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特种加工1．化学加工（CHM）2．等离子加工(PAM)3.挤压珩磨(AFM)4.水射流切割(WJC)5.磁性磨料研磨加工和磁性磨料电解研磨加工(MAM)6.铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术1．化学加工化学铣切工，ChemicalMacining,简称CHM光化学腐蚀加工，OpticalChemicalMachining,简称OCM2．等离子体加工PlasmaArcMachining,简称PAM，也称为等离子弧加工1—切缝；2—喷嘴；3—保护罩；4—冷却水；5—钨电极；6—工质气体；7—等离子体电弧；8—保护气体屏；9—工件3．挤压珩磨AbrasiveFlowMachining，简称AFM4.水射流切割WaterJetCuting，简称WJC,也称为液体喷射加工，LiquidJetMachining，简称LJM5.磁性磨料研磨加工和磁性磨料电解研磨加工MagneticAbrasiveMachining，简称MAM，又称磁力研磨或磁磨料加工MagneticAbrasiveElectrochemicalMachining,简称MAECM6.铝合金微弧氧化表面陶瓷处理技术WaterJetCuting，简称WJC,也称为液体喷射加工，LiquidJetMachining，简称LJM化学加工的应用较早，14世纪末已利用化学腐蚀的方法，来蚀刻武士的铠甲和刀、剑等兵器表面的花纹和标记。19世纪20年代，法国的涅普斯利用精制沥青的感光性能，发明了日光胶板蚀刻法。不久又出现了照相制版法，促进了印刷工业和光化学加工的发展。到了20世纪，化学加工的应用范围显著扩大。第二次世界大战期间，人们开始用光化学加工方法制造印刷电路。50年代初，美国采用化学铣削方法来减轻飞机构件的重量。50年代末，光化学加工开始广泛用于精密、复杂薄片零件的制造。60年代，光刻已大量用于半导体器件和集成电路的生产。1化学铣切加工2光化学腐蚀加工3化学抛光4化学镀膜1.化学铣切加工1.1化学铣切加工的原理、特点和应用范围化学铣切(chemicalmilling)，实质上是较大面积和较深尺寸的化学蚀刻(chemicaletching)，它的原理如图所示。先把工件非加工表面用耐腐蚀性涂层保护起来，需要加工的表面露出来，浸入到化学溶液中进行腐蚀，使金属按特定的部位溶解去除，达到加工目的。1—工件材料；2—化学溶液；3—化学腐蚀部分；4—保护层；5—溶液箱；6—工作台金属的溶解作用，不仅在垂直于工件表面的深度方向进行，而且在保护层下面的侧向也进行溶解，并呈圆弧状，如图中的H和R。金属的溶解速度与工件材料的种类及溶液成分有关。1.1.1化学铣切的优点可加工任何难切削的金属材料，而不受任何硬度和强度的限制，如铝合金、钼合金、钛合金、镁合金、不锈钢等。适于大面积加工，可同时加工多件。加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度Ra可达2.5~1.25μm。加工操作技术比较简单。1.1.2化学铣切的缺点不适宜加工窄而深的槽和型孔等。原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。1.1.3化学铣切的应用范围主要用于较大工件的金属表面厚度减薄加工。铣切厚度一般小于13mm。如在航空和航天工业中常用于局部减小结构件的质量，对大面积或不利于机械加工的薄壁形整体壁板的工件适宜。用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的形孔。1.2.化学铣切工艺过程化学铣切的主要过程如图所示，其中主要的工序是涂保护层、刻形和化学腐蚀。1)涂覆在涂保护层之前，必须把工件表面的油污、氧化膜等清除干净，再在相应的腐蚀液中进行预腐蚀。在某些情况下还要先进行喷砂处理，使表面形成一定的粗糙度，以保证涂层与金属表面黏结牢固。保护层必须具有良好的耐酸、碱性能，并在化学蚀刻过程中黏结力不能下降。常用的保护层有氯丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶等耐蚀涂料。涂覆的方法有刷涂、喷涂、浸涂等。涂层要求均匀，不允许有杂质和气泡。涂层厚度一般控制在0.2mm左右。涂后需经一定时间并在适当温度下加以固化。2)刻形或划线刻形是根据样板的形状和尺寸，把待加工表面的涂层去掉，以便进行腐蚀加工。刻形的方法一般采用手术刀沿样板轮廓切开保护层，再把不要的部分剥掉。刻形尺寸关系示意图如图所示。1—工件材料；2—保护层；3—刻形样板；4—刻形刀；5—应切除的保护层；6—蚀除部分实验证明，当蚀刻深度达到某值时，其尺寸关系可用下式表示：K=2H/21(W−W)=H/BH=KB式中，K为腐蚀系数，根据溶液成分、浓度、工件材料等因素，由实验确定；H为腐蚀深度；B为侧面腐蚀宽度；W1为刻形尺寸；W2为最终腐蚀尺寸。刻形样板多采用1mm左右的硬铝板制作。3)腐蚀化学蚀刻的溶液随加工材料而异，其配方见表加工材料溶液的组成加工温度/℃腐蚀速度/mm·min-1铝、铝合金NaOH150~300g/L(Al：5～50g/L)①70~900.02~0.05FeCl3120~180g/L500.025铜、铜合金FeCl3300~400g/L500.025(NH4)2S2O3200g/L400.013~0.025CuCl2200g/L550.013~0.025镍、镍合金HNO348%+H2SO45.5%+H3PO411%+CH3COOH5.5%②45~500.025FeCl334~38g/L500.013~0.025加工材料溶液的组成加工温度/℃腐蚀速度/mm·min-1不锈钢HNO33N+HCl2N+HF4N+C2H4O20.38N(Fe：0~60g/L)①30~700.03FeCl335~38g/L550.02碳钢、合金钢HNO320%+H2SO45%+H3PO45%②55~700.018~0.025FeCl335~38g/L500.025HNO310%~35%(体积)500.025钛、钛合金HF10%~50%(体积)30~500.013~0.025HF3N+HNO32N+HCl0.5N(Ti：5~31g/L)①20~500.001注：①为溶液中金属离子的允许含量，即质量分数。②百分数均为体积比。表中所列腐蚀速度，只是在一定条件下的平均值，实际上腐蚀速度受溶液浓度和金相组织等因素的影响。2光化学腐蚀加工光化学腐蚀加工简称光化学加工(OpticalChemicalMachining，OCM)是光学照相制版和光刻(化学腐蚀)相结合的一种精密微细加工技术。它与化学蚀刻(化学铣削)的主要区别是不靠样板人工刻形、划线，而是用照相感光来确定工件表面要蚀除的图形、线条，因此可以加工出非常精细的文字图案，目前已在工艺美术、机制工业和电子工业中获得应用。2.1.照相制版的原理和工艺2.1.1照相制版的原理照相制版是把所需图像摄影到照相底片上，并经过光化学反应，将图像复制到涂有感光胶的铜板或锌板上，再经过坚膜固化处理，使感光胶具有一定的抗蚀能力，最后经过化学腐蚀，即可获得所需图形的金属板照相制版不仅是印刷工业的关键工艺，而且还可以加工一些机械加工难以解决的具有复杂图形的薄板，薄片或在金属表面上蚀刻图案、花纹等。2.1.2工艺过程图所示为照相制版的工艺过程框图。其主要工序包括原图、照相、涂覆、曝光、显影、固膜、腐蚀等。1)原图和照相。原图是将所需图形按一定比例放大描绘在纸上或刻在玻璃上，一般需放大几倍，然后通过照相，将原图按需要大小缩小在照相底片上。照相底片一般采用涂有卤化银的感光版2)金属版和感光胶的涂覆。金属版多采用微晶锌版和纯铜版，但要求具有一定的硬度和耐磨性，表面光整、无杂质、无氧化层、无油垢等，以增强对感光胶膜的吸附能力。常用的感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等，其配制方法见表3)曝光、显影和坚膜。曝光是将原图照相底片紧紧密合在已涂覆感光胶的金属版上，通过紫外光照射，使金属版上的感光胶膜按图像感光。照相底片上不透光部分，由于挡住了光线照射，胶膜不参与光化学反应，仍是水溶性的，照相底片上透光部分，由于参与了化学反应，使胶膜变成不溶于水的络合物，然后经过显影，把未感光的胶膜用水冲洗掉，使胶膜呈现出清晰的图像。其原理如图所示1—金属板；2—感光膜；3—照相底片；4—成像胶膜为提高显影后胶膜的抗蚀性，可将制版放在坚膜液中进行处理，坚膜液成分和处理时间见表4)固化。经过感光坚膜后的胶膜，抗蚀能力仍不强，必须进一步固化。聚乙烯醇胶一般在180℃下固化15min，即呈深棕色。因固化温度还与金属版分子结构有关，微晶锌版固化温度不超过200℃，铜版固化温度不超过300℃，时间5~7min，表面呈深棕色为止。固化温度过高或时间太长，深棕色变黑，致使胶裂或炭化，丧失了抗蚀能力。5)腐蚀。经固膜后的金属版，放在腐蚀液中进行腐蚀，即可获得所需图像，其原理如图所示1—显影后的金属片；2—成像胶膜；3—腐蚀深度注：添加剂是为防止侧壁腐蚀的保护剂。随着腐蚀的加深，在侧壁方向也产生腐蚀作用称为“钻蚀”，影响到形状和尺寸精度。一般印刷版的腐蚀深度和侧面坡度都有一定要求图：金属版的腐蚀坡度为了腐蚀成这种形状，必须进行侧壁保护，其方法是，在腐蚀液中添加保护剂，并采用专用的腐蚀装置，就能形成一定的腐蚀坡度。1—固定转盘；2—印刷机；3—液轮；4—腐蚀液例如腐蚀锌版，其保护剂是由磺化蓖麻油等主要成分组成。当金属版腐蚀时，在机械冲击力的作用下，吸附在金属底面的保护剂分子容易被冲散，使腐蚀作用不断进行。而吸附于侧面的保护剂分子，因不易被冲散，故形成保护层，阻碍了腐蚀作用，因此自然形成一定的腐蚀坡度，如图所示。腐蚀铜版的保护剂由乙烯基硫脲和二硫化甲脒组成，在三氯化铁腐蚀液中腐蚀铜版时，能产生一层白色氧化层，可起到保护侧壁的作用。1—侧面；2—底面；3—保护剂分子；4—金属版；5—胶膜；6—腐蚀液2.2光刻加工的原理和工艺2.2.1光刻加工的原理、特点和应用范围光刻是利用光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩模版上的图形精确地印制在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀，可获得极为复杂的精细图形。光刻的精度甚高，其尺寸精度可达到0.01~0.005mm，是半导体器件和集成电路制造中的关键工艺之一。特别是对大规模集成电路、超大规模集成电路的制造和发展，起了极大的推动作用。利用光刻原理还可制造一些精密产品的零部件，如刻线尺、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件等。2.2.2光刻的工艺过程图：光刻的主要工艺过程1—衬底(硅)；2—光刻薄膜(SiO2)；3—光致抗蚀剂；4—掩模版图：半导体光刻工艺过程示意图(1)原图和掩模版的制备(2)涂覆光致抗蚀剂(3)曝光(4)腐蚀(5)去胶3化学抛光3.1.化学抛光的原理一般是用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，此氧化层又能逐渐溶入溶液，表面微凸起处被氧化较快而较多，微凹处则被氧化慢而少。同样凸起处的氧化层又比凹处更多、更快地扩散、溶解于酸性溶液中，因此使加工表面逐渐被整平，达到表面平滑化和光泽化。3.1.化学抛光的特点可以大表面或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛光内表面和形状复杂的零件，不需外加电源、设备，操作简单、成本低。其缺点是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛光液用后处理较麻烦。3.2化学抛光的工艺要求及应用1)金属的化学抛光常用硝酸、磷酸、硫酸、盐酸等酸性溶液抛光铝、铝合金、钼、钼合金、碳钢及不锈钢等。有时还加入明胶或甘油之类的添加剂。抛光时必须严格控制溶液温度和时间。温度从室温到90℃，时间自数秒到数分钟，只有材料、溶液成分经试验后才能确定最佳值。2)半导体材料的化学抛光如锗和硅等半导体基片在机械研磨平整后，还要最终用化学抛光去除表面杂质和变质层。常用氢氟酸和硝酸、硫酸的混合溶液或双氧水和氢氧化铵的水溶液。4化学镀膜4.1化学镀膜的原理在含金属盐溶液的镀液中加入一种化学还原剂，将镀液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面4.2化学镀膜的特点有很好的均镀能力，镀层厚度均匀，这对大表面和精密复杂零件很重要；被镀工件可为任何材