特種加工技術(shù)

特種加工技術(shù)第1頁/共88頁復(fù)習(xí)——電火花加工技術(shù)

電化學(xué)加工技術(shù)

超聲波加工技術(shù)第2頁/共88頁1.電火花加工（ElectricalDischargeMachining，EDM）。（1）電火花成形加工的原理是基于工件與工具電極（簡稱電極）之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到零件的加工要求。1、成型加工2、打孔加工第3頁/共88頁電火花形成機(jī)床

DK7140型電火花加工機(jī)床第4頁/共88頁電火花線切割加工機(jī)床DK7740型電火花線切割加工機(jī)床第5頁/共88頁線切割加工第6頁/共88頁電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進(jìn)給工具陰極2.電解加工（electrochemicalmachining，ECM）一.工作原理:利用金屬在電解液中可以產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)原理來進(jìn)行加工的方式。是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新工藝第7頁/共88頁電解磨削第8頁/共88頁3超聲加工機(jī)械撞擊+拋磨+空化作用超聲波加工是利用超聲頻(16KHz～25KHz)振動的工具端面沖擊工作液中的懸浮磨料，由磨粒對工件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)對工件加工的一種方法。工作液—普通水，懸浮磨粒—碳化硅、氧化鋁、碳化硼或金鋼石粉。第9頁/共88頁

超聲波機(jī)床第10頁/共88頁二十世紀(jì)四大發(fā)明——半導(dǎo)體；原子能；計(jì)算機(jī)；激光第11頁/共88頁4.激光加工技術(shù)1.激光產(chǎn)生的原理及種類2.激光的應(yīng)用3.激光加工種類第12頁/共88頁1.激光產(chǎn)生原理及種類1.1.1激光產(chǎn)生原理激光是受激輻射的光放大，是利用物質(zhì)受激輻射原理和光放大過程產(chǎn)生出來的一種特殊光。受激輻射是指當(dāng)處于高能級的原子，在外界因素的誘發(fā)下，躍遷回到低能級而發(fā)光的過程。第13頁/共88頁激光的產(chǎn)生如圖所示原子核－原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)外加能量為零時(shí)，分子處于穩(wěn)定狀態(tài)。第14頁/共88頁物體熱了以后電子就可以吸收足夠的能量躍遷至更高的能級，待其再向低能級回落時(shí)會釋放出相應(yīng)的能量，這些能量以電磁波的形式發(fā)出，若恰好波長又在可見光的范圍，這就是光第15頁/共88頁原子核－原子核－激勵(lì)激勵(lì)狀態(tài)

當(dāng)原子獲得高能量時(shí)其結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)－還原－光不穩(wěn)定的原子放出激光后，還原到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。放電?激光的發(fā)生原理第16頁/共88頁光放大是指輸入一個(gè)外來光子，而輸出的是兩個(gè)完全相同的光子，其中一個(gè)是外來光子，另一個(gè)是被外來光子誘發(fā)出來的光子。這樣一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子產(chǎn)生受激輻射，得到了兩個(gè)完全相同的光子，這兩個(gè)光子再去誘發(fā)兩個(gè)原子產(chǎn)生受激輻射得到完全相同的四個(gè)光子如此鏈鎖地進(jìn)行下去，完全相同的光子數(shù)目便會越來越多，即光被“放大”。第17頁/共88頁要有一個(gè)能使受激幅射和光放大過程持續(xù)的構(gòu)造：全反射鏡半反射鏡實(shí)物圖激光工作物質(zhì)第18頁/共88頁激光工作物質(zhì)全反射鏡半反射鏡工作原理：out光放大原理第19頁/共88頁激光是通過入射光子影響處于亞穩(wěn)態(tài)高能紡的原子、離子或分子躍遷到低能態(tài)而完成受激輻射時(shí)發(fā)出的光，簡言之，激光就是受激輻射得到的加強(qiáng)光。第20頁/共88頁

2.激光的產(chǎn)生激光的形成過程如圖所示。采用適當(dāng)?shù)募?lì)方法激勵(lì)激光工作物質(zhì)，通過受激吸收使得高能級原子的數(shù)量大于低能級原子的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子第21頁/共88頁

表1激光與普通光的比較普通光源激光光源亮度電燈：約470Sb太陽：約165×105Sb紅寶石巨脈沖激光器，約3.7×1015Sb（輸出功率1000MW/cm2)方向性無確定方向、發(fā)散角大、難會聚發(fā)散角可以小到0.1mrad（近似于平行光），光束會聚，其焦點(diǎn)處光斑為10μm單色性氪燈光源的譜線寬一般為0.0047A激光的譜線寬一般小于10-7A相干性氪燈光源的相干長度為78cm激光的相干長度可達(dá)幾十公里第22頁/共88頁1激光器的組成和常見激光器常用激光器由三部分組成：

工作物質(zhì)泵浦源光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)激勵(lì)能源諧振腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖第23頁/共88頁按輸出方式分：脈沖輸出連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分：氣體激光器固體激光器液體激光器自由電子激光器激光器的分類常見激光器按激勵(lì)方式分，有光激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核激勵(lì)激光器等；第24頁/共88頁梅曼和第一只激光器紅寶石激光器第25頁/共88頁氣體激光器第26頁/共88頁

CO2激光器的工作原理示意圖第27頁/共88頁固體激光器第28頁/共88頁液體激光器第29頁/共88頁半導(dǎo)體激光器第30頁/共88頁第31頁/共88頁2激光加工應(yīng)用第32頁/共88頁

激光加工示意圖第33頁/共88頁（3)激光的應(yīng)用第34頁/共88頁

4.1激光打孔第35頁/共88頁激光打孔特點(diǎn)1）可加工精度高、深徑比大的微小孔2）能加工小至幾微米的小孔5）容易實(shí)現(xiàn)自動化，加工效率高3）可加工異型孔4）能在所有金屬和非金屬材料上打孔第36頁/共88頁

激光打孔方法主要有復(fù)制法和輪廓迂回法2種。復(fù)制法是采用與被加工孔形狀相同的光點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制打孔的，它是利用激光束放出的高溫在工件上“燒”出孔來；輪廓迂回法實(shí)際上是切割成形，采用此法時(shí)被加工表面的形狀由光束和被加工零件相對位移的軌跡決定。第37頁/共88頁例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機(jī)中的燃料噴嘴等。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機(jī)械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務(wù)。激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時(shí)間、焦距與發(fā)散角、焦點(diǎn)位置、光斑內(nèi)能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關(guān)。在實(shí)際加工中應(yīng)合理選擇這些工藝參數(shù)。第38頁/共88頁提高打孔精度的措施1）投影法打孔2）光柱法打孔3）激光脈沖的調(diào)制4）噴氣加工第39頁/共88頁

激光打孔具有以下特點(diǎn)。（1）幾乎能在所有的材料上打孔，特別在加工硬、脆、軟和高強(qiáng)度等難加工材料上的微小孔、復(fù)合材料上的深小孔、與工件表面成各種角度（15°～90°）的小孔以及薄壁零件上的微小孔等方面，更顯出其優(yōu)越性。（2）能加工小至幾微米的小孔，而一般機(jī)械加工鉆孔只能加工直徑大于幾十微米的孔。深徑比可達(dá)80:1。第40頁/共88頁

（3）加工效率高，是電火花打孔的12～15倍，是機(jī)械鉆孔的200倍。（4）可加工各種異型孔。激光打孔主要用于小孔、窄縫的微細(xì)加工。目前已應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴、飛機(jī)機(jī)翼、航空發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪葉片、化學(xué)纖維噴絲板、寶石軸承、印刷電路板、過濾器、金剛石拉絲模、硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬和非金屬材料小孔的加工。另外，已成功地用于集成電路陶瓷襯套和手術(shù)針的小孔加工。第41頁/共88頁4.2激光切割第42頁/共88頁

二、激光切割激光切割（如圖所示）的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動。在實(shí)際加工中，采用工作臺數(shù)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)激光數(shù)控切割。 CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖第43頁/共88頁激光切割特性1）能切割任何難加工的高熔點(diǎn)材料、耐高溫和硬脆材料2）切割精度高5）切割的深寬比高3）非接觸切割4）切割速度高6）切割質(zhì)量優(yōu)良7）可與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動化加工第44頁/共88頁

與傳統(tǒng)切割方法相比，激光切割具有下列特性。（1）激光束聚焦后功率密度高，能夠切割任何難加工的高熔點(diǎn)材料、耐高溫材料和硬脆材料等。

（2）割縫窄，一般為0.1～1mm，割縫質(zhì)量好，切口邊緣平滑，無塌邊，無切割殘?jiān)?。對輪廓?fù)雜和小曲率半徑等外形均能達(dá)到微米級精度的切割，并可以節(jié)省材料15％～30％。

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（3）非接觸切割，被切割工件不受機(jī)械作用力，變形極小。適宜于切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體等硬脆材料及蜂窩結(jié)構(gòu)和薄板等剛性差的零件。（4）切割速度高，一般可達(dá)2～4m/min。（5）切割的深寬比大，對于金屬可達(dá)30左右，對于非金屬一般可達(dá)100以上。第46頁/共88頁激光切割樣品有機(jī)玻璃不銹鋼板不銹鋼管硅片第47頁/共88頁激光切割的影響因素激光功率或激光脈沖能量切割速度光斑直徑噴嘴尺寸焦點(diǎn)位置第48頁/共88頁

三、激光焊接激光焊接是利用激光束的熱量將工件接頭處加熱到熔化狀態(tài)，冷卻后連接在一起。激光焊接過程如圖5-9所示。第49頁/共88頁

激光焊接具有以下特點(diǎn)。

（1）激光能量密度高，這對高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率材料的焊接特別有利。不僅能焊接同種材料，還能焊接不同的材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。（2）焊縫深寬比大，比能小，熱影響區(qū)小，焊件變形小，故特別適于精密、熱敏感部件的焊接，常可以免去焊后矯形、加工工藝。第50頁/共88頁

（3）具有熔化凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬。既沒有焊渣，也不需去除工件的氧化膜。焊縫的力學(xué)性能在各個(gè)方面都相當(dāng)于或優(yōu)于母材。（4）一般不加填充金屬。如用惰性氣體充分保護(hù)，則焊縫不受大氣污染。（5）激光可透過透明體進(jìn)行焊接，以防止雜質(zhì)污染和腐蝕，適宜于精密儀表和真空儀器元件的焊接。第51頁/共88頁

表5-3激光焊接的應(yīng)用行業(yè)應(yīng)用實(shí)例

航空航天工業(yè)渦輪發(fā)動機(jī)葉片、火箭殼體的加強(qiáng)筋、導(dǎo)彈發(fā)射架、儀器殼體等零部件，儲存高壓氣體的鋁制和鈦制容器、繼電器汽車工業(yè)齒輪箱、汽車底盤、車輪鋼圈電子和微電子工業(yè)儀表和電器，如儀表殼體、顯像管、微電機(jī)齒輪軸、微型接插件、測量儀器的彈簧、軍用鋰電池、微型雷管和熱敏元件等第52頁/共88頁

激光焊接機(jī)

它的作用是實(shí)現(xiàn)光束與工件之間的相對運(yùn)動，完成激光焊接，分焊接專機(jī)和通用焊接機(jī)兩種。后者常采用數(shù)控系統(tǒng)，有直角坐標(biāo)二維、三維焊接機(jī)或關(guān)節(jié)型激光焊接機(jī)器人。

第53頁/共88頁激光焊接技術(shù)鋁合金不銹鋼不銹鋼、塑料第54頁/共88頁4.3激光焊接第55頁/共88頁激光焊接特性1）激光照射時(shí)間短，焊接過程極為迅速2）具有熔化凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬5）能以簡單的措施實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，更適用于復(fù)雜零件焊接3）能量密度高，對高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率材料焊接有利4）可透過透明體焊接，防止雜質(zhì)污染和腐蝕第56頁/共88頁影響激光焊接的主要參數(shù)激光功率（焊縫深度和焊接速度）光束直徑材料吸收率焊接速度保護(hù)氣體（氦、氬、氮）焦點(diǎn)位置第57頁/共88頁4.4激光熱處理第58頁/共88頁四、激光表面處理

1.激光表面淬火激光表面淬火是利用激光束掃描材料表面，使金屬表層材料產(chǎn)生相變甚至熔化，隨著激光束離開工件表面，工件表面的熱量迅速向內(nèi)部傳遞而形成極高的冷卻速度，使表面硬化，從而提高零件表面的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度。其典型應(yīng)用如齒形表面、鑄鐵凸輪軸表面等。第59頁/共88頁

2.激光表面合金化激光表面合金化是利用激光束的掃描照射作用，將一種或多種合金元素與工件表面快速熔凝，從而改變工件表面層的化學(xué)成分，形成具有特殊性能的合金化層。往熔化區(qū)加入合金元素的方法很多，包括工件表面電鍍、真空蒸鍍、預(yù)置粉末層、放置厚膜、離子注入、噴粉、送絲和施加反應(yīng)氣體等。第60頁/共88頁激光熱處理的特性1）處理速度快2）變形小3）效率高第61頁/共88頁4.5激光微調(diào)第62頁/共88頁

五、激光電阻微調(diào)在微電子電路中所采用的電阻有薄膜電阻和厚膜電阻。前者厚度為幾十納米至幾微米，常用鉭或鎳鉻合金，通過真空蒸鍍制作；后者厚度為幾微米至幾十微米，主要用鈀、釕、氧化鉈等，由漿料印刷法制作。兩種電阻在微調(diào)前的阻值偏差可達(dá)5％～25％，而很多電路卻要求小于1％。因此，必須進(jìn)行電阻微調(diào)，以保證電路的技術(shù)指標(biāo)。第63頁/共88頁

傳統(tǒng)微調(diào)方法是用機(jī)械磨蝕（對厚膜電阻）和電火花蝕除（對薄膜電阻），精度和效率均較低。而激光微調(diào)精度一般為0.05％，最高可達(dá)0.02％或更小，而且速度快、效率高、無污染、易于動態(tài)測量和實(shí)現(xiàn)自動化。激光微調(diào)由于是在非機(jī)械接觸下工作，適合于加工硬脆材料。激光微調(diào)電阻可采用兩種方法：一是對電阻進(jìn)行無損傷照射，使膜的結(jié)構(gòu)變化，從而改變阻值；另一方法是對電阻進(jìn)行高能量照射，使部分電阻膜氣化去除，從而減小導(dǎo)電膜的截面來增加阻值。目前后一種加工方法用得較多。第64頁/共88頁4.6激光雕刻第65頁/共88頁激光打標(biāo)樣品牛皮

手機(jī)外殼

第66頁/共88頁激光打標(biāo)樣品標(biāo)志工藝品茶壺線路板第67頁/共88頁激光打標(biāo)樣品雷管第68頁/共88頁激光打標(biāo)樣品牛仔褲

第69頁/共88頁激光雕刻樣品橡皮效果印章第70頁/共88頁4.7快速成型第71頁/共88頁2.2激光加工的特點(diǎn)1）適應(yīng)性強(qiáng)激光加工的功率密度高，幾乎能加工任何材料，如各種金屬、陶瓷、石英、金剛石、橡膠等。2）加工精度高3）加工質(zhì)量好4）加工速度快效率高激光束可聚焦成微米級的光斑（理論上直徑可小于1um）適合精密微細(xì)加工。激光加