《先进制造技术32》由会员分享，可在线阅读，更多相关《先进制造技术32（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,3.2 特种加工技术,3.2.1 概述特种加工技术是指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称。这些加工方法包括：化学加工（CHM）、电化学加工（ECM）、电化学机械加工（ECMM）、电火花加工（EDM）、电接触加工（RHM）、超声波加工（USM）、激光加工（LBM）、离子束加工（IBM）、电子束加工（EBM）、等离子体加工（PAM）、电液加工（EHM）、磨料流加工（AFM）、磨料喷射加工（AJM）、液体喷射加工（HDM）及各类复合加工等。,3.2 特种加工技术,3.2.1 概述特种加工的特点：1）不用机械能，与加工对象
2、的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。,3.2 特种加工技术,3.2.1 概述 特种加工的特点：2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。3）微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极
3、低粗糙度的加工表面 。,3.2 特种加工技术,3.2.1 概述 特种加工的特点：4）不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。5）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。6）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。,3.2 特种加工技术,3.2.1 概述目前常用特种加工方法的性能与适用范围见下表。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.1 激光加工的主要特点激光也是一种光，其除了具有光的一般物性（如反射、折射、绕射
4、及干涉等）外，还具有四大特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，这四大优异特性是普通光源望尘莫及的。因此，就给激光加工带来了如下一些其它方法所不具备的可贵特点：,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.1 激光加工的主要特点（1）加工方法多、适应性强。在同一台设备上可完成切割、焊接、表面处理、打孔等多种加工；即可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。可加工各种材料，包括高硬度、高熔点、高强度及脆性、柔性材料。即可在大气中，也可在真空中进行加工。（2）加工精度，高质量好。由于高能量密度和非接触式加工，以及作用时间短，即能量注入速率高。工件热变形小，且无机械变形，对精密小零件的
5、加工非常有利。,3）加工效率高，经济效益好。在某些情况下，用激光切割可提高效率810倍；用激光进行深溶焊接的生产效率比传统方式提高30倍。用激光微调薄膜电阻，提高工效1000倍，提高精度12个量级。用激光强化电镀，其金属沉积率可提高1000倍。金刚石拉丝模用机械方法打孔需要24h，用YAG激器打孔，只需2s,提高工效43200倍。与其它打孔方法相比，激光打孔的费用节省25%75%，间接加工费用节省50%75%。与其它切割方法相比，激光切割钢材降低费用70%90%。（4）节约能源与材料，无公害与污染。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的101000倍。激光切割可节省15%30%。激光束不产生像电
6、子束那样的射线，无加工污染。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.1 激光加工的主要特点（5）加工用的是激光束，无“刀具”磨损及切削力影响的问题。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行及微加工等的加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统；激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.2 现状及国内外发展趋势（1）目前激光加工技
7、术研究开发的重点 可归纳为：新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6，1997年翻了一倍达12，1998年已增加到19；加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.2 现状及国内外发展趋势激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问
8、题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90以上。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.2 现状及国内外发展趋势（2）存在的主要问题 科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差；对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。,3.2 特种加
9、工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理（1）激光 物质由原子等微观粒子组成，而原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成。原子核所带的正电荷与各电子所带的负电荷之和在数量上是相等的。各个电子围绕原子核作轨迹运动。电子的每一种运动状态对应着原子的一个内部能量值，原子的内能值一般是不连续的，称为原子的能级。原子的最低能级称为基态，能量比基态高的能级均称为激发态。光和物质的相互作用可归纳为光和原子的相互作用，这些作用会引起原子所处能级状态的变化。其过程有以下三种主要情况：光的自发发射、光的受激吸收和光的受激发射。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2
10、.2.3 激光加工的基本原理光的自发发射和受激发射都是原子从高能级跃迁到低能级而发射光子，但它们有很大差别。自发发射的光子射向四面八方，各光子之间的位相、偏振方向都是独立的，没有联系。普通光源的发射都是自发发射。受激发射的光子与外来光子不但具有完全相同的发射方向和频率，而且位相和偏振态也完全相同。这样受激发射过程就起到了增强入射光强度的作用。激光正是利用了受激发射的这一特性，实现了光放大的目的，也就是说，激光就是由于受激发射而放大的光。激光和普通光在本质上都是一种电磁波，但因其产生方法与普通光不同，因而与普通光相比，具有方向性强（几乎是一束平行准直的光束）、单色性好（光的频率单一）、亮度非常高
11、（比太阳表面的亮度还高1010倍）、能量高度集中、相干性好及闪光时间可以极短等特点。,3.8.1 激光加工,激光加工原理 激光是一种受激辐射产生的加强光，当激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并转化为热能，工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用达到加工的目的。,固体激光器结构示意图,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理（2）激光器 光和物质体系相互作用时，总是同时存在着自发发射、受激吸收和受激发射三个过程。在正常情况下，物质体系中处于低能级的原子数总比处于高能级的原子数多，这样，吸收过程总是胜过受激过程。要使受激发射过程胜过吸收过程，实现光
12、放大，就必须以外界激励来破坏原来粒子数分布，使处于低能级的粒子吸收外界能量跃迁到高能级，实现粒子数的反转，即使高能级上的原子数多于低能级上的原子数，这个过程称为激励。激励过程是所有激光器工作的基础和核心。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理激光器一般有三个基本组成部分，下图为红宝石激光器结构示意图。,1、11-冷却水人口 2-工作物质 3、9-冷却水出口 4-部分反射镜 5-透镜 6-工件 7-激光束 8-聚光器 10-氙灯 12-玻璃套管 13-电源（含电容组和触发器） 14-全反射镜,1、11-冷却水人口 2-工作物质 3、9-冷却水出口 4-部
13、分反射镜 5-透镜 6-工件 7-激光束 8-聚光器 10-氙灯 12-玻璃套管 13-电源（含电容组和触发器） 14-全反射镜,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理激光器工作时，从电源的脉冲氙灯发出的光经椭圆柱内表面反射后聚到晶体棒上，工作物质受到激励能源的作用后，接收了外界能量，许多原子从基态跃迁到激发态，但它们很快会回到基态。在这个过程中有一个中间激发态存在，即原子先跃迁到这一状态，然后跃迁回基态。原子在中间状态停留的时间比在激发态要长得多，因此又称这一状态为亚稳态。亚稳态的存在，使得处于这一状态的原子数有可能比处于基态的多。原子从亚稳态跃迁回基
14、态时自发发射光子，这些光子射向四面八方，其大部分光子很快逸出谐振腔，只有方向沿工作物质轴向的光子因受到两块反射镜的作用而来回反射，并且感应出其他处于亚稳态的原子受激发射。因为激励能源的作用，工作物质已经实现了粒子数反转，所有受激发射过程使光波得到放大，放大的光波与起始的光波具有完全相同的性质。当放大到一定程度，腔内光波的放大与损耗保持平衡，形成稳定的振荡状态，这时强大的光波就从谐振腔的部分反射镜一端透射出来，这便是激光。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理自从1960年制成第一台激光器以来，激光器发展到今天已不下数百种，如按工作物质可分为固体、气体、
15、液体、半导体、化学激光器等；按工作方式可分为连续、脉冲、突变、超短脉冲激光器等等。激光加工常用固体激光器。表3-2是按工作物质分类的情况。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理（3）激光加工的基本原理激光加工就是利用激光器发射出来的具有高方向性和高亮度的激光，通过光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅有几微米或几十微米），使光斑处获得极高的能量密度（1071011W/cm2），达到上万摄氏度的高温，从而能在很短的时间内使各种物质熔化和汽化，达到蚀除工件材料的目的。,3
16、.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.3 激光加工的基本原理激光加工是一个高温过程，就其机理而言，一般认为，当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽化蒸发，并形成小凹坑，同时也开始了热扩散，结果使斑点周围金属熔化，随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸气迅速膨胀，压力突然增加，熔融物被爆炸性地高速喷射出来。其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。这样，工件材料就在高温熔融和冲击波作用下，蚀除了部分物质，从而打出一个具有一定锥度的小孔。,3.2 特种加工技术,3.2.2 激光加工 3.2.2.4 激光加工的基本规律尽管激光是具有高方向性并近似平行光束，但它们仍具有一定的发散角（约为10-3 rad），这使得激光经聚焦物镜聚集在焦面上后形成仍有一定直径的小斑点，且在小斑点其能量的分布是不均 匀的，而是按贝赛函数 分布（如图所示）。,
