机械设计制造及其自动化毕业论文

本科课程论文 题 目 激光加工应用及其发展 学 院 工程技术学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2010 学 号 222010322210250 姓 名 罗 欢 指 导 教 师 邱 兵 成 绩 _ 2012 年 12 月 6 日 目录 摘要 . 2 1 前言 . 2 2 正文 . 2 2.1 激光加工的原理及其特点 . 错误 !未定义书签。 2.1.1 激光加工的原理 . 错误 !未定义书签。 2.1.2 激光加工的特点 . 3 2.2 激光加工的应用 . 3 2.2.1 激光打孔 . 3 2.2.2 激光切割、划片与刻字 . 3 2.2.3 激光热处理 . 4 2.2.4 激光强化处理 . 4 2.2.5 激光融化处理 . 4 2.2.6 精细加工 . 5 2.3 激光加工的发展前景 . 6 3 结论 . 6 参考文献 . 7 2 激光加工应用及其发展 罗欢 邱兵 西南大学工程技术学院 2010 级机械设计制造及其自动化 4 班 摘要 ： 激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。 关键词 ： 激光加工 加工原理 发展前景 精细加工 1 前言 随着科学技术的发展和社会需求的多样 化，产品的竞争越来越激烈，更新换代的周期也越来越短。为此，要求不但能根据市场的要求尽快设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，从而进行性能测试和修改，最终形成定型产品。而在传统制造系统中，需要大量的模具设计、制造和调试等工作，成本高，周期长，已不能适应日新月异的市场变化。为了提高研发和生产速度，快速而精确地制作出高质量、低成本的模具和产品，能对市场变化做出敏捷响应，人们作了大量的研究和探索工作。随着工业激光器价格的不断下降和工业激光加工技术的日益成熟，给模具制造和产品生产工艺带来了重大变革 。 2 正文 2.1 激光加工的原理及其特点 2.1.1 激光加工的原理 激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与 3 工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。 2.1.2 激光加工的特点 激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势： 由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速 度均可调，因此可以实现多种加工的目的。 它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。 激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。 它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。 使用 激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如：美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到 4H 即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要 9H 以上。仅此一项，每台发动机的造价可省 5 万美元。激光切割钢件工效可提高 8-20 倍，材料可节省 15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。 2.2 激光加工的应用 2.2.1 激光打孔 采用脉冲激光器可进行打孔 ,脉冲宽度为 0.1 1 毫秒 ,特别适于打微孔和异形孔 ,孔径约为 0.005 1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工 。 用激光在材料上钻孔，钻出的小孔质量不仅非常好，特别是在打大量同样的小孔时，还能保证多个小孔的尺寸形状统一，而且钻孔速度快，生产效率高。所以，除在电子工业生产中用激光打孔外，其他许多工业生产部门都在采用，比如普通香烟过滤嘴上的小孔、喷雾器阀门上的小孔，也在采用激光加工。喷雾器罐和瓶子颈部都有一个用来控制压缩物质（比如除臭剂、油料或者其他液体）的流量，阀门使用的性能就由喷雾器上这只小孔来决定了。这只小孔的直径为 10 微米到40 微米，用其他机械加工方法不那么好做，用激光来加工，能保证质量，每小时还可以打 4 万个小孔！ 2.2.2 激光切割、划片与刻字 在造船、汽车制造等工业中 ,常使用百瓦至万瓦级的连续 CO2 激光器对大工件进行切割 ,既能保证精确的空间曲线形状 ,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或 CO2 激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记， 4 并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。激光切割利用激光束作为热源的热切割， 工作 原理与激光焊相似。激光切割的温度超过 11000，足以使任何材料气化，因此在激光切割时，除熔化外，气化也起着重要的作用。有些材料（例如碳和某些陶瓷）的激光切割过程则纯属气化过程。金属的激光切割多采用大功率 二氧化碳 连续激光器。切割时，喷射惰性气体流，吹除切口熔化金属，可使切口光洁平直；喷射氧气流可提高切割速度。激光切割的切口细窄、尺寸精确、表面光洁 ， 质量 优于任何其他热切割方法。几乎所有的金属材料都可以用激光切割，可切割的厚度从几微米的箔片至 50 毫米的板材 2.2.3 激光热处理 即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。激光加热具有极高的 功率密度 ，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的 功率 。由 于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持 较低 的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导 迅速冷却 ，从而实现 淬火 等热处理效果。 用激光照 射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小 ,可处理形状复杂的零件和部件 ,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料 。 2.2.4 激光强化处理 激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化，当激光束能连密度 处于高端时，工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的 冶金过程，包括表面重熔、表层增碳、表层合金化和表层熔覆。这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带来巨大的经济效益。 2.2.5 激光融化处理 熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点： 1.表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。 2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的 5 硬度、耐磨性和抗腐蚀性。 3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再进行后续磨光而直接使用。 4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。 2.2.6 精细加工 选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近 衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。例如，高精密光栅的刻制；通过 CAD/CAM 软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光阱的“束缚力”，对生物细胞执行移动操作（生物光镊）。 （ l）微细机械加工工艺 凸形（外）表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。刀尖半径约为 100 m。单晶金刚石立铣刀的刀头形状，当刀具回转时，金刚石刀片形成一个 45 圆锥的切削面。凹形（内）表面的微细切削时，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如钻孔用麻花钻可加工小至 50 m 的孔，更小的孔则无麻花钻商品，可采用扁钻。 微细加工中俯 个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹的误差。如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀，可以用它铣出 50 m 宽的槽。 （ 2）微细电加工工艺 微型轴和异形截面杆的加工可采用线放电磨削法（ WEDG）加工。它的独 特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的 1/100。如需获得更为光滑的表面，则可以在 WEDG 加工后，再采用线电化磨削法（ WECG），它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。微细电火花加工（ MEDM）所用的机床如日本松下电气产业公司的 MG-ED71，它的定位控制的分辩率为 0.1 m，最小加工孔径达 5 m，表面粗糙度达 0.1 m。加工节径 300 m、厚 100 m的 9齿不锈钢齿轮时，先用 24 m的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用 31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达 3 m。也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为 30 m，加工的键槽截面为 10 m 10 m。 6 加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作，否则由于电极的连接和安装误差很难加工出小于直径 100 m 微型孔。如在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具，就可加工出 5 10 m 微型孔。微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大可达 5 10，尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。 2.3 激光加工的发展前景 激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变 硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用 5KW10KWCO2 高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的 4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后 2-3年内，我国激光加工销售额将会由 2008年的 35 亿人民币上升翻一倍， 也就是说会达到 70 亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应 21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。 3 结论 本文对激光加工进行了全面的介绍，让我们知道了很多关于激光加工的知识以及它的发展趋势。激光有它特有的优势，应用于多个领域，但是每件事都不是完美无缺的，激光加工