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1、微孔结构的加工,制造二班 陈祥,目录,1.微孔结构的定义 2.微孔结构的加工方法 3.微孔器件加工工艺实例 涡轮叶片 喷丝板 飞秒激光微孔加工,根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义，孔径小于2纳米的称为微孔。通常形容一些催化剂的孔径。 微细加工， 据认为凡是工件上拥有狭缝宽度或直径 0.1mm的型孔、沟槽、型腔等方面的加工皆称作微细加工。就孔径而言，由于行业与加工对象不同，微孔的概念也不尽相同。,微孔的定义,1.,微孔结构的加工方法,微孔加工比较难，尤其是加工直径在1mm以下的微孔加工，其难度就是非常的大。但是有好多机械产品上都有这种微孔结构。比如油泵、油嘴，水刀、模具，等等，都会用
2、到微孔加工。 微孔器件的加工方法有:钻孔、磨孔、电火花打孔、激光打孔、超声波打孔等。,2.,涡轮叶片 涡轮叶片打孔的主流方法是高速电火花加工。 电火花加工是基于正负电极间脉冲放电时电腐蚀现象对材料进行加工的特种加工技术。 它与其他加工技术相比有以下特点: 可加工任何导电材料，不受工件材料硬度的限制、可在斜面上加工出不同形状的微孔、加工过程中无切削力。而电火花微细加工中，由于排屑困难，电极相对损耗较大，而微细电极的制备又十分困难，使得其加工效率低，加工精度一致性差。,电极成型方法：1.块状电极成型法2.反拷电极法3.线电极磨削法 （WEDG）,微孔器件加工工艺实例,3.,WEDG的加工原理如图
3、1 所示。加工过程中 ,线电极沿导向器槽缓慢连续移动 ,移动速度一般为5 -10 mm/ min。金属丝的单向移动 ,使得在加工过程中 , 不必考虑工具电极损耗所带来的一系列影响，导向器沿微细轴的径向作微进给 ,而工件随主轴旋转的同时作轴向进给。通过控制微细轴的旋转与分度及导向器的位置 ,可以加工出不同形状的电极。,图1 线电极磨削原理图,WEDG技术的工作原理,电极与孔同时成型法的原理如图 2 所示,当电极为正极(+) ,工件为负极(-) ,使电极旋转比通常高数十倍的电极进给速度进行微细电火花加工时,电极的外周比中心部分能产生更多的损耗电极,端部在数分钟内直径便可成型到数十微米,长度达到数百
4、微米,如图所示随着电极成型的同时，同样形状的穿孔加工结束，以往需要多道工序的锥孔加工仅用一道工序即可加式完毕，可以认为这是一种低成本高效率的新型电火花加工方法。,微细电极与微孔同时成型的电火花加工法,图2 电极与孔同时微细电火花加工,喷丝板,喷丝板是纺丝机不可缺少的精密零件,其功用是将精确计量过的纺丝熔体通过喷丝板上的微孔喷挤出具有一定粗细和质地细密的纤维束。喷丝板上的微细孔孔道作为 新合成纤维的母体,它们的加工质量是保证纤维成品质量和良好纺丝工艺的重要条件,所以,喷丝板上喷丝孔加工的精度要求极高,也是至关重要的。 在对喷丝板进行微孔钻削加工时,喷丝板的微孔内表面会留下毛刺,进而会影响到丝条的
5、质量和正常生产。 由于磨料流加工技术具有对零件隐蔽部位的孔及型腔研磨抛光、倒圆角的作用,因而在喷丝板微孔的加工中,特别对于长径比大的微孔能起到很好的加工效果,具有其它加工方法无法比拟的优越性。,磨料流加工原理,磨料流加工技术主要是依靠在一定的压力下流动的粘弹性流体介质及其携带的磨粒反复冲刷工件表面来达到对工件抛光的目的;因为当硬质磨粒直接接触加工表面时,产生了微量的去除作用。,1-活塞；2-上料缸；3-磨料；4-工件；5-夹具；6-下料缸。,磨料流加工技术在对喷丝板微孔的加工中具有以下两方面的优势: 喷丝板微孔的加工、特别是对于长径比较大的深孔,是孔加工中较难进行的,由于尺寸上所受的限制,传统
6、的加工手段较难以胜任,而磨料流加工中的刀具-流体磨料具有随机流动性, 到达区域能够不受限制。另外,用一般的抛光工艺进行加工时所采用的磨料,会在孔口处产生喇叭口形状的加工误差。而磨料流加工技术所采用的粘弹性磨料由于其具有入口收敛作用,即当粘弹性磨料流体从大截面流道进入工件孔道时,会由于流体的粘弹特性和流道截面的突然收缩,以及自身的粘弹力学特性,而在工件孔道流动中产生相应的弹性应变能的贮存及其粘性耗散,出现明显的入口压力下降,从而能够较好地解决微孔抛光加工中易出现喇叭口的加工工艺问题。,飞秒激光微孔加工,飞秒激光:是一种以飞秒为周期来计算的超强超短脉冲激光。（1飞秒= 秒 ） 相比于传统方法，飞秒
7、激光微孔加工具有材料适应性广、非接触、无污染、高精度、高效率等优点，尤其是针对以下的微孔，飞秒激光是最理想的加工手段之一。,飞秒激光微孔的作用机理,初始阶段，加工所形成的等离子体均匀分布，形成均匀的微孔。而随着加工的进行，孔内形成的等离子体充当了飞秒激光向孔底传播的媒介，使得飞秒激光能够继续对微孔进行加工。最后，由于微孔深度增加后，孔内的等离子体分布开始不均匀，并不能充满微孔，且光丝状等离子体不稳定扰动，阻碍了孔深的进一步增加，微孔深度不再增加。然而，飞秒激光微孔的作用机理涉及材料、光学、物理等多方面因素，是一个从飞秒到毫秒、从纳米到微米的跨尺度的过程，当前仍未出现较为完善的解释。,激光加工方
8、式,Dausinger 对飞秒激光金属材料微孔加工工艺进行研究，将激光与材料的相对运动方式分为4类，即单脉冲加工、叩击式加工、环切加工和螺旋钻孔。 单脉冲加工： 通过工艺保证一个脉冲和材料作用后，直接形成所需微孔。,图 3(a)高速飞秒激光单脉冲打孔示意图；(b)加工结果原子力显微镜图,叩击式加工：需要多个脉冲的连续作用使得微孔深度不断增加，以达到所需深度,图4 不同脉冲个数的激光(a)1；(b)5；(c)100,环切加工:飞秒激光加工热影响区小、加工质量高，将激光线切割与微孔加工方面进行结合。,图5 (a)硅材料上环切微孔加工示意图；(b)SEM图 螺旋钻孔:是在环切基础上增加了深度方向的运
9、动，适合加工直径较大的深孔。,德马吉公司,德马吉（以下简称DMG）在德国的Sauer工厂早在20世纪80年代就已经开始对激光成形加工技术进行研发，并取得了卓有成效的研制成果。其研制成功的57轴激光加工中心得到了机械加工行业的认可，并有幸被陈列在世界最大的综合性博物馆德意志博物馆的机械馆最醒目的位置上，以记载DMG对激光应用技术所做出的杰出贡献。 DMG的激光加工设备属于激光精细加工类设备，加工工艺包括激光铣削、精细切割、焊接以及打孔等，但又不同于钣金生产用的大功率激光切割机，是以小尺寸零件的精密成形加工为主。,发动机叶片、燃烧室的冷却孔加工一直以来都是一个加工难点，其冷却孔数量多，孔径小，并且
10、全都分布在叶片的三维曲面轮廓上，非常难于装夹和加工。 。,图6 燃气轮机叶片,图7 气轮机叶片,图8 LASERTEC80PD,针对冷却孔的加工，DMG公司主要提供LASERTEC50/80/130PD系列激光加工中心，用于不同规格尺寸的工件的加工，最大加工工件直径可达1300mm。以LASERTEC80PD为例，该机床加工精度高，定位精度高(Pmax10m)，除了可进行基本的X/Y/Z 三轴加工外，还可配置第4轴或第5轴，极大地增强了机床的加工柔性，实现了最高的动态性能。,LASERTEC130PD 是一种专门针对航空航天发动机以及大型汽轮机行业开发的高精度产品，如图11所示，适用于航空发动
11、机大型燃烧室部件的切割打孔，如图12所示，可加工直径达1300mm的燃烧室部件；以及涡轮叶片冷却孔的加工，也可进行激光焊接。根据不同的需要，可分别选用100W、300W、500W的Nd：YAG激光器，也可以选用CO2气体激光器。借助于不同功率的激光器，LASERTEC130PD孔加工最 小直径可达0.010mm，最大零件厚度可至20mm。,图10 航天发动机大型燃烧室,图9 LASERTEC130PD,为了有效地提高加工效率，LASERTEC 130PD的X轴驱动采用了先进的直线电机驱动技术，使其快移速度高达100m/ min，加速度0.5g，Y、Z轴快移速度高达60m/min，最大限度地缩短了加工节拍。这种直接驱动技术也应用到了第4轴 、第5轴的回转轴驱动上， 实现5轴激光切割和焊接和打孔。,图11 航空发动机大型燃烧室,谢谢！,
