第六章 先进加工技术.ppt

1、第六章 先进加工技术,哈尔滨职业技术学院,学习目标： 通过本章的学习了解电加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、电解磨削、超声波加工及高速加工的概念、原理、特点及应用。,先进加工技术是指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理（电、光、热、磁）或电化学等方法对工件材料进行高速、精密加工的一系列加工方法的总称。,第六章 先进加工技术,电加工技术的发展背景 电加工已经经历了半个多世纪的发展，随着电加工技术和机床结构的不断发展，机床的将精度和加工效率也得到了不断提高。 近十年来，随着材料科学技术、信息技术等高新技术的发展，电加工技术也向着更深层次、更高水平的方向发展，成为先进制造技术中不可或缺的重要

2、组成部分。 目前，电加工机床在我国各类数控机床中占有相当大的比例，今后仍将具有广阔的使用前景。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,一、概念 电加工是二十世纪四十年代由前苏联科学家拉扎连柯根据有害的电腐蚀现象发明的。用铜丝在淬火钢上加工出小孔，实现了用软金属工具加工任何硬度的金属材料。首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来去除金属，获得了“以柔克刚”的效果。,第一节 电加工,第六章 先进加工技术,1.电加工 电加工主要是指利用电的各种效应（电能、电化学能、电热能、电光能等）对金属材料进行加工的一种方式。电加工包括电蚀加工（电火花成形加工和线切割加工）、电子束加工、电化学加工

3、（电抛光等）及电热加工（导电磨削、电热整平）等。从狭义而言，电加工一般指直接利用电能（放电）对金属材料进行加工的一种方式，主要有电火花成形加工、线电极切割、电抛光、电解磨削加工。,第六章 先进加工技术,2.电火花加工 电火花加工（Electrical Discharge Machining，简称EDM）：在加工的过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来，通常也称为放电加工或电蚀加工。 包括使用模具电极的成形加工和使用电极丝的线切割加工。,第六章 先进加工技术,3.电火花线切割加工 电火花线切割加工是在电火花加工的基础上发展起来的一种新兴加工工艺

4、，采用细金属丝（钼丝或黄铜丝）作为工具电极，电火花线切割机床根据数控编程指令进行切割，加工出满足技术要求的工件。,二、电火花加工的类型 按照工具电极和工件相对运动方式与用途的不同，大致可分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗削、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类。 前五类属于电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法； 后者则属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。 以上以电火花穿孔成形加工和电火花线切割应用最为广泛。,第六章 先进加工技术,1）原理：利用工件与电极之间脉冲放电时的电腐蚀现象，并有控制地去除工件材料，以达到一定

5、的形状、尺寸和表面粗糙度要求。,三、电火花成形加工,1、电火花加工的基本原理,与传统的机械切削加工原理不同，在加工过程中，工具电极与工件并不接触。当工具电极2与工件电极4在绝缘介质中相互接近，当达到某一小距离时脉冲电源7上施加的电压把两电极间距离最小处的介质击穿，这样便形成的脉冲放电，产生局部瞬时高温，将电极对的金属材料蚀除。两电极不断重复接近放电蚀除的过程，就可加工出完整的工件。,“负极性”接线法,“正极性”接线法图,电火花加工原理示意图,工具负极,工具正极,工件表面由无数小凹坑组成,第六章 先进加工技术,电火花加工表面变化层,表面变化层的厚度大约在0.010.5 mm; 熔化层(0.010

6、.1 mm)和热影响层(无金相组织变化),第六章 先进加工技术,电火花成形加工 视频,介质的击穿与放电通道的形成 能量的转换、分布与传递 电极材料的抛出 极间介质的消电离,2）电火花加工的物理本质,第六章 先进加工技术,极间放电电流密度要足够高（约106 108 A/cm2），能使放电点金属熔化和汽化。 极间放电是瞬时脉冲性的。 每一次放电结束后能及时消电离恢复其介电性能（极间必须有绝缘强度较高的液体介质）。,3）电火花加工设备必须具备的条件,工具电极和工件之间必须保持一定的间隙，可自动调节，以确保极间电压能击穿极间介质，又不会形成短路接触。,第六章 先进加工技术,电火花加工需解决的问题,电极

7、之间始终保持确定的距离； 达到足够高的电流密度； 脉冲性放电； 及时排除电蚀产物,电火花加工表面局部放大图,通过电力、磁力、热力、流体动力等综合作用，分四个阶段完成加工：极间介质的击穿形成放电；介质的热分解、电极材料的融化、气化热膨胀；蚀除产物的抛出；间隙介质消电离。,(1) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近处电场强度最大。 工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，

8、最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。,2.电火花腐蚀加工的四个阶段,(2) 电极材料的熔化、气化热膨胀 液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。,(3)蚀除材料的抛出 正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属

9、气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。,(4) 极间介质的消电离。加工液体流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。,消除上次放电对

10、下次电蚀影响,上述步骤(1)(4)在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成(如图所示)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。,二 、电火花加工的特点及分类,1 电火花加工的特点,适用的材料范围广； 适于加工特殊及复杂形状的零件； 可以在同一台机床连续进行粗、半精及精加工； 直接利用电能进行加工，

11、便于实现自动化.,电火花加工的实例,电火花加工的事例,电火花加工方法分类,电火花加工方法分类,成形,三、电火花加工工艺规律,1 .影响加工速度的因素,1 极性效应(电极的接法、电极材料); 2 电参数的选择（脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流等）; 3 加工件材料热学常数（导热系数、比热、密度等）。,加工速度的定义：单位时间蚀除工件的体积。 工具电极损耗速度：单位时间电极损耗的体积。 损耗比：工具电极损耗速度/加工速度。,2600k 42%,2400k 36%,50008000k 21%,2. 影响加工精度的因素,主要由机身的精度、工件的安装定位精度、加工工艺等。这里主要讲放电间隙、工具电极的损耗、

12、及二次放电对加工精度的影响。,如果放电间隙稳定可靠，则加工精度可用修正电极来补偿。 否则会影响加工精度，特别是圆角和尖角处。,电火花加工的实质：就是将工具电极的部分或全部形状复制到工件上。工具电极的损耗是要影响形状和几何精度复制。一般精度0.010.05mm,二次放电:是一种异常放电，主要是由于蚀除产物等作用再次进行的非正常放电。,放电间隙、工具电极的损耗、及二次放电对加工精度的影响,3 .影响加工表面质量的因素,表面光洁度：处理好加工速度与表面光洁度的矛盾。 工件材料对加工表面粗糙度也有影响:在相同条件下，比热、密度、熔点高的材料加工出的光洁度更高。 电参数 脉冲宽度、脉冲间隙、脉冲能量和电

13、极间的间隙对加工表面 质量有较大影响。,加工材料的物理性能（熔点密度）,表面质量:表面光洁度和表面力学性能,表面力学性能的影响：工件表面的组织和表面的残余应力等.,电火花加工的特点： 1）以柔克刚 2）非接触加工，不存在宏观“切削力” 3）电脉冲参数可以任意调节 4）易于实现自动控制及自动化 电火花加工的应用范围： 1）穿孔加工（异形孔及微孔） 2）型腔加工 3）强化金属表面（凸凹模刃口） 4）磨削平面及圆柱面,四、电火花加工的特点及应用范围,第六章 先进加工技术,五、电火花成形加工的设备,名称：普通电火花 成型机床 型号：D7132N、40N、 50N、60N,名称：机电一体电火 花成型机床

14、 型号：D7125ND、32ND,名称：电火花高速穿孔机,组成： 主轴头（最关键部件） 床身 立柱 工作台 工作液槽等,1）机床主体,第六章 先进加工技术,也称为电脉冲发生器 作用：输出具有足够能量的单向脉冲电流，即产生电火花蚀除金属。 脉冲电源参数可调（粗、中、精、精微） 稳定性好,2）脉冲电源,第六章 先进加工技术,3）自动进给调节系统,作用：确保工件与电极之间在加工过程中始终保持一定的放电间隙，能自动补偿放电蚀除金属后间隙增大的部分。 稳定性、灵敏度、快速反应能力,第六章 先进加工技术,喷嘴挡板式电液压自动调节器工作原理,4）工作液循环系统,第六章 先进加工技术,组成：贮油箱、电动机、泵

15、、过滤器、工作液槽、油杯、管道、阀门、压力表等。 作用：排除电火花加工过程中不断产生的电蚀产物，提高电蚀过程的稳定性和加工速度，减小电极损耗，确保加工精度和表面质量。,工作液循环系统油路图,5）机床附件,（1）平动头：常用附件 应用范围：主要应用于型腔模半精加工和精加工时精修侧面 作用：提高仿形精度，保证加工稳定性，有利于极间排屑，防止短路和烧弧等。,第六章 先进加工技术,(a) 机械式平动头 (b) 数控平动头,平动头调整间隙原理图,（2）电极夹具： 十字铰链式电极夹具调节装置 球面（钢球）铰链式电极夹具调节装置 标准钻孔夹头 标准螺纹夹头 作用：把工具电极装夹固定在主轴上，调节电极的轴线与

16、主轴轴线重合或平行。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,电火花机床常见功能 加工视频,六、影响电火花加工速度的基本因素,1）极性效应：在电火花加工过程中，由于正、负极性不同而导致材料蚀除量不同的现象叫做极性效应。,第六章 先进加工技术,正极性加工（精）：短脉冲加工，正极蚀除量较大，工件接正极 负极性加工（粗、中精度）：较宽脉冲加工，负极蚀除量较大，工件接负极,第六章 先进加工技术,电火花线切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM），有时又称线切割。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火

17、花放电蚀除金属、切割成型。 在线切割中，电极丝与高频脉冲电源的负极相接，工件则与正极相接，利用线电极与工件之间产生的火花放电而腐蚀工件。同时，按所需的形状移动，将一定形状的工件切割下来。,七、电火花线切割加工,1.电火花线切割加工基本原理,被切割的工件作为工件电极，钼丝作为工具电极，脉冲电源发出一连串的脉冲电压，加到工件电极和工具电极上。 钼丝与工件之间施加足够的具有一定绝缘性能的工作液。,第六章 先进加工技术,当钼丝与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，工作液被击穿，在钼丝与工件之间形成瞬间放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来。 若工作台带动工件不断进给，就能

18、切割出所需要的形状。由于贮丝筒带动钼丝交替作正、反向的高速移动，所以钼丝基本上不被蚀除，可使用较长的时间。,第六章 先进加工技术,主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极，各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60以上。,第六章 先进加工技术,2.电火花线切割加工 - 简史 1960年，苏联首先研制出靠模线切割机床。 中国于1961年也研制出类似的机床。 早期的线切割机床采

19、用电气靠模控制切割轨迹。 当时由于切割速度低，制造靠模比较困难，仅用于在电子工业中加工其他加工方法难以解决的窄缝等。,第六章 先进加工技术,1966年，中国研制成功采用乳化液和快速走丝机构的高速走丝线切割机床，并相继采用了数字控制和光电跟踪控制技术。 此后，随着脉冲电源和数字控制技术的不断发展以及多次切割工艺的应用，大大提高了切割速度和加工精度。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,3.电火花线切割加工 - 分类 （1）根据电极丝的运行速度不同，电火花线切割机床通常分为两类： 一类是高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS），其电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为810m/s，电极丝可

20、重复使用，加工速度较高，但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿，使加工质量下降，是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；,第六章 先进加工技术,另一类是低速走丝电火花线切割机床（WEDM-LS），其电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，电极丝放电后不再使用，工作平稳、均匀、抖动小、加工质量较好，但加工速度较低，是国外生产和使用的主要机种。,第六章 先进加工技术,（2）根据对电极丝运动轨迹的控制形式不同，电火花线切割机床又可分为三种： 第一种是*模仿形控制，其在进行线切割加工前，预先制造出与工件形状相同的*模，加工时把工件毛坯和*模同时装夹在机床工作台上，

21、在切割过程中电极丝紧紧地贴着*模边缘作轨迹移动，从而切割出与*模形状和精度相同的工件来；,第六章 先进加工技术,第二种是光电跟踪控制，其在进行线切割加工前，先根据零件图样按一定放大比例描绘出一张光电跟踪图，加工时将图样置于机床的光电跟踪台上，跟踪台上的光电头始终追随墨线图形的轨迹运动，再借助于电气、机械的联动，控制机床工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，从而切割出与图样形状相同的工件来；,第六章 先进加工技术,第三种是数字程序控制，采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工，不需要制作*模样板也无需绘制放大图，比前面两种控制形式

22、具有更高的加工精度和广阔的应用范围，目前国内外 95以上的电火花线切割机床都已采用数控化。,第六章 先进加工技术,（1）特点 电火花线切割加工除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点： 1）脉冲放电加工，无宏观切削力； 2）电极丝沿轴向运动，并相对工件作进给运动，反复使用，节约成本； 3）多用于加工零件上的直壁表面； 4）切缝可窄达仅0.005mm，材料利用率高；,3.电火花线切割加工 - 特点和应用,5）可加工高硬度材料 6）一般采用水基（乳化液或去离子水）工作液，安全可靠 7）加工精度高，生产效率高； 8）不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面；9）加工中

23、并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率；,10）在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度；11）电火花线切割能达到的切割效率一般为2060毫米2分，最高可达300毫米2分；加工精度一般为0.010.02毫米，最高可达0.004毫米；表面粗糙度一般为R2.51.25微米，最高可达R0.63微米；切割厚度一般为4060毫米，最厚可达600毫米。,第六章 先进加工技术,12）不能加工盲孔和阶梯类成型表面,整体式电极,（2）应用 电火花线切割加工主要用于模具制造，在样板、凸轮、成形刀具、精密细小零件和特殊材料的加工中也得到

24、日益广泛的应用。此外，在试制电机、电器等产品时，可直接用线切割加工某些零件，省去制造冲压模具的时间，缩短试制周期。,第六章 先进加工技术,线切割制品,第六章 先进加工技术,4.电火花线切割加工机床组成结构 数控线切割机床的组成包括机床主机、脉冲电源和数控装置三大部分。（1）机床主机部分 机床主机部分由运丝机构、工作台、床身、工作液系统等组成。 运丝机构:电动机通过联轴节带动贮丝筒交替作正、反向转动，钼丝整齐地排列在贮丝筒上，并经过丝架作往复高速移动（线速度为9m/s左右）。,第六章 先进加工技术,工作台:用于安装并带动工件在工作台平面内作X、Y两个方向的移动。工作台分上下两层，分别与X、Y向丝

25、杠相连，由两个步进电机分别驱动。 步进电机每接收到计算机发出的一个脉冲信号，其输出轴就旋转一个步距角，通过一对齿轮变速带动丝杠转动，从而使工作台在相应的方向上移动0.01mm。工作台的有效行程为250320mm。,第六章 先进加工技术,床身用于支承和连接工作台、运丝机构、机床电器、及存放工作液系统。 工作液系统 由工作液、工作液箱、工作液泵和循环导管组成。 工作液起绝缘、排屑、冷却的作用。每次脉冲放电后，工件与钼丝之间必须迅速恢复绝缘状态，否则脉冲放电就会转变为稳定持续的电弧放电，影响加工质量。 在加工过程中，工作液可把加工过程中产生的金属颗粒迅速从电极之间冲走，使加工顺利进行。 工作液还可冷

26、却受热的电极和工件，防止工件变形。,第六章 先进加工技术,（2）脉冲电源 脉冲电源又称高频电源，其作用是把普通的50Hz交流电转换成高频率的单向脉冲电压。加工时，钼丝接脉冲电源负极，工件接正极。（3）数控装置 数控装置以PC机为核心，配备有其他一些硬件及控制软件。加工程序可用键盘输入或磁盘输入。通过它可实现放大、缩小等多种功能的加工，其控制精度为0.001mm，加工精度为0.001mm。,5.电火花线切割编程,线切割加工的步骤,目前生产的线切割加工机床都有计算机自动编程功能，即可以将线切割加工的轨迹图形自动生成机床能够识别的程序。 线切割程序与其它数控机床的程序相比，有如下特点： (1) 线切

27、割程序普遍较短，很容易读懂。 (2) 国内线切割程序常用格式有3B(个别扩充为4B或5B)格式和ISO格式。其中慢走丝机床普遍采用ISO格式。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,一、概述 1.激光 某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能量相对应的差，即使高能级上的原子数多于低能级上的原子数，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能，这个过程称为激励。激励之后的高能级原子跃迁到低能级而发射光子即产生激光。,第二节 激光加工,第六章 先进加工技术,2.激光加工概念 激光加工是利用光的

28、能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。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。,第六章 先进加工技术,利用能量密度极高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融物质喷射出去，从而对工件进行穿孔、蚀刻、切割，或采用较小能量密度，使加工区域材料熔融黏合或改性，对工件进行焊接或热处理。,第二节 激光加工,3.激光加工分类 激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。 激光热加工是指

29、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； 光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,二、激光加工 1.原理 从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达1071011瓦厘米2，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化，并且爆炸性的高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。激光加工就是利用这种光

30、能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。,第六章 先进加工技术,2.激光加工设备 激光加工设备由激光器、导光聚焦系统和加工机（激光加工系统）三部分组成。 1）激光器 是激光加工的重要设备，它的任务就是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器（图1）和气体激光器（图2）、液体激光器、半导体激光器四大类。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,常用的气体激光器有氦-氖气体激光器和二氧化碳气体激光器。氦-氖气体激光器所产生的激光容易控制，而且方向性，单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而加工中则要求输出功率与能量大，此时多采用二氧化

31、碳激光器。,第六章 先进加工技术,第六章 先进加工技术,使用二氧化碳气体激光器切割时，一般在光束出口处装有喷嘴，用于喷吹氧、氮等辅助气体，以提高切割速度和切口质量。 由于激光加工是无接触式加工，工具不会与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。,第六章 先进加工技术,2）导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于被加工部位，这种从激光器输出窗口到呗加工工件之间的装置称为导光系统。 3）激光加工系统 主要包括床身、能够在三维坐标范围

32、内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。,第六章 先进加工技术,加工过程大体上可分为如下几个阶段： 1.激光束照射工件材料（光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加热，部分因热传导而损失）； 2.工件材料吸收光能； 3.光能转变成热能是工件材料无损加热（激光进入工件材料的深度极浅，所以在焦点中央，表面温度迅速升高）； 4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏； 5.作用结束与加工区冷凝。,第六章 先进加工技术,三、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： 1.由于它是无接触加工

33、，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。 2.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。 3.激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。,第六章 先进加工技术,4.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。 5.它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 6.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。 7.使用激光加工，生产效率高，质量

34、可靠，经济效益好。,第六章 先进加工技术,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。,第六章 先进加工技术,四、激光加工技术的应用 由于激光加工技术具有许多其他加工技术所无法比拟的优点，所以应用较广。 目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光划线技术、激光切割技

35、术、激光热处理和表面处理技术等。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，利用激光的单色性还可以进行精密测量。,第六章 先进加工技术,1.激光焊接技术 属于熔融焊接，以激光束为能源，为高密度的单色光电磁能，通过聚焦作用于一个微小的区域(如焊件接缝)，轰击金属，使之熔化，然后冷却，凝固在一起。对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。 激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。,第六章 先进加工技术,属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。 激光焊可以与MIG焊组成激光

36、MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。 激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。 常应用于汽车、航空、航天、医疗、电子、钢铁等重要工业部门。,第六章 先进加工技术,2.激光打标技术 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。 激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。 激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已

37、广泛用于微电子工业和生物工程。,第六章 先进加工技术,3.激光打孔技术 激光打孔采用脉冲激光器可进行打孔，脉冲宽度为0.11毫秒，特别适于打微孔和异形孔，孔径约为0.0051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。,第六章 先进加工技术,4.激光蚀刻技术 激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工0.1251微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。,第六章 先进加工技术,5.激光切割技术 在造船、汽车制造等工业中，常使用百瓦至万瓦级

38、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。,第六章 先进加工技术,6.激光热、表处理技术(激光相变硬化、激光淬火） 激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上，从而提高起抗磨性

39、，抗疲劳，耐腐蚀，抗氧化等性能，延长其使用寿命。,第六章 先进加工技术,第三节 电子束加工 近些年来，电子束加工广泛应用于精密微细加工，并且在微电子学领域中得到较多的应用。 一、电子束加工的基本原理 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料局部熔化和气化，被真空系统抽走。,第六章 先进加工技术,控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。 1）使材料局部加热就可进行电子束热处理；

40、 2） 使材料局部熔化就可进行电子束焊接； 3）提高电子束能量密度，是材料熔化和汽化，就可以进行打孔、切割等加工； 4）利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。,第六章 先进加工技术,二、电子束加工特点： 1）加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。电子束能够极其微细的聚焦（可达10.1um），故可进行微细加工。 2）加工材料的范围广。对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。 由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。,第六章 先进加工技术,3）加工

41、在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 4）电子束加工效率高、速度快。每秒可在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔，其生产效率比电加工高几十倍。 5）是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。,第六章 先进加工技术,6）整个加工过程便于实现自动化 可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制。在电子束爆光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。 7）价格较贵，生产应用有一定局限性。电子束加工需要一套专用设备和真空系统,第六章 先进加工技术,三、电子束加工装置 电子

42、束加工装置由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。 电子枪 电子枪是获得电子的装置。 包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。 阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。 发射阴极：钨或钽 小功率：丝状 大功率：块状,第六章 先进加工技术,真空系统 真空系统作用： 保证在电子束加工时维持1.331021.33104Pa的真空度只有在高真空中，电子才能高速运动。 不断地把加工中产生的金属蒸汽抽出去 加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。 真空系统的组成： 机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子

43、泵两级组成。 机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa 油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度 。,第六章 先进加工技术,控制系统和电源 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移控制等。 束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。 聚焦方法有两种： 一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。后者比较安全可靠。,第六章 先进加工技术,束流位置控制：改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。 如果使偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点便按预定

44、的轨迹运动。 工作台位移控制：在加工过程中控制工作台的位置。 因为电子束的偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响线性，因此在大面积加工时需要用伺服电动机控制工作台移动，并与电子束的偏转相配合。,第六章 先进加工技术,电源 电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。 四、电子束加工的应用 电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理、光刻加工等。,第六章 先进加工技术,电子束打孔 电子束打孔 用电子束对材料进行打孔加工时，要求电子束的能量密度需大于108W / cm2 ，每个电子束

45、脉冲打一个孔，脉冲宽度一般只有几毫秒，脉冲的速率快，打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。电子束脉冲的能量高，不受材料硬度的限制，没有磨损，可以对难熔、强度和非导电材料进行打孔加工。,第六章 先进加工技术,通过控制电子束的束斑形状，加工异形孔、斜孔、锥孔和弯孔在内的各种孔，加工效率高，加工材料的适应范围广，加工精度高、质量好，无缺陷，一般不需要二次加工。 目前，电子束打孔的范围是: 实际生产中，加工直径为0. 10. 8mm，最大深度为5mm;在实验室中，加工直径为0. 051. 5mm，最大深度10mm。,第六章 先进加工技术,2 .电子束焊接 电子束焊接技术是将高能电子束作为加工热源，

46、用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属，使其快速熔融，然后迅速冷却来达到焊接的目的。 电子束焊接的特点: 1)电子束焊接的能量密度，可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝; 2)电子束焊是在真空中进行，焊缝的化学成分稳定且纯净，接强度高，焊缝质量高；,第六章 先进加工技术,3)电子束焊接速度快，热影响区小，焊接热变形小; 4)电子束焊接适用于焊接几所有的金属材料； 5)电子束焊接可获得深宽比大的缝(20 1 50 1) ，焊接厚件时可以不开坡口一次形 ； 6)电子束焊接结合计算机技术，实现了工艺参数的精确控制，使焊接过程完全自动化。,第六章 先进加工技术,3 .电子束刻蚀和电子束钻孔 用聚焦方法得到

47、很细的、功率密度为 1010瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。,第六章 先进加工技术,同电子束焊接相比,电子束刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为0.16毫米的任何材料的薄片上钻直径为1至几百微米的孔，能获得很大的深度孔径比，例如在厚度为 0.3毫米的宝石轴承上钻直径为25微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮机叶片）上高速大量地钻孔。,第六章 先进加工技术,4.加工型孔及特殊表面,第六章 先进加工技术,第四节 离子束加工

48、 离子束加工是利用离子束对材料进行成形和改性的加工方法。利用惰性气体或其他元素的离子在电场中加速成高速的离子束流，靠微观的机械撞击能量实现各种微细加工的一种新兴方法。 离子束加工的加工分辨率在亚微米甚至毫微米级精度。,第六章 先进加工技术,1.加工原理 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。由于离子带正电荷，其质量数比电子大数千倍甚至上万倍，它撞击工件时具有很大撞击动能，通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工。,图6-9 考夫曼型离子源 1真空抽气口 2灯丝 3惰性气体注入口 4电磁线圈 5离子束流 6工件 7阴极 8引出电极 9阳极 10电离室,考夫曼型离子源

49、： 图为考夫曼型离子源示意图，它由灼热的灯丝2发射电子，在阳极9的作用下向下方移动，同时受线圈4磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩在注入口3注入电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和引出电极(吸极)8上各有300个直径为0.3mm的小孔，上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为声5的圆面。,与电子束相比： 1)相同点： 在真空条件中进行 粒子束加工 2)不同点： 带正电荷的离子。 质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍。 靠微观的机械撞击能量来加工的。 离子束比电子束具有更大的撞击动能。,第六章

50、 先进加工技术,第六章 先进加工技术,2.离子束加工的分类 离子束加工的物理基础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。,（ 1）离子的撞击效应和溅射效应： 具有一定动能的离子斜射到工件材料(或靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。利用该效应可以进行离子刻蚀(离子铣削) 、离子溅射沉积和离子镀。,第六章 先进加工技术,1）离子刻蚀 采用能量为0.15keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力时，如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀，材料表面的原子（或分子

51、）被逐个溅射出来，以达到加工目的。 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。,第六章 先进加工技术,可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。,第六章 先进加工技术,（2）离子溅射沉积,采用能量为0.15keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。实际上此法为一种镀膜工艺 。,第六章 先进加工技术,（3）离子镀膜,该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。,离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面

52、以增强镀层与基材之间的结合力（可达1020MPa）。,第六章 先进加工技术,（4）离子注入,用5500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。,该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。 注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。,第六章 先进加工技术,3.特点,加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺。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

53、精确地控制。 环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。 加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，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工。,第六章 先进加工技术,4.应用,离子刻蚀：制造激光器和红外传感器的高性能非球面透镜和反光镜、光学系统中的衍射光栅、压电传感器用晶片、陀螺转子轴承表面上的复杂结构、微型加速计的精确质量块以及超精密加工用的单晶金刚石刀具。,第六章 先进加工技术,离子注入,（1）改变金属材料表面的力学性能，如提高硬度、耐磨性和抗疲劳性能； （2）改变金属材料的物理性能，如电性能、超导性能、光学性能

54、及绝缘性能； （3）改变金属表面的抗腐蚀性能，如抗化学腐蚀和抗高温氧化性能等。,第六章 先进加工技术,离子镀和离子溅射镀膜,（1）精密滚珠轴承采用离子镀膜后，使用寿命延长到数千小时； （2）刀具镀以几微米厚的TiN、TiC涂层后，寿命提高310倍； （3）在钛合金叶片上沉积一层贵金属（Pt、Au、Rh等）涂层，可使疲劳强度增加30%，抗氧化与耐腐蚀能力也大大提高。,第六章 先进加工技术,第五节 电解磨削 1.定义： 电解加工与机械磨削相结合的特种加工，又称电化学磨削，英文简称ECG。 电解磨削是20世纪50年代初美国人研究发明的电解磨削的原理。工件作为阳极与直流电源的正极相连；导电磨轮作为阴极

55、与直流电源的负极相连。,第六章 先进加工技术,磨削时，两者之间保持一定的磨削压力，凸出于磨 轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间隙（约0.020.05毫米），同时向间隙中供给电解液。在直流电的作用下，工件表面金属由于电解作用生成离子化合物和阳极膜。这些电解产物不断地被旋转的磨轮所刮除，使新的金属表面露出，继续产生电解作用，工件材料遂不断地被去除，从而达到磨削的目的。,2.基 本 原 理 电解磨削属于电化学加工范畴。电解磨削是由电解作用（占95%-98%）和机械磨削作用（占2%-5%）相结合而进行加工的，比电解加工的加工精度高，表面粗糙度小，比机械磨削的生产效率高。,

56、第六章 先进加工技术,导电砂轮1与直流电源的负极相连，被加工工件2（硬质合金车刀）接正极，它在一定压力下与导电砂轮相接触。加工区域中送入电解液3，在电解与机械磨削的双重作用下，车刀的后刀面很快就被磨光。,第六章 先进加工技术,图所示为电解磨削加工过程原理图，图中1为磨粒，2为导电砂轮的结合剂（铜或石墨），3为被加工工件，4为电解产物（阳极钝化薄膜），间隙被电解液5充满。电流从工件3通过电解液5而流向磨轮，形成通路，于是工件（阳极）表面的金属在电流与电解液的作用下发生电解作用（电化学腐蚀），被氧化成一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜4，一般称它为阳极薄膜。但刚形成的阳极薄膜迅速被导电砂轮中的磨料刮除

57、，在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解。这样，其电解作用和刮除薄膜的切削作用交替进行，使工件连续的被加工，直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。,第六章 先进加工技术,3.电 解 磨 削 应 用,电解磨削适合于磨削各种高强度、高硬度、热敏性、脆性等难磨削的金属材料，如硬质合金、高速钢、钛合金、不锈钢、镍基合金和磁钢等。用电解磨削可磨削各种硬质合金刀具、塞规、轧辊、耐磨衬套、模具平面和不锈钢注射针头等。电解磨削的效率一般高于机械磨削，磨轮损耗较低，加工表面不产生磨削烧伤、裂纹、残余应力、加工变质层和毛刺等，表面粗糙度一般为R0.630.16微米，最高可达R0.040.02微米。,第六章 先进

58、加工技术,4.电 解 磨 削 特 点,（1）加工范围广，加工精度高 由于它主要是电解作用，因此只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度与高韧性的金属材料，例如磨削硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削的加工效率要高3-5倍。 （2）可以提高加工精度及表面质量 因为砂轮并不是主要磨削金属，磨削力和磨削热都比较小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16um。 （3）砂轮的磨损量小 例如，磨削硬质合金，普通刀刃时，碳化硅砂轮的磨损量为切除硬质合金质量的4-6倍；电解磨削时，砂轮的磨损量不超过硬质合金切除量的50%-100%，与普通金刚石砂轮磨削相比较，电解

59、磨削用的金刚石砂轮的损耗速度仅为它们的1/5-1/10，可显著降低成本。,第六章 先进加工技术,超声波加工（Ultrasonic MachiningUSM），又叫超声加工，特别适合对导体、非导体的脆硬材料进行有效加工，是对特种加工工艺的有益补充，目前主要的工艺有：打孔、切割、清洗、焊接、探伤等。 人耳能感受的声波频率是在1616000Hz，超声波是一种频率超过16000Hz的纵波， 它具有很强的能量传递能力，能够在传播方向上施加压力；在液体介质传播时能形成局部“伸”“缩”冲击效应和空化现象；通过不同介质时，产生波速突变，形成波的反射和折射；一定条件能产生干涉、共振。 利用超声波特性来进行加工的工艺称为超声波加