精密和超精密加工技术及其发展展望.ppt

第三章特种加工 本章内容 特种加工技术概述电火花加工电解加工高能束加工 非传统加工又称特种加工 通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称 非传统加工方法产生于二次大战后 两方面问题传统机械加工方法难于解决 1 难加工材料的加工问题 宇航工业等对材料高强度 高硬度 高韧性 耐高温 耐高压 耐低温等的要求 使新材料不断涌现 2 复杂形面 薄壁 小孔 窄缝等特殊加工问题 非传统加工方法将电 磁 声 光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上 从而使材料被去除 累加 变形或改变性能等 特种加工技术概述 主要不是依靠机械能 而是用其它能量 如电能 光能 声能 热能 化学能等 去除材料 工具不受显著切削力的作用 对工具和工件的强度 硬度和刚度均没有严格要求 一般不会产生加工硬化现象 加工变形小 发热少 或仅局限于工件表层加工部位很小区域内 工件热变形小 加工应力小 易于获得好的加工质量 加工中能量易于转换和控制 有利于保证加工精度和提高加工效率 材料去除速度一般低于常规加工方法 这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因 特种加工方法特点 机械过程 利用机械力 使材料产生剪切 断裂 以去除材料 如超声波加工 水喷射加工 磨料流加工等 热学过程 通过电 光 化学能等产生瞬时高温 熔化并去除材料 如电火花加工 高能束加工 热力去毛刺等 电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工 如电解加工 电铸加工 金属离子沉积 等 化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀 溶解 去除材料 如化学蚀刻 化学铣削等 特种加工分类 加工机理和采用的能源分 复合过程利用机械 热 化学 电化学的复合作用 去除材料 常见的复合形式有 机械化学复合 如机械化学抛光 电解磨削 电镀珩磨等 机械热能复合 如加热切削 低温切削等 热能化学能复合 如电解电火花加工等 其它复合过程 如超声切削 超声电解磨削 磁力抛光等 特种加工分类 拓宽现有非传统加工方法的应用领域 探索新的加工方法 研究和开发新的元器件 优化工艺参数 完善现有的加工工艺 向微型化 精密化发展 采用数控 自适应控制 CAD CAM 专家系统等技术 提高加工过程自动化 柔性化程度 特种加工技术发展趋势 几种代表性特种加工方法 电火花加工的原理示意图 原理 利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电 产生瞬时高温 工件材料被熔化和气化 同时 该处绝缘液体也被局部加热 急速气化 体积发生膨胀 随之产生很高的压力 在这种高压作用下 已经熔化 气化的材料就从工件的表面迅速被除去 电火花加工 4个阶段 介质电离 击穿 形成放电通道 火花放电产生熔化 气化 热膨胀 抛出蚀除物 间隙介质消电离 恢复绝缘状态 电火花加工 电火花加工机床 电极材料 要求导电 损耗小 易加工 常用材料 紫铜 石墨 铸铁 钢 黄铜等 石墨最常用 工作液 主要功能压缩放电通道区域 提高放电能量密度 加速蚀物排出 常用工作液有煤油 机油 去离子水 乳化液等 放电间隙 合理的间隙是保证火花放电的必要条件 为保持适当的放电间隙 在加工过程中 需采用自动调节器控制机床进给系统 并带动工具电极缓慢向工件进给 电火花加工工作要素 脉冲宽度与间隔 影响加工速度 表面粗糙度 电极消耗和表面组织等 脉冲频率高 持续时间短 则每个脉冲去除金属量少 表面粗糙度值小 但加工速度低 通常放电持续时间在2 s至2ms范围内 各个脉冲的能量2mJ到20J 电流为400A时 之间 电火花加工工作要素 电火花加工类型 电火花线切割原理图 电火花成形加工 主要指孔加工 型腔加工等电火花线切割 电火花线切割加工 用连续移动的钼丝 或铜丝 作工具阴极 工件为阳极 机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动 可切割出二维图形 同时 丝架可作小角度摆动 可切割出斜面 电火花线切割 加工过程显示 电火花线切割机床 不受加工材料硬度限制 可加工任何硬 脆 韧 软的导电材料 加工时无显著切削力 发热小 适于加工小孔 薄壁 窄槽 形面 型腔及曲线孔等 且加工质量较好 脉冲参数调整方便 可一次装夹完成粗 精加工 易于实现数控加工 电火花加工特点 电火花成形加工 电火花打孔常用于加工冷冲模 拉丝模 喷嘴 喷丝孔等 型腔加工包括锻模 压铸模 挤压模 塑料模等型腔加工 以及叶轮 叶片等曲面加工 电火花线切割 广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模 样板 各种形状复杂的板类零件 窄缝 栅网等 电火花加工应用 工作原理 工件接阳极 工具 铜或不锈钢 接阴极 两极间加直流电压6 24V 极间保持0 1 1mm间隙 在间隙处通以6 60m S高速流动电解液 形成极间导电通路 工件表面材料不断溶解 溶解物及时被电解液冲走 工具阴极不断进给 保持极间间隙 电解加工 电解加工 特点不受材料硬度限制 能加工高硬度 高韧性的导电材料 能以简单进给运动一次加工出形状复杂的面和型腔 效率率高 比EDM高5 10倍 采用振动进给和脉冲电流等新技术 可进一步提高生产效率和加工精度 阴极在加工中损耗小 加工表面质量好 无毛刺 残余应力和变形层 设备投资大 有污染 需防护 电解加工应用模具型腔 枪炮膛线 发电机叶片 花键孔 内齿轮 小而深的孔 电解抛光 倒棱 去毛刺等 电解加工特点及应用 电解加工整体叶轮 电解倒棱去毛刺 机加工中去毛刺工作量很大 电解去毛刺效率高 节省费用 原理是尖角处电流密度最高去毛刺时间与加工电压 加工间隙及电解液参数有关 工件与磨轮保持一定接触压力 突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙 电解液从中流过时 工件产生阳极溶解 表面生成一层氧化膜 其硬度远比金属本身低 易被刮除 露出新金属表面 继续进行电解 电解作用与磨削作用交替进行 实现加工 电解磨削 电解磨削效率比机械磨削高 磨轮损耗远比机械磨削小 特别是磨削硬质合金时效果更明显 电解磨削 把磁性磨料放工件与磁极间的入磁场中 磁性磨料在延磁力线方向有序排列成具有一定柔性的磁力刷 加工时工件旋转 并作相对磁极轴向振动 磁性磨料使工件表面上极薄的金属层及毛边去除 将表面逐步整平以达良好的研磨效果 磁力抛光 磁力抛光 工件 磁力线 高能束加工 激光加工 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 激光加工工作原理 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 普通灯光与激光的比较 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 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 激光器 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 混合气体 氦约80 氮约15 CO2约5 通过高压直流放电进行激励 波长10 6 m 为不可见光 能量效率5 15 CO2气体激光器 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 激光加工特点 广泛应用于金刚石拉丝模 钟表宝石轴承 陶瓷 玻璃等非金属材料 和硬质合金 不锈钢等金属材料的小孔加工 激光打孔具有高效率 低成本的特点 特别适合微小群孔加工 焦点位置对孔的质量影响 若焦点与加工表面之间距离很大 则激光能量密度显著减小 不能进行加工 如果焦点位置偏离加工表面1mm 可以进行加工 此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化 激光打孔 激光加工应用 激光打孔示意图 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 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 激光加工应用 激光加工的各种应用 激光加工的各种应用 钻孔 切削 表面处理 钻微孔 焊接 打标 激光焊接车身 激光切割 激光加工应用 激光修复刀具 激光打孔时孔实例 在铝上刻槽 在钼上打直径为100um的孔 在厚度为1 1mm的铝上打直径为200um的孔 激光加工实例 在陶瓷上打直径为25um的孔阵列 在硅片上打直径为6um的孔阵列 头发直径70um特征尺寸25um 激光切割 激光切割的不锈钢齿轮 激光切割木工艺品 激光切割有机玻璃电脑机箱面板 激光模具焊接 模具焊接 激光模具焊接 激光模具焊接 超声波加工 超声切割技术 超声波加工原理图 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 工作原理 超声波加工 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 超声波加工机床 超声波加工样件 超声波加工 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 超声波加工特点及应用 细微孔型腔异形通孔 切片 多个圆片落料 多片圆板落料 超声波加工的基本种类 切割单晶硅片 超声波加工应用 应用 型孔 型腔加工 切割加工单晶硅片 陶瓷模块 超声波抛磨 电子束加工 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 工作原理 电子束加工 电子束加工 电子束加工曲面 穿孔 电子束加工的喷丝头异形孔 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 电子束加工特点及应用 电子束加工过程模型 利用电子束热效应的加工 低功率密度 中等功率密度高功率密度照射 电子束加工原理 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金属及合金都可以用电子束焊接主要用于高质量焊接 能解决异种金属 易氧化金属及难熔金属的焊接价格昂贵 如用CO2保护焊机焊接后桥 价格仅几万元 而电子束焊机价格在200万左右 电子束焊接与CO2气体保护焊的比较 CO2气保焊焊接的车桥 要开坡口填丝 热变形大 电子束焊机焊接的车桥 电子束焊接后桥设备 电子束焊接 毛细管板结构电子束钎焊接头 电子束钎焊试样 电子束用于微细加工 缩小投影型电子暴光装置 1 电子枪2 照射透镜3 掩模板4 缩小投影透镜5 工件6 位置对准7 电子束 光刻加工技术 1 原版制作2 光刻涂胶暴光显影与烘片刻蚀剥膜与检查 光学光刻 原理与印像片相同 只是用涂覆了感光胶 抗蚀剂 的硅片取代了相纸 掩模版取代了底片 曝光 将掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上 掩模相当于照相底片 一定波长的光线通过这个 底片 使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形 显影与后烘 曝光之后进行显影 定影 坚膜等步骤 在光刻胶膜上有的区域被溶解掉 有的区域保留下来 形成了版图图形 刻蚀 把经曝光 显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉 即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形 光刻工艺过程 光刻工艺图示 涂光刻胶 曝光 显影与后烘 腐蚀 剥胶 光刻加工过程 在真空条件下 将离子源产生的离子束经过加速 聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的 离子带正电荷 其质量比电子大数千倍乃至数万倍 故在电场中加速较慢 但一旦加至较高速度 就比电子束具有更大的撞击动能 离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的 离子束加工是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应 溅射效应和注入效应 离子束加工 离子刻蚀 离子轰击工件 将工件表面的原子逐个剥离 又称离子铣削 实质是一种原子尺度的切削加工 离子溅射沉积 离子轰击靶材 将靶材原子击出 沉积在靶材附近的工件上 使工件表面镀上一层薄膜 离子镀 离子溅射辅助沉积 离子同时轰击靶材和工件表面 可增强膜材与工件基材间的结合力 离子注入 离子束直接轰击被加工材料 由于离子能量相当大 离子就钻入被加工材料的表层 工件表面层含有注入离子后 就改变了化学成分 从而改变了工件表面层的机械物理性能 离子束加工的分类 是目前特种加工中最精密 最微细的加工 离子刻蚀可达纳米级精度 离子镀膜可控制在亚微米级精度 离子注入的深度和浓度亦可精确地控制 在高真空中进行 污染少 特别适宜于对易氧化的金属 合金和半导体材料进行加工 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的 是一种微观作用 所以加工应力和变形极小 适宜于对各种材料和低刚件零件进行加