先进制造技术基础_第3章_先进制造工艺技术.ppt

1、3-1 先进制造工艺技术概论,3-2 超高速加工技术,3-3 超精密加工技术,第3章 先进制造工艺技术,3-4 快速原型制造技术,3-5 现代特种加工技术,3-6 微细加工技术,教学时数：14 学时 教学目标： 通过本章的学习，了解先进制造工艺技术的基本特征及发展趋势; 掌握先进制造工艺技术中超高速加工技术、超精密加工技术、特种加工技术、快速原型制造技术以及微细加工技术的基本概念、关键支撑技术及发展应用 ； 通过实例分析了解这些先进技术手段在日常生活以及现代机械产品中的实际应用。 通过本章的学习，使学生获得先进制造工艺技术的基本知识，为进一步学习专业课程打下坚实的基础。,教学要求： 了解先进制

2、造工艺技术的定义、内涵及现状 。 掌握超高速加工技术相关的基础知识，了解其现状及应用 。 掌握超精密加工技术相关的基础知识，了解其现状及应用 。 了解快速原型制造技术相关内容，掌握几种典型的快速原型工艺方法 。,3.1.1机械制造工艺的定义和内涵,机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。 按其功能的不同，机械制造工艺分为三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等；机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等；表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等。 图3.1为机械制

3、造工艺流程图 。,3-1先进制造工艺技术概论,图3.1 机械制造工艺流程图,3.1.2先进制造工艺的发展趋势,(1) 加工精度和加工速度不断提高,（2）材料科学促进制造工艺变革,（3）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率,（4）优质清洁表面工程技术获得进一步发展,3.1.3先进制造工艺的特点,（1）优质 （2）高效 （3）低耗 （4）洁净 （5）灵活,3.2.1超高速加工技术的内涵和特点,超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量地现代制造加工技术。,2.超高速加工

4、的特点,（1）大幅度提高切削、磨削效率，减少设备使用台数 （2）切削力、磨削力小，工件加工精度高 （3）加工能耗低，节省制造资源 （4）简化了工艺流程，降低生产成本,1.超高速加工的定义,3-2 超高速加工技术,3.2.2超高速切削的关键技术,1.刀具技术,超高速切削对刀具的要求：高硬度、高强度和耐磨性；韧性高，抗冲击能力强；高的热硬性和化学稳定性；抗热冲击能力强等。 常用的刀具材料有： 涂层刀具：在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。 金属陶瓷刀具：与硬质合金刀具相比可承受更高的切削速度，陶瓷刀具与金属材料的亲和力小，热扩散磨损小，其高温硬度优于硬质合金

5、，故耐磨损、耐高温 立方氮化硼（CBN）刀具：突出优点是热稳定性好，化学惰性大 聚晶金刚石（PCD）刀具：摩擦因数低，耐磨性极强，具有良好的导热性,刀柄结构,(1) BIG-PLUS刀柄系统,结构上采用7：24锥度，其结构设计可减小刀柄装入主轴时（锁紧前）与端面的间隙，锁紧后可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿，使刀柄与主轴端面贴紧，下半部为普通BT刀柄。,(2)德国的HSK刀柄系统,HSK：德阿亨工业大学(90年代) 双面加紧,1996 德国DIN标准,2001年 ISO12164,2.超高速切削机床,电主轴（内装式电机主轴） ：无壳体电机 转子 空心套在主轴上 定子（带冷却套） 主轴壳

6、体=电机机座,1，2，5密封圈；3定子；4转子；6旋转变压器转子；7旋转变压器定子；8螺母,高速精密轴承技术,陶瓷轴承：日东北大学 30000 r/min,磁悬浮轴承：工作原理是利用电磁力将转子悬浮于空间的一种新型高性能智能化轴承。德GMN公司 4000070000r/min,空气轴承：日东芝ASV4加工中心30000 r/min,国内电主轴：洛阳轴承研究所 （加工中心 铣 车）,快速进给系统,高速度 进给速度不低于20 m/min 高加速度 12g或更高高精度 高可靠性 高安全性,直线电动机传动 （昂贵 应用技术不完善） (10m/s 210g) 直线电机从原理上就是将普通的旋转电机沿过轴线

7、的平面剖开，并展成一直线而成。由定子演变而来的一侧为直线电机的初级，有转子演变而来的一侧为直线电机的次极。当交流电通入绕组时，就会在直线电机的初、次极之间产生磁场，使其相对运动。,高速加工机床直线电机原理图,支承制造技术,指超高速加工机床的支承构件，如床身、立柱、箱体、工作台、底座、拖板和刀架等的制造技术。,一:改革床身结构 Gidding和Lewis公司在其RAM高速加工中心上将立柱与底座合为一个整体，使机床整体刚性得以提高；,二:使用高阻尼特性材料,如聚合物混凝土。 日本牧野高速机床的主轴油温与机床床身的温度通过传感控制保持一致，协调了主轴与床身的热变形。,3.超高速切削机理,4.超高速切

8、削工艺,传统加工 低转速、大切深、缓进给、单行程,高速加工 高转速、中（小）切深、快进给、多行程,工艺特点,3.2.3超高速磨削的相关技术,超高速磨削（V150m/s）是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。,1. 超高速磨削用砂轮,普通磨具硬度低、 磨粒易脱落 超硬磨具无硬度项指标。,高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。,根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。 基体材料： 金属结合剂 铁或铜合金；树脂结合剂 铝及合金或电木；陶瓷结合剂多采用陶瓷。,（a）电镀CBN砂轮 （b）MSL CBN砂轮,普通电镀砂轮与MSL砂轮,MSL CBN砂轮锋利，空屑

9、空间大，不易堵塞，在于电镀砂轮相同的加工条件下，磨削力、功率消耗、磨削温度会更低，甚至可接近冷态切削。但其制造成本极高，仍处于实验室研究阶段 。,高速砂轮的结构和形状优化,高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用。在图3.9中，砂轮以铝合金为基体，腹板为一个变截面等力矩体，优化的基体没有单独大的法兰孔，而是用多个小的螺孔代替，以充分降低基体在法兰孔附近的应力。基体外缘的尺寸，则主要根据应用场合而定。,3.2.4超高速加工技术的应用,1. 超高速切削技术的应用,（1）航空航天工业领域,表3.2 军用飞机使用各种结构材料的重量百分比,铝合金 钛合金 复合材料,速度603m/min 进给速

10、度 9600mm/min,铝合金薄壁件 （厚0.2mm 高20mm),7075铝合金零件（毛坯1818kg 零件14.5kg 2388*2235*82.6),主轴18000r/min，进给2.42.7m/min 刀具直径1820mm,（2）汽车、摩托车工业领域 （3）模具工具工业领域,刀具 PCD CBN 金属陶瓷,可切削硬度60HRC或更高的材料,德国44%模具公司、日本30%模具公司,优势：,提高了加工速度 （周期短）,高质量表面（小进给），省去修光工序。,简化工序 （淬火后可切削）,模具修复（可用原NC程序）,（4）超精密微细切削加工领域,(a)石墨电机 （b）气轮机叶片 （c）薄壁铜电

11、机,几种典型零件的超高速加工,【应用案例】,2. 超高速磨削技术的应用,（1）高效深磨,高效深磨技术是一种集砂轮高速度、高进给速度(0.510m/min)和大切深(0.130mm)为一体的高效率磨削技术。高效深磨的磨削速度范围一般在60250m/s之间。,（2）超高速精密磨削,超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级以下的切深和洁净的加工环境来获得亚微米级以下的尺寸精度。,（3）难磨材料的超高速磨削,3-3 超精密加工技术,3.3.1 概述,1.超精密加工技术的内涵,精密和超精密加工相对性： 30年代1m（超精密）,精密加工： 精度0.11m，表面粗糙度在R

12、a0.010.1m之间,超精密加工： 精度高于0.1m，表面粗糙度小于Ra0.01m 纳米加工： 精度高于1nm，表面粗糙度小于Ra0.005m,四阶段： 一般加工（一般工厂稳定达到） 精度1m以上，表面粗糙度在0.1m以上,2、精密和超精密加工技术的重要性,超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。,金刚石刀具切削刃钝圆半径 日本（声称）已达到2nm， 我国亚微米水平,金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。,计算机硬件 我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展

13、。,美国制造工程研究者提出的汽车制造业的 “两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平,磁头与磁盘间距离(飞行高度）： 目前达到0.3m0.15 m(平坦、光滑基片加工）,3.超精密加工技术的国内外发展现状,日本著名学者谷口纪男教授在所著纳米技术的应用和基础超精密、超微细加工和能束加工一书中，从综合加工精度出发，将加工的发展分为普通加工、精密加工、高精密加工和超精密加工四个阶段，并预计在2000年加工精度可达到纳米级。超精密加工提出以后，首先受到了日本的重视。,整机采用了盒式结构，加工区域形成封闭空间，自成系统，不受外界影响；采用热对称结构、石材等低、热变形复合材料，从结构上使热变形得到抑止；采用冷

14、却液沐浴、恒温冷却液循环、热源隔离等措施，以保证整个机床处于恒温状态，形成局部恒温环境，再将机床安装在恒温室内，可达到更好的恒温效果；整个机床本身采用隔振结构，放在防震地基上，可获得更好的防震效果。这台机床放映了现代超精密设备的最好水平。,大型光学金刚石车床LODTM,立式结构，止推轴承，7路 高分辨率双频激光测量系统， 4路激光检测横梁上溜板的 运动，3路激光检测刀架 上下运动位置在线测量和误 差补偿，各发热部件用大 量恒温水冷却，用大的地基， 地基周围有防振沟，且整个 机床用4个大空气弹簧支承。,美国,我国的超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的

15、超精密机床和部件，并向专业化批量生产发展。 已有多所大学和研究机构进行深入研究。但我国在超精密加工的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。,未来超精密加工技术发展趋势是向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。,3.3.2 超精密加工的主要方法,1.超精密切削加工,超精密切削加工主要指金刚石刀具超精密车削，用于加工有色金属材料及其合金，以及光学玻璃、石材和碳素纤维等非金属材料，加工对象是精度要求很高的镜面零件。,（

16、1）超精密切削对刀具的特殊要求,有研磨的特别锋利的刃口,（1 m 0.1m）的切除薄层,不产生走刀痕迹 （刀尖和高强度刃口）,刀刃无缺陷 （复映性好）,和工件材料的抗粘结性好，摩擦系数小,极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量,金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。,（2）金刚石刀具,刀刃形式,金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。,国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取 0.10.2mm,国外：多采用圆弧修光刃，修光刃长度0.2mm左右 （加工圆柱体或平面）,2.超精密磨料加工,超精密磨料加工是指利

17、用细粒度（80400）的磨粒或微粉磨料进行砂轮磨削、砂带磨削、研磨、抛光等超精密加工的总称，即利用磨料进行的超精密加工。,（1）超精密磨削砂轮,多选用180240普通 磨料、170/200325/400 超硬磨料的磨粒和各种 粒度的微粉。,将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂,普通磨具硬度低、 磨粒易脱落 超硬磨具无硬度项指标。,高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。,根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。 基体材料： 金属结合剂 铁或铜合金；树脂结合剂 铝及合金或电木；陶瓷结合剂多采用陶瓷。,（2）砂轮修整,对砂轮进行微量切削，

18、使砂 轮达到所要求的几何形状精 度，并使磨料尖端细微破碎， 形成锋利的磨削刃。,去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出于结合剂之外，形成切削刃。,电解修整（锐）法,利用电化学个腐蚀作用蚀除金属结合剂,用于金属结合剂砂轮的修锐,砂轮接电源正极,（3）磨削用量,对闭式磨削，粗磨时为1220m/s，精磨为2530m/s.,粗磨选2030m/min， 精磨选20m/min以下,一般选取50300N,3.2.3超精密加工机床,精密机床是实现精密加工的首要基础条件,1、精密主轴,回转精度极高，转动平稳、无振动 关键是精密轴承,在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副

19、表面分离的润滑方法成为流体静压润滑。,精度达到0.1m,液体静压轴承主轴,2、床身和精密导轨,床身和导轨的材料,尺寸稳定性好，热膨胀系数小、振动衰减能力强、耐磨性好，加工工艺性好等,优质耐磨铸铁,HT200（灰铁） HT300（孕育铸铁）,花岗岩,比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并不会生锈。,运动件的导轨面上下、左右均在静压空气的约束下，比气浮导轨的刚度和运动精度高，静压空气压力46大气压。,常用平导轨，运动导轨的底平面和两侧导轨有压缩空气，使滑板或工作台浮起，工作台的浮起是气浮作用，但侧面是气体静压作用。美国Pneumo公司的MSG325使用气浮导轨。,

20、（3）微量进给装置,（4）机床的稳定性,各运动部件精密动平衡，消灭或减少内部的振源。,提高机床结构的抗振性,在机床结构的易振动部分，加入阻尼，减小振动。,使用振动衰减能力强的材料制造机床的结构件。,提高机床结构的抗振性和消除减少机床内的振动,隔离振源,尽量远离振源,采用单独地基，隔振沟、隔振墙等,使用空气隔振垫,3.3.4超精密加工技术的应用,1.超精密切削加工技术的应用,计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。,录像机的磁鼓、复印机的感光鼓。,各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。,2.超精密磨削加工技术的应用,超精

21、密磨削可用于钢铁及其合金等金属材料，如耐热钢、钛合金、不锈钢等合金钢，特别是经过淬火等处理的淬硬钢，也可用于磨削铜、铝及其合金等有色金属。陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等硬脆非金属材料都比较难加工，超硬磨料砂轮磨削是其主要的超精密加工方法。,3-4 快速原型制造技术,3.4.1RPM技术的原理和特点,基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合。,在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体。,2、快速原型制造的基本过程,CAD建模,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,分层,将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维

22、层片（习惯称为分层）,层面信息处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,层面加工与粘接,成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体,层层堆积,后处理,清理零件表面，去除辅助支撑结构,3.4.2典型的RPM工艺方法,1立体印刷,SLA基本原理图, 基于液态光敏树脂的光聚合原理。, 过程、原理,激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化（由点到线到面）, 完成一个层面的建造, 升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一 层液态材料, 第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭 加成为一个三维实体。, 进行第二层扫描，再建造一个层面,

23、 后处理,剥离、固化（紫外烘30min以上）、修补、打磨抛光等,选择性液体固化工艺SLA,立体光刻,（SLA - Stereo Lithography Apparatus),立体印刷， 光成形 光固化立体造型 (Stereo Lithography), 激光光印刷 （Laser Photolithography,应用案例,西安交大 23h原型 2天硅橡胶模 3天内 3万元,传统（从设计思想到实物）,10件 30天 10万元,SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。, 特点：, SLA 工艺成形的零件精度较高，能达到0.1mm； 产品透明美观，可直接做力学实

24、验。, 局限性：, 需要支撑, 树脂收缩导致精度下降, 光固化树脂价格昂贵, 有一定的毒性, 产品不能溶解，不利于环保,2、分层实体制造（LOM）,LOM原理图,采用激光或刀具对片材进行切割,原理、过程,首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线,将不属于原型的材料切割成网格状 （碎片）,片材表面涂覆上一层热熔胶,通过升降平台的移动和箔材的送给,热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起,层层迭加、剥除、后置处理（防潮、抛光、涂覆）,(Laminated Object Manufacturing),分层实体制造,工艺特点：, 工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件,片材上切割截面轮廓，而不用扫描整

25、个截面, 零件的精度较高，激光切0.1mm，刀具切0.15mm,不存在材料相变，不易引起翘曲变形, 材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保, 力学性能差，只适合做外形检查。, 不能直接做塑料工件,应用案例,北京殷化激光快速成型及模具公司,3、选择性激光烧结（SLS）,利用粉末状材料（金属或非金属）成形,原理、过程,SLS基本原理图, 工作台上铺上一层粉末 （可加粘结剂）,很好密实度和平整度, 用激光器在上面扫描出零件截面,高强度的CO2激光器, 有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面,利用滚子铺粉压实, 后置处理,去附粉、打磨等,SLS工艺原理图,工艺特点：, 表面粗糙度不好，不宜做薄壁件,

26、 材料适应面广,制造能直接使用的金属零件,塑料、零件、陶瓷、蜡, SLS工艺不需加支撑, 精度不高,平均精度为0.150.2mm,4、熔融沉积成型（FDM） (Fused Deposition Modeling),原理、过程,FDM基本原理图, 将热熔性材料通过喷头加热器熔化,（ABS、尼龙或蜡等）, 喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出, 材料凝固冷却，与周围的材料凝结形成一个层面, 后置处理,工艺特点：, 使用、维护简单，成本较低,FDM工艺不用激光器件, 精度可达0.12mm，适合做薄壁件。, 污染小，材料可以回收。, 用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造, 用AB

27、S制造的原型因具有较高强度而在产品设 计、测试与评估等方面得到广泛应用,5三维打印机原理 （3DP） (Three dimensional printing ),原理、过程,3DP基本原理图,左面是储粉筒，材料被放置在快速成型过程的起始位置，零件是由粉末和胶水组成的。 右面就是部件制作的地方。 在工作平台的里面是一个平整的金属盘，上面一层层微细的粉末由滚筒铺开，然后在制作过程中由打印头喷出粘着剂进行粘结。,三维打印工艺原理,3.4.3 RPM技术的发展现状 (略),3.4.4快速成形技术的应用,医学 快速模具制造 快速铸造 产品功能试验 新产品快速开发制造,医学,软组织（如肾）,进行手术模拟

28、人体骨关节的配制颅骨修复,CT扫描信息,熔融沉积快速成形制造人体骨骼模型（如颅骨、牙齿）,快速模具制造,快速铸造上的应用,利用加工的样品，找出新产品外观、结构设计缺陷，完善设计。,利用加工出的样品可以进行装配和功能验证。,利用新产品样件可先进行市场调研，投标、招标。,产品功能试验,3-5现代特种加工技术,用非常规的切削加工手段,利用电、磁、声、光、热等物理及化学能量,直接施加于被加工工件部位,达到材料去除、变形及改变性能等目的,定义（内涵）,种类繁多，有的归结为微细加工技术,3.5.1 概述,3.5.2 激光加工,1、 激光加工的原理与特点,(1)激光加工的原理,利用光能经过透镜聚焦后达到很高

29、的能量密度，依靠光热效应加工各种材料,激光：,强度高、方向性好、单色性好的相干光。,聚焦斑点微米甚至亚微米,功率密度达到 W/cm2,温度可达10000以上。,材料瞬时急剧熔化和汽化，爆炸性地高速喷射,1全反射镜；2工作物质；3玻璃套管； 4部分反射镜；5聚光镜；6氙灯；7电源,激光加工示意图,(2) 激光加工的特点,几乎对所有金属和非金属都可以进行激光加工。,极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄 缝和微型孔的加工。,可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。,加工时不需用刀具，非接触加工，无机械加工变形。,无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工

30、变形和热变形小。,2.激光加工的基本设备,激光器、导光聚焦系统、加工机(激光加工系统),(1)激光器,电能转变成光能，产生所需要的激光束。,固体、气体、液体和半导体激光器四大类。,二氧化碳气体激光器及红宝石等固体激光器广泛应用于激光加工,输出功率与能量大,He-Ne(氦氖)气体激光器精密测量中被广泛采用,激光易控制，而且方向性、单色性及相干性好,(2)导光聚焦系统,光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。,(3)激光加工系统,床身,工作台,能够在三维坐标范围内移动,机电控制系统,计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作,3.激

31、光加工技术的应用,(1)激光打孔,硬度大、熔点高的材料、又小又深的孔,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉丝模具,化学纤维的喷丝头,火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴,任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔,精度高、通用性强、稳定可靠,优点：,由于没有工具磨损，激光打孔可以高速实现薄板高 密度群孔的制造。,效率高、综合效益显著,陶瓷0.5mm孔 激光打孔叶片,0.5mm小孔 激光打孔,过滤板82万个0.7mm孔 (3mm厚不锈钢板),(2)激光切割,特点,切割精度高,非接触切割，被切割工件不受机械作用力、变形极小。,切割速度高。一般可达24m/min。,可与计算机数控技术结合，实现加工

32、过程自动化，改善劳动条件。,(4)激光焊接,激光的功率密度为1100 KW/mm2 照射时间约为1/100 s左右,特点,激光焊接变形小。激光照射时间短，焊接过程极为迅速。,激光焊接强度高，具有熔化精华效应，能纯净焊缝金属。,激光焊结能量密度高，对高熔点、高导热率的焊接特别有利。,激光焊接可透过透明体进行焊接，以防止杂质污染和腐蚀，适应于精密仪表和真空仪器元件的焊接。,不锈钢毛细管激光焊接,钛管激光焊接,(4)激光表面处理,当激光的功率密度约为101000 W/mm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。,激光淬火变形小，几乎可以忽略,淬火层深度一般为0.71.1 mm

33、,淬火层硬度比常规淬火约高20%,激光淬火淬硬层均匀,（一般比感应淬火高1-3HRC）,大型内齿圈-激光淬火,3.5.3 电子束加工,1.电子束加工的基本原理和特点,（1）电子束加工的原理,电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度，在极短的时间（几分之一微秒）内，冲击到工件表面的极小面积上，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，由于热量来不及传导扩散，从而引起材料的局部熔化和气化。,（2）电子束加工的特点,射束直径小，可聚焦到0.01um，适用于深孔加工和微细加工，半导体集成电路、窄缝等加工。,能量密度高，可使任何材料熔化和汽化，加工生产率很高。,工件变

34、形小，电子束加工热影响区相小，工件很少产生应力和变形，而且不存在工具损耗，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可以加工，尤其适于加工热敏性材料。,电子束能够通过磁场或电场对其强度、位置和聚焦等进行直接控制，整个加工过程便于实现自动化。,电子束加工是在真空中进行的，杂质污染少，加工表面不氧化，特别适于加工易氧化的金属及合金材料，尤其是纯度要求极高的半导体材料。,电子束加工有一定局限性，它需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，推广应用受到一定的限制。,2.电子束加工装置,电子枪、真空系统、控制系统、电源系统以及一些测试仪表和辅助装置等,（1）电子枪系统,电子枪系统用来发射高速电子流，完成电子

35、束的预聚焦和强度控制。它包括电子发射阴极、控制栅板和加速阴极等。,（2）真空系统,在高真空时，才能避免电子与气体分子之间的碰撞，保证电子的高速运动。还可以保护发射阴极不至于在高温下被氧化，也免使被加工表面氧化。真空系统一般由机械旋转泵或蜗轮分子泵两级组成。,（3）控制系统,控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位置控制等。,（4）电源系统,需要稳压设备,电子束加工装置,3.电子束加工的应用,（1）电子束热效应加工,1）电子束打孔,2）电子束焊接,焊接是电子束加工中开发较早且应用较广的技术。由子电子束功率密度高，故焊接速度快，焊接的焊缝深而宽，焊件的热影响区小，变形小。电

36、子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝处的化学成份纯净，焊接接头的强度高于母材。,（2）电子束化学效应加工,用低功率密度的电子束照射工件表面虽不会引起表面的温升，但入射电子与高分子材料的碰撞，会导致它们的分子链的切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，这种现象叫电子束的化学效应.,3.5.4离子束加工,1.离子束加工的基本原理和特点,（1）离子束加工的基本原理,离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法。在真空条件下，将由离子源产生的离子束经过电场加速后，使获得一定速度的离子投射到材料表面，引起材料的变形、破坏和分离。,各类离子束加工示意图,（2

37、）离子束加工的特点,加工精度高，易精确控制。,污染少。,加工应力、变形极小。,离子束加工效率较低,2.离子束加工装置,离子源、真空系统、控制系统和电源,不同部分是离子源系统,考夫曼型离子源,3.离子束加工的应用,离子蚀刻,离子刻蚀是将工件直接作为离子轰击的耙材，由能量为0.5keV5keV的离子轰击工件，将工件表层的原子从工件表面去除的工艺过程，实际上是一个撞击溅射的过程。,离子溅射沉积,离子溅射沉积是将工件放置在耙材附近，高速离子束射击耙材，耙材原子就会射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层耙材原子的薄模。,离子镀膜,离子镀膜也是采用0.5keV5keV的氩离子轰击材料的，与上述方

38、法不同的是它将氩离子分成两束，同时轰击耙材和工件表面，工件不仅接受氩离子的轰击，还同时接受耙材溅射来的原子。,离子注入,离子注入是采用5keV500keV能量的离子束，将工件放在离子注入机的真空耙中，直接轰击被加工的材料。,3.5.5超声波加工,1超声波加工的原理与特点, 加工原理,超声波加工是利用振动频率超过16000 Hz的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法,加工原理图,材料愈硬脆，愈易遭受撞击破坏，愈易进行超声波加工。,超声 波加工原理图,每秒打击16000次以上,空化现象,磨粒的撞击作用是主要的,特点,适合于加工硬脆材料，尤其是不导电的非金属材料,玻璃、陶瓷、石英、硅、

39、玛瑙、宝石,由于工具可用较软的材料、做成较复杂的形状， 故 不需要使工具和工件作比较复杂的运动。,宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。可以加 工薄壁、窄缝、低刚度的零件。,Ra可达0.2 m，精度可达0.050.02 mm,加工机床结构和工具均较简单，操作维修方便。,生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。,2、超声波加工设备,高频发生器,设备组成,即超声波发生器，将低频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡，以供给工具往复运动和加工工件的能量。,超声振动系统(声学部件),是将高频电能转换成机械振动，并以波的形式传递 到工具端面,超声波加工装置,声学部件 换能器、振幅扩大棒及工具组成,换能器

40、：把超声频电振荡信号转换为机械振动,振幅扩大棒（变幅杆），将振幅放大。,换能器材料伸缩变形量在共振情况下也超 不过0.0050.01 mm,超声波加工却需要0.010.1 mm的振幅,通过变幅杆的每一截面的振动能量是不变的,随着截面积减小，振幅就会增大。,原理：,工具头, 与变幅杆相连, 将机械振动作用于悬浮液磨料对工件进行冲击, 材料应选用硬度和脆性不很大的韧性材料,如45#钢,减少工具的相对磨损, 尺寸和形状取决于被加工表面,相差一个加工间隙值(略大于磨料直径)。,机床本体和磨料工作液循环系统,磨料粒度大小取决于加工精度、表面粗糙度及生产率的要求。, 机床本体（简单）,机架 （支撑声学部件）,工作台面,进给机构,使工具以一定压力作用在工件上, 磨料工作液,磨料和工作液的混合物,常用磨料,碳化硼、碳