特种加工期末大作业

题目：其他几种常见特种加工工艺简介

——陈少勇08机自A4班084812746

摘要：特种加工的出现弥补了传统的切削加工的缺点，即可以用软的工具加工任何硬度的金属材料，获得了“以柔克刚”的效果。此外，特种加工还可以加工韧性、脆性的金属和非金属材料，且专长于加工复杂、细微表面和低刚度零件。同时，有些特种加工方法还可以进行超精加工、镜面光整加工和纳米级（原子级）加工。除电火花加工、电火花线切割加工和电化学加工之外，本文主要介绍激光加工、电子束加工、离子束加工、超声加工、快速成型技术和其他特种加工的相关工艺。

关键词：激光加工；电子束加工；离子束加工；超声加工；化学加工；水射流切割；

一、激光加工

㈠、激光产生的原理

1、原子的发光：电子绕原子核运动，在最靠近原子核的轨道上运动最稳定，这时的能级状态称为基态。原子接受外界能量时，外层电子获得能量，轨道半径扩大，被激发到高能级转变为激发态或高能态。激发态的高能级原子停留时间很短，0.01μs左右。寿命较长的较高能级称为亚稳态能级。原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，以光子的形式释放出能量。如图1-1所示：

图1-1：原子能级示意图

2、激光的产生：具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级（亚稳态）的原子（或粒子）数目大于处于低能级（基态）的原子数目，这种现象，称为“粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如果有一束光子照射物体，而光子的能量恰好等于这两个能级相对应的能量差，这时就能产生受激辐射，出现雪崩式连锁反应，并输出大量的光能，这就是激光。

㈡、激光加工的原理：

1、激光的特性：

①强度高：激光的亮度比太阳表面的亮度要高二百多亿倍，可见，激光的亮

度与强度特别高。

②单色性好：其单色性比氪灯高上万倍。

③相干性好：激光的相干长度高达几公里，而单色性很好的氪灯所发出的光

相干长度才为78厘米。

④方向性好：光束的方向性是用光束的发散角度来衡量的，激光的发散角度

可以小到0.1

2、激光加工的原理：

激光加工是利用光的能量，经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工材料的。具体原理和特点如下：

①聚焦后，激光加工的功率密度可高达10～10w/cm3，光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。例如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都能加工。

②激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可以用以精密微细加工。

③加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快，热影响小，容易实现加工过程自动化。还能通过透明体进行加工，如对真空管内部进行焊接加工等。

④和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。

⑤激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求。由于光的反射作用，对于表面光泽或透明材料的加工，必须预先进行色化或打毛处理，使更多的光能被吸收后转化为热能用于加工。

⑥加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。

简而言之，激光加工的原理可以概括如下：激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达107~1011w／cm2，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去，这就是激光加工的工作原理。

㈢、激光加工的优点

根据激光的特性与其加工原理，可知激光加工有如下优点：

①激光功率密度大，加工材料范围广，激光几乎对所有的金属材料和非金属材料都可进行加工，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工；

②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；

③激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，加工精度高；

④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；

⑤激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；

⑥激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；

⑦加工速度快，加工效率高。

㈣、激光加工的基本设备

1、固体激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等。

2、气体激光器：二氧化碳激光器、氩离子激光器。

㈤常见的激光加工工艺及应用

可由激光加工方法加工的材料范围非常广，几乎所有的金属材料和非金属材料都可进行激光加工。并且激光加工属于非接触加工，无受力变形，受热区域小，工件热变形小，因此加工精度高，可进行微细加工。例如：激光聚焦后可实现直径0.01mm的小孔加工和窄缝切割。在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片等。激光加工还可以进行打孔、切割、刻蚀、焊接、热处理、电子器件的微调、以及激光存储等各个领域。现仅介绍几种常见的激光加工工艺：

1、激光打孔

利用激光几乎可以在任何材料上打微型孔，目前已应用到火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴打孔、金刚石拉丝模加工等方面。

激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。它与激光束的特性和材料的物理性质有关，分析如下：

①输出功率与照射时间：

激光的输出功率越大，照射时间越长，工件获得的能量越多。需要注意的是，激光加工的照射时间要控制在几分之一到几毫秒之内，因为，当激光能量一定时，照射时间太长会使热量传播到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使激光能量的使用效率降低。

②焦距与发散角

发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可以获得更小的光斑及更高的功率密度。激光的功率密度越大，对工件的穿透力越大。

③焦点位置

焦点位置对于孔的形状和深度都有很大的影响。如图1-2所示：