精密和超精密加工技术.ppt

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1、 特种加工特种加工本章内容I.I.特种加工技术概述特种加工技术概述II.II.电火花加工电火花加工III.III.电解加工电解加工IV.IV.高能束加工高能束加工 非非非非传传传传统统统统加加加加工工工工又又又又称称称称特特特特种种种种加加加加工工工工，通通通通常常常常被被被被理理理理解解解解为为为为别别别别于于于于传传传传统统统统切切切切削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。非非非非传传传传统统统统加加加加工工工工方方方方法法法法 产产产产生生生生于于于于二二二二次次次次大大大大战战战战后后后后。两两两两方方方方面面面面问问问问题题题

2、题传传传传统统统统机械加工方法难于解决：机械加工方法难于解决：机械加工方法难于解决：机械加工方法难于解决：1 1 1 1）难难难难加加加加工工工工材材材材料料料料的的的的加加加加工工工工问问问问题题题题。宇宇宇宇航航航航工工工工业业业业等等等等对对对对材材材材料料料料高高高高强强强强度度度度、高高高高硬硬硬硬度度度度、高高高高韧韧韧韧性性性性、耐耐耐耐高高高高温温温温、耐耐耐耐高高高高压压压压、耐耐耐耐低低低低温温温温等等等等的的的的要要要要求求求求，使使使使新材料不断涌现。新材料不断涌现。新材料不断涌现。新材料不断涌现。2 2 2 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。）复杂形面、薄

3、壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题。非非非非传传传传统统统统加加加加工工工工方方方方法法法法将将将将电电电电、磁磁磁磁、声声声声、光光光光等等等等物物物物理理理理量量量量及及及及化化化化学学学学能能能能量量量量或或或或其其其其组组组组合合合合直直直直接接接接施施施施加加加加在在在在工工工工件件件件被被被被加加加加工工工工的的的的部部部部位位位位上上上上，从从从从而而而而使使使使材材材材料料料料被被被被去除、累加、变形或改变性能等。去除、累加、变形或改变性能等。去除、累加、变形或改变性能等。去除、累加、变形或改变性

4、能等。特种加工技术概述特种加工技术概述主主要要不不是是依依靠靠机机械械能能，而而是是用用其其它它能能量量（如如电电能能、光光能能、声能、热能、化学能等）去除材料。声能、热能、化学能等）去除材料。工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用，对对工工具具和和工工件件的的强强度度、硬硬度和刚度均没有严格要求。度和刚度均没有严格要求。一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。加加工工变变形形小小，发发热热少少(或或仅仅局局限限于于工工件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内)，工工件件热热变变形形小，加工应力小，易于获得好的加工质量。小，加工应力小，易于获得好的加工质量。加加工工

5、中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制，有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提高加工效率。提高加工效率。材材料料去去除除速速度度一一般般低低于于常常规规加加工工方方法法，这这也也是是目目前前常常规规加工方法仍占主导地位的主要原因。加工方法仍占主导地位的主要原因。特种加工特种加工方法特点方法特点 机机械械过过程程：利利用用机机械械力力，使使材材料料产产生生剪剪切切、断断裂裂，以以去去除除材材料料。如如超超声声波波加加工工、水水喷喷射射加加工工、磨料流加工等。磨料流加工等。热学过程：热学过程：通过电、光、化学能等产生瞬时高通过电、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

6、加温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。工、热力去毛刺等。电化学过程：电化学过程：利用电能转换为化学能对材料进利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）（金属离子沉积）等。等。化学过程：化学过程：利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，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。去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。特种加工特种加工分类分类(加工机理和采用的能源分加工机理和采用的能源分)复合过程复合过程 利利利利用用用用机机机机械械械械、热热热热、化化化化学学学学、电电电电化化化化学学学学的的的的复复复复

7、合合合合作作作作用用用用，去去去去除除除除材料。常见的复合形式有：材料。常见的复合形式有：材料。常见的复合形式有：材料。常见的复合形式有：机机机机械械械械化化化化学学学学复复复复合合合合如如如如机机机机械械械械化化化化学学学学抛抛抛抛光光光光、电电电电解解解解磨磨磨磨削削削削、电电电电镀镀镀镀珩磨等。珩磨等。珩磨等。珩磨等。机械热能复合机械热能复合机械热能复合机械热能复合如加热切削、低温切削等。如加热切削、低温切削等。如加热切削、低温切削等。如加热切削、低温切削等。热能化学能复合热能化学能复合热能化学能复合热能化学能复合如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。如电解电火花加

8、工等。其其其其它它它它复复复复合合合合过过过过程程程程如如如如超超超超声声声声切切切切削削削削、超超超超声声声声电电电电解解解解磨磨磨磨削削削削、磁磁磁磁力力力力抛抛抛抛光等。光等。光等。光等。特种加工特种加工分类分类 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。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。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。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。向微型化、精密化发展。采采用用数数控控、自自适适应应控控制制、CAD/CAMCAD/CAM、专专家家系系统统等等技技术术，提提高高加加工工过过

9、程程自动化、柔性化程度。自动化、柔性化程度。EI 收录文章数比较收录文章数比较70年代年代80年代年代90年代年代20841104232142244424214441321252353316激光加工激光加工 电火花加工电火花加工 超声加工超声加工 电化学加工电化学加工特种加工技术特种加工技术发展趋势发展趋势几种代表性特种加几种代表性特种加工方法工方法电火花加工的原理示意图电火花加工的原理示意图q原原理理：利利用用工工具具电电极极与与工工件件电电极极之之间间脉脉冲冲性性火火花花放放电电，产产生生瞬瞬时时高高温温，工工件件材材料料被被熔熔化化和和气气化化。同同时时，该该处处绝绝缘缘液液体体也也被被

10、局局部部加加热热，急急速速气气化化，体体积积发发生生膨膨胀胀，随随之之产产生生很很高高的的压压力力。在在这这种种高高压压作作用用下下，已已经经熔熔化化、气气化化的材料就从工件的表面迅速被除去的材料就从工件的表面迅速被除去 电火花加工电火花加工进给进给系统系统放电间隙放电间隙工具电极工具电极工件电极工件电极直流直流脉冲脉冲电源电源工作液工作液 4个阶段：1.介质电离、击穿，形成放电通道；2.火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3.抛出蚀除物；4.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火花加工机床 电电极极材材料料要要求求导导电电，损损耗耗小小，易易加加工工；常常用用材材料料：紫紫

11、铜铜、石石墨墨、铸铸铁铁、钢钢、黄黄铜铜等等，石石墨最常用。墨最常用。工工作作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域，提提高高放放电电能能量量密密度度，加加速速蚀蚀物物排排出出；常常用用工工作作液液有有煤油、机油、去离子水、乳化液等。煤油、机油、去离子水、乳化液等。放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙，在在加加工工过过程程中中，需需采采用用自自动动调调节节器器控控制制机机床床进进给给系系统统，并并带带动工具电极缓慢向工件进给。动工具电极缓慢向工件进给。电火花加工工作要素电火花加工工作要素脉脉

12、冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短，则则每每个个脉脉冲冲去去除除金金属属量量少少，表表面面粗粗糙糙度度值值小小，但但加加工工速速度度低低。通通常常放放电电持持续续时时间间在在2s2s至至2ms2ms范范围围内内，各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J（电流为（电流为400A400A时）之间。时）之间。电火花加工工作要素电火花加工工作要素电火花加工类型电火花加工类型电火花线切割原理图X XY Y储丝筒储丝筒导轮导轮电极丝电极丝工件工件电火花成形加工：主要指孔

13、加工，型腔加工等电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等电火花线切割电火花线切割电电火火花花线线切切割割加加工工：用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝（或或铜铜丝丝）作作工工具具阴阴极极，工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动，可可切切割割出出二二维维图图形形。同同时时，丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动，可切割出斜面。动，可切割出斜面。电火花线切割电火花线切割加工过程显示电火花线切割机床电火花线切割机床不不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制，可可加加工工任任何何硬硬、脆脆、韧、软的导电材料。韧、软的导电材料。加加工工时时无无显

14、显著著切切削削力力，发发热热小小，适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄窄槽槽、形形面面、型型腔腔及及曲曲线线孔孔等等，且且加加工质量较好。工质量较好。脉脉冲冲参参数数调调整整方方便便，可可一一次次装装夹夹完完成成粗粗、精精加工。加工。易于实现数控加工。易于实现数控加工。电火花加工特点电火花加工特点 电电火火花花成成形形加加工工：电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模模、塑塑料料模模等等型型腔腔加加工工，以及叶轮、叶片等曲面加工。以及叶轮、叶片等曲面加工。电电火火花花线线切切割割

15、：广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲冲模模、样样板板、各各种种形形状状复复杂杂的的板板类类零件、窄缝、栅网等。零件、窄缝、栅网等。电火花加工应用电火花加工应用工工作作原原理理：工工件件接接阳阳极极，工工具具（铜铜或或不不锈锈钢钢）接接阴阴极极，两两极极间间加加直直流流电电压压6 624V24V，极极间间保保持持0.10.11mm1mm间间隙隙。在在间间隙隙处处通通以以 6 660m60m/S S高高速速流流动动电电解解液液，形形成成极极间间导导电电通通路路，工工件件表表面面材材料料不不断断溶溶解解，溶溶解解物物及及时时被被电电解解液液冲冲走走。工工具具阴阴极

16、不断进给，保持极间间隙。极不断进给，保持极间间隙。电解加工电解加工电解加工原理图电解加工原理图电解液电解液直流电源直流电源泵泵工件阳极工件阳极阴极进给阴极进给工具阴极工具阴极电解加工电解加工p特点特点 不不受受材材料料硬硬度度限限制制，能能加加工工高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料，能以简单进给运动一次加工出形状复杂的面和型腔。能以简单进给运动一次加工出形状复杂的面和型腔。效效率率率率高高（比比EDMEDM高高5-105-10倍倍）。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。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。阴

17、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。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。设备投资大，有污染，需防护。p电解加工应用电解加工应用 模模具具型型腔腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小而深的孔，电解抛光、倒棱、去毛刺等。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特点及应用电解加工整体叶轮电解倒棱去毛刺电解倒棱去毛刺机加工中去毛刺工作机加工中去毛刺工作量很大，电解去毛刺量很大，电解去毛刺效率高，节省费用。效率高，节省费用。原理是尖角处电流密原理是尖角处电流密度最高度最高去毛刺时间与加工

18、电去毛刺时间与加工电压、加工间隙及电解压、加工间隙及电解液参数有关液参数有关 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力，突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从中中流流过过时时，工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解，表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜，其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低，易易被被刮刮除除，露露出出新新金金属属表表面面，继继续续进进行行电电解解。电电解解作用与磨削作用交替进行，实现加工。作用与磨削作用交替进行，实现加工。电解磨削电解磨削 电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高，磨磨轮轮

19、损损耗耗远远比比机机械磨削小，特别是磨削硬质合金时效果更明显。械磨削小，特别是磨削硬质合金时效果更明显。电解磨削电解磨削导电磨轮导电磨轮电解液电解液电刷电刷工作台工作台工件工件绝缘板绝缘板导电基体导电基体磨料磨料阳极膜阳极膜 把把磁磁性性磨磨料料放放工工件件与与磁磁极极间间的的入入磁磁场场中中，磁磁性性磨磨料料在在延延磁磁力力线线方方向向有有序序排排列列成成具具有有一一定定柔柔性性的的磁磁力力刷刷。加加工工时时工工件件旋旋转转，并并作作相相对对磁磁极极轴轴向向振振动动；磁磁性性磨磨料料使使工工件件表表面面上上极极薄薄的的金金属属层层及及毛毛边边去去除除，将将表表面面逐逐步步整整平平以以达达良良

20、好好的的研磨效果研磨效果磁力抛光磁力抛光工件工件（陶瓷滚柱）（陶瓷滚柱）磁性材料磁性材料磁极磁极振动运振动运动动NS磁力抛光磁力抛光研磨前研磨前研磨后研磨后工件工件磁力线磁力线高能束加工高能束加工激光加工激光加工激光器激光器激光器激光器工件工件工作台工作台激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源电源 激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：强度高，亮度大强度高，亮度大强度高，亮度大强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好波长频率确

21、定，单色性好波长频率确定，单色性好波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长相干性好，相干长度长相干性好，相干长度长相干性好，相干长度长 方向性好，几乎是一束平行光方向性好，几乎是一束平行光方向性好，几乎是一束平行光方向性好，几乎是一束平行光 激光加工工作原理激光加工工作原理当当当当激激激激光光光光束束束束照照照照射射射射到到到到工工工工件件件件表表表表面面面面时时时时，光光光光能能能能被被被被吸吸吸吸收收收收，转转转转化化化化成成成成热热热热能能能能，使使使使照照照照射射射射斑斑斑斑点点点点处处处处温温温温度度度度迅迅迅迅速速速速升升升升高高高高、熔熔熔熔化化化化、气气气气化化化化而而而而

22、形形形形成成成成小小小小坑坑坑坑，由由由由于于于于热热热热扩扩扩扩散散散散，使使使使斑斑斑斑点点点点周周周周围围围围金金金金属属属属熔熔熔熔化化化化，小小小小坑坑坑坑内内内内金金金金属属属属蒸蒸蒸蒸气气气气迅迅迅迅速速速速膨膨膨膨胀胀胀胀，产产产产生生生生微微微微型型型型爆爆爆爆炸炸炸炸，将将将将熔熔熔熔融融融融物物物物高高高高速速速速喷喷喷喷出出出出并并并并产产产产生生生生一一一一个个个个方方方方向向向向性性性性很很很很强强强强的的的的反反反反冲冲冲冲击击击击波波波波，于于于于是是是是在在在在被被被被加加加加工工工工表表表表面上打出一个上大下小的孔。面上打出一个上大下小的孔。面上打出一个上大

23、下小的孔。面上打出一个上大下小的孔。普通灯光与激光的比较普通灯光与激光的比较 激光产生过程及特性激光产生过程及特性自发吸收自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 自发辐射自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶较低能阶 受激辐射受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低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。能阶，并释放光子。固体激光器固体激光器固体激光器固体激光器YAGYAGYAGYAG（钇、铝和石榴石构成）激光器钇、铝和石榴石构成）激光器钇、铝和石榴石构成）激光器钇、铝和石榴石构

24、成）激光器,红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器特点特点特点特点:器件小、坚固、使用方便、输出功率大器件小、坚固、使用方便、输出功率大器件小、坚固、使用方便、输出功率大器件小、坚固、使用方便、输出功率大 气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器COCOCOCO2 2 2 2激光器激光器激光器激光器,氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器结结结结构构构构简简简简单单单单、造造造造价价价价低低低低；操操操操作作作作方方方方便便便便；工工工工作作作作介介介介质质质质均均均均匀匀匀匀，光光光光束束束束质质质质量量量量好好好好；能长时间较稳定地连续工作能长时间较稳定地连续工作能长时间较稳定

25、地连续工作能长时间较稳定地连续工作(市场达市场达市场达市场达60606060左右左右左右左右)激光器激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器砷化镓激光器砷化镓激光器砷化镓激光器砷化镓激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固液体激光器液体激光器液体激光器液体激光器染料激光器染料激光器染料激光器染料激光器原理复杂原理复杂原理复杂原理复杂,输出波长连续可调，且覆盖面宽输出波长连续可调，且覆盖面宽输出波长连续可调，且覆盖面宽输出波长连续可调，且覆盖面宽混合气体：氦约混合气

26、体：氦约80%80%，氮约，氮约15%15%，COCO2 2 约约5%5%通过高压直流放电进行激励通过高压直流放电进行激励波长波长10.6m10.6m，为不可见光，为不可见光能量效率能量效率5%5%15%15%反射反射凹镜凹镜反射平镜反射平镜电极电极放电管放电管CO2气体气体冷却水进口冷却水进口冷却水出口冷却水出口激光激光高压直流电源高压直流电源CO2气体激光器气体激光器 加加工工材材料料范范围围广广，适适用用各各种种金金属属/非非金金属属材材料料，高高熔熔点材料，耐热合金及陶瓷、金刚石等硬脆材料。点材料，耐热合金及陶瓷、金刚石等硬脆材料。加加工工性性能能好好，工工件件可可离离开开加加工工机机

27、进进行行加加工工，可可透透过过透明材料加工，可在不易达到的狭小空间加工。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。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可可进进行行微微细细加加工工。激激光光聚聚焦焦直直径径理理论论上上可可至至1m1m以以下，实际可实现下，实际可实现0.01mm0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。加工速度快，效率高。激激光光加加工工不不仅仅可可以以进进行行打打孔孔和和切切割割，也也可可进进行行焊焊接接、热处理等工作。热处理等工作。可控性好，易于自动控制。加工设备昂贵。可控性好，易于自动控制。加工设

28、备昂贵。激光加工特点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、广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、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、不锈钢等金属材料玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。的小孔加工。的小孔加工。的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合激光打孔具有高效率、低成本的特点，

29、特别适合微小群孔加工。微小群孔加工。微小群孔加工。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焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之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，不能进行加间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加间距离很大，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工。如果焦点位置偏离加工表面工。如果焦点位置偏离加工表面工。如果焦点位置偏离加工表面1mm1mm1mm1mm，可以进行加工，可以进行加工，可以进行加工，可以

30、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此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化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打孔激激光光加加工工应应用用焦点位置对孔形状影响焦点位置对孔形状影响激激光光打打孔孔示示意意图图 激光热处理激光热处理激光热处理激光热处理原原原原理理理理：照照照照射射射射到到到到金金金金属属属属表表表表面面面面上上上上的的的的激激激激光光光光使使使使表表表表面面面面原原原原子子子子迅迅迅迅速速速速蒸蒸蒸蒸发发发发，产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。产生微冲击波会导致大量晶格缺陷

31、形成，达到硬化。产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。优优优优点点点点：快快快快速速速速、不不不不需需需需淬淬淬淬火火火火介介介介质质质质、硬硬硬硬化化化化均均均均匀匀匀匀、变变变变形形形形小小小小、硬硬硬硬化化化化深度可精确控制。深度可精确控制。深度可精确控制。深度可精确控制。激光焊接激光焊接激光焊接激光焊接与与与与打打打打孔孔孔孔相相相相比比比比，激激激激光光光光焊焊焊焊接接接接所所所所需需需需能能能能量量量量密密密密度度度度较较较较低低低低，不不不不需需需需将将将将材材材材料料料料气化蚀除，只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。气化蚀

32、除，只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。气化蚀除，只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。气化蚀除，只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。优优优优点点点点：无无无无焊焊焊焊渣渣渣渣，不不不不需需需需去去去去除除除除工工工工件件件件氧氧氧氧化化化化膜膜膜膜，可可可可实实实实现现现现不不不不同同同同材材材材料料料料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。激光切割激光切割激光切割激光切割具具具具有有有有切切切切缝缝缝缝窄窄窄窄、速速速速度度度度快快快快、热热热热影影影影响响响响区区

33、区区小小小小、省省省省材材材材料料料料、成成成成本本本本低低低低等等等等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。可可可可以以以以切切切切割割割割钢钢钢钢板板板板、不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢、钛钛钛钛、钽钽钽钽、镍镍镍镍等等等等金金金金属属属属材材材材料料料料，以以以以及及及及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。激光加工应用激光加工应用激激光光加加工工的的各各种种应

34、应用用激光加工的各种应用激光加工的各种应用钻孔钻孔切削切削表面处理表面处理钻微孔钻微孔焊接焊接打标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 激光加工实例激光加工实例在陶瓷上打在陶瓷上打直径为直径为25um的孔阵列的孔阵列 在硅片上打直径在硅片上打直径为为6um的孔阵列的孔阵列 头发直径头发直径70um特征尺寸特征尺寸25um激光切割激光切割激光切割的不锈钢齿轮激光切割的不锈钢齿轮 激光切割木工艺品激光切割木工艺品 激光切割有机玻璃电脑机箱面板激光切割有机玻璃电脑机箱面板

35、激光模具焊接激光模具焊接模具焊接模具焊接激光模具焊接激光模具焊接激光模具焊接激光模具焊接超超声声波波加加工工 变幅杆变幅杆超声超声波发波发生器生器振动方向振动方向工具工具换能器换能器工作液工作液喷嘴喷嘴工件工件超声切割技术超声切割技术超超声声波波加加工工原原理理图图 利利用用工工具具端端面面作作超超声声（161625kHz25kHz）振振动动，使使工工作作液液中中的的悬悬浮浮磨磨粒粒对对工工件件表表面面撞撞击击抛抛磨磨来来实现加工。实现加工。超超声声波波发发生生器器将将工工频频交交流流电电能能转转变变为为有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡，通通过过换换能能器器将将超超声声

36、频频电电振振荡荡转转变变为为超超声声机机械械振振动动，此此时时振振幅幅一一般般很很小小，再再通通过过振振幅幅扩扩大大棒棒（变变幅幅杆杆）使使固固定定在在变幅杆端部的工具振幅增大到变幅杆端部的工具振幅增大到0.010.010.15mm0.15mm。q 工作原理超声波加工超声波加工n n当当工工具具以以16 000 Hz以以上上的的振振动动频频率率作作用用于于悬悬浮浮液液磨磨料料时时，磨磨料料便便以以极极高高的的速速度度强强力力冲冲击击加加工工表表面面；同同时时由由于于悬悬浮浮液液磨磨料料的的搅搅动动，使使磨磨粒粒以以高高速速度度抛抛磨磨工工件件表表面面；此此外外，磨磨料料液液受受工工具具端端面面

37、的的超超声声振振动动而而产产生生交交变变的的冲冲击击波波和和“空空化化现现象象”。所所谓谓空空化化现现象象，是是指指当当工工具具端端面面以以很很大大的的加加速速度度离离开开工工件件表表面面时时，加加工工间间隙隙内内形形成成负负压压和和局局部部真真空空，在在磨磨料料液液内内形形成成很很多多微微空空腔腔；当当工工具具端端面面以以很很大大的的加加速速度度接接近近工工件件表表面面时时，空空泡泡闭闭合合，引引起起极极强强的的液液压压冲冲击击波波，从从而而使使脆脆性性材材料料产产生生局局部部疲疲劳，引起显微裂纹。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

38、料，如玻璃、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。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。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，尺寸精度可达寸精度可达0.010.010.05mm 0.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。形零件。生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车

39、削，超声生产效率较低。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。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超声波加工特点及应用 细微孔细微孔 型腔型腔 异形通孔异形通孔切片切片多个圆片落料多个圆片落料多片圆板落料多片圆板落料超声波加工的基本种类切割单晶硅片切割单晶硅片超声波加工应用超声波加工应用应用应用:型孔、型腔加工；切割加工单晶硅片、陶瓷模型孔、型腔加工；切割加工单晶硅片、陶瓷模块；超声波抛磨块；超声波抛磨电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工真真空空条条件件下下，利利用用电电流流

40、加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束，经经控控制制栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后，由由加加速速阳阳极极加加速速，通通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步聚聚焦焦，使使能能量量密密度度集集中中在直径在直径5 510m10m斑点内。斑点内。高高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上，被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温（几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度），工工件件表表面面局局部部熔熔化化、气气化化直至被蒸发去除。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、穿孔电子束电子束加工的加工的喷丝头喷丝头异形孔异形孔 电

41、电子子束束束束径径小小（最最小小直直径径可可达达），而而其其长长度度可可达达束束径径几十倍，可加工微细深孔、窄缝。几十倍，可加工微细深孔、窄缝。材材料料适适应应性性广广（原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工），特特别别适适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非非接接触触加加工工，无无工工具具损损耗耗；无无切切削削力力，加加工工时时间间极极短短，工件无变形。工件无变形。加工速度高，切割加工速度高，切割1mm1mm厚钢板，速度可达厚钢板，速度可达240mm/min240mm/min。在在真真空空中中加加工工，无无氧氧化化，特特别别适适于于加加工工高高纯纯

42、度度半半导导体体材料和易氧化的金属及合金。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。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电子子束束加加工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电子束焊接 焊缝熔深大焊缝熔深大,熔宽小熔宽小,焊缝金属纯度高焊缝金属纯度高,焊接精度焊接精度高高,可实现精密微细焊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，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所有用其它焊接方法能进

43、行熔化焊的金属及合金都可以用电子束焊接金都可以用电子束焊接主要用于高质量焊接主要用于高质量焊接,能解决异种金属能解决异种金属,易氧化金易氧化金属及难熔金属的焊接属及难熔金属的焊接价格昂贵价格昂贵(如用如用CO2保护焊机焊接后桥保护焊机焊接后桥,价格仅几价格仅几万元万元,而电子束焊机价格在而电子束焊机价格在200万左右万左右 )电子束焊接与电子束焊接与CO2气体保护焊的比较气体保护焊的比较CO2气保焊焊接气保焊焊接的车桥的车桥.要开坡口要开坡口填丝填丝,热变形大热变形大 电子束焊机电子束焊机焊接的车桥焊接的车桥 电子束焊接后桥设备电子束焊接后桥设备电子束焊接电子束焊接毛细管板结构电毛细管板结构电

44、子束钎焊接头子束钎焊接头 电子束钎焊试样电子束钎焊试样 电子束用于微细加工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光刻加工技术1.原版制作原版制作2.光刻光刻涂胶涂胶暴光暴光显影与烘片显影与烘片刻蚀刻蚀剥膜与检查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。UV光光母板母板掩膜掩膜光刻胶光刻胶SiO2光刻胶光刻胶SiO2 n n曝光：将掩模覆盖在涂有光刻胶的硅片上，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掩

45、模相当于照相底片，一定波长的光线通过这个这个“底片底片”，使光刻胶获得与掩模图形同，使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形。样的感光图形。n n显影与后烘：曝光之后进行显影、定影、坚显影与后烘：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，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。有的区域保留下来，形成了版图图形。n n刻蚀：把经曝光、显影后光刻胶微图形中下刻蚀：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。现与光刻胶相同的图形。光刻工艺过程光刻工艺过程光刻工艺

46、图示光刻工艺图示 涂光刻胶涂光刻胶 曝光曝光 显影与后烘显影与后烘 腐蚀腐蚀 剥胶剥胶 光刻加工过程光刻加工过程n n在在真真空空条条件件下下，将将离离子子源源产产生生的的离离子子束束经经过过加加速速、聚聚焦焦后后投投射射到到工工件件表表面面的的加加工工部部位位以以实现加工的。实现加工的。n n离离子子带带正正电电荷荷，其其质质量量比比电电子子大大数数千千倍倍乃乃至至数数万万倍倍，故故在在电电场场中中加加速速较较慢慢，但但一一旦旦加加至至较较高高速速度度，就就比比电电子子束束具具有有更更大大的的撞撞击击动动能能。离离子子束束加加工工是是靠靠微微观观机机械械撞撞击击能能量量转转化化为为热热能进行

47、的。能进行的。n n离离子子束束加加工工是是离离子子束束射射到到材材料料表表面面时时所所发发生生的撞击效应、溅射效应和注入效应。的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工离子束加工1.1.1.1.离离离离子子子子刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀：离离离离子子子子轰轰轰轰击击击击工工工工件件件件，将将将将工工工工件件件件表表表表面面面面的的的的原原原原子子子子逐逐逐逐个个个个剥剥剥剥离离离离，又又又又称称称称离离离离子子子子铣铣铣铣削削削削，实实实实质质质质是是是是一一一一种种种种原原原原子子子子尺尺尺尺度度度度的的的的切削加工。切削加工。切削加工。切削加工。2.2.2.2.离离离离子子子子溅溅溅溅射射射射沉沉

48、沉沉积积积积：离离离离子子子子轰轰轰轰击击击击靶靶靶靶材材材材，将将将将靶靶靶靶材材材材原原原原子子子子击击击击出出出出，沉沉沉沉积积积积在在在在靶靶靶靶材材材材附附附附近近近近的的的的工工工工件件件件上上上上，使使使使工工工工件件件件表表表表面面面面镀镀镀镀上上上上一一一一层层层层薄膜。薄膜。薄膜。薄膜。3.3.3.3.离离离离子子子子镀镀镀镀(离离离离子子子子溅溅溅溅射射射射辅辅辅辅助助助助沉沉沉沉积积积积)：离离离离子子子子同同同同时时时时轰轰轰轰击击击击靶靶靶靶材材材材和工件表面，可增强膜材与工件基材间的结合力。和工件表面，可增强膜材与工件基材间的结合力。和工件表面，可增强膜材与工件基

49、材间的结合力。和工件表面，可增强膜材与工件基材间的结合力。4.4.4.4.离离离离子子子子注注注注入入入入：离离离离子子子子束束束束直直直直接接接接轰轰轰轰击击击击被被被被加加加加工工工工材材材材料料料料，由由由由于于于于离离离离子子子子能能能能量量量量相相相相当当当当大大大大，离离离离子子子子就就就就钻钻钻钻入入入入被被被被加加加加工工工工材材材材料料料料的的的的表表表表层层层层。工工工工件件件件表表表表面面面面层层层层含含含含有有有有注注注注入入入入离离离离子子子子后后后后，就就就就改改改改变变变变了了了了化化化化学学学学成成成成分分分分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。从而改变了工件

50、表面层的机械物理性能。从而改变了工件表面层的机械物理性能。从而改变了工件表面层的机械物理性能。离子束加工的分类离子束加工的分类n n是是是是目目目目前前前前特特特特种种种种加加加加工工工工中中中中最最最最精精精精密密密密、最最最最微微微微细细细细的的的的加加加加工工工工。离离离离子子子子刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀可可可可达达达达纳纳纳纳米米米米级级级级精精精精度度度度，离离离离子子子子镀镀镀镀膜膜膜膜可可可可控控控控制制制制在在在在亚亚亚亚微微微微米米米米级级级级精精精精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。度，离子注入的