1、一、填空题（ 15 分，每空 1 分） 1、特种加工主要采用 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。（ 1 分） 2、电火花加工原理是基于 工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象 ，来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状和表面质量等预定的加工要求。（ 2 分） 3、电火花加工系统主要由 工件和工具 、 脉冲电源 、 自动进给和调节装置 几部分组成。（ 3 分） 4、在电火花加工中，提高电蚀量和加工效率的电参数途径有： 提高脉冲频率 、增加单个脉冲能量 、 减少脉冲间隔 。（ 3 分） 5、电火花加工的表面质量主要是指被加工零件的 表面粗糙度
2、 、 表面变质层 、表面力学性能 。（ 3 分） 6、电火花加工的自动进给调节系统主要由以下几部分组成： 测量环节 、 比较环节 、 放大驱动环节、 执行环节 、 调节对象。（ 3 分） 7、电火花成型加工的自动进给调节系统，主要包含 伺服进给控制系统 和 参数控制系统 。（ 2 分） 8、电火花加工是利用电火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法，其应用范围分为两大类： 穿孔加工 、 型腔加工 。（ 2 分） 9、线切割加工是利用 移动的、作为负极的、线状电极丝 和工 件之间的脉冲放4 电所产生的电腐蚀作用，对工件加工的一种工艺方法。（ 2 分） 10、快走丝线切割机床
3、的工作液广泛采用的是 乳化液 ，其注入方式为 喷入式 。（ 2 分） 11、线切割机床走丝机构的作用： 是使电极丝以一定的速度运动，并保持一定的张力 。（ 2 分） 12、线切割控制系统作用主要是： 1） 自动控制电极丝相对于工件的运动轨迹 ；2） 自动控制伺服的进给速度 。（ 2 分） 13、快速成形技术（ RP）最早产生于二十世纪 70 年代末到 80 年代初，目前 RP技术的主流是： SLA 立体光造型 、 LOM 薄材叠层制造 、 SLS 激光烧结 、 FDM熔融成型 四种技术。（ 4 分） 14、快速成型的数据接口主要有：快速成型技术标准数据格式即 STL 格式 和 快速成型设备的通
4、用数据接口即 CLI 格式。（ 2 分） 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
5、、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
6、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
7、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）
8、 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
9、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） VCARE(
10、a ) 原理图 (b ) 波形图uu d u cE0 t10、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
11、、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
12、 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
13、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
14、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
15、） 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
16、： 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 1630kHz，振幅为 0.010.15mm。磨料在工具的超声振荡作用下，
17、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 m，加工精度可达 0.05 0.
18、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
19、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
20、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
21、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。 A特种加工的本质特点： 1）工具硬度可以低于被加工材料的硬度（甚至不用工具） 2）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 3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。 B 特种加工与传统切削加工方法在原理上的主要区别： 1）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）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。 3）在特种加工中，工具与工件不受切削力的作用。 特种加工技术的应用： 1、 难加工材料的加工； 2、
22、复杂型面、微细表面和低刚度零件的加工； 3、 高精密表面的加工； 4、 特殊要求零件的加工，如薄壁和弹性零件等； 特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响 1、提高了材料的可加工性 2、改变了零件的典型工艺路线 3、改变了试制新产品的模式 4、影响了产品零件的结构设计 5、改变了传统零件工艺结构的评价标准 6、成为微细加工的主要手段 改变了零件的典 型工艺路线 1、落料模凸、凹模加工的原工艺路线为： 下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火及回火精磨 2、落料模凸、凹模加工的现工艺路线为： 下料锻造正火粗加工高频淬火及回火线切割加工 脉冲电源工具电极工件电极(a ) (b ) (c )(d )
23、(e )BA电火花加工定义： 在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时，局部、瞬时产生的高温，将金属蚀除下来。 电火花加工原理 基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象，来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状和表面质量等预定的加工要求。 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
24、，工件被蚀除，工具不断进给工件不断被蚀除。 电火花加工必须解决的问题 1、由于在加工的不同阶段，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、火花放电必须是瞬时的、单极性、脉冲放电； 3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。 电火花加工系统的基本组成 1、工件和工具； 2、脉冲电源； 3、自动进给和调节装置 电火花加工的特点 1、特别适合任何难以进行切削加工的材料； 2、可以加工特殊或形状复杂的表面和零件； 3、工具与工件不接触，作用力极小； 4、脉冲放电时间短，冷却作用好，加工表面热影响小 但存在以下缺陷： 1、主要用于加
25、工金属等导电材料； 2、加工速度较慢（需进行预加工，去除大部分余量）； 3、存在电 极损耗，； 电火花加工的应用 1、可以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、可以加工任何特殊及复杂形状的工件； 3、没有机械加工时那样的切削力，因此适于加工薄壁、窄槽、低刚度及微细精密的零件。 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。 电火花加工的机理 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。 电火花腐蚀的四个阶段 1、极间介质的电离、击穿，形成 放电通道；
26、2、介质热分解、电极材料融化、气化，热膨胀； 3、电极材料的抛出； 脉冲电源工具电极工件电极( a ) ( b ) ( c )( d ) ( e )BA4、极间介质的消电离； 影响材料放电腐蚀的因素 : 1、极性效应 2、吸附效应 3、电参数 4、金属材料的热学常数 5、工作液 极性效应对电蚀量的影响 定义：单纯由于正、负极性不同，而彼此电蚀量不同的现象叫极性效应。 原因：由于在不同的脉冲宽度下，工作液中所电离出来的电子与离子对电极发生作用的大小是不同的。 吸附效应对电蚀量的影响 正电极表面能吸附工作液中分解、游离出来的带负电的碳离子，形成熔点和气化点比较高的薄层碳黑膜，保护正极，从而减 少电
27、极的损耗； 吸附层主要是石墨化的碳素层，其次是粘附在电极表面的金属微粒粘结层。 极性效应和吸附效应可以提高加工生产率、减少工具损耗，必须充分利用； 因此，电火花加工所用的脉冲电源都是单向、直流的脉冲电源。 电参数对电蚀量的影响 提高电蚀量和加工效率的电参数途径有： 1）提高脉冲频率 2）增加单个脉冲能量 3）减少脉冲间隔 放电所产生的热能主要消耗在以下几个方面： 1、向电极其它部位和工作液中传导； 2、使局部金属材料温度升高，达到熔点； 3、熔化金属材料； 4、使熔化后的金属材料继续 升温至沸点； 5、使熔融金属气化； 6、使金属蒸气继续加热成过热蒸气； 金属材料热学常数对电蚀量的影响 1）金
28、属材料的熔点、沸点，比热容，熔化热，气化热愈高，电蚀量将愈小，愈难加工； 2）导热率大的金属材料，能将热量传导、散失到其它部位，降低本身的蚀除量； 工作液对电蚀量的影响 1）形成火花放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态； 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； 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； 4）加速电蚀产物的排除； 实验表明：介电性好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应；但是，粘度过大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。 所以，粗加工使用粘度大的机油，精加工时使用粘度小的煤油； 提高加工速度的途径 1、选用适当的脉冲宽度 2、选用适当的脉冲间隔 3、增加单位脉冲能量（主要是增加峰值电流） 4、提高脉冲频率 f
