超精密与纳米加工技术.ppt

超精密与纳米加工技术 姓名 李非凡班级 汽配 2 班学号 20140304017 绪论 激光加工超声波加工电子束加工 激光加工工作原理 激光是一种受激辐射而得到的加强光 其基本特征 强度高 亮度大 波长频率确定 单色性好 相干性好 相干长度长 方向性好 几乎是一束平行光当激光束照射到工件表面时 光能被吸收 转化成热能 使照射斑点处温度迅速升高 熔化 气化而形成小坑 由于热扩散 使斑点周围金属熔化 小坑内金属蒸气迅速膨胀 产生微型爆炸 将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波 于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔 激光产生过程及特性 自发吸收 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶自发辐射 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶受激辐射 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶 并释放光子 激光器 固体激光器YAG 钇 铝和石榴石构成 激光器 红宝石激光器特点 器件小 坚固 使用方便 输出功率大气体激光器CO2激光器 氦 氖激光器结构简单 造价低 操作方便 工作介质均匀 光束质量好 能长时间较稳定地连续工作 市场达60 左右 半导体激光器砷化镓激光器体积小 质量轻 寿命长 结构简单而坚固液体激光器染料激光器原理复杂 输出波长连续可调 且覆盖面宽 激光加工特点 加工材料范围广 适用各种金属 非金属材料 高熔点材料 耐热合金及陶瓷 金刚石等硬脆材料 加工性能好 工件可离开加工机进行加工 可透过透明材料加工 可在不易达到的狭小空间加工 非接触加工方式 热变形小 加工精度较高 可进行微细加工 激光聚焦直径理论上可至1 m以下 实际可实现 0 01mm的小孔加工和窄缝切割 加工速度快 效率高 激光加工不仅可以进行打孔和切割 也可进行焊接 热处理等工作 可控性好 易于自动控制 加工设备昂贵 激光加工应用 激光切割具有切缝窄 速度快 热影响区小 省材料 成本低等优点 并可以在任何方向上切割 包括内尖角 可以切割钢板 不锈钢 钛 钽 镍等金属材料 以及布匹 木材 纸张 塑料等非金属材料 激光焊接与打孔相比 激光焊接所需能量密度较低 不需将材料气化蚀除 只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起 优点 无焊渣 不需去除工件氧化膜 可实现不同材料之间的焊接 特别适宜微型机械和精密焊接 激光热处理原理 照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发 产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成 达到硬化 优点 快速 不需淬火介质 硬化均匀 变形小 硬化深度可精确控制 切削 钻孔 表面处理 钻微孔 焊接 打标 激光模具焊接 超声波加工工作原理 利用工具端面作超声 16 25kHz 振动 使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡 通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动 此时振幅一般很小 再通过振幅扩大棒 变幅杆 使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0 01 0 15mm 当工具以16000Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时 磨料便以极高的速度强力冲击加工表面 同时由于悬浮液磨料的搅动 使磨粒以高速度抛磨工件表面 此外 磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和 空化现象 所谓空化现象 是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时 加工间隙内形成负压和局部真空 在磨料液内形成很多微空腔 当工具端面以很大的加速度接近工件表面时 空泡闭合 引起极强的液压冲击波 从而使脆性材料产生局部疲劳 引起显微裂纹 超声波加工原理图 超声波加工特点及应用 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料 如玻璃 陶瓷 半导体 宝石 金刚石等 可加工各种复杂形状的型孔 型腔 形面 工具与工件不需作复杂的相对运动 机床结构简单 被加工表面无残余应力 无破坏层 加工精度较高 尺寸精度可达0 01 0 05mm 加工过程受力小 热影响小 可加工薄壁 薄片等易变形零件 生产效率较低 采用超声复合加工 如超声车削 超声磨削 超声电解加工 超声线切割等 可提高加工效率 超声波加工机床 超声波加工样件 电子束加工工作原理 真空条件下 利用电流加热阴极发射电子束 经控制栅极初步聚焦后 由加速阳极加速 通过透镜聚焦系统进一步聚焦 使能量密度集中在直径5 10 m斑点内 高速而能量密集的电子束冲击到工件上 被冲击点处形成瞬时高温 几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度 工件表面局部熔化 气化直至被蒸发去除 电子束加工原理图 电子束加工特点及应用 电子束束径小 最小直径可达0 01 0 05mm 而其长度可达束径几十倍 可加工微细深孔 窄缝 材料适应性广 原则上各种材料均能加工 特别适用于加工特硬 难熔金属和非金属材料 非接触加工 无工具损耗 无切削力 加工时间极短 工件无变形 加工速度高 切割1mm厚钢板 速度可达240mm min 在真空中加工 无氧化 特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金 加工设备较复杂 投资较大 多用于微细加工 电子束焊接 焊缝熔深大 熔宽小 焊缝金属纯度高 焊接精度高 可实现精密微细焊可进行薄材料的精密焊接 又可实现厚件焊接 但不适于大批量产品所有用其它焊接方法能进行熔化焊的