腔内，被电弧加热离化电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，如图所示，通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，喷涂粉末颗粒被加热融化，有时还与等离子体发生复杂的化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射到基体上，快速冷却，形成沉积层。

等离子喷涂的特点：（1）超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。

（2）喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。

（3）由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

第二部分：7～16题为选答题（40分）（每人选答自己学号末位数字与下列题号末位数字一致的题，并列出相关参考文献5篇以上。

）16、磁流变抛光（Magnetorheological Finishing, MRF）的加工原理及其研究和应用新进展。

磁流变抛光的加工原理：磁流变液是由磁性颗粒、基液和稳定剂组成的悬浮液。

磁流变液在不加磁场时是可流动的液体，而在外加强磁场的作用下，其粘度会迅速增大，流变特性发生急剧的转变，表现为类似固体的性质，撤掉磁场时又恢复其流动特性的现象，这就是磁流变液体的磁流变效应。

磁流变液具有大的剪切应力和良好的动力学稳定性和温度稳定性,其流变特性可以通过外加磁场强弱的调节来控制。

当磁流变液受到一中等强度磁场作用时，其表观为粘度系数增加两个数量级以上,会变成类似“固体”的状态，流动性消失，一旦去掉磁场，又变成可以流动的液体。

磁流变液应用于抛光技术的原理是：载液和均匀分散于其中的磁性介质微粒组成的均匀混合悬浮液,在外加磁场的作用下，液体的粘度会随着磁场的增强而增强，该液体会发生相变而迅速固化。

磁流变抛光就是在磁流变液中加入抛光粉，利用磁流变液特有的相变现象来对工件表面进行抛光。

在强磁场的作用下，使磁流变液在加工区域形成一个有一定硬度和弹性、能承受较大剪切应力的可控的点状区域的抛光工具。

下面以加工凸球面为例简述磁流变抛光原理，如图所示。

被加工件位于抛光盘上方，并与抛光盘成一很小的固定不变的距离，于是被加工的工件与抛光盘之间形成了一个凹形空隙。

磁极置于工件和抛光盘的下方，在工件与抛光盘的所形成的狭小空隙附近形成一个高梯度磁场。

当抛光盘内的磁流变液随抛光盘一起运动到工件与抛光盘形成的小空隙附近时，高梯度场使之凝聚、变硬,形成一带状凸起缎带，成为粘塑性的Bingham介质。

这样具有较高运动速度的Bingham介质通过狭小空隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件的表面材料被去除，达到材料去除的目的。

工件被抛光的区域称为抛光区。

工件轴除了绕自身轴线作回转运动外，还可以作以轴上某点为中心，以工件曲率半径为半径的摆动。

于是工件表面的各个带区都可以经过抛光区，从而实现对工件整个表面的材料去除。

通过控制工件表面各个带区在抛光区内的停留时间，来控制各带区材料去除量,进而精修工件面形。

抛光区的大小和形状取决于很多因素，如磁流变液的成份,磁流变液被送入磁场之前的机械成型方式,工件表面被抛光部分的形状，工件进入磁流变液的深度，抛光区磁感应强度分布以及工件的机械性能等。

在磁流变抛光过程中，应对这些因素加以控制，以便确保抛光区的稳定性。

磁流变抛光的方法可以认为是磁流变液在磁场作用下，在抛光区范围内形的一定硬度的“小磨头”代替散粒磨料抛光过程中的刚性抛光盘。

在施加外磁场的作用下，磁流变液变硬，其粘度变大，并且“小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制，而影响抛光区域作用效果的其它因素都固定不变。

这样既能通过控制磁场来控制抛光区的大小和形状，又能确保在一定磁感应强度下抛光区的稳定性。

磁流变抛光具有如下优点：（1）材料去除由磁流变抛光液形成的“柔性抛光模”完成，磁流体对被加工表面的垂直负荷很小，所以加工区工件表面材料去除是通过很小量级的材料破坏完成的，不会留下亚表面损伤，可以获得高质量表面。

（2）采用加入微细磨料的磁流变液作为工作介质，磁流变液本身就是加工工具，由于磁流变液在不停地循环使用，所以没有磨头磨损、抛光区域温度升高等传统工艺中的不确定因素。