超精密与纳米加工技术.ppt

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1、2016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：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，

2、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 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

3、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。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。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。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电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶能阶跃迁到高能阶 自发辐射自发辐射-电子自发地透过释放光

4、电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶子从高能阶跃迁到较低能阶 受激辐射受激辐射-光子射入物质诱发电子光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。子。激光器激光器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

5、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；能能能能长长长长时时时时间间间间较较较较稳定地连续工作稳定地连续工作稳定地连续工作稳定地连续工作(市场达市场达市场达市场达60606060左右左右左右左右)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

6、、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，且覆盖面宽激光加工特点激光加工特点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，高高熔熔点点材材料料，耐耐热热合合金金及及陶陶瓷瓷、金金刚石等硬脆材料。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进进行行加加工工，可可

7、透透过过透透明明材材料料加加工工，可可在在不不易易达达到到的狭小空间加工。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以以下下，实实际际可可实实现现0.01mm0.01mm的的小小孔加工和窄缝切割。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。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。可控性好，易于自动控制。加工设备昂贵。激光加工应用激

8、光加工应用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优优优点点点点，并并并并可可可可以以以以在在在在任任任任何方向上切割，包括内尖角。何方向上切割，包括内尖角。何方向上切割，包括内尖角。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布布布匹匹匹匹、木木木木材材材材、纸纸纸纸张张张张、塑料等非金属

9、材料。塑料等非金属材料。塑料等非金属材料。塑料等非金属材料。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气气气化化化化蚀蚀蚀蚀除除除除，只只只只要要要要将将将将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。工件的加工区烧熔使其粘合在一起。工件的加工区烧熔使其粘合在一起。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

10、不不不不同同同同材材材材料料料料之之之之间间间间的的的的焊焊焊焊接接接接，特特特特别别别别适宜微型机械和精密焊接。适宜微型机械和精密焊接。适宜微型机械和精密焊接。适宜微型机械和精密焊接。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，产产产产生生生生微微微微冲冲冲冲击击击击波波波波会会会会导导导导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。致大量晶格缺陷形成，达到硬化。致大量晶格缺陷形成，达到硬化。致大量晶格缺陷形成，达到硬化。优点：快速

11、、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。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。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。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。切削切削钻孔钻孔表面处理表面处理钻微孔钻微孔焊接焊接打标打标激光模具焊接激光模具焊接超声波加工超声波加工工作原理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撞击抛磨来实现加工。面撞击抛磨来实现加工。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

12、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变幅幅杆杆端端部部的的工工具具振振幅幅增增大大到到0.010.010.15mm0.15mm。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

13、表表面面；此此外外，磨磨料料液液受受工工具具端端面面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，从而使脆性材料产生局部疲劳，引起显微裂纹。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

14、工原理图超声波加工特点及应用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，尺寸精度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、薄片等易变形零件。加工过程受力

15、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，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真空空条条件件下下，利利用用电电流流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步聚焦，使能量密度集中在直径一步聚焦，使能量密度集中在直径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

16、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），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。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电子子束束束束径径小小（最最小小直直径径可可达达0.01-0.05mm0.01-0.05mm），而而其其长长度度可可达达束束径径几几十十倍倍，可加工微细深孔、窄缝。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），特特别别适适用用于于加加工工特特硬硬、难难熔熔金属和非金属材料。金属和非金

17、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。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度度半半导导体体材材料料和和易易氧氧化化的的金金属属及合金。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,焊接精度高焊接精度高,可实现精密微细焊可实现精

18、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,易氧化金属及难熔金属的焊接易氧化金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,价格仅几万元价格仅几万元,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 )电电子子束束焊焊接接车车桥桥设设备备电子束焊机焊接的车桥电子束焊机焊接的车桥 谢谢欣赏谢谢欣赏