高能束加工1
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术是一种现代焊接技术，它采用高能束作为焊接热源，利用高能束的集中能量和高能流密度，将焊接接头迅速加热至熔化温度并实现焊接。
高能束焊接技术包括激光焊接、电子束焊接和等离子焊接等多种形式。
这些焊接技术具有高能量浓度、热输入集中、加热速度快、熔深大、焊接变形小等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
高能束焊接技术的发展可追溯到20世纪40年代。
当时，电子束焊接技术首次应用于军事工业领域。
随着激光技术和等离子技术的发展，高能束焊接技术的应用范围逐渐扩大。
高能束焊接技术在航空航天领域中的应用十分广泛。
航空航天器的结构件往往需要具备高强度和高精度的特点，而高能束焊接技术能够满足这些要求。
激光焊接技术被应用于喷气发动机涡轮叶片的制造，能够提高制品的性能并保证焊接接头的质量。
电子束焊接技术被广泛应用于轻型航空航天器的生产，能够实现高效率、高质量的焊接，提高产品的可靠性。
在汽车制造领域，高能束焊接技术也发挥了重要作用。
汽车的表面涂层和涂漆往往会影响到其外观和耐腐蚀性能，而高能束焊接技术能够在不破坏基材的情况下，有效地去除涂层。
高能束焊接技术还可以用于汽车零部件的焊接，提高产品的质量和可靠性。
电子设备制造领域也是高能束焊接技术的主要应用领域之一。
电子器件往往需要高精度和高可靠性的连接，而高能束焊接技术能够实现精确的焊接和微小尺寸的焊接接头。
激光焊接技术被广泛应用于集成电路的封装和电子组装的焊接。
高能束焊接技术的发展和应用为现代工业生产带来了许多优势。
它能够实现高效率、高质量的焊接，提高产品的性能和可靠性。
随着科技的不断进步和创新，高能束焊接技术还将继续发展，并在更多领域得到应用。
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
25
2
2000
N2
1
2000
《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
2．特点及应用
离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳 米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精 确地控制。
(2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 (3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用， 所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
二、激光束加工
激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就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产生的光热效应来加工各种材料。
加工原理
1）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机 套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔， 可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片 上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
2）加工型孔及特殊表面
激光加工的应用
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大 体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利 用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激 光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指 激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。 包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
0.03～ 0.07 mm
高能束流加工技术的现状及发展
高能束流加工技术的现状及发展一、引言高能束流加工技术是一种先进的制造加工技术，其利用高能束流对材料进行加工处理，可以实现高精度、高效率、低损伤的加工效果。
随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，高能束流加工技术已经成为了当前最具前景和潜力的制造加工技术之一。
二、高能束流加工技术的基本原理1. 高能束流的产生高能束流包括电子束、离子束和激光束等。
其中，电子束和离子束是通过电子枪或离子源产生，并通过磁场聚焦形成细小且密集的束流；激光束则是通过激光器产生，并通过透镜系统聚焦形成极小直径的光斑。
2. 高能束流与材料相互作用当高能束流与材料相互作用时，会发生以下几种物理过程：撞击效应、热效应、化学效应和辐射效应。
其中，撞击效应主要指由于高速粒子与固体表面发生碰撞而导致表面变形或破裂；热效应主要指由于高能束流的能量被转化为材料内部的热能而导致材料熔化或蒸发；化学效应主要指由于高能束流与材料发生化学反应而导致表面化学性质的改变；辐射效应主要指由于高能束流所产生的辐射而导致材料受到辐射损伤。
3. 高能束流加工技术的基本过程高能束流加工技术包括预处理、加工和后处理三个基本过程。
其中，预处理主要是对待加工材料进行表面清洗和处理，以确保其表面光洁度和化学性质符合加工要求；加工过程则是将高能束流对材料进行精细加工，包括切割、打孔、雕刻等多种形式；后处理则是对已经完成的产品进行表面处理和质量检测，以确保其符合产品标准。
三、高能束流加工技术在各领域中的应用1. 航空航天领域在航空航天领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造发动机喷口、涡轮叶片等关键部件。
这些部件需要高精度、高强度和高温性能，而高能束流加工技术可以实现对这些部件的精细加工和表面处理，提高其性能和寿命。
2. 电子信息领域在电子信息领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造微电子器件、光学器件等高精度产品。
这些产品需要极高的精度和表面光洁度，而高能束流加工技术可以实现对这些产品的微米级别加工和表面处理。
微细加工技术-高能束加工
可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超 高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。
聚焦离子束加工
将被加速的离子聚焦成细 束(束斑直径为几个纳米到几 十纳米)，射到被加工表面上。 被加工表面受“轰击”后， 打出原子或分子，实现原子、 分子级去除加工。也可用于 离子束曝光：曝光灵敏度高、 没有邻近效应。 加工装置见图。三坐标工 作台可实现三坐标直线运动， 摆动装置可实现绕水平轴的 摆动和绕垂直轴的转动。
集成电子器件、集成光学器件、表面声波器以及微机械 元器件的图形制作技术中，通常将电子束曝光处理作为刻蚀 前置工序。 电子束曝光（electron beam lithography）指利用某 些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的，是光刻技术 的延伸。 紫外光 电子束
普通光刻
电子束曝光
电子束曝光分为直写曝光和投影曝光两大类： （1）投影曝光为电子束图形复印，它将电子束通过掩膜 图形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上，从而 将掩模图形缩小复印到衬底表面。 （2）直写曝光是电子束在工件面上扫描直接产生图形。 具有超高分辨率，无需昂贵的投影光学系统和费时的掩 膜制备过程。由于曝光过程中电子束斑在表面逐点扫描 ，每一个图形的像素点上需要停留一定的时间，因此限 制了图形曝光的速度。它在微电子工业中主要应用于掩 膜制备、原型化、小批量器件的制备和研发。
离子束加工特点
⑴离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的 加工方法，是纳米加工技术的基础。 ⑵污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高 纯度半导体材料的加工。 ⑶加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各 种材料和低刚度零件的加工。 ⑷离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，应用 范围受到一定限制。
高能束加工图文详解
（4） 加工精度高，质量好。
（5）
加工效率高，经济效益好。
（6）
能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大 优势。
四、激光加工设备
1. 激光器
4. 机械系统
拓展提高
1.数控化和综合化
把激光与数控技术，光 学技术或高精度、自动化的 工件装卸、定位系统结合， 研制和生产各种加工中心， 已成为激光加工设备发展的 一个重要趋势。
拓展提高
2.典型的离子束加工机床
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机
拓展提高
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机的主要参数
（2）污染少。
二、离子束加工
考 夫 曼 型 离 子 源 示 意 图
3.离子束加工装置
1—真空抽气孔； 2—灯丝； 3—注入孔； 4—电磁线圈； 5—离子束流； 6—工件； 7—阴极； 8— 9—阳极； 10—电离室
拓展提高
1.典型的电子束加工机床
EB300 型电子束加工机床
拓展提高
EB300 型电子束加工机床的主要参数
4
2
束斑极小。
5
1
无污染。
6
加工的局限性。
7
一、电子束加工
电 子 束 加 工 装 置 的 基 本 结 构
3.电子束加工装置
一、电子束加工
电子枪
真空系统 真空系统
1）
2）
控制系统
3）
电源装置
4）
二、离子束加工
1.离子束加工原理
二、离子束加工
（3）加工应力小、变形小。
2.离子束加工特点
（1）易于精确控制，加 工精度高。
二、激光的产生及特性
光的受激辐射
高能束流加工技术的应用与发展
高能束流加工技术的应用与发展高能束流(High Energy Density Beam)加工是利用高能量密度的束流(激光束、电子束、等离子束)作为热源,对材料或构件进行特种加工的技术. 20世纪以来，航空科学技术迅速发展，为保证在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作可靠性，在飞机、发动机和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件，这就使产品的制造性日趋恶化，对制造技术不断提出新的挑战。
鉴于对有特殊要求的零件用传统机械加工方法很难完成，难于达到经济性要求。
现在，工艺师们独辟蹊径，借助各种能量形式，探寻新的工艺途径，各种异于传统切削加工方法的新型特种加工方法应运而生，如高能束流加工、电火花加工、电解加工、化学加工、物料切蚀加工以及复合加工。
目前，特种加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支，在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。
1.现代特种加工技术的特点及发展趋势1.1特种加工技术的特点现代特种加工（SP,Special Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。
与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。
① 以柔克刚。
因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。
② 用简单运动加工复杂型面。
特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。
特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。
③ 不受材料硬度限制。
因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。
它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。
其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此， 特别适用于航空产品结构材料的加工。
上海市ⅲ类高峰学科-材料科学与工程(高能束智能加工与绿色制造)
上海市Ⅲ类高峰学科-材料科学与工程（高能束智能加工与绿色制造）是一个重要的学科领域，它涉及高能束智能加工和绿色制造技术的研究与应用。
该学科领域的主要研究方向包括高能束连接技术及智能装备、智能机器人焊接技术及装备、高能束增材制造及区域凝固过程控制技术、数字化增材制造关键技术及装备、先进传感器件微纳制造、微纳新能源材料绿色制造及核心器件等。
这些研究方向紧密围绕高端装备重点产业发展需求，旨在推动材料科学与工程领域的技术创新和产业发展。
为了加强学科建设，该领域积极开展国内外学术交流与合作，引进和培养优秀人才，提升学科的科研水平和创新能力。
同时，该领域还注重产学研合作，加强与企业的合作与联系，推动科技成果的转化和应用。
未来，该学科领域将继续加强高能束智能加工和绿色制造技术的研究与应用，提升我国在该领域的国际竞争力，为我国制造业的高质量发展做出重要贡献。
同时，该领域还将不断拓展新的研究方向和技术领域，培养更多优秀人才，推动材料科学与工程领域的持续发展。
高能束流加工技术简析
1.3.4.3等离子加工技术最新进展
▪ 近代高技术的发展，尤其是航空、航天高技术发展的需求牵 引，给等离子加工技术注入了活力。等离子切割、等离子焊 接、等离子喷涂以及等离子体源离子注入和离子刻蚀技术都 得到迅速发展。国外对等离子体加工技术的研究和应用给予 了很大重视。俄罗斯新西伯利亚科学分院对等离子射流的研 究很深入，推动了等离子矩的发展，并且研制了等离子设备 软件。乌克兰巴顿焊接研究所在超音速火焰喷涂、微束等离 子喷涂、爆炸喷涂等方面开展了大量的研究、应用工作。90 年代后，等离子束流加工技术又从航空、航天动力装置特殊 功能涂层的真空喷涂，发展到制备特种整体机构件，即等离 子喷涂成形技术。预计，等离子加工技术在进入21世纪后将 会有新的发展。back
1.4高能束流加工技术纵向浅解
1.4.1高能束流焊接
1.4.1.1高能束流焊接简介及特点
▪ 作为高能束流加工技术中应用最广泛发展最 成熟的技术，高能束流焊接的功率密度 （Power Density）达到105W/cm2以上。 其束流由单一的电子、光子、电子和离子或 二种以上的粒子组合而成。属于高功率密度 的热源有： 等离子弧、电子束、激光束及复 合热源 激光束+Arc（TIG、MIG 、 Plasma）。
▪ 常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光 器和气体激光器。如图8-6为固体激光器结构示意 图
Байду номын сангаас
固体激光器结构示意图
1—全反射镜 2—工作物质 3—玻璃套管 4—部分反射镜 5—聚光镜 6—氙灯 7—电 源
1.3.1.2.激光加工的特点和应用
▪ 1）由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工 任何材料；
1.4.2电子束焊接
1.4.2.1电子束焊接简介
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术是一种高效、高精度的焊接方法，它利用高能束作为热源，将工件上的两个或多个金属材料焊接在一起。
随着工业技术的不断发展，高能束焊接技术在航空航天、汽车制造、电子器件制造等领域得到了广泛应用。
本文将就高能束焊接技术的发展历程、工作原理和应用前景进行介绍。
一、高能束焊接技术的发展历程高能束焊接技术的发展可以追溯到20世纪40年代，当时人们开始尝试利用电子束、激光束和等离子束等高能源来进行焊接。
20世纪60年代，随着激光技术的进步，激光束焊接技术逐渐成熟，取得了一系列重要进展。
1970年代，电子束焊接技术也得到了快速发展，成为了航空航天领域、核能工程领域最主要的焊接方法之一。
随着科学技术的不断进步，高能束焊接技术变得更加精确、高效，应用领域也不断扩大。
二、高能束焊接技术的工作原理高能束焊接技术是利用高能束的热源对工件进行加热，使其达到熔化状态，然后将两个或多个工件进行熔汇从而实现焊接。
根据高能束的种类不同，高能束焊接技术又可分为激光束焊接、电子束焊接和等离子束焊接。
激光束焊接是指利用激光器产生的激光束对工件进行加热，通过激光束的高能量密度，将工件表面局部加热至熔化状态，然后使两个或多个工件在熔融态时迅速相互融合，从而完成焊接。
激光束焊接技术由于其高能量密度、热输入小、热影响区小等特点，逐渐成为了航空航天、汽车制造、电子器件制造等领域的主要焊接方法。
电子束焊接则是利用电子发射器产生的电子束对工件进行加热，在高能电子束的作用下，工件表面的金属被迅速加热至熔点，然后实现焊接。
电子束焊接技术由于其高能量密度、焊接速度快等特点，被广泛应用于核能工程、宇航工程、航空制造等高端领域。
等离子束焊接是一种利用等离子束对材料进行加热的焊接方法，通常利用等离子束切割机产生的等离子束对工件进行加热，然后实现焊接。
等离子束焊接技术由于其对材料的热输入小、热影响区小等特点，被广泛应用于微电子器件制造、微细连接技术等领域。
3 高能束流加工技术
激光切割样品－案图
电子束热加工原理图
真空电子束焊接
利用定向高速运动的电子束流
撞击工件使动能转化为热能而
使工件熔化，形成焊缝。
电子束光刻系统(E-Beam Lithiograpghy)
采用高亮度和高稳定性的TFE电子枪(thermal field emisssion) 出色的电子束偏转控制技术
采用场尺寸调制技术，电子束定位分辨率可达0.0012nm
采用轴对称图形书写技术，图形偏角分辨率可达0.01mrad
广泛应用于半导体制造领域
的原理还可以加工出弯曲孔和斜孔。
电子束打孔在多种精度要求过高的工
下图是加工成形的毛细管：。
模具数控加工技术考试全书名词解释整理打印
一、名词解释：模具---是一种专用工具，用于装在各种压力机上通过压力把金属或非金属材料制造成为所需要零件的形状制品。
快速原型制造（RPM）---采用离散和堆积成型的原理，由CAD 模型直接驱动的快速制造任意三维实体的技术总称。
脉冲单位：每接受一个变频进给脉冲时，工作台的移动距离。
数控加工技术包括数据机械加工技术、数控电加工技术和数控特种加工技术。
线电化磨削法(WECG)：用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。
线放电磨削法加工(WEDG)---是一种微细电火花加工，它的独特的放电回路是放电仅为一般电火花加工的1/100.塑性磨削：塑性磨削主要是针对脆性材料而言，磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来，这种磨削方式有时也称为剪切磨削。
规准设定—是指对脉宽、脉间、高压、低压、抬刀、高度、抬刀周期、快落高度、防碳和间隙的设定。
刀具长度补偿功能 --预先测量各刀具的长度，将其与基准刀具的差设定在数控系统中，这样即使更换刀具也可无需变换程序而进行加工。
刀具半径补偿—预先把所需的刀具中心轨迹与编程轨迹之间的距离设定在数控系统中，这种对于加工形状按照偏移刀具半径后的轨迹移动刀具的功能。
模具CAD／CAE／CAM技术—是模具设计的一体化加工技术，它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。
覆盖效应：在材料放电过程中，一个电极的电腐产物转移到另一电极表面上，形成一定厚度的覆盖层，这种现象叫覆盖效应。
极性效应：电火花加工时，其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫极性效应极性系数--阴极蚀除量与阳极蚀除量之比。
连续图形就是由若干条轨迹线首尾相连的一串轨迹线。
特种加工：直接利用电能，热能，光能，化学能。
电化学能和声能等进行加工的工艺方法。
电化学加工---是通过电化学反应去除工件材料或在上面涂覆金属材料的一种特种加工。
特种加工
特种加工特种加工方法区别于传统切削加工方法，而是利用化学、物理(电、声、光、热、磁)或电化学方法对工件材料进行去除的一系列加工方法的总称。
应用范围:具有高硬度、高强度、高脆性或高熔点的各种难加工材料零件的加工，具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件的加工等。
主要技术:电火花加工、电解加工、超声波加工、高能束加工。
特点：1.不存机械切削应力。
2.加工用的工具硬度3.加工具有特殊要求的零部件。
4.加工出高精度之加工表面。
5.加工出复杂形状表面。
6.部分加工方法可以複合使用。
一.电火花加工原理：电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温，熔蚀工件材料来获得工件成形的．电火花加工原理放电加工是将工件和电极同时浸入介电液中，用特殊电源供给直流脉冲，电源正负极各接于工件和电极上，电极与工件由伺服机构控制，而维持一小间隙，距离最短之处，因介电液的绝缘破坏而产生火花。
反复不停放电直到工件被加工出与电极形状相反之凹穴出现为止。
放电加工特点和应用范围优点：1.能导电即可进行放电加工2.避免硬化变形3.加工断裂在工件内之螺丝攻或钻头4.电极与工件不接触，故不产生切削应力5.没有毛边6.加工薄且脆之工件7.镜面加工8.可自动化，一个人可同时操作数台机器9.切削加工复杂复杂形状之工件10.可制作完全吻合之上下模缺点:1.工件需能导电2.加工是相当慢的3.生成较硬且脆的变质层，微细裂缝产生4.电极会消耗，需准备较多的电极5.操作人员需要相当经验放电加工用的脉冲电源1. 高低压复合波脉冲电源2. 矩形波分组脉冲电源3. 阶梯波脉冲电源放电加工机的种类其用途可分为雕模放电加工机、线切割放电加工机及深孔放电加工机三种，对特殊用途而制作放电切断加工机、轧辊刻印加工机、微放电加工机。
分类：电火花成形加工机床；电火花线切割机床．电火花产品1 产品2 电火花加工过程演示线切割加工二.电解加工利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理，去除工件材料的特种加工。
第四节高能束加工
❖ 5）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较 大优势。
3.激光加工的应用
（1）激光打孔
❖ 激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工， 如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模 等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细 微孔的加工。
❖ 常用的高能密度束流加工方法主要是: ❖ 激光加工、电子束加工、离子束加工等。
高能密度束流加工的共同特点：
❖ 1.加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少， 工件变形小。
❖ 2.束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、 电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融 汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面， 使材料变形、分离破坏。
2.离子束加工特点
❖ 1）加工精度高。因离子束流密度和能量可得 到精确控制。
❖ 2）在较高真空度下进行加工，环境污染少。 特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化 的金属材料。
❖ 3）加工应力小，变形极微小，加工表面质量 高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。
3.离子束加工的应用范围
❖ 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及 离子溅射沉积和离子注入等。
❖ 3.工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。 ❖ 4.束流控制方便，易实现加工过程自动化，
一、激光加工
1.激光加工原理
❖ 激光加工（laser beam machining，LBM）是
在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用 过程。
❖ 通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近 的极小光斑，其功率密度可达107～1011w/cm2，温度 可达一万摄氏度，将材料在瞬间（10-3s）熔化和蒸 发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸 汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈 冲击波喷溅出去。
高能束流加工技术
高能束流加工技术高能束流(High Energy Density Beam)加工技术是利用激光束、电子束、离子束和高压水射流等高能量密度的束流(其中高压水射流是冷切割加工技术)，对材料或构件进行特种加工的技术。
它的主要技术领域有激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术以及高能束流复合加工技术等。
它包括焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等，用于加工制造具有先进技术指标的构件或制备新型材料。
高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域，是当今世界高科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿。
它具有常规加工方法无可比拟的优点。
①能量密度极高，可以实现厚板的深穿透加工、焊接和切割，一次可焊透300mm厚的钢板。
②可聚焦成极细的束流，达到微米级的焦点，用于制造微孔结构和精密刻蚀。
③可超高速扫描(速度达900m／s)，实现超高速加热和超高速冷却(冷却速度达104℃/S)，可以进行材料表面改性和非晶态化，实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属基复合材料的制备。
④能量密度可在很大范围内进行调节，束流受控偏转柔性好，可进行全方位加工。
⑤适合于金属、非金属材料加工，可实现高质量、高精度、高效率和高经济性加工。
随着航空航天、微电子、汽车、轻工、医疗以及核工业等的迅猛发展，对产品零件的材料性能、结构形状、加工精度和表面完整性要求越来越高，传统的机械加工方法在高技术制造领域所占比重日益减少，高能束加工方法得到了广泛的应用。
例如，把高能束加工技术的深穿透特点用于重型装备厚壁结构、压力容器、运载工具、飞行器的焊接；把精密控制的微焦点高能量密度的热源用于微电子和精密器件的制造，高质量、高效率地实现超大规模集成元件、航空航天航海仪表、陀螺、膜盒的制造和核动力装置燃料棒的封装；利用高能束加工技术的可控高速扫描，实现航宇动力装置上气膜冷却小孔层板结构的高效率、高质量制造；利用高能束加工技术可在真空、高压条件下全方位加工的特点，实现在太空条件下的加工作业；利用高能束加工技术高速加热和高速冷却的特点，对金属材料表面改性和非晶态化，制备特殊功能的涂层和新型材料。
先进制造技术——高能束加工
◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）
电子束 氧化膜
光致抗蚀剂
掩膜
窗口
1. 涂胶 基片 （光致抗蚀剂） 离子束
2. 曝光 （投影或扫描）
3. 显影、烘片 （形成窗口）
4. 刻蚀 （形成沟槽）
5. 沉积 （形成电路）
6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）
图 电子束光刻大规模集成电路加工过程
激光加工
激光是20世纪60年代初出现的一种光源。“激光” （Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写）,意思是利用辐射受激 得到的加强光。 相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干 性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集 中起来,聚焦成一个极小的光斑（直径＜1/100mm2,从 而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够 的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料, 故可进行非接触加工,适合各种材料的微细加工。
离子束溅射去除加工
阴极
惰性气体入口
◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加工表 面上。被加工表面受 “轰击”后，打出原子 或分子，实现分子级去 除加工。 ◎加工装置见右图。三 坐标工作台可实现三坐 标直线运动，摆动装置 可实现绕水平轴的摆动 和绕垂直轴的转动。
阳极
中间电极 电磁线圈 控制电极 绝缘子 引出电极
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子束加工原理图
1-发射阴极 2-控制栅极 3-加速阳极 4-聚 焦系统 5-电子束斑点 6-工件 7-工作台
电子束加工的特点
1、束斑极小 因为电子束可以微细地聚焦，是一种精 密微细的加工方法。 2、能量密度高、生产率高 是非接触式加工，不产生 应力和变形，加工材料范围广。 3、可控性好 可以通过电场或磁场对电子束的强度、 位置、聚焦等直接进行控制，整个加工系统易实现自动 化。 4、污染少、表面不氧化 特适合加工易氧化的材料。 5、整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
5、电子束光刻 电子束曝光
第四节 离子束加工 1、原理：
在真空条件下，将离子源产生的离子束经 过加速聚焦，打击到工件表面，对工件进行 加工。
本质：微观机械撞击能量
单脉冲打孔 多脉冲打孔
影响因素：
（1）输出功率与照射时间 （2）焦距与发散角
光斑直径
（3）焦点位置 焦点逐步提高，孔深增加，位置过高，能量分散。
（4）光斑内能量分布
（5）激光多次照射
（6）工件材料 工件材料热学物理常数 工件表面粗糙度
激光打孔主要特点
1.可加工精度高、深径比大的微小孔 2.能加工小到几微米小孔 3.可加工各种异形孔 4.能在各种金属和非金属材料上打孔 5.容易实现自动化，加工效率高
超声波加工、高速射流加工
高能束加工：利用高能量密度束流（激光束、电 子束、离子束）作为热源，对材料进行加工。
激光束（laser beam）
电子束（electron beam）
三束加工
离子束（ion beam）
复合加工：运用两种或多种加工方法，通过不同的作用原理对材料 进行改性和去除的加工。
第二节 激光加工技术
特点：
1.极其微细的聚焦，0.1m，精密微细加工。 2.电子束能量密度很高，106~109W/cm2，加工材 料范围广。
3.非接触式加工，不产生宏观变形，加工精度高。 4.加工生产率高 5.易于计算机控制 6.真空加工，污染少。 7.设备和加工成本高
二、电子束加工装置
1、电子枪系统 发射高速电子流 2、真空系统 3、控制系统 4、电源系统
1、电火花加工
工具：电极 基于正负电极间脉冲放电 时电腐蚀现象对材料进行 加工。
2、电火花线切割加工 工具：移动钼丝
3、电解加工 利用金属在电解液中产生阳极溶解原理实现金
属零件成形加工
二、机械复合加工
1、电解在线修整磨削 细粒度超硬磨料（金刚石和CBN）金属结合剂砂轮 冷却液电解在线修整砂轮
2、超声切削、磨削、研磨和抛光 降低工具和工件之间的摩擦，减小切削阻力。 低频、大振幅：断屑 高频、小振幅：改善表面加工质量、提高效率 •超声切削 •超声磨削 •超声钻削 •超声珩磨
4、激光表面处理 激光相变硬化
利用激光束作为热源照射待强化工件表面，使工 件表层材料产生相变甚至熔化，激光束移开后， 表层热量迅速向内部传递形成极高的冷却速度， 使表面硬化，提高零件耐磨性、耐腐蚀性和疲劳 强度。 激光表面合金化
利用激光束扫描照射作用，将一种或多种合金元 素与基材表面快速熔凝，形成一层具有特殊性能 的表面合金层，提高零件抗磨损、耐腐蚀和抗高 温氧化等性能。
加工物理过程： 1.材料对激光的吸收和能量转换 2.材料的加热溶化、气化 3.蚀除产物的抛出
特点：
1.适应性强，可以加工任何材料，如各种金属、非 金属材料，钢材、陶瓷、硬质合金、金刚石等。 2.加工精度高，聚焦到微米级，适合于微细加工。 3.能量密度高，热作用时间短，非接触加工，无加 工变形和工具损耗。 4.加工速度快，效率高，实现高速打孔和切割。 5.容易实现自动化控制。 6.节能和节省材料。 7.可通过光学透明介质对工件进行加工。
特种加工：利用光、电、声、热、化学、磁、原子能等能 量直接施加在被加工部位，从而使材料被去除、变形及改 变性能。
特点： （1）利用热的分解、溶解、汽化的热特种加工；
电火花加工、电子束、离子束和激光加工 （2）利用电化学溶解和析出的电化学特种加工；
电解加工 （3）利用化学溶解的化学特种加工；
化学切削、研磨 （4）特殊机械破坏加工；
•离子源 •真空系统 •控制系统 •电源
电子轰击产生离子
发射电子
3、离子束加工应用 •离子束刻蚀
工件作为靶材 氩离子轰击工件去除材料 刻蚀0.1m线条
离子镀覆：离子轰击靶材溅射涂覆工件 离子注入：离子钻入工件改变表层性能。
离子涂覆：真空超硬、耐磨、润滑涂层技术
第五节 复合加工技术 一、基础知识
3、加热切削
•通电加热 •感应加热 •等离子体和激光加热 •导电加热
4、磁力研磨 磁性磨料在磁场中形成磁性刷子精加工 适用于零件表面光整加工、棱边倒角和去毛刺 用于外表面或内表面加工 管道内壁表面粗糙度Ra0.2m以下高光洁度
5、超声电火花磨削 适用于各种导电陶瓷材料和超硬材料磨削加工
6、电解电火花磨削 导电砂轮 导电电解液磨削液 专用电源
2、激光切割 工件与激光束相对移动
激光切割分类： 脉冲激光切割：金属材料 连续激光切割：非金属材料
激光切割主要特点 1.能够切割难加工材料：高熔点材料、耐高温材料 和硬脆材料 2.切割精度高 3.非接触切割，变形小 4.切割速度高 5.切割深宽比大 6.切口质量优良 7.容易实现数控。
3、激光焊接 与切割比较，能量密度较低，105~106W/cm2， 工件加工区烧熔。 激光焊接分类： 脉冲激光：点焊 连续激光：缝焊
Ultrasonic 70-5/100-5 系列：
在此机床上可完成超 声5轴加工和一般的铣 削加工。
新型5轴超声系列进行 X/Y/Z 轴行程最大达 1000mm 的 5 轴 完 全 加 工时，可保证最高的 灵活性。
七、磨料水射流加工
旭升四轴水刀
四轴水切割机床是在普通三轴机床切割头上增加旋转轴C ，在数控系统 的控制下斜度切割头沿图形法线方向跟随，既可保证切口与工件上下面垂 直，还能实现切割正负坡口。坡口角度大小可在±5°范围内手动调节， 解决了常规水切割产生的切边斜度问题扩大了水切割在精加工领域的使用 范围。
三、激光加工设备 1、激光器：电能转变成光能，产生激光束。
用固体激光材料作 为工作物质的激光器。
固体激光器的工作物质， 由光学透明的晶体或玻 璃作为 固体激光器基质
材料，掺以激活离子或 其他激活物质构成。这 种工作物质一般应具有 良好的物理－化学性质、 窄的荧光谱线、强而宽 的吸收带和高的荧光量 子效率。
第三章 高能束加工及复合加工技术
第一节 概述
高硬度、高强度、高韧性等新型难加工材料 精密、微细、形状复杂零件
特种加工（Non-Traditional Machining,NTM）
高能束加工（high energy density beam,HEDB） 复合加工（combined machining,CM）
2、激光器电源： 提供激光器所需能量及控制功能。
3、光学系统： 激光聚焦系统和观察瞄准系统。
4、机械系统： 三座标工作台和机电控制系统。
应用： 1.激光打孔 2.激光切割 3.激光焊接 4.激光表面处理
三、激光加工技术的应用 1、激光打孔
激光打孔方法 复制法：采用与被加工孔形状相同的光点进行复 制打孔。 轮廓迂回法：被加工表面形状由光束和被加工零 件相对位移的轨迹决定。
一、激光产生及其特性 激光laser： light amplification by stimulated emission of radiation 受激辐射产生光能的放大 激光在聚焦处功率密度高达107~1011W/cm2
LASERTEC 80 FineCutting ：
LASERTEC 80 FineCutting 精密切削的 突出特点在于： 加工精度高，定位速度快， 在X轴Y轴以及线性回转轴 上具有高动态性能。整台 机床的设计方案着眼于精 密：X / Y 组合工作台采用 了直线电机技术，坚固的 机床底座具有三点支承， 所有移动轴都配有直接位 移测量系统，高动态性能 的扭矩电机，间距自动调 节装置以及操作简便的控 制系统。确保最佳的切削 质量：激光束沿 Z 轴方向 行走，因此，形成的激光 束具有短且连续的光学路 径。
LASERTEC 80 PowerDrill
对汽轮叶片上加工冷 却空气孔。
LASERTEC 80 Shape:
在一台机床上进行激光加工和激光钻孔
Lead αI 系列悬臂激光切割机
激光切割机 加工样件
二、激光加工的基本原理及特点
原理：利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和 汽化，并产生很强的冲击波，使被熔化物喷溅实现 材料去除