超精密加工概论PPT课件

雷射切割與一般衝壓之比較
雷射切割
不需開模具
變更設計容易
優
可以切割複雜外形 可以切割三度空間形狀之物體
設定時間短
可以切割非金屬材料
可切割回火後的鋼材
切割面品質好，鐵屑少
點
切割大片薄板可不需夾具
噪音小
設備成本高
缺
大量生產時，加工速度較慢
只能做單片加工
點
一般衝壓加工 大量生產時，加工速度快 大量生產時，成本較低 規則且重複性外形，加工快
Laser Machining
Property：
A Thermal Process A Non ─ Contact Process
A Flexible Process
Disadvantages
Low Energy Efficiency Material Damage Machining Process Meaterial Removeal Rate Dimensional Accuracy Surface Quality
h E2 E1
雷射光產生原理
(2)自發放射： 由高能階→低能階 放出光、熱、…………轉移（雜亂無章） 自發機率：Psp N1=Psp• N2
E2 E1 / h
雷射光產生原理
( 3 ) 受 激 放 射 ： 由 高 能 階 → 低 能 階 （ 伴 隨 放 出 ） 同 方 向 、 同 頻 率 、 同 相 位 、 … … … … （ 共 鳴 ） 受 激 機 率 ： P s t N 1 = P s t • N 2 由 愛 因 斯 坦 理 論 知 P s t = P a
三能階系統
四能階系統
Laser Machining
Stimulation Amplification Population Inversion
Stimulation Population Inversion
Laser Amplification
雷 射 的 組 成
（ 1） 、 活 性 介 質 ： 1. 在 某 依 高 能 階 停 留 時 間 長 於 某 些 低 能 階 2. 能 以 有 效 方 法 激 發 到 高 能 階
輔助氣體噴嘴： 噴嘴：形狀、孔徑尺寸 氣體：種類、流量、壓力 與加工物間距離
加工材料特性： 光學性質 反射率 吸收率 透過率 熱的特性 熱傳導率 密度 比熱 熱容量 融解溫度 融解潛熱 汽化溫度 汽化潛熱
雷射加工在材料加工上之特徵
特徵： 可細部精密加工或大面積均勻處理。 可少量特殊加工或生產線大量加工。 可管壁、轉角、特殊形狀等之加工。 可特殊硬質材料之加工。 可改變材料某些物理、化學性質。
雷射光產生原理
二、居量反轉（Population Inversion） 熱平衡狀態：E2>E1 時，N2<N1 則pst• N2<Pa• N1→產生吸收作用 倒轉分佈時：E2>E1 時，N2>N1 則pst• N2>Pa• N1→產生放大作用
雷射光產生原理
一 般 原 子 、 分 子 在 高 能 階 停 留 壽 命 約 1 0 - 5 ～ 1 0 - 9 秒 若 在 高 能 階 停 留 的 時 間 長 於 某 依 低 能 階 停 留 時 間 ， 則 可 能 產 生 居 量 反 轉 分 佈
雷射光
雷射光產生原理
一、原子能階： 1. 波爾原子傳說： 電 子 只 在 特 定 能 階 存 在（ 非 連續） 2. 在熱平衡狀態下（大部 分處於基態） 粒子以波茲曼函數分佈：
N 2 / N1 exp E2 E1 / kT
雷射光產生原理
(1)吸收作用： 由低能階→高能階 需要供給熱、電、光、化學作用、… 吸收機率：Pa N2=Pa•N1
雷射切割與電漿切割之比較
雷射切割
電漿切割
精度高
優 切割面品質佳 熱影響區小，不會產生變形 噪音小
點 亦可切割非金屬材料
6mm以上厚度之切割速度較快 可切割多層板 設備成本低
切割耗材少
精確度較差
缺 6mm以上厚度之切割速度較慢 切割面品質差
設備成本高
ห้องสมุดไป่ตู้切割縫較寬
點 20mm以上厚板難加工
噪音大
僅能切割金屬
雷射加工在材料加工上之優點
優點： 可增加生產力。
減少材料消耗。 可減少人力。 提高產品品質。 高品質產品重複率高。 可作線上加工、品質控制及參數控制。 減少加工失敗率。 減少或不必二次加工。 改善加工環境。 具多種加工能力。
雷射加工時需考慮因素
售價。 裝運、安裝及訓練費用。 產品開發費。 備用零組件。 消耗品。 人力運用及人力程度需求。 保養維修。 生產製程適應性。
複雜形狀時需使用多個模具 模具成本高 模具之設計與製造需時間 鋼材必須退火 薄的不鏽鋼板不易加工
雷射切割與 線切割放電加工之比較
雷射切割 優 加工速度快
點
缺 切割面品質較差 切割板厚有限制
點
線切割放電加工
切割面品質較良好 可切割較厚板 精確度高
電極會損耗 電極鎳成本高
雷射束加工的應用 開孔加工
開孔加工：溫度在材料沸點以上 (1) 微小孔(數um孔) ─ 巨大脈衝 n sec級。 (2) 開深孔 ─ 通常脈衝 m sec級，YAG雷射。 (3) 鑽石眼模、寶石軸承、Al2O3、塑膠、WC (4)開孔斷面形狀 ─ 如下：
Laser Machining Control
Laser Beam Regulator
雷射加工機的構成
雷射加工機
雷射光的應用 雷射印表機
影響雷射加工之各種重要因素
雷射光束： 波長 功率 模式 直徑 發散角
脈衝特性 聚焦系統： 焦距 材質 精度 像差
焦點特性： 光點大小 焦點深度 功率密度 焦點位置
雷射的組成
（ 2） 、 激 勵 系 統 ： 一 種 能 源 （ 電 、 光 、 熱 、 化 學 能 、 核 能 、 … ）
（ 3） 、 共 振 腔 ： 1. 迴 授 機 構 ： 讓 光 來 回 放 大 2. 輸 出 耦 合 ： 讓 部 分 雷 射 光 輸 出
雷射光的特色
一、亮度最高 二、顏色單純：（鮮豔、譜線窄） 三、可以射得很遠：（指向性好） 四、同調性：（相干性）Coherent 五、發光時間最短
Laser Drilling
Advabtages： Difficult to Machine
Materials Higher Accuracy Small size Hiph Drilling 0.018um slant hole
Limitations： Blind Hole Stepped Hole Deep Hole