特种加工技术

特种加工技术是指不同于机械加工的制造技术，主要包括但不限于：电腐蚀加工、激光加工、电子束和离子束加工、超声加工、射流加工、微纳加工、增材制造等。在我国从制造大国向制造强国转变的征途中，这些工艺技术占据了越来越显著的地位，比如微纳加工主导了当前的半导体制造及集成电路工业，增材制造更被认为是新一代数字化、智能化工业革命的核心技术之一。有感于已经出版的相关专业教材缺乏激光加工、增材制造及微纳加工的最新进展介绍，为了便于国内特种加工技术科研人员、本科生和研究生了解并学习当前国内外发展状况和最新进展，激发对特种加工技术的兴趣，笔者特地编写了《特种加工技术》一书。本书在介绍各个工艺技术理论的基础上，侧重介绍各工艺的特点、规律及应用。其中特别介绍了广西大学激光智能制造与精密加工研究所科研团队在相关领域的研究成果。本书由龙雨教授主编。同时参与编写的有：李光先(第2章)，周俊(第4章)，郭旺和蒋奥克(第5章)，周柱坤(第8章)，魏伟（第11章）。祁正伟和黎华平等同学负责全书编辑汇总，汤辉亮、张江兆、赵英健、周城等同学参与了资料的收集整理。在此，对所有参与编写的同事和同学表示感谢！本书得到了广西大学一流本科专业建设经费和陈远铃老师的大力支持，在此表示感谢。因时间和水平有限，本书难免存在失误不足之处，请各位读者多加指正。龙雨广西南宁2021年11月28日

本书系统地介绍了特种加工技术的原理、特点和规律、应用。全书共分为13章。第1章为绪论，对特种加工技术的演变进行了简要介绍。第2～4章依次介绍了电腐蚀加工、激光加工、电子束与离子束加工。第5～10章对前沿热门话题增材制造(3D打印)进行了充分详细的阐述，其中：第5章介绍增材制造各个分类，第6章介绍激光选区熔化的数据处理和路径规划软件，第7章介绍激光熔覆软件，特别是多轴复杂结构的激光熔覆路径规划软件，第8章介绍增材制造模拟拟真，第9章介绍激光选区熔化打印质量缺陷检测，第10章介绍高速激光熔覆。第11～13章分别介绍了超声加工、射流加工、微纳加工。本书每章均配备了一定量的思考题，可扫描每章二维码获取答案。本书可供从事特种加工技术的科技研究和工程技术人员参阅，也可供高等院校相关专业的本科生和研究生参考学习。

龙雨，男，广西大学机械学院教授、博士生导师，上海交通大学，机械与动力工程学院，本科硕士。美国Clemson University，机械工程，博士。中科院沈阳自动化所，研究员。主要研究方向为：1.激光加工新工艺及装备、新材料设计及制备；2.柔性和仿生机器人及4D打印、生物激光制造及5D打印；3.微纳精密加工及传感；4.数字化设计与制造、数字孪生和预测性维护。

第1章绪论(1)

1.1现代加工技术的发展简史(1)

1.2现代加工技术的地位与分类(5)

1.3现代加工技术的发展趋势(7)

复习思考题(11)

第2章电腐蚀加工技术(12)

2.1电火花加工(12)

2.1.1电火花加工材料去除机理(12)

2.1.2电火花加工的工作状态(14)

2.1.3脉冲电源(15)

2.1.4电极(20)

2.1.5电解液(23)

2.1.6电火花加工工艺(25)

2.2电化学加工(30)

2.2.1电解加工(31)

2.2.2电解液(32)

2.2.3电化学加工工艺(33)

复习思考题(37)

第3章激光加工(38)

3.1激光与激光加工概述(38)

3.1.1激光的产生原理(38)

3.1.2激光的特性(40)

3.1.3激光加工的原理和特点(41)

3.2激光加工的基本设备(42)

3.2.1激光加工设备的组成(42)

3.2.2激光加工常用的激光器(42)

3.3激光安全防护及标准(44)

3.3.1激光的危险性(44)

3.3.2激光防护(45)

3.4激光去除加工(46)

3.4.1激光打孔(46)

3.4.2激光切割(48)

3.4.3激光打标(50)

3.5激光焊接(52)

3.5.1激光热传导焊接(52)

3.5.2激光深熔焊(54)

3.5.3蓝光激光焊接(56)

3.5.4激光焊接应用(58)

3.6激光表面改性技术(59)

3.6.1激光表面改性的特点(59)

3.6.2激光表面改性的分类(60)

3.6.3复合表面改性技术(62)

3.7激光快速成形(64)

3.8激光复合加工技术(67)

3.8.1激光辅助切削技术(67)

3.8.2激光辅助电镀技术(68)

3.8.3激光与步冲复合技术(69)

3.8.4激光复合焊接技术(69)

3.8.5激光与电火花复合加工技术(72)

3.8.6激光与机器人复合加工技术(73)

3.9激光微细加工(74)

3.9.1飞秒激光加工(75)

3.9.2激光诱导原子层加工技术(77)

3.9.3激光制备纳米材料(78)

3.9.4脉冲激光沉积技术(80)

复习思考题(83)

第4章电子束与离子束加工(84)

4.1电子束加工(84)

4.1.1电子束的产生(84)

4.1.2电子束的聚焦和偏转(86)

4.1.3电子束的特点和应用(92)

4.2离子束加工(95)

4.2.1离子束加工的原理、分类和特点(95)

4.2.2离子束加工装置(96)

4.2.3离子束加工的应用(98)

复习思考题(102)

第5章增材制造(103)

5.1增材制造技术简介(103)

5.2光固化(104)

5.2.1工艺原理(104)

5.2.2成形材料(109)

5.2.3优缺点(110)

5.2.4典型应用(110)

5.3材料喷射(111)

5.3.1工艺原理(111)

5.3.2成形材料(113)

5.3.3优缺点(115)

5.3.4典型应用(115)

5.4黏合剂喷射(116)

5.4.1工艺原理(117)

5.4.2成形材料(119)

5.4.3优缺点(119)

5.4.4典型应用(120)

5.5粉末床熔融(121)

5.5.1工艺过程和工艺原理(121)

5.5.2成形材料(123)

5.5.3优缺点(124)

5.5.4典型应用(124)

5.6熔融沉积成形(125)

5.6.1工艺原理(125)

5.6.2成形材料(128)

5.6.3优缺点(130)

5.6.4典型应用(130)

5.7定向能量沉积(133)

5.7.1工艺过程和工艺原理(133)

5.7.2成形材料(134)

5.7.3典型应用(135)

5.8薄材叠层(135)

5.8.1工艺过程和工艺原理(135)

5.8.2成形材料(137)

5.8.3典型应用(137)

复习思考题(138)

第6章激光选区熔化软件(139)

6.1SLM技术与常用软件简介(139)

6.1.1基本流程(139)

6.1.2模型文件格式研究(140)

6.2SLM支撑设计(141)

6.2.1支撑生成一般过程(142)

6.2.2支撑结构设计(143)

6.2.3支撑优化设计(143)

6.3SLM自支撑研究(144)

6.4SLM模型分层(145)

6.4.1SLM模型分层方法(145)

6.4.2SLM模型分层算法(146)

6.5SLM路径填充方式(147)

6.5.1栅格路径填充(147)

6.5.2之字形路径填充(148)

6.5.3分区扫描路径填充(148)

6.5.4螺旋线路径填充(150)

6.5.5轮廓偏置路径填充(151)

6.5.6混合路径填充(152)

6.5.7分形扫描路径填充(152)

6.5.8中轴变换路径填充(153)

6.6SLM路径规划研究新进展(154)

6.7SLM数据处理软件的发展前景(155)

复习思考题(155)

第7章激光熔覆软件(156)

7.1简介(156)

7.2多轴3D打印简介(157)

7.2.1多轴3D打印发展历程(157)

7.2.2多轴3D打印设备(157)

7.3LDMD的工艺规划(162)

7.3.1含模型分割的工艺规划方法(162)

7.3.2无模型分割的工艺规划方法(168)

7.4总结和展望(170)

复习思考题(171)

第8章增材制造模拟仿真(172)

8.1引言(172)

8.2模拟方法(173)

8.2.1宏观数值模拟方法(173)

8.2.2介观尺度模拟方法(177)

8.2.3分子动力学(192)

8.2.4跨尺度模拟方法(193)

8.2.5增材制造的数值模拟的前景(195)

复习思考题(196)

第9章激光选区熔化缺陷检测(197)

9.1激光选区熔化常见缺陷(197)

9.1.1铺粉过程缺陷(197)

9.1.2打印过程缺陷(200)

9.2光学检测技术(208)

9.2.1基于光电二极管的检测(208)

9.2.2基于高温计的检测(210)

9.2.3基于红外成像仪的检测(210)

9.2.4基于高速相机的检测(213)

9.2.5多信号融合检测技术(215)

9.2.6缺陷表面的光学相干成像检测(218)

9.2.7三维形貌的视觉传感检测(219)

9.3超声检测技术(222)

9.3.1常规超声检测(222)

9.3.2相控阵超声检测(222)

9.3.3水浸式超声检测(224)

9.3.4电磁超声检测(224)

9.3.5激光超声检测(225)

9.3.6基于声发射检测(226)

9.4CT检测(229)

9.4.1CT系统(229)

9.4.2工业CT检测(229)

9.4.3X射线高速成像系统(230)

9.4.4SLM集成装置(231)

9.5电磁检测(232)

9.5.1常规涡流检测(232)

9.5.2阵列涡流检测(233)

复习思考题(235)

第10章高速激光熔覆(237)

10.1技术原理、设备(237)

10.1.1技术原理(237)

10.1.2工艺特点(237)

10.1.3设备(238)

10.2工艺参数(239)

10.3熔覆过程的数值模拟(241)

10.4表面涂层性能研究(245)

10.5熔覆材料体系(248)

10.6工业应用(251)

复习思考题(252)

第11章超声加工(253)

11.1超声加工的基本原理(253)

11.1.1超声波的基本概念及其特性(253)

11.1.2超声波的衰减(255)

11.1.3超声波的干涉、衍射(256)

11.1.4超声波的空化效应(256)

11.2超声加工基本原理(256)

11.3典型超声加工系统的组成(257)

11.3.1超声波发生器(257)

11.3.2超声换能器(257)

11.3.3超声变幅杆(259)

11.3.4工具(260)

11.4超声加工的应用(261)

11.4.1超声切削(261)

11.4.2超声表面光整强化(263)

11.4.3超声波焊接(263)

11.4.4超声波增材制造(264)

11.4.5超声钻削(265)

11.4.6超声磨削(266)

11.4.7超声清洗(266)

11.4.8超声复合加工(267)

11.4.9微细超声加工技术(268)

11.4.10旋转超声加工(268)

11.4.11超声加工在医学中的应用(270)

复习思考题(271)

第12章射流加工(273)

12.1水射流加工(273)

12.1.1水射流加工原理(273)

12.1.2水射流加工的特点(274)

12.1.3水射流加工的应用(275)

12.2磨料水射流加工技术(275)

12.2.1磨料水射流加工的概念(275)

12.2.2磨料水射流加工的特点与组成(276)

12.2.3磨料射流加工分类(278)

12.2.4磨料水射流加工的应用(279)

12.2.5磨料水射流复合加工技术(284)

复习思考题(285)

第13章微纳加工(286)

13.1微细加工(286)

13.1.1微细加工概念与分类(286)

13.1.2硅微细加工技术(286)

13.1.3光刻加工技术(288)

13.1.4LIGA技术及准LIGA技术(290)

13.1.5准分子激光微细加工技术(295)

13.1.6生物加工(296)

13.2纳米技术和纳米加工(302)

13.2.1纳米技术概述(302)

13.2.2纳米加工(303)

13.2.3纳米级测量和扫描探针测量技术(305)

13.2.4单原子操纵(310)

13.2.5纳米薄膜沉积(314)

复习思考题(314)

参考文献(315) 

本书可供从事特种加工技术的科技研究和工程技术人员参阅，也可供高等院校相关专业的本科生和研究生参考学习。