4特种加工

激光器
电极 放电管 冷却水进口 CO2气体 激光
反射凹镜
反射平镜 冷却水出口 高压直流电源 CO2激光器示意图
激光加工特点
加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非
金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金
及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。 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，可在其他加工方法不易达到的狭 小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。
离子束加工的物理基础是离子束射到材料 表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注 入效应。
离子碰撞过程模型
一次溅射原子
二次溅射原子 Ar离子
被排斥Ar离子 回弹溅射原子 真空 Ar离子 工件表面
工件
位移原子
格点间停留离子
格点置换离子
位移原子
离子束加工工艺
离子束加工
离子束加工原理：
1.什么是 离子束加工
实例3－人造革气孔打孔
人造革打透气孔示意图 （1－电子束；2－人造 革；3－转台 ）
电子束焊接－特点
焊缝深宽比高 焊接速度高 工件热变形小 焊缝物理性能好 工艺适应性强，能进行变截面焊接，也能实 现狭缝厚材料深焊，甚至可以实现异种材料 的焊接
因此具有广泛的应用，特别是在航空航天工 业中得到了大量应用。
离子束溅射注入加工
2.2.3激光加工

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 ◎波长频率确定，单色性好； ◎相干性好，相干长度长； ◎方向性好，几乎是一束平行光 。
2.2.3激光加工
激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射 到所加工材料的适当部位，在极短的时间内，光 能转变为热能，被照部位迅速升温，材料发生气 化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应 力，从而实现工件材料被去除、连接、改性或分 离等加工。 激光加工时，为了达到各种加工要求，激光束与 工件表面需要作相对运动，同时光斑尺寸、功率 以及能量要求可调。
实例1－喷气发动机燃烧室罩打孔
零件材料为CrNiCoMoW钢，厚度1.1mm，共有3478 个直径为0.81mm的圆通孔分布于外侧球面上，孔 径公差为±0.03mm，所有孔轴与零件底面垂直。 用带有计算机控制的K12-Q11P型电子束打孔机 加工。 零件臵于真空室，真空度为2Pa，安装于夹具上 作连续转动。 加工时以200ms的单脉冲方式工作，脉冲频率为 1Hz。
பைடு நூலகம்
电子束加工设备示意图
3.电子束加工的应用
电子束加工按其功率密度和能量注入时间的 不同，可用于打孔、焊接、切割、热处理、 蚀刻等多方面加工，但是生产中应用较多的 是打孔、焊接、曝光、蚀刻等。
电子束打孔
无论工件是何种材料，如金属、陶瓷、金刚石、塑 料以及半导体材料都可以用电子束加工工艺加工出 小孔和窄缝。 电子束加工不受材料硬度限制，不需要容易磨损 的加工工具。 目前，电子束打孔的最小孔径已达 1m。 当孔径在0.5～0.9mm时，其最大孔深已超过10mm， 孔的深径比≥15:1。 将工件臵于磁场中，适当控制磁场的变化使束流偏 移，即可用电子束加工出斜孔，倾角在35～90°之 间，甚至可以用电子束加工出螺旋孔。
离子束溅射镀氮化钛，即美观，又耐磨。 应用在刀具上可提高寿命1-2倍。
磁控溅射镀膜 后视镜
磁控溅射镀TiN刀具
磁控溅射镀膜加工
环状磁场控制下辉光放电。
高速、低温、低损耗；
镀膜速度快、温升小；
无高能粒子轰击损伤。
磁控溅射镀膜加工
离子镀加工
离子镀是在真空蒸镀和溅射镀膜的基础上发展 起来的一种镀膜技术。从广义上讲，离子镀这种 真空镀膜技术是膜层在沉积的同时又受到高能粒 子束的轰击； 离子镀能利用辉光放电所产生的高 能粒子流对基片表面溅射清洗，并将洁净的基片 表面保留到全过程； 离子镀比真空蒸镀的绕射性 好； 离子镀过程中的带能粒子，不仅使膜层附着良
电子束焊接－航空航天应用1
在发动机部件、航空航天器结构件的制造中，为了应 用最新材料和省时省料，一般采用先分块加工然后利 用电子束拼焊。 如批量制造发动机压气机轮盘时，采用分体制造轮毂 和轮缘，将轮缘分为8段（由8个小锻件加工成扇形） ，再用电子束将其余轮毂组合拼焊成压气机轮盘。 为省去发动机转子联接螺栓及安装边，减轻转子重量 简化转子结构，增加刚性，可采用电子束焊接将转子 盘鼓拼焊为整体，从而提高了发动机工作的可靠性。
离子镀加工
离子束溅射注入加工
用高能离子（数十万 KeV ）轰击工件表面， 离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在 工件中（臵换原子或填隙原子），从而改变 工件材料和性质。
可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼 等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电 池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬 度）等方面。
离子束刻蚀－高精度加工
离子束刻蚀
离子束刻蚀－纳米线宽
离子束刻蚀－金属刻蚀加工
离子束刻蚀
离子束刻蚀
离子束抛光加工可用于非球面透镜成形
美国Kodak公司等单位已研制出大型离子束抛光设备
•加工直径500mm的表面； •面形精度达到λ/50 rms； •粗糙度达到0.6nm rms。
离子束抛光－石英晶体振荡器
3.离子束加工 的应用
2.如何获得 离子束
离子束加工原理图
考 夫 曼 型 离 子 源
惰性气体入口 阴极 中间电极 电磁线圈 控制电极 绝缘子 引出电极 离子束
阳极
双 等 离 子 体 型 离 子 源
聚焦装置
工件
摆动装置 三坐标工作台
离子束去除加工装置
离子束加工装置
离子束加工
离子束加工原理：
电子束加工的分类及特点
电子束加工的特点
是一种精密微细的加工方法； 非接触式加工，不会产生应力和变形； 加工速度很快，能量使用率可高达90％； 加工过程可自动化； 在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧 化； 电子束加工需要一整套专用设备和真空系统， 价格较贵。
电子束加工设备
石英晶体的谐振频率与其厚度有关。 用机械研磨和抛光致薄的晶体，可制作低频
器件，但频率超过20MHz时，上述工艺已不适 用，因为极薄的晶片已不能承受机械应力。 采用离子束抛光，可以不受此限制。石英晶 体谐振器的金属引线要求重量轻、低电阻，通 常用铝沉积在晶体表面沟槽中，以高电导率铝 作引线电极。 用离子束溅射加工晶体上的沟 槽是最有效的方法。
激光加工应用－打孔
激光加工应用－打孔
焦点位置对孔形状影响
激光切割
激光切割 ◎激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省 材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割， 包括内尖角。
◎可以切割钢板、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。
激光切割
激光切割
激光焊接
激光加工特点
可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可 小至 1μ以下，实际上可实现φ0.01mm 的小孔加工和 窄缝切割。 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。 激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设 备昂贵。
激光加工应用－打孔
电子束焊接－航空航天应用1
左和右图所示为某发动机压气机转子焊接后 整体结构示意图：
离子束加工
离子束加工原理：
什么是 离子束加工
离子束加工 的应用
如何获得 离子束
离子束加工的原理
离子束加工是在真空条件下，将离子源产 生的离子束经过加速聚焦，使之具有高的 动能能量，轰击工件表面，利用离子的微 观机械撞击实现对材料的加工。
2.2.3激光加工
光阑 激光器 反射镜
电源
聚焦镜 工件 工作台
激光加工原理图
激光器
固体激光器 ◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成） 激光器 ◎红宝石激光器
激光器
气体激光器——CO2激光器
◎混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%
◎通过高压直流放电进行激励
◎波长10.6μm，为不可见光
利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔。
目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、 钟表及仪表中的宝石轴承打孔等方面。
激光打孔适合于自动化连续打孔，如加工钟表行业红 宝石轴承上0.12～0.18mm、深0.6～1.2mm的小孔，采 用自动传送每分钟可以连续加工几十个宝石轴承。
直径可以小到0.01mm以下，深径比可达50:1
激光焊接 ◎与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不 需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使 其粘合在一起。 ◎优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现 不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊 接。
激光焊接
激光焊接车身
高压水射流加工
离子束抛光－石英晶体振荡器
离子束溅射镀膜加工
真空
离子束源
工件
用加速的离子从靶材 上打出原子或分子， 并将这些原子或分子 附着到工件上，形成 “镀膜”。又被称为 “干式镀”
溅射材料
溅射粒子
离子束溅射镀膜加工
离子束溅射镀膜加工
溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。
由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能， 故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。
1.什么是 离子束加工
3.离子束加工 的应用
2.如何获得 离子束
离子束刻蚀
离子束刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击 溅射过程。
当离子束轰击工件，入射离子与靶原子碰撞时
将动能传递给靶原子，使其获得的能量超过原
子的结合能，导致靶原子发生溅射，从工件表
面溅射出来，以达到刻蚀的目的。
离子束刻蚀
刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离 子入射角度以及工作室压力都需要根据不同的
1.电子束加工的基本原理
利用能量密度极高的 高速电子细束，在高 真空腔体中冲击工件， 使材料熔化、 蒸发、 汽化，而达到加工目 的
2.2.1 电子束加工
电子束加工根据其所 产生的效应可分为电 子束热加工和电子束 非热加工两类。

电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利 用功率密度比较低的电子束和电子胶（又称电 子抗蚀剂，由高分子材料组成）相互作用，产 生的辐射化学或物理效应。
实例2－化纤喷丝头打孔
要求：零件材料为钴基耐热合金，厚度为4.3～ 6.3mm，需要加工出11766个直径为0.81mm的圆形 通孔，其公差为±0.03mm。 步骤：用脉宽为16ms的单脉冲方波，脉冲频率为 5Hz。零件臵于真空室的夹具上，工件连续转动 ，打孔过程中电子束随工件同步偏转，每打一个 孔，电子束跳回原位。加工一件只需要40分钟， 而用电火花加工则需30小时，用激光加工也要3 小时才能完成，而且公差要优于激光加工，且无 喇叭口
高能速与射流加工
电子束加工
电子束（Electron Beam Machining）是 特种加工的一个分支，它是利用电子束 的高密度能量对材料进行各种加工。
电子束不仅能对材料尺寸和形状进行加 工，还可以焊接、表面改性、镀膜、热 处理、熔炼以及光刻等工艺
2.2.1 电子束加工
2.2.1 电子束加工
加工需求进行调整。
离子束刻蚀可以在高精度加工、表面抛光、石
英晶体谐振器制作等方面得到应用。
离子束刻蚀－高精度加工
金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路 芯片刻蚀等。
离子束 离子束 离子束 离子束 r = 0.01μm 预加工 终加工
r = 0.01μm
预加工
终加工
a) 金刚石压头
b) 金刚石刀具 离子束加工金刚石制品
好、分布均匀，并且使其质地致密，针孔少；
离子镀加工
为提高刀具、模具或机械零件的使用寿命，可采 用离子镀工艺镀上一层耐磨材料，如铬、钨、锆、 钽、钛、铝、硅、硼等的氧化物、氮化物或碳化 物，或多层膜如Ti+TiC。
实验表明，烧结碳化物刀具镀上TiC或TiN后，可 提高刀具寿命 2 ～ 10 倍。高速钢刀具镀上 TiC 膜后， 使用寿命提高 3～8倍。不锈钢镀上TiC膜后，耐磨 性为硬铬层的7～34倍。
电子束打孔
电子束打孔的速度高，生产率高，这也是电子束 打孔的一个重要特点。 通常每秒可加工几十至 几万个孔。 例如，板厚0.1mm、孔径0.1mm时，每个孔的加工 时间只有15s。利用电子束打孔速度快的特点， 可以实现在薄板零件上快速加工高密度的孔。 电子束打孔在航空工业、电子工业、化纤工业及 制革工业中得到应用。