特种加工技术教学课件0-6章

Non-traditionalMachiningProcesses

《特种加工技术》

朱派龙等编著

北京大学出版社

1.首次尝试以材料去除机理的能量形式来归纳工艺方法类别，充分体现非传统加工技术的显著特点，并有助于读者对加工技术形成清晰的脉络和结构层次；2.所有的图片、表格及其术语都采用中英文双语表达，图形与中英文同步跟随，便于读者以后查阅、检索英文资料时输入主题词或关键词，顺便学点非传统加工技术的专业英语；3.增加了近年来发展的诸多新技术和新知识，如，既非增材又非减材还可以变废为宝的“热熔钻”孔加工技术、激光清洁技术、3D（立体）打印等，以求拓宽读者的知识广度；4.针对我国高等工科教育的“短板”：知识应用能力、工程实践能力和动手能力比较欠缺的现状，着眼工艺技术应用能力的培养:简述理论和原理，详解应用案例着重工艺技术知识在生产实际中的转移、搬迁与结合能力的启发、诱导。5.突出非传统加工技术的特色和特殊能力，强调它能解决传统加工之无能无力时的优势，例如，传统钻削加工只能加工中心线为直线的圆孔，而电火花还可以加工弯曲轴线的圆孔、方孔、椭圆孔等。6.创新创业利器：7.各种题型的海量练习题。教材特点：拍摄于贵州毕节大方县前言

传统加工Vs特种加工第0章总论1.制造技术的总体认知：

2.1非传统加工机床

2.2.特种加工机床的运动判断题：1.特种加工机床必需有主运动（）2.特种加工机床有的没有进给运动（）3.1产生的偶然、变害为利生活现象：闸刀开关：其他：1.Goodyear：硫化橡胶2.摩擦发热：热熔钻3.阳极腐蚀：电化学加工4.沙尘暴：磨料喷射5.水滴石穿：水刀/水射流（作业）考试思考题：工作、生活中还有哪些变害为利的应用实例？主要体现在三个方面：即三个字“硬、能、力”（1）硬度：（2）能量：（3）力度：（4）复合工艺：考试简答题：特种加工也叫非传统加工技术，（作业）特在何处？判断题：特种加工的所有工艺方法都不用机械能（）3.2特种加工技术“特”在何处？希望：学习完本课程后，同学们拥有：“真本事、硬能力”！针对加工工件（对象）要求：1.高硬度、高强度合金材料：2.复杂表面、特殊结构：3.高精度、低的粗糙度：4.极端（极小、极大）尺寸加工：3.3发展的必然！与传统机械加工之间的互补关系、依存关系1.思维方式的完善：减/增、不增不减；2.材料选择更佳宽广；结构工艺性/结构设计可以更加“任性”：3.新品研发途径更为简洁、容易：eg.线切割代替冲压模具、RP直接成形。4.工艺路线的更新：如增加硬度的热处理工序可以排列在第一道工序；一改“工序顺序排布的四个先后”5.材料可加工性重新定义：eg陶瓷、玻璃、剥离线皮。6.微观制造的可行手段；3.4特种加工对制造业的影响：1）记笔记2）提问题3）挑错误4）动脑筋5）讨论6）可以随时打断7）课后作业、全书做完！学习要求：1.平时成绩为主：积分60分以上免考（90～95）记分；2.指出书本或老师错误的视情况：加分3～10分；3.课余作业：20%4.考试成绩：80%5.主动提出新想法或新挑战：记5～10分；6.提出合理建议：加5～10分；7.带女朋友来上课的：一次加1分。

本课程的成绩考核1）玩手机：扣10分；2）无故旷课：扣10分；三次以上重修（无成绩）3）迟到：扣5分4）扰乱课堂：扣5～10分5）睡觉/瞌睡：扣10分6）交头接耳、讲话：扣5分7）坐姿不雅者：扣5分8）吃东西：扣3分

第1章电火花成形加工（EDMSinking）ElectricalDischargeMachining缩写为EDMElectrosparkMachining；（ESM）ElectrodischargeMachining

(EDM)名称：电火花加工、放电加工、电蚀加工非传统加工技术起源标志；应用最为广泛；模具行业；

填空题三个条件：A:一点间隙B:脉冲电源C:工作介质1.1.1工作原理（宏观）1.1EDM工作原理及其材料去除机理加工表面形成过程：累积→→“复制”注意：工具耗损（右图）

四个过程：1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道2）电极材料的熔化、气化热膨胀3）电极材料的抛出(下页图1.4)4）极间介质的消电离

参数：脉冲频率从:0.5—500kHz，工作电压:50—380V，工作电流:0.1—500A高电压、低电流1.12材料去除机理（微观）1.1.3.EDM工艺特点：优点：1).高温去除材料使得它可以加工任何高硬度、高强度的导电材料2).由于工具与工件不接触，可以加工结构刚性差的工件及细微工件或特殊构形工件，如，细长杆件、薄壁管件或板件、深小孔、细微孔、环形孔、小口径的内部空腔(图1.5)等3).没有传统机械加工必需的主运动，只有进给运动或吃刀运动。既能实现成形加工、也可完成轨迹法、展成法方式。工具的截面形状可以根据加工要求做到各种形式、形状。如正方形、五角星形、椭圆、月牙形、半圆形等。4).加工工件的棱边不留毛刺，无尖角有钝圆。缺点：1).不能加工非电导体材料：如，石英、玻璃，多数陶瓷、大理石、瓷砖等。2).加工表面产生热影响层(HAZ)：如图1.6可见发线形裂纹及薄硬的熔固层。动载荷工作场合需要后续工序来清除热影响层。3).不能加工出锋刃、尖角。4).去除材料的比能（去除单位体积或质量所需的能量）较高。5).材料去除率低，加工时间长。6).对人的健康和环境有一定影响，如图1.71.2EDM加工机床1.2.1机床结构脉冲电源系统、工作液循环过滤、伺服控制进给系统、主轴及工具电极夹持系统、和数控系统等组成1.2机床实物结构

平动头：单轴数控或非数控的电火花成型机床主轴上的一个附件,通过平动头能使电极作平面圆周运动,运动半径可以根据加工需要进行调节,以补偿前后两个加工规准之间放电间隙差和表面平面度差,并得到较高的表面粗糙度或微量调整加工尺寸,修正并达到修光型腔修面的目的。(1)可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放电间隙的限制，如图1.12，采用一个尺寸的电极，可以加工出不同尺寸的表面，如阶梯孔。(2)用同一尺寸的工具电极，通过轨迹半径的改变，可以实现转换电规准的修整，即采用一个电极就能由粗至精直接加工出一副型腔。(3)在加工过程中，工具电极的轴线与工件的轴线相偏移，除了电极处于放电区域的部分外，工具电极与工件的间隙都大于放电间隙，实际上减小了同时放电的面积，这有利于电蚀产物的排除，提高加工稳定性。(4)工具电极移动方式的改变，可使加工的表面粗糙度大有改善，特别是底平面处。工具电极旋转头：圆形孔成形加工提高加工孔的圆度、圆柱度，降低表面粗糙度。1.2.2脉冲电源系统脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足如下要求：(1)要有足够大的脉冲电压以击穿放电并维持放电过程，一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。(2)火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。(3)脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。(4)脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、充放电周期等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求，达到最优化的加工参数。脉冲充放电周期常为2～1600μs。(5)有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。目前生产中主要有RC回路的驰张式脉冲电源和晶体管式脉冲电源两大类。1)弛张式脉冲电源（RC回路）也叫非独立式电源特点：结构简单，性能可靠、成本较低，使用维修方便；小功率情况可以获得很窄的脉宽，从而适应细微加工和超精加工。但其缺乏对脉冲参数的控制导致加工稳定性差、工具电极材料要求严格、而且耗损率较大，生产率低，电能利用率低，此类电源的应用已逐渐减少。2）晶体管式脉冲电源（独立式电源）特点：晶体管作为开关元件获得单向脉冲，其充电时间快，电压可以低至60～80V，可以输出小电流方波脉冲，适应精细、精密加工。如果牺牲质量为代价，还可获得较高的材料去除率。电规准调节范围广，按照加工任务其参数可以预选预置并保持恒定，即为独立式电源。电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上1.2.3工作液（介质）和工具电极四方面作用：工具和工件间的绝缘体；离子通道的放电导体；冷却作用；冲刷功能要求性能：

①粘度低保证其流动性和冲刷效果；②闪点高，不易燃烧；③热容量大，确保冷却效果；④合适的介电（绝缘）强度，如，180V/25μm；⑤电压在40~400V时，能迅速电离和消电离；⑥无毒副作用；⑦无腐蚀性；⑧成本低廉种类：1.油类有机化合物：煤油、机械油或二者混合：

氢气、炭黑产生、易燃、呛人油雾电极保护、防火、抽风；2.乳化液：甘油水(90:10)与三乙烯石油，成本低，配置简便，补充电极、不腐蚀工件；3.水：蒸馏水、去离子水（纯水）、自来水。散热好工具电极：导电性、高熔点、易于加工、加工稳定性好、刚度足够不易变形及来源广泛，成本低廉。材料熔点(°C)沸点(°C)特性紫铜10832600

硬度低，质地细密，加工稳定性好，电极耗极大，适用于精密花纹模具。机械精加工磨削不容易。石墨36004800

适合于大脉宽、大电流的型腔粗加工，耗损率低，小于0.5%。耐高温，变形小，容易制造，重量轻。不足之处是容易脱落、掉渣，加工表面粗糙度差，精加工容易拉弧。黄铜10832600

适合于中小电规准，加工稳定性好，制造容易。确定、缺点是耗损大，一般用于简单模具或通孔加工。钢15353000

与铸铁相比较，稳定性差，效率低下，可以做到电极与冲头合一，减少工时，适合于钢制冷冲模。铸铁11433000

广泛应用的材料，价格低廉，制造容易，稳定性一般，耗损率小于20%，适合于高低压复合脉冲电源加工，冷冲模应用最多。钨34005900

熔点高，耗损率低。常常与铜、银形成铜钨合金或银钨合金，加工稳定性好，制造较困难，成本高，用于精密模具的加工。铝6602450

熔点低，耗损率高，制造容易，加工精度低。极性效应：工件接正极为“正极性加工”合理极性减少耗损工件材料工具电极材料石墨纯铜（紫铜）铜钨合金碳钢正极性/负极性正极性正极性紫铜负极性负极性负极性硬质合金负极性正极性/负极性正极性/负极性铝正极性正极性正极性镍基合金正极性/负极性正极性正极性表1.2不同工具材料/工件材料组合的极性推荐1.2.4工作液循环过滤系统蚀除产物（熔渣、渣屑、炭黑）→二次放电、拉弧（短路）→效率、质量变差；工作液循环过滤系统包括工作液泵、过滤器、溢流阀、压力表、工作液槽、油杯、节流阀、射流管、储液箱及管道等，使工作液强迫循环不同的冲液方式（三种）的加工精度的差异1.2.5工具电极自动进给调节系统间隙变化：由于工件不断被蚀除，电极也不断地损耗，故放电间隙将不断扩大。如果电极不及时进给，加工停止。反之，间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时电极必须迅速离开工件，待短路消除后再重新调节到适宜的放电间隙。很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。伺服进给系统一般有如下要求：(1)有较广的速度调节跟踪范围。(2)有足够的灵敏度和快速响应能力。(3)有较高的稳定性和抗干扰能力。1.2.6数控系统（工作台）常用的数控电火花机床主要分为：单轴数控（Z轴：ZNC）三轴数控(X轴、Y轴和Z轴：CNC)。航空零部件加工的数控电火花机床轴数多达12轴除了直线移动的X、Y、Z三个坐标轴系统外，还有三个转动的坐标系统，即绕X轴转动的A轴，绕Y轴转动的B轴，绕Z轴转动的C轴，这时为六轴数控高档次的数控电火花机床还带有工具电极库，在加工中可以根据事先编制好的程序，自动更换工具电极：加工中心绝大部分电火花数控机床采用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等。1.3EDM工艺能力和规律工艺指标主要有：材料去除率、表面粗糙度、放电间隙及侧面锥度和工具电极耗损率等。1.3.1工艺指标和工艺能力锥度误差从1～5μm/mm不等，主要取决于其加工参数和供液方式。最小拐角半径大致与侧隙值相等。一般的电火花加工可以获得的精度在±50μm，精细的控制也可获得±5～±10μm。1.3.2电火花加工的基本工艺规律1.3.3电火花加工工艺选择策略兼顾加工效率、质量和成本？(1)粗、中、精逐挡过渡式加工方法：(2)先用机械加工去除大量的材料，再用电火花加工保证加工精度和加工质量图1.25：(3)采用多电极：(4)采用平动头、摇动加工或电火花铣削加工：1.4EDM工艺实施形式1.4.1电火花铣削(1)电火花铣削原理（断层扫描加工）：工具成本降低(2)电极耗损补偿不需专用电极的设计和制造，从而节省时间和成本，并由此改变电火花加工型腔的工艺流程和路线：(3)电火花铣削的优势和局限优势在于：①省却了电极的设计制造；②可以稳定地加工出精细的图样（参见图1.29、图1.30)；③不需考虑电极耗损；④大面积加工可获得较好的表面粗糙度和波纹度；⑤加工时间容易估计；⑥数控加工的数据可以直接来源于模具数据；⑦可以稳定地加工出锐边或尖角其局限性在于：①其材料去除率可能汇报常规电火花加工低；②对应大锥角(≥10°)侧面加工，难于保证侧面精度。(4)电火花铣削的工艺实施形式(5)电火花铣削的应用领域

电火花铣削特别适合于加工有锥度和无锥度要求型腔及三维凸面。特别是在电工电子行业、家用电器、汽车工业和航空工业的零件模具制作。电火花铣削的另一个突破就是应用于细微机械加工领域，采用电火花铣削工艺可以加工出精细复杂并带有尖角的工件直径约10μm的石墨电极加工出来的细小工件1.4.2电火花穿孔和型腔加工1.常规尺寸电火花穿孔加工冲裁模具加工、粉末冶金模具加工、挤压模、拉丝及型孔、小孔、异性小孔和深小孔、螺纹加工零件加工等L2=L1+2SL2.电火花小孔加工小孔的尺寸尺寸界定通常为：0.1～3mm为小孔；小于0.1mm为微孔；

深小（微）孔是指深度与直径之比（深径比L/D）大于10的情况；截面为非回转圆形的孔称为异形孔，如椭圆孔、方形孔、多边形孔、三角形孔、十字形孔、Y形孔、T形孔、米字孔、星形孔等电火花加工基本可以克服传统机械加工存在的主运动、工件受力、工具刚度、夹持、排屑、散热等一系列问题（1）难点问题与对策(2)工具电极的准备反拷法是基于传统机械加工与装配的“就地加工”既“自干自”和“互为基准”的思路，其目的是保证位置精度。常规的电火花加工都是工具电极加工工件，电火花反拷法则是用“工件”（实为“工具电极”）加工工具电极后，工具电极不再拆卸再去加工目标工件。①圆形小孔/微孔用工具电极②异形微孔的特形工具电极群工具电极来实现“高效”加工，加工的峰值电流更大，粗糙度稍差，如100×100布局，一次孔加工数目就是10000个过滤筛网及分离筛网工件加工a种植电极（管/细丝）b整体实心群电极（右图1.40）

3.电火花型腔加工①电火花成型加工为盲孔加工，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差。②型腔多由球面、锥面、曲面组成，且在一个型腔内常有各种圆角、凸台或凹槽，有深有浅，还有各种形状的曲面相接，轮廓形状不同，结构复杂。这就使得加工中电极的长度和型面损耗不一，故损耗规律复杂，且电极的损耗不可能由进给实现补偿，因此型腔加工的电极损耗较难进行补偿。③材料去除量大，表面粗糙度要求严格。④加工面积变化大，要求电规准的调节范围相应也大。(1)单工具电极直接成型法(2)多电极更换法(3)分解电极加工法（主副型腔分别进行）

模具加工实例1.4.3电火花小孔磨削电火花磨削没有砂轮/砂带等磨具，取而代之的是工具电极，它可以不旋转，工具与工件不能接触，去除材料靠极间火花放电蚀出。应用于硬质合金缩放夹套（图1.44）、粉末冶金用硬质合金凹模、微型轴承内环、液压件深孔、注塑模具机嘴锥孔等精加工1.4.4内外螺纹的共轭同步回转加工

1）工作原理传统的电火花加工螺纹的方法（洋人特色），类似于机械加工丝锥攻螺纹（图1.45）内外螺纹的共轭同步回转加工新方法：中国特色2）特点及应用①工具电极贯穿并全覆盖工件长度，加工中长度方向的放电机会和时间是相对的，避免了入口大、出口小的锥度问题；②工具电极外径小于工件内径，放电加工一直只在局部区域进行，加上两个电极的回转搅动作用，熔屑、熔渣等产物容易排除和工作液得到更新，这利于保证加工质量和过程的稳定性。③降低对工具电极的设计和制造要求，对工具电极的中经和大径无严格要求。④提高工具电极的通用化程度，如，只要螺距相等，同一工具电极可以加工M8、M10、M12和M14等螺纹。主要应用于如下方面：①螺纹环规、塞规，以及硬质合金、高速钢等高硬度工具的内螺纹加工；②精密的内外齿轮加工(参见图1.42)，特别是非标准齿轮；③精密的内外锥面螺纹，内锥面内凹油槽；④静压轴承油腔、回转泵体的高精度成形加工；⑤梳刀、精密斜齿条加工；⑥各种工具的刻字、打标记；⑦薄壁套筒件分度开槽。1.5应用案例case1.共轭回转展成加工精密内齿轮（粉末冶金凹模）1)加工系统装置的设计布局特色：①采用卧式布局的非淹没加工方式②独立可拆卸的二轴数控系统③展成加工原理和运动④中等压力火花液供给系统⑤差齿传动过程中，工具与工件不同形齿的啮合与火花放电，达到均化误差⑥两个独立伺服电机分别与工具和工件电极直接联结⑦同一电极实现三种加工方式⑧两种齿轮工件类型：内直齿和内斜齿。2).回转工具电极及工作液定向喷液设计3）加工效果①加工质量好：加工精度高、粗糙度低②局部定向内喷供液保证供液充分、排渣屑彻底、散热效果好③为了消除放电脉冲电源对伺服电机的干扰，两个伺服电极外壳及主轴与其他相联结部位都采取绝缘措施(如、采用尼龙过渡)。④工具电极Z1=19，加工工件Z2=34，数控伺服电机转速选定十分方便，分别为n1=34,n2=19,若选定n1＝n2，可以实现工件和工具的共轭同步回转加工。⑤工作液压力值应视加工工件的深度而适当变化⑥由于喷射孔位于工具电极的齿根圆上，所加工的内齿形的齿根圆上回留下小型圆形凸台，这时可以对内齿模具齿根圆面进行内圆磨削来消除。

case2.超大深径比的深小孔加工深小孔是直径为φ1mm，深度在300mm以上，工件材料为模具钢，即深径比H/d≥300的超大深径比小孔加工。四大难点①余热排除困难②排屑排渣难③进给稳定性差④工具电极耗损大特殊对策①倒置安装②去离子水③管电极④专用导向器case3：角位移伺服进给加工弯曲轴线孔THEEND

第2章电火花线切割加工2.1电火花线切割工作原理、机床设备

电火花线切割（WireElectrodischargeMachining缩写为WEDM

或ElectrodischargeWireCutting缩写为EDWC）是一种类似于带锯切割加工轮廓的电火花加工的特殊形式。2.1.1电火花线切割工作原理、特点线丝：作为通用的工具电极，购置类别：图2.1低速走丝（慢走丝LS：中国特色）的工作原理，图2.2高速走丝（快走丝Hs：外国主流）的工作原理线切割实物实例：线切割特点：1）线丝直径小，放电区域面积小，采用的脉冲电源的电规准更小，属于中、精电规准正极性加工，如，脉宽更窄、平均电流值更小，工件接电源正极。2）介质常常采用水或水基工作液，无火灾隐患、空气污染少；水基工作液电阻率比煤油高，放电间隙较大，加上线丝移动，故不易产生拉弧。介质中会有各类离子杂质时正极性加工使得工件会有弱的电解作用，利于效率的提高和表面粗糙度降低。3）线丝作为通用的工具电极不需专门设计和制造，节省加工准备时间，工艺实施的通用性、柔性和灵活性大。4）切割的缝槽较窄，做到“套料加工”，实际金属去除量小，材料利用率高；适合于精细、复杂形状工件加工，能加工出小的圆角、拐角，如图2.3。5）线丝移动使得平均工具电极耗损小，加工精度较高。1）模具制造：

各种材料硬度高、强度大的模具加工，如冲压模具及配件、挤压模具、粉末冶金模具、弯曲模具、带锥度的模具等。2）工具及电极的准备：

电火花穿孔成形的特殊形状的工具电极的加工和精细电极的反拷法加工。各种特殊刀具的加工，如成形车刀、铣刀铲背等。3）零件加工：

特别是在新品试制中直接加工所需零件，可以节省模具制作的时间并避免浪费。还可以加工特殊构形的零件：如双曲面、“天圆地方”的异形面加工。线切割应用场合：2.1.2线切割加工机床设备1.低速走丝机构2.高速走丝机构3.锥度切割装置4.供液装置：缝窄、压力喷射2.2.1主要工艺指标衡量线切割工艺能力的指标主要有：切割槽面的粗糙度，精度指标（尺寸、形状和位置），加工效率即切割速度和工具电极耗损率。前两个指标关系质量，后两个关系效率和成本。这里仅介绍后两个指标。1）切割速度线切割的槽宽是由线丝直径和放电间隙决定，而槽面关联槽的长度和厚度（深度）两个几何要素，故线切割的切割速度定义为单位时间内切割出槽面的总面积，单位为mm2/min。生产中，计算加工成本及委托加工报价时，常用切割面积来计算，如,元/mm2。

2）线丝耗损率高速走丝加工中用工具电极线丝切割10000mm2的面积后线丝直径的减少量来衡定，通常要求钼丝的耗损率低于0.01mm。2.2电火花线切割工艺能力2.2.2线切割加工的工艺能力(常用)直壁二维型面:径向凸轮（直线曲面）锥面:异形面工件:“天圆地方”、2.3电火花线切割拓展应用2.3.1回转端面曲线型面的切割2.3.2特形三维模具切割2.3.3单叶双曲面的切割（无心磨床导轮结构）2.3.4窄螺旋面的切割2.3.5扭转四方锥台的切割2.4应用案例

普通线切割机床加工带锥度的冲压模具

图a在工件上方安装一块金属板和绝缘板，绝缘板的空心部分比加工图样大一些，金属板和工件都接电源正极，按照比例缩小一定尺寸的程序把金属板和工件切割出直壁图样；

图b为切割带锥度凹模示意图，将金属板的电源线拆除，用比工件加工图样放大一定比例的程序加工，这时金属板不加工，只对工件径向切割，但电极丝被金属板折弯，使工件加工出锥度，工件下口尺寸大于工件图样尺寸；图c为最终切割直壁刃口示意图，将金属板和工件接上电源正极，采用工件图样尺寸的程序加工模具直壁刃口，直壁刚度约3～5mm。这种方法会使得电极丝磨损稍大。Theend

第三章激光束加工（LBM）3.1激光加工的原理与特点

激光束加工LaserBeamMachining缩写为LBM简称：激光加工3.1.1激光及其特性

在国内激光又叫“镭射”，Laser的音译,它是“lightamplificationbystimulatedemissionofradiation.”的词头缩写，意为“受激辐射的光放大”可能是可见光，也可能是不可见光。激光的基本特性：①激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。②激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。③激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象，这赋予了激光的极其高的亮度和高的能量密度。④定向发光，方向性好。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。3.1.2激光加工原理和特点利用激光的能量密度高、方向性好、单色性好和相干光等特性，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，在加上凸透镜聚焦，故其焦点处的功率密度达到107～1012W/cm2，光能转化成热能，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和气化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击图3.4。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔蚀、气化和受冲击波抛出的综合过程凸透镜聚焦→→高温→→熔化气化激光加工工艺类型：

热处理、焊接、切割、打孔、打标记、表面处理、清洁和辅助车削等。激光可以加工任何材料（透光的玻璃例外）特点之优点：①几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。②激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工，精细齿轮的切割。特别是在难加工或脆性材料上加工微孔、窄缝（图3.7）。③可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点，甚至液体里加工④加工无刀具，没有刀具磨损，非接触加工，无机械加工变形，工件装夹简单⑤无需抽真空等特殊环境，自动控制连续加工，效率高，加工变形和热变形小⑥工件的热影响层比其他非传统热蚀工艺的更薄，图3.5局限（缺点）：①加工靠局部熔化、气化，影响因素较多，规律性不强，重复精度和表面粗糙度一致性差。如，图3.8聚焦点的光斑不同会影响到打孔的形状或切割槽面的形状。盲孔的加工深度不易控制，加工的孔有锥度，出口处有毛刺或粘附物需去除。②加工时有金属气体或火星飞溅，需要抽风，操作者需戴护目镜，图3.9。③设备成本高材料去除率低，不适于大量材料去除的场合。④依靠焦点能量，钻和切割孔的深度度受限，不能超过50mm。3.2.1激光加工装置的组成：电源、激光器、光学系统、冷却系统和机械结构与运动系统部分组成3.2激光加工装置

激光加工中则要求输出功率大，多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器

种类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类3.2.2工业激光器按工作物质不同激光器分为固体激光器和气体激光器两大类3.3激光加工工艺类型3.3.1孔加工

两种情况：脉冲式激光冲击打孔和加工套料孔。1.脉冲式激光冲击打孔2.套料孔3.3.2板材切割1.普通激光切割激光切割的原理与激光套料孔加工类同，即工件与激光束需要作相对移动几何要素有：槽面粗糙度(条纹)、槽宽、出口熔渣（毛刺）、切割槽面直角（垂直度）、热影响层及工件厚度激光切割质量的主要影响因素有激光功率、吹气压力、靶距、材料厚度、熔点和沸点、热传导率等2.气体辅助激光切割连续供给空气、氧气或惰性气体（N2,Ar,或He)，气体有如下三方面作用：①通入空气/氧气时，提供更好的氧化环境，由此减少光的反射，增加能量吸收。②通入氧气时，提升放热反应，切割所需能量的80%由此供给，极大提高加工效率。③通入气体，它们都会有助于排除加工区或钻孔孔底部的气化、熔化金属等渣屑。3.3.3焊接3.3.4打标记①汽车零部件：活塞、活塞环、齿轮、轴、轴瓦、离合器、车灯等。②电子元件：电阻、电容、芯片、印刷电路板、键盘等。③机械零部件：轴承、齿轮、标准件、电机等。④仪器仪表：面板、标牌、精密器械等。⑤五金工具：刀具、工具、量具、锁具、刃具等。图3.17a。⑥生活用品：工艺品、拉链、钥扣、首饰戒指、洁具⑦装修家具：石材、大理石、陶瓷、木制家具等3.3.5表面处理1.激光表面淬火（硬化）热处理凸轮表面，轴承滚道、齿轮渐开面、发动机缸套及活塞环等需要提高耐磨性2.金属表面合金化处理3.3.6激光辅助传统机械加工3.3.7激光清洗（清理）技术1.激光表面清洗（理）的原理高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应：①高能量密度的脉冲激光束被污染层吸收而部分气化、挥发。另一方面，激光照射时表面由外到里的温度梯度较大，造成内外材料的膨胀不一，使得污染物与基体材料松弛脱落。光脉冲宽度足够短，以免热积累破坏处理表面。②大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体(高度电离的不稳定气体)，产生冲击波，粉碎并剥蚀污染。实验表明当金属表面上有氧化物时，等离子体产生于金属表面。等离子体只在能量密度高于某个门槛值（也叫阈值）的情况下产生，这个门槛值取决于污染层或氧化层。这个门槛值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。对于基体材料，等离子体的出现同样存在某个门槛值，超过它则基体材料会被破坏2.技术优势①环保：不用化学药剂和清洗液的激光清洗是一种绿色环保的干式清洗方法，严格讲应该叫做“清理”，清理下来的废料有气态和固太粉末，易于抽吸回收。②无次生损坏：激光清理没有机械力的作用不会损伤基体材料，能做到“选择性”去除。③操控方便：通过细小光纤传输容易到达拐角、窄缝、内部表面，并可实现远程操控。④清理效果好，3.应用领域有机污染物（清理油漆、污垢）也可清理无机物汽车制造、半导体晶圆片清洗、精密零件加工制造、军事装备清洗、建筑物外墙清洗、文物保护、电路板清洗、精密零件加工制造、液晶显示器清洗、美容去斑、纹身、口香糖残迹去除等Theend

第4章电子束加工EBM4.1电子束加工原理和特点4.1.1电子束加工原理高速度和能量的电子束聚焦后达到极高的功率密度打到工件表面，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时的快速溶蚀、气化蒸发而去除表层材料，并随真空系统而抽走。电压高达120kV，电子速度可达到光速50～80%不受材料的密度、导电性、导热性、反射率、熔点等性能限制。工艺类型：1使材料局部加热就可进行电子束热处理；2使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；3提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等；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电子束加工的优势体现在：①高速钻削细微孔，每秒钟最高可达4000个孔；②几乎可以加工任何材料，并不受其性能限制；③比起电火花、电化学加工，电子束细微加工速度快、经济性好；④加工精度高和位置重复精度保持在±0.1mm和钻孔直径±5(图4.2)；⑤钻孔参数在加工中调节方便，甚至在不同列阵的孔可采用不同的参数；⑥获得的表面粗糙度比其他工艺更低；⑦自动化程度和生产率高；⑧可以加工出尖角、锐边局限性有：①设备昂贵，并需要抽真空装置；②真空室的清理比较费时；③加工表面有较薄的凝固层和热影响层；④需要附属的背衬材料；⑤要求严格培训过懂数控编程的操作人员，并能处理X射线保护。图a为在金属或非金属上钻削最小直径为20μm的各型小孔；图b加工的合成纤维喷丝板，缝宽60μm，厚度0.5mm，长度1.2mm；图c为50μm厚的钨板条上加工的60μm宽的蒸发罩；图d是在3.5×3.5×0.1mm钨板上加工1600个群孔；图e是在0.1mm厚的不锈钢滤壳圆筒上加工群孔，加工速度达到每秒3000个。图f刻蚀40μm宽的拼合电路，加工深度达到5m/s。4.1.3应用举例4.2电子束加工装置包括：电子枪、真空抽吸泵、电子束流控制元件及工件位置与运动操控装置。4.2.1电子枪电子束加工装置又叫电子抢，典型结构如图4.4，实物照片图4.5。加热钨丝阴极发射电子，电子从阴极（钨丝）奔向中空阳极过程中受到120KV的高电压的加速后，继续射向真空室里的工件。位于阴极和阳极之间的内弯圆筒杯（未内尔电极）充当阴极栅格，它控制流过电子的数量进而控制电子束的电流（1～80mA），同时还充当电子束电流的开关.4.2.2真空抽吸泵电子束和工件封闭在真空抽吸环境：三个作用：防止钨丝及其他元素被氧化，防止电子与氧气、氮气等分子碰撞，减少其动能损失；

防止金属蒸汽及渣屑的污染。4.2.3电子束流控制元件束流电流（强度）靠电子枪里的阴极栅格完成。束流聚焦靠磁透镜完成，其聚焦斑点的直径可在12～25μm。束流的偏转靠偏转线圈来实现，可实现的偏转角度不超过5°，由此可以扩展电子束的加工范围。图4.6里的标准形状或类似结构都可以在工件不动的情况下通过束流偏转来完成加工。对于钻孔，每加工一个孔则需要偏转一次。4.2.4工作台运动装置对于平板类工件，工件和工作台是静止的。加工复杂结构的工件还需比较复杂的多轴操控的工作台，如图4.7里右边的立体型面上加工大小不一的孔，则需要左图的两轴旋转装置。工件安装在卡盘上，计算机数控两轴旋转分别完成工件的周向分度和轴向分度。需要注意轴承的精细密封，否者金属蒸汽和渣屑会对轴承造成损坏。图4.8是一种电子束完成动态钻孔的操控工件的装置。操控装置主要是能够水平运动的回转轴，薄片工件绷紧夹持在张紧鼓的背衬材料上变成了圆筒形状。电子束钻孔时，束流偏转，张紧鼓恒速旋转。钻孔完成后，关闭束流，此时回到其原始位置，等待钻削下一个孔。循环前述过程，就可以在薄板上高效钻削一排数目众多的孔。回转轴的水平移动必需与加工进给同步匹配。4.3特殊工艺应用主要应用是打孔、刻槽（图4.3）和加工异形小孔（参考图4.6），还可以用于工件细微焊接、热处理、材料改性等4.3.1套料孔加工加工大直径孔，图4.9所示，则需要依靠工作台的二维数控联动完成，相当于套料加工，这个加工过程与激光套料孔加工类同。移动速度必需与电子束穿透工件的速度相匹配图4.10所示,其加工原理为：电子束在磁场中受洛伦兹力发生偏转，在工件内部偏转弯曲，工件横向移动，即可加工曲面①，通过改变磁场强度和电子速度即可改变曲面曲率；改变磁场极性，即可加工反方向的曲面②；加工起始点和终结点如果在工件实体部位内，加工后可得到弯曲槽面③；工件固定不动，可获得一个弯孔，再改变磁场极性，同一位置进行二次加工，便可得到一个入口内部分叉有两个出口的弯孔④4.3.2弯曲面/弯孔的加工电子束光刻技术是利用低功率密度的电子束在涂有电致抗蚀剂的工件表面上直接描画或投影复印图形的技术(图4.11)。电致抗蚀剂是一种对电子敏感的高分子聚合物。经过电子束扫描过的电致抗蚀剂发生分子链重组或分子链切断，使曝光图形部分的抗蚀剂发生化学性质改变，这个过程成为电子束曝光。曝光后的电致抗蚀剂浸入适当的溶液里，不同分子量的抗蚀剂溶解速度不一样，就会使电子束照射过的曝光图案显示出来，这一过程称为显影。经过显影和定影，获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形。

4.3.3电子束光刻电子束光刻技术的主要工艺过程为涂胶、前烘、电子束曝光、显影和坚膜,图4.12。现代的电子束光刻设备已经能够制作小于10nm的精细线条结构，电子束光刻主要用于制作掩膜版。Theend

第5章等离子弧加工PAM5.1等离子体及加工特点当气体的温度加热至2000°C量级时，其分子就会分裂成原子。温度上升至3000°C以上时，电子就会从其中一些原子游离出来，气体被离子化。这时的物质状态是由负电荷电子、正电荷离子和中性原子共存体被称为等离子体。等离子体导电性好、但对外呈现中性，有人把等离子体称为物质状态（固态、液态、气态）的第四形态。等离子弧加工就是利用高频瞬间放电对相对封闭腔体内气体（常常是He,Ar,H2,N2）引弧形成钨电极（阴极）与工件（阳极）之间的电弧。外加高压直流电则维持电弧使其等离子体以音速从喷嘴喷出。电子与离子重新结合成原子以及原子再次结合成分子是离子热量产生的根源，所释放的键能会增加重新结合的原子和分子的动能。与这些原子、分子结合成相关联的温度可高达20,000～30,000°C，这样的高的温度足以使加工工件熔化、气化而达到切割的目的。唯一的能做到切割不锈钢比中碳钢还快的工艺方法与其他的非传统加工方法相比，等离子体加工的特点如下：等离子弧切割有如下优点：①切割的槽面比较光滑，有气体保护不受污染；②切割速度高，并可以切割各种金属；③能耗比低；④切割厚度比较大。等离子弧切割缺点有：①加工精度和表面质量一般；②电源功率大；③产生烟雾、有毒气体和噪音；④高温加工产生热影响层，或工件变形；⑤等离子弧会产生红外线和紫外线等辐射，红外线易损伤眼睛或失眠，紫外线可能致癌。故手套、护目镜、耳塞都是必备之物。5.2等离子体加工装置1.两种工作模式如图5.1，等离子弧切割系统有两种工作模式，即转移型的等离子弧模式（图a）和非转移型的射流模式（图b）图a的转移型的等离子弧从阴极钨电极引致导体工件，产生的温度可高达33000°C，导通型系统性能高，常用于切割氧切割难以胜任的导电和导热性好的材料，如铝材。图b的非转移型的等离子弧是在切割头内部完成，等离子体通过喷嘴小孔形成等离子体射流，产生的温度可达16000°C。由于切割头本身充当阳极开关，阳极的热量很大部分被冷却水吸走，这样其材料去除效能会降低。故这种模式的系统更适合于切割其他方法难以胜任的非电导体材料。2.典型的转移型等离子体切割头典型的转移型等离子体切割头装配结构如图5.2，喷嘴孔径取决于等离子体的电流和工质气体的流量，常在1.2～6mm内选取。如果切割的金属槽宽在0.1mm以内，则需要直径为0.05mm的专用小孔喷嘴，电源功率为1KW。若要切割厚达150mm的不锈钢板，可以考虑配合轨迹跟踪工作台的多个切割头组合。常用的工质气体有氦气（He）、氩气（Ar）、氢气（H2）、氮气（N2）或者它们的混合组合。其流量根据功率和加工板厚度来选择，从0.5～6m3/h不等。阴极电极采用2%镀钍钨的非耗损型电极以减少耗损，切割头的保护可以是气体，也可以是水。气体保护等离子弧：在