特种加工(二)

1、 第八章第八章 非传统加工方法非传统加工方法 学习要点： 掌握非传统加工方法的分类、几种常见非传统加工方法的工作原理及特点。 第四节 高能束加工 高能束加工是指使用激光、电子束、离子束等具有很高能量密度的射流进行加工的一种方法。 一、激光加工 激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工各种材料的。 由于激光加工不需要加工工具、加工速度快、表面变形小，可以加工各种材料，所以广泛应用于打孔、切割、电子器件的焊接、热处理以及激光存储等方面。 激光的特性 激光也是一种光，具有一般光的共性如：光的反射、折射、绕射、干涉等。 普通光源的发光是以自发辐射为主，基本上是无

2、序地、相互独立地产生光发射的，发出的光无论方向、相位或者偏振状态都是不同的。 激光的光发射是以受激辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位关系。激光与普通光的区别：1）能量密度不同；2）普通光不是单色光，而是红橙黄绿青蓝紫等不同波长的组合光，聚焦后焦点不在同一平面内。3）激光是可控的单色光，强度高。4）方向性好。（1）强度高 一台红宝石脉冲激光器的亮度比高压脉冲氙灯高370亿倍，比太阳表面亮度高200多亿倍。原因在于激光可以实现光能在空间和时间上的亮度集中。 空间：如果将分散在180 立体角范围内的光能全部压缩0.1

3、8 立体角范围内发射，则其亮度可提高100万倍。 时间：如果把100秒钟时间内所发出的光压缩到在1秒的时间内发射，则亮度可提高几十倍。（2）单色性好 “单色”是指光的波长为一个确定的数值，即中心波长为，谱线宽为， 越宽，单色性就越好。 在激光出现前，单色性最好的光源是氪灯，激光出现后单色性比氪灯提高了上万倍。（3）方向性好 光束的方向性是用光束的发散角来表征的。普通光源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的方向，所以发射的光束是很发散的；而激光的发光中心集中为定向发射，所以可以把激光束压缩在很小的立体角内。设想把激光射到月球上去，光束扩散的截面直径不到1公里，而最好的探照灯光束照射到月

4、球上去时，光束直径将达到几百公里。（1）工作原理 激光加工是把激光作为热源，对材料进行热加工，其加工过程为：1）激光束照射材料，材料吸收光能；2）光能转变为热能使材料加热；3）通过气化和熔融溅出使材料去除或破坏。 （1）材料对激光能量的吸收 激光束照射到材料表面时，一部分从材料表面反射，另一部分透入材料内被材料吸收，光能转化为热能对材料起加热作用。 不同材料对于不同波长光波的吸收与反射，有着很大的差别。一般来说，导电率高的金属材料对光波的反射率也高，表面光洁度高的材料反射率也高。（2）材料的加热过程 即光能转化为热能的过程。 当光能量照射金属表面时，仅有表面0.01微米厚度的材料吸收光能。在这

5、个很薄的金属表层内，金属中自由电子的热运动能增加，并在与晶格碰撞中把电子的能量转化成晶格的热振动能，引起温度升高。（3）材料的破坏 在多个脉冲激光的作用下，首先是表面先产生熔化区域，接着产生气化区域，当下一个脉冲来临时，较里层材料达到比表面温度更高的温度，使材料内部气化压力加大，促使材料外喷，把熔融状的材料也一起喷了出来。 激光加工装置由激光器、聚焦光学系统、电源、光学系统监视器等组成，见图8-18。电源激光器光阑反射镜聚焦镜工件工作台图7-18 激光加工原理图 激光加工的特点：（1）功率密度高达108-1010W/cm2，几乎可以加工任何材料。（2）激光光斑大小可以任意调节，可用于精密加工。

6、（3）由于激光是非接触加工，没有工具损耗问题。（4）由于影响因素较多，所以加工时重复精度和表面粗糙度难以保证。（2）激光应用 1）激光打孔 激光打孔已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、不锈钢等金属材料的小孔加工。对于激光打孔，激光的焦点位置对孔的质量影响很大，如果焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。 如果焦点位置在被加工表面的两侧偏离1mm左右时还可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生显著的变化。由图7-19可以看出，加工面在焦点和透镜之间时，加工出的孔是圆锥形；加工面和焦点位置一致时，加工出的孔的直径上下

7、基本相同，当加工表面在焦点以外时，加工出的孔呈腰鼓形。 激光打孔不需要工具，不存在工具损耗问题，适合于自动化连续加工。 透镜焦点加工孔的形状（截面）激光图7-19 焦点位置对加工孔形状的影响2）激光切割 激光切割的原理与激光打孔基本相同。不同的是，工件与激光束要相对移动。激光切割不仅具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，而且可以在任何方向上切割，包括内尖角。目前激光已成功地用于切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。3）激光焊接 激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其

8、粘合在一起。因此，激光焊接所需要的能量密度较低，通常可用减小激光输出功率来实现。激光焊接有下列优点： 激光照射时间短，焊接过程迅速，它不仅有利于提高生产率，而且被焊材料不易氧化，热影响区小，适合于对热敏感性很强的材料焊接。 激光焊接既没有焊渣，也不需去除工件的氧化膜，甚至可以透过玻璃进行焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。 激光焊接不仅可用于同种材料的焊接，而且还可用于两种不同的材料焊接，甚至还可以用于金属和非金属之间的焊接。4）激光热处理 用大功率激光进行金属表面热处理是近几年发展起来的一项崭新工艺。激光金属硬化处理的作用原理是，照射到金属表面上的激光能使构成金属表面的原子迅速蒸发，由此产生的

9、微冲击波会导致大量晶格缺陷的形成，从而实现表面的硬化，激光处理法比高温炉处理、化学处理以及感应加热处理有很多独特的优点，如快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬度高达60HRC以上、硬化深度可精确控制等。 二、电子束加工 电子束加工是在真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，带负电荷的电子束高速飞向阳极，途中经加速极加速，并通过电磁透镜聚焦，使能量密度非常集中，可以把一千瓦或更高的功率集中到直径为510m的斑点上，获得高达109W/cm2的功率密度，如图7-20所示。 图7-20 电子束加工原理图旁热阴极控制栅极加速阳极聚焦系统电子束斑点工件工作台 工作原理 当电子束以极高的速度、极高的功率

10、密度冲击到工件表面的极小面积上时，在极短的时间内，其动能的大部分转化为热能，可使任何材料被冲击部分的温度，在百万分之一秒时间内升高到摄氏几千度以上，热量还来不及向周围扩散，就已把局部材料瞬时熔化、气化直到蒸发去除。 随着孔不断变深，电子束照射点亦越深入。由于孔的内侧壁对电子束产生“壁聚焦”，所以加工点可能到达很深的深度，从而可打出很细很深的微孔。电子束加工具有以下的特点：1）能量密度高 电子束聚焦点范围小，能量密度高，适合于加工精微深孔和窄缝等。且加工速度快，效率高。2）工件变形小 电子束加工是一种热加工，主要靠瞬时蒸发，工件很少产生应力和变形，而且不存在工具损耗。适合于加工脆性、韧性、导体、

11、半导体、非导体以及热敏性材料。3）加工点上化学纯度高 因为整个电子束加工是在真空度1.331021.33104 Pa的真空室内进行的，所以熔化时可以防止由于空气的氧化作用所产生的杂质缺陷。适合于加工易氧化的金属及合金材料，特别是要求纯度极高的半导体材料。4）可控性好 电子束的强度和位置均可由电、磁的方法直接控制，便于实现自动化加工。 离子束加工 离子束加工原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，将惰性气体通过离子源电离产生离子束，并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。所不同的是离子的质量比电子的质量大成千上万倍，例如最小的氢离子，其质量是电子质量的1840倍，氖离

12、子的质量是电子质量的7.2万倍。由于离子的质量大，故在同样的速度下，离子束比电子束具有更大的能量。 离子束与电子束的区别 高速电子撞击工件材料时，因电子质量小速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、气化，通过热效应进行加工。而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时，将引起变形、分离、破坏等机械作用。 1）当离子加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要用于离子溅射加工； 2）如果加速到一万到几万电子伏，且离子入射方向与被加工表面成2530角时，则离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等； 3）当加速到几十万电子伏或更高时，离子可穿入被加工材料内部，称

13、为离子注入。 离子注入加工 离子注入是向工件表面直接注入离子，可注入任何材料的离子，且注入量可精确控制，注入离子是固溶在工件材料中，含量可达10%-40%，注入深度可达1um。 在半导体方面，离子注入应用很普遍，用硼、磷等杂质离子注入半导体，用以改变导电形式和制造P-N结由于离子注入的数量、 P-N结的浓度、离子注入的区域都可精确控制，所以成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。 利用离子注入可改变金属表面的物理化学性能，可以制得新的合金，从而改善金属表面的抗蚀性能、耐磨性能、硬度和润滑性能等。1）如把Cr注入Cu，能得到一种新的亚稳态的表面相，从而改善了耐蚀性能。2）如在低碳钢中注入N

14、、B、Mo等，在磨损过程中，表面温度升高形成温度梯度，使注入离子向衬里扩散，这样，在材料磨损过程中，不断在表面形成硬化层，提高了耐磨性。 3）离子注入可提高金属材料的硬度，这是因为所注入的离子将引起材料晶格畸变、缺陷增多的缘故。如在纯铁中注入B，其显微硬度可提高20%。 4）在摩擦副材料相对摩擦过程中，被注入的细颗粒起到了润滑作用，提高了材料的使用寿命。如把C、N注入到碳化钨中时，其寿命可大大延长。离子束加工具有下列的特点：1）易于精确控制 由于离子束可以通过离子光学系统进行扫描，使离子束可以聚焦到光斑直径1m以内进行加工，同时离子束流密度和离子的能量可以精确控制，因此能精确控制加工效果，如控

15、制注入深度和浓度。抛光时，可以一层层地把工件表面的原子抛掉，从而加工出没有缺陷的光整表面。此外，借助于掩膜技术可以在半导体上刻出小于1m宽的沟槽。2）加工洁净 因加工是在真空中进行，离子的纯度比较高，因此特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。3）加工应力变形小 离子束加工是靠离子撞击工件表面的原子而实现的，这是一种微观作用，宏观作用力很小，不会引起工件产生应力和变形，对脆性、半导体、高分子等材料都可以加工。第五节 超声波加工 超声加工（Ultrasonic Machining)是利用超声波进行加工的一种特种加工方法。 超声加工不仅能加工硬脆金属材料，更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体材料

16、等非导电材料，同时还可用于清洗、焊接和探伤等。一、超声波原理超声波：频率为16000HZ的声波。因为：=c/f 式中：-波长；f-频率；c-传播速度 所以：频率高-波长短-能量集中-反射、共 振现象显著。二、超声波特性1、能量密度比普通声波高得多。 J=1/2c(A)2式中：J-能量密度；-密度；A-振幅；-圆频率； 在液体和固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高许多倍，因此在同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。 2、 当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体介质振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基

17、本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破坏等效应。3、 超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗。介质的波阻抗相差越大，超声波通过界面时能量的反射率越高，当超声波从液体或固体过渡到空气的情况下，反射率接近100%。 4、超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。当超声波从一根杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着同周

18、期、同振幅、传播方向相反的两个波，这两个完全相同的波从相反的方向会合，就会产生波的干涉。 当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置始终不变，其振幅为零，而另一些点振幅最大。 为了使弹性杆处于大振幅共振状态，应将弹性杆设计成半波长的整数倍，固定弹性杆的支持点，应选在振动过程中的波节处，这一点不振动。 四、超声波加工原理 超声加工是利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种成型方法。 加工时，在工具和工件之间加入液体和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力轻轻压在工件上。超声换能器产生16000HZ以上的超升纵向振动，并借助变幅杆把振幅放大到 0.010.15mm。利用工具端面

19、的超声（1625kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒（碳化硅、氧化铝、碳化硼或金刚石粉）对工件表面产生撞击、抛磨实现加工。 图7-21 超声波加工原理图工件换能器超声波发生器变幅杆振动方向工具工作液喷嘴 由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下，发生机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击的作用是主要的。 既然超声加工是局部撞击作用，因此越是硬脆材料，受撞击作用遭受破坏越大，越易加工。相反，对韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。此外，选择工具材料时，要选择即能撞击磨粒，又不致使自身受到很大破坏的材料。二、超声波加工的特点及应用1）适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻

20、璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。2）可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。3）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0.010.05mm。4）加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。5）单纯的超声波加工，加工效率较低。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），可显著提高加工效率。三、超声加工设备1、超声发生器 其作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。由晶体管组成的电感反馈振荡电路，调节电容量可改变振荡频率，即可调节输出的超声频率。 2、声学部件 声学部件的作用是把高频电

21、能转变为机械能，使工具端面作高频率小振幅的振动以进行加工。由换能器、变幅杆、工具组成。 换能器的作用是将高频电振荡转换为机械振动，有压电效应和磁致伸缩两种方法。 1）压电效应换能器 压电效应-石英晶体等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们两对面的界面上将产生一定的电荷，形成一定的电压；反之，在它们的两界面上加以一定的电压，则将产生一定的机械变形。 如果在两片石英晶体上加上16000HZ以上的交变电压，则该物质产生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才能产生0.01um以下的变形。因此常用作超声清洗。 2）磁致伸缩换能器 铁、钴、镍的长度能随着所处的磁

22、场长度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应。其中镍在磁场中的最大缩短量为其长度的0.004%，铁和钴则在磁场中为伸长，当磁场消失后又恢复原有尺寸。 3）变幅杆 压电和磁致伸缩的变形量是很小的，不足以直接用来加工。超声加工需要0.01-0.1mm的振幅，因此必须通过一个上粗下细的金属杆加以扩大，此杆为变幅杆。 变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一截面的振动能量是不变的，所以截面小的地方能量密度大。 为了获得较大的振幅，在设计变幅杆时，应使其L等于超声波的半波长或其整数倍。 因为： =c/f 所以：L=/2=c/2f 由于在钢中c=5050m/s,f=16000-25000HZ 因此可计算出超

23、声波在钢中传播的波长=0.2-0.31m，故钢变幅杆的长度为100mm-160mm。变幅杆一般为三种形状：指数型-振幅扩大比为10-20倍，使用性能稳定，但制造困难；锥型-振幅扩大比为5-10倍，易于制造；阶梯型-振幅扩大比为20倍以上，亦易于制造，但受负载后振幅减小现象严重，且粗细过渡截面容易产生应力集中，而发生疲劳破坏。 4）工具 超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使磨粒和工作液以一定速度冲击工件，并加工出一定的形状和尺寸。 工具的形状和尺寸决定于被加工表面的形状和尺寸。它们相差一个“加工间隙”，当加工表面积较小时，工具和变幅杆应做成一个整体，否则可将工具用焊接或螺纹连接等方法固定在

24、振幅杆下端。四、超声加工速度及其影响因素 加工速度指单位时间内去除材料的多少。影响加工速度的因素主要有：1、工具的振幅和频率的影响 振幅过大和频率过高会使工具和变幅杆承受很大的内应力，可能超过它的疲劳强度而降低使用寿命，而且在连接处超声波的衰减也较大。因此一般振幅在0.01-0.1mm,频率在16000-25000HZ之间。 2、进给压力的影响 加工时工具对工件应有一个合适的进给压力，压力过小，则工具末端与工件加工表面间的间隙增大，从而减弱了磨粒对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会使工具与工件间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新，也将减小生产率。 3）磨料种类的影响 磨料硬度越高，加工速度越快，但要考虑加工成本。加工硬脆材料时，必须采用金刚石磨料；加工硬质合金、淬火钢等材料时，宜采用碳化硼磨料；加工玻璃、石英、半导体材料时，采用氧化铝磨料即可。 4）被加工材料的影响 材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，因此越容易被去除加工；反之韧性较好的材料则不易加工。 如玻璃的可加工性为100%，则石英为50%，硬质合金为20%，淬火钢为1%。 第六节 新型特种加工技术(选修) 一、水射流加工（WJM) 水射流切割是利用高压高速液流对工件的高速冲击作用来去除材料的。 采用水或带有添加剂的水，以500-900m/s的高速冲击工件进行加