超精密与纳米加工技术

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。激光器激光器激光加工特点激光加工特点加工材料范围广，适用各种金属加工材料范围广，适用各种金属/ /非金属材料，高熔点材料，耐热合金及陶瓷

2、、金非金属材料，高熔点材料，耐热合金及陶瓷、金刚石等硬脆材料。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。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。 可进行微细加工。激光聚焦直径理论上可至可进行微细加工。激光聚焦直径理论上可至1m1m以下，实际可实现以下，实际可实现0.01mm0.01mm的小的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

3、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。激光加工应用激光加工应用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工作原理利用工具端面作超声（利用工具端面作超声（161625kHz25kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表）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。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

4、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0.010.010.15mm0.15mm。当工具以当工具以16 000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，磨料便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高速度抛磨工件表面；

5、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冲击波和“空化现象空化现象”。所谓空化现象，是指当工具端面以很大的加速度。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。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。超声波加工原理图超声波加工原理图超声波加工特点及应用超声波加

6、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、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。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、

7、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工作原理真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅真空条件下，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一步聚焦，使能量密度集中在直径5 510m10m斑点内。斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形高速而能量密集

8、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），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。工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。 特点及应用电子束束径小（最小直径可达电子束束径小（最小直径可达0.01-0.05mm0.01-0.05mm），而其长度可达束径几十倍，），而其长度可达束径几十倍，可加工微细深孔、窄缝。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。金属和非金属材料。 非接触加工，无

9、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。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。 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