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1、机械制造技术基础第1章教学课件机械制造技术基础第1章 机械加工方法 1.1零件的成形原理 1.2传统机械加工方法 1.3特种加工第1章 机械加工方法机械加工是指通过一种机械设备对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。随着现代机械加工的快速发展，对制造技术提出了更高的要求，逐渐涌现出许多先进的机械加工技术方法。本章对零件的成形原理、传统机械加工方法（如车、铣、刨、磨等）做了介绍，同时介绍了一些特种加工方法，如电火花加工、电解加工、超声波加工及激光加工等。Part 1.1零件的成形原理第1章 机械加工方法机器或设备中的零件要完成一定的功能，首先应该具备一定的形状。这些形状可以通过不同的成形原理来完成
2、。不同的零件有不同的成形原理，按照零件由原材料或毛坯制造成零件的过程中质量m的变化，零件的成形原理可以分为以下三种。1.1 零件的成形原理1.1.1 材料成形工艺（m=0）进入工艺过程的物料的初始质量近似等于加工后的最终质量，即m=0。铸造、压力加工、粉末冶金、注塑成形等方法多用于毛坯制造，但也可以直接成形成零件。材料成形工艺举例见表1-1。1.1.2 材料去除工艺（m0）零件的最终几何形状是通过去除毛坯上的一部分材料，减少一部分质量达到的，即m0。常规加工方法如切削与磨削，特种加工如电火花加工、激光加工及电解磨削等。材料去除工艺举例见表1-2。1.1.2 材料去除工艺（m0）1.1.3 材料
3、累积工艺（m0）传统的材料累积方法有焊接、铆接、电镀等，通过这些不可拆卸联接使物料结合成一个整体，形成零件（m0），称为材料累积工艺。近几年发展起来的快速成形制造技术（RPM），是材料累积工艺的新发展。以上工艺特点不同，适用场合不同。Part 1.2传统机械加工方法第1章 机械加工方法采用传统的机械加工方法获得零件形状，是通过机床利用刀具将毛坯上多余的材料切除获得的。根据机床运动的不同和刀具的不同，可分为不同的加工方法，主要有车削、铣削、刨削、钻削、镗削、齿面加工、复杂曲面加工、磨削等。本节对这些主要加工方法进行介绍。1.2 传统机械加工方法1.2.1 车削 1.车削的定义车削是以工件旋转为主
4、运动、车刀移动为进给运动，刀尖的运动轨迹在工件回转面上，切除一定的工件材料，从而形成所要求的工件形状的加工方法。1.2.1 车削 2.车削的特点（1）易于保证各加工面的位置精度和同轴度。车削时，工件绕某一固定轴回转，各表面具有相同的回转轴线，所以，各加工表面的位置精度容易控制和保证。（2）易于保证端面与轴线的垂直度要求。1.2.1 车削（3）切削过程比较平稳，避免了惯性力与冲击力，允许采用较大的切削用量，高速切削利于生产率提高。一般情况下车削过程是连续的，当刀具几何形状和进给量一定时，切削层的截面尺寸稳定不变，切削面积不变，切削过程比较稳定。又由于车削的主运动为回转运动，避免了惯性力和冲击的影
5、响，所以，车削允许采用较大的车削用量，进行高速切削或强力切削，有利于生产率的提高。1.2.1 车削（4）适用于有色金属零件的精加工。有色金属零件表面粗糙度（Ra值）大，当Ra值要求较小时，不宜采用磨削加工，需要用车削或铣削等。用金刚石车刀进行精细车时，可达较高质量。（5）刀具简单，刀具的制造、刃磨和安装都比较方便。车削加工的精度一般为IT8IT7，Ra值为6.31.6 m。精车时，加工精度可达IT6IT5，Ra值可达0.40.1 m。1.2.1 车削 3.车削加工的范围图1-1 车削加工的范围1.2.1 车削 4.车削的实际应用车削常用来加工单一轴线的零件，如直轴和一般盘、套类零件等。若改变工
6、件的安装位置或将车床适当改装，还可以加工多轴线的零件（如曲轴、偏心轮等）或盘形凸轮。在单件小批生产中，各种轴、盘、套类等零件多选用适应性广的卧式车床或数控车床进行加工；直径大而长度短的大型零件，多用立式车床加工。在成批生产外形较复杂，具有内孔及螺纹的中小型轴、套类零件时，应选用转塔车床进行加工。在大批量生产形状不太复杂的小型零件，如螺钉、螺母、管接头、轴套类等时，多选用半自动和自动车床进行加工。1.2.2 铣削 1.铣削的定义 铣削是指使用旋转的多刃刀具切削工件，是高效率的加工方法。工作时刀具旋转形成主运动，工件移动做进给运动，工件也可以固定，但此时旋转的刀具还必须移动（同时完成主运动和进给运
7、动）。1.2.2 铣削图1-2 端铣和周铣如图1-2所示，用分布于铣刀端平面上的刀齿进行的铣削称为端铣，用分布于铣刀圆柱面上的刀齿进行的铣削称为周铣。1.2.2 铣削 2.铣削的特点(1)生产率较高。(2)容易产生振动。(4)加工成本较高。(3)散热条件较好。1.2.2 铣削 3.逆铣和顺铣铣刀进入工件时切削速度的方向与工件的进给方向相反，称为逆铣见图1-3（a）。逆铣时，切削厚度从零开始逐渐增大，因而切削刃开始经历一段在切削硬化的已加工表面上的挤压滑行阶段，会加剧刀具的磨损；同时，铣削力有将工件上抬的趋势，容易引起振动。图1-3 逆铣和顺铣1.2.2 铣削铣刀进入工件时切削速度的方向与工件的
8、进给方向相同，称为顺铣见图1-3（b）。顺铣时，铣削力的水平分力方向与工件的进给方向相同，而工作台进给丝杠与固定螺母之间一般有间隙存在，因此，切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动，使进给量突然增大，容易引起打刀。且在顺铣铸件等表面有硬度的工件时，铣刀齿首先接触工件的硬皮，加剧了刀具的磨损。1.2.2 铣削 4.铣削的范围 铣削的加工精度一般为IT8IT7，表面粗糙度值为6.30.8 m。普通铣削一般可以加工平面或者凹槽面等；用成形铣刀也可以加工出特殊曲面，如铣削齿轮等；数控铣床可以通过数控系统控制几个轴按一定关系联动，铣出复杂曲面来。1.2.2 铣削图1-4 铣削的加工范围1.2.3 刨削
9、刨削加工是用刨刀对工件做水平相对直线往复运动的切削加工方法，主要用于零件的外形加工。1.2.3 刨削 图1-5 刨削加工刨削加工如图1-5所示，其工艺特点如下：1.刨削加工的工艺特点1.2.3 刨削 通用性好，可加工垂直、水平的平面，还可加工T形槽、V形槽、燕尾槽及窄长的平面。生产率低，往复运动，惯性大，限制速度，单次加工，但狭长表面加工时效率不比铣削低。1.2.3 刨削（3）加工精度不高，精度为IT8IT7，Ra值为6.31.6 m；但在龙门刨床上用宽刀细刨时，Ra值为0.80.4 m。刨削加工是一个断续切削的过程，在刨刀开始切入时有冲击，切削不平稳。刨床结构简单，调整、操纵方便；刨刀制造、
10、刃磨、安装容易，加工精度低；刨削加工切削速度低，加之空行程所造成的损失，生产率一般较低。1.2.3 刨削 2.刨削的应用由于刨削的特点，刨削主要用在单件、小批生产中，在维修车间和模具车间应用较多。刨削主要用来加工平面(包括水平面、垂直面和斜面)，也广泛地用于加工直槽，如直角槽、燕尾槽和T形槽等。如果进行适当的调整和增加某些附件，刨削还可以用来加工齿条、齿轮、花键和母线为直线的成形面等。1.2.4 钻削钻削通常用于加工尺寸较小，精度要求不太高的孔。钻削可完成钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、锪孔等孔的加工，如图1-6所示。图1-6 钻床加工方法1.2.4 钻削钻床主要包括立式钻床、台式钻床、摇臂钻床、坐
11、标镗钻床、深孔钻床、卧式钻床、铣钻床和中心钻床，其中使用最广泛的是立式钻床和摇臂钻床。钻孔常见缺陷分析及安全防范要求如下：（1）孔径大于规定尺寸。（2）钻孔偏移。1.2.5 镗削 1.镗削的定义镗削是一种用刀具扩大孔或其他圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（镗杆）。镗削加工通常作为大直径和箱体零件上的孔的半精加工或精加工工序，其切削运动由刀具回转来实现，进给运动可通过工件或刀具的移动来完成。在卧式镗床上可以完成钻、镗孔、车外圆、车螺纹、车端面、铣平面、斜面、各类槽、内孔、孔端面、平行面、倒角、钻孔、同轴孔等。1.2.5 镗削 2.镗削加工的特点镗削
12、运动时，镗刀随镗杆一起转动形成主切削运动，而工件不动。用镗刀对已有的孔进行再加工，称为镗孔。对于直径较大的孔（D80100 mm)、内成形面或孔内环槽等，镗削是唯一合适的加工方法。一般镗孔精度达IT8IT7，表面粗糙度值为1.60.8 m。精细镗时，精度可达IT7IT6，表面粗糙度值为0.80.1 m。1.2.5 镗削镗孔可以在多种机床上进行，如图1-7和图1-8所示。回转体零件上的孔多在车床上加工，箱体类零件上的孔或孔系(要求相互平行或垂直的若干几个孔)则常用镗床加工。本节介绍的主要是在镗床上镗孔。图1-7 镗床镗孔图1-8 车床镗孔1.2.6 齿形加工 齿轮齿形比较复杂，因此加工起来较为困
13、难。加工齿轮齿形的时候，应根据其精度要求确定好齿轮加工工艺过程。按齿形形成的原理不同，齿形加工可以分为两类方法：一类是成形法，用与被切齿轮齿槽形状相符的成形刀具切出齿形，如拉齿和成形磨齿等；另一类是展成法，齿轮刀具与工件按齿轮副的啮合关系做展成运动，工件的齿形由刀具的切削刃包络面形成，如滚齿和插齿。1.2.6 齿形加工 图1-9 滚切直齿圆柱齿轮时的运动1.2.6 齿形加工（1）主运动为滚刀的旋转。（2）展成运动为保持滚刀与被切齿轮之间啮合关系的运动。这一运动使滚刀切削刃的切削轨迹连续，包络形成齿轮的渐开线齿形，并连续地进行分度。（3）轴向进给运动是为了在齿轮的全齿宽上切出齿形，滚刀需沿工件轴
14、向做进给运动。1.2.7 复杂曲面加工 1.复杂曲面加工的定义除前面讨论过的外圆、内孔表面（同属旋转表面）的加工及平面加工以外，在机械制造中，曲面加工也占有一定比例。螺旋桨的表面、涡轮叶片表面、复杂模具型腔面等，其表面形状比较复杂，不能用基本立体要素（如棱柱、棱锥、球等）描述，通常称为复杂曲面。1.2.7 复杂曲面加工 2.常用加工方法及其特随着数控加工技术的发展及数控加工设备的普及，特别是随着CAD/CAM和计算机辅助编程技术的发展，数控铣削现在已经成为复杂曲面切削加工最主要的方法。在数控铣床或加工中心上加工曲面时，由加工程序控制机床运动，使球头铣刀逐点按曲面三维坐标加工，被加工曲面是球头铣
15、刀刃形在各点切削时形成的包络面。1.2.7 复杂曲面加工曲面加工程序，一般情况下，可由CAD/CAM集成软件包（大型商用CAD软件都有CAM模块）自动生成；特殊情况下，还要二次开发。采用数控加工中心的优点是：加工中心上有刀库，配备十几把刀具，对于曲面的粗、精加工及凹曲面的不同曲率半径的要求，都可以选到合适的刀具；同时，通过一次装夹可完成各主要表面及辅助表面（如孔、螺纹、槽等）的加工，有利于保证各加工表面的相对精度。1.2.8 磨削 1.磨削的定义磨削是指用磨料、砂轮及其他磨具切除工件上多余材料的加工方法。磨削加工是应用较为广泛的切削加工方法之一。在磨削中，磨粒本身也会由尖锐逐渐磨钝，使切削能力
16、变差、切削力变大。1.2.8 磨削图1-10 磨削时的运动当切削力超过黏结强度时，磨钝的磨粒会脱落，露出一层新的磨粒，这就是砂轮的自锐性。如图1-10所示。1.2.8 磨削砂轮表面的磨粒在切入工件时，其作用大致可分为滑擦阶段、刻划阶段和切削阶段。由于砂轮表面磨粒高低分布不均，每个磨粒的切削厚度也不相同，因此，有些磨粒切削工件形成切屑，有些磨粒只在工件表面刻划、滑擦，从而产生很高的温度，引起工件表面的烧伤及裂纹。磨粒的切削过程如图1-11所示。图1-11 磨粒的切削过程1.2.8 磨削 2.磨削加工的特点 磨削与其他切削加工方式如车削、铣削、刨削等比较，具有以下特点：（1）磨削速度很高，可达30
17、50 m/s；磨削温度较高，可达1 0001 500；磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右。（2）磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。（3）磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁等，而且可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如瓷件、硬质合金等。（4）磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。1.2.8 磨削 3.磨削加工的方法磨削加工可按不同的方法进行不同的划分：（1）按磨削精度，磨削加工可分为粗磨、半精磨、精磨、镜面磨削和超精加工。（2）按进给形式，磨削可分为切入磨削、纵向磨削、缓进给磨削、无进给磨削、定压研磨和定量研磨。（3）按磨削形式，磨削可分为砂带
18、磨削、无心磨削、端面磨削、周边磨削、振荡磨削、高速磨削、强力磨削、恒压力磨削、手动磨削、干磨削、湿磨削、研磨、珩磨等。1.2.8 磨削（4）按加工表面，磨削可分为外圆磨削、内圆磨削和平面磨削。除此之外，磨削加工还有多种划分方法，如按磨削中使用的磨削工具的类型可分为固结磨粒磨具的磨削和游离磨粒的磨削，固结磨粒磨具的磨削主要包括砂轮磨削、珩磨、砂带磨削、电解磨削等。1.2.8 磨削 4.磨削加工的范围磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能做高精度和表面粗糙度值很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。第1章 机械加工方法Part 1.3特种加
19、工1.3 特种加工传统的机械加工方法的本质是“以硬克软”，即由“硬”的刀具对“软”的被加工表面施以机械力，使之变形和分离，以达到加工的目的。从本质中可以看出，刀具材料的硬度必须大于零件材料的硬度，要靠机械能把零件上多余的金属材料切除；但是许多工业部门，尤其是国防及尖端科学研究部门的高、精、尖、新的产品不断涌现，产品的特殊结构越来越多，必须找到以柔克刚的加工方法特种加工来完成难切削材料、具有特殊复杂表面和特殊要求的零件加工。1.3 特种加工特种加工也称为非传统加工，它指的是直接借助化学能、光能、电能、热能、电化学能及特殊机械能等方法对材料进行加工的工艺方法。特种加工具有以下优点：（1）特种加工主
20、要不使用机械能，而是利用其他能量（化学能、光能、电能、声能、热能、电化学能等）加工材料。（2）加工范围不受材料的限制，可以加工任何硬的、脆的、耐热的或高熔点的金属或非金属材料。1.3 特种加工（3）在特种加工过程中，工件与工具之间没有明显的机械切削力，因而适合于加工薄壁件、弹性件，更适合于进行高精度和微细加工。（4）特种加工可以很方便地解决各种微孔、异形孔、窄缝、各种模具上的特殊型腔和孔槽等具有特殊或复杂表面零件的加工。1.3 特种加工特种加工的方法有很多，一般按照能量来源和作用形式及加工原理来进行划分。常用特种加工方法见表1-3。1.3 特种加工电火花加工又称为放电加工，是使用最广泛的一种特
21、种加工方法，在20世纪40年代开始研究并应用于生产中。1.3.1 电火花加工1.3.1 电火花加工 1.电火花加工的工作原理 电火花加工是指在一定电解质溶液中，将工具电极和零件分别接于电源的两极，并在其间施加脉冲电压，通过工具电极与零件电极之间不断产生的脉冲性火花放电，瞬时产生高温，把零件电极表面的金属局部熔化，甚至汽化蒸发而被蚀除掉。这样一种对零件进行加工的方法称为电火花加工。其工作原理示意图如图1-12所示。图1-12 电火花加工工作原理示意图1零件；2脉冲电源；3自动进给调节装置；4工具电极；5工作液1.3.1 电火花加工电火花加工在专用的电火花加工机床上进行，工件固定在机床工作台上，脉
22、冲电源为加工提供所需要的能量，电源两极分别接在工具电极和工件上。当工具电极和工件相互靠近时，极间电压击穿间隙产生火花放电，释放大量的热，工件表层吸收热量以后达到很高的温度，局部材料因为熔化而被蚀除，形成一个微小的凹坑。多次放电的结果是工具电极的轮廓形状被“复印”到工件上。1.3.1 电火花加工 2.电火花加工的特点(1)电火花加工不受零件材料的力学性能限制，可加工任何硬、脆、韧、软、高熔点、高强度的导电材料。(2)加工时，电源两极不直接接触，不存在显著的机械力，不会造成零件受力变形。电火花加工适用于加工小孔、薄壁、窄槽及各种复杂截面的型孔和型腔等，且加工质量好。1.3.1 电火花加工(3)脉冲
23、参数调整方便，在同一台机床上可连续进行粗加工、半精加工和精加工。精加工时精度可达0.01 mm，表面粗糙度值可达1.250.8 m；微精加工时精度可达0.0040.002 mm，表面粗糙度值可达0.160.05 m。(4)加工时不受热影响。由于电火花加工时的脉冲能量是间歇地用极短的时间作用在材料上，而工作液又是流动的，能起到散热的作用，因而保证了加工时不受热变形的影响。1.3.1 电火花加工(5)电火花加工不需要复杂的切削运动便可以加工形状复杂的零件表面，易于实现加工的自动化。(6)电火花加工需要制造精度高的电极，且在加工过程中存在一定的电极损耗，增加了加工成本，降低了加工精度。电火花加工只能
24、对导电材料进行加工，限制了它的应用范围。1.3.1 电火花加工 3.电火花加工的应用（1）电火花穿孔加工。电火花穿孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴和喷丝孔等零件上的各种孔(圆孔、方孔、多边孔、异形孔等），如图1-13所示。图1-13 电火花可加工的异形孔的径向截面1.3.1 电火花加工（2）电火花型腔加工。电火花型腔加工主要用于锻模、压铸模、挤压模、注塑模等的型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面的加工。（3）电火花线切割加工。如图1-14所示。（4）能进行电火花磨削内孔。图1-14 电火花线切割加工工作原理1绝缘底板；2零件；3脉冲电源；4电极丝；5导向轮；6支架；7储丝筒1.3.2 电解加工电解加
25、工属于电化学加工，目前主要在枪炮、航空、汽车、拖拉机等制造工业和模具制造行业应用较广泛。1.3.2 电解加工 1.电解加工的工作原理电解加工是利用金属零件在电解液中产生阳极溶解的电化学原理来对零件进行成形加工的一种方法。图1-15为电解加工过程示意图。图1-15 电解加工过程示意图1电极进给机构；2工具（阴极）；3零件（阳极）；4直流电源1.3.2 电解加工加工时，零件接直流电源(1020 V)的正极作为阳极，工具接电源的负极作为阴极，通过工具电极缓慢地向零件进给，两极之间保持一较小的间隙（0.10.8 mm），工作时通以520 V的工作电压和5200 A/mm2的大工作电流；在间隙中高速流过
26、（560 m/s）具有一定压力（13 MPa）的电解液。在加工过程中，零件上与工具阴极相面对的表面的金属材料不断地进行阳极溶解。这些溶解产物不断地被高速流动的电解液冲走，使阳极溶解不断进行。1.3.2 电解加工图1-16为电解加工成形原理示意图。图1-16 电解加工成形原理1.3.2 电解加工 2.电解加工的特点及应用（1）加工范围广，不受金属材料本身的硬度、强度等力学性能的影响，能加工硬质合金、淬火钢、耐热合金等各种高强度、高硬度、高韧性的金属材料，加工各种模具的复杂型腔，加工各种孔(花键孔、六方孔、内齿轮、深孔等)，加工各种型面(汽轮机、航空发电机的叶片等)。（2）加工质量好。由于电解加工
27、过程中不存在机械切削力和切削热，因此不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，加工表面没有飞边和毛刺，能获得较好的加工精度，其表面粗糙度可达1.250.2 m，平均尺寸精度可达IT9IT8。1.3.2 电解加工（3）在加工过程中，工具电极基本上没有损耗，这对保持工具型面和工件型面的精度是非常重要的。（4）只能加工能电解的金属材料，加工不出棱边、棱角。（5）由于影响电解加工的参数很多且很难控制，因此不易达到较高的加工精度和加工稳定性。1.3.2 电解加工电解加工的主要缺点是：设备投资大，耗电量大；电解液有腐蚀性，需对设备采取防护措施，对电解产物也需妥善处理，以防止污染环境。一般在加工难加工材料、型
28、面复杂、批量大的零件时才采用电解加工。1.3.3 超声波加工 1.超声波加工的工作原理超声波加工是利用做超声频振动的工具端面，带动零件与工具之间的磨料悬浮液，冲击和抛磨加工硬脆材料的一种成形方法。其加工原理如图1-17所示。图1-17 超声波加工原理示意图1超声波发生器；2磨料悬浮液进口；3工具；4零件；5磨料悬浮液；6振幅扩大棒；7能量换能器；8电源1.3.3 超声波加工加工时，将液体(普通水或煤油)与磨粒(碳化硅、氧化铝、碳化硼或金刚石粉)混合的磨料悬浮液，在压力作用下注入工具与零件之间的加工区内，并让工具头以很小的加工力轻轻压在零件上。超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声
29、频电振荡，通过能量转换器将其转变为超声频机械振动。但此时振动的幅度很小，不能直接用来对零件进行加工，需通过振幅扩大棒将振幅放大到 0.050.1 mm，驱动工具端面做超声频振动(1625 kHz)，从而迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断冲击、抛磨被加工表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从零件上被打下来；1.3.3 超声波加工同时，当工具端面以很大的加速度向上运动离开工作表面时，加工间隙中的工作液由于负压和局部真空的作用形成了许多微空腔，当工具端面再以很大的加速度向下运动接近零件表面时，空腔闭合，产生压力极大的液压冲击波，这种现象称为“超声空化”。在高频、交变的液压正负冲击波
30、和超声空化作用下，工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。随着工作液的循环流动，磨料不断更新并带走被粉碎下来的零件材料微粒。工具不断进给，逐步深入到零件中。最后，工具的形状便复印在零件上。因此，超声波加工过程是磨粒在工具端面的超声振动下，以机械撞击和抛磨为主，以超声空化为辅的综合作用过程。1.3.3 超声波加工 2.超声波加工的特点及应用1 2 3 4加工范围广，适合加工各种硬而脆的金属或非金属材料。加工精度好，其表面粗糙度可达0.80.1 m，尺寸精度可达IT6IT5。超声波可用于孔、型腔加工等各种类型的零件，如图1-18所示。超声波还可用于切割硬脆的半导体材料加工。1.3.3
31、超声波加工超声波加工不但能加工硬质合金、淬火钢等硬脆导电材料，而且更适合加工玻璃、陶瓷、宝石、金刚石和半导体等不导电的硬脆非金属材料。超声波加工零件的类型如图1-18所示。图1-18 超声波加工零件的类型1.3.4 激光加工激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。激光加工因不需要加工工具，具有加工速度快、效率高、表面变形小、可以加工各种硬脆和难溶的材料等特点，所以应用非常广泛。1.3.4 激光加工 1.激光加工的工作原理激光加工是指利用光能经过透镜聚焦后，形成功率密度极高的激光束，照射在零件的加工表面上，依靠光热效应来加工各种材料的一种加工方法。当把激光束照到零件的加工表面时，光能被零件
32、吸收并迅速转化为热能，温度高达10 000 以上，使材料瞬间(千分之几秒或更短的时间)熔化甚至汽化而形成小坑。在冲击波的作用下将熔融材料喷射出去，并在零件内部产生一个方向性很强的反冲击波，于是在零件加工表面打出一个具有一定锥度(上大下小)的小孔。1.3.4 激光加工图1-19 固体激光加工原理示意图1.3.4 激光加工 2.激光加工的特点及应用(1)加工范围广。由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工各种金属和非金属材料。其特别适用于加工高熔点材料、耐热合金、陶瓷、石英、金刚石、硬质合金、宝石等硬脆材料。(2)激光可以通过聚焦后形成微米级的光斑，又可以调节输出功率的大小，所以可用于精密微细加工，
33、如加工直径为0.01 mm的小孔和窄缝切割加工等。(3)激光加工是高能束流的非接触加工，所以无明显的机械力，也没有工具损耗。其加工速度快（打一个孔只需0.001 s），热影响区小，易实现加工过程自动化。1.3.4 激光加工(4)加工性能好，零件可以离开加工机进行加工，激光能通过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工。(5)激光加工可进行激光打孔、切割、焊接及表面热处理。目前，激光加工存在的主要问题是：设备价格高，更大功率的激光器还处于实验研究阶段；不论是激光器本身的性能质量，还是操作员的技术水平都有待进一步提高。1.3.5 电子束和离子束加工 1.电子束加工电子束加工是近几年得到较大发展的新
34、型特种加工技术，尤其是在微电子领域应用较多。（1）电子束加工的工作原理。图1-20为电子束加工原理及结构，它由高压电源、电子枪系统、真空系统和控制系统等组成。图1-20 电子束加工原理及结构1.3.5 电子束和离子束加工在真空条件下，利用电子枪系统中的电子发射阴极经电流加热发射电子束，通过控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，再通过透镜聚焦系统进一步聚焦，就得到了能量密度极高(106109 W/cm2)的电子束。电子束以极高的速度冲击到零件表面的极小区域上(直径为510 m)，其能量大部分转变为热能，使被冲击点处产生瞬时高温(在几分之一微秒时间内，温度急剧上升到几千摄氏度)，从而引起材料的局部熔
35、化或汽化直至蒸发，被真空系统抽走，以达到加工的目的。1.3.5 电子束和离子束加工电子束加工是一种精密微细的加工方法，可用来加工微细深孔、窄缝和半导体、集成电路等。加工材料范围广，加工速度快，生产效率高。其加工质量与电火花加工、电解加工相当，优于激光加工。电子束可高速打孔及对型面进行加工，在微电子器件上能进行电子束刻蚀。（2）电子束加工的特点。1.3.5 电子束和离子束加工（3）电子束加工的应用。电子束加工已广泛用于不锈钢、耐热钢、合金钢、陶瓷和玻璃等难加工材料的圆孔、异形孔和窄缝的加工；还可以用来焊接难熔金属、化学性能活泼的金属，以及碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金等。1.3.5 电子束和离子束
36、加工 2.离子束加工（1）离子束加工的工作原理。图1-21为考夫曼型离子束加工原理及结构。离子束加工的原理和电子束加工的原理基本相似。图1-21 考夫曼型离子束加工原理及结构1.3.5 电子束和离子束加工其工作原理是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，然后引入已抽成真空且充满惰性气体的电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出的阳离子经加速、集束等步骤，最后射入工件表面。两者不同的是离子带正电荷且质量比电子大数千倍，所以一旦使离子的速度加到较高，离子束比电子束具有更大的撞击动能。离子束是微观的机械撞击能量，而不是像电子束那样靠动能转化为热能加工零件的。1.3.5 电子束和离子束加工（2）离子束
37、加工的特点。离子束加工可以加工任何材料。离子束加工是特种加工方法中最精密、最细微的加工方法。由于在真空条件下加工，因此其产生污染少，特别适用于易氧化金属、合金材料和高纯度半导体材料。加工应力和加工变形非常小，对材料适应性强。设备费用高，成本高，加工效率低。1.3.5 电子束和离子束加工（3）离子束加工的应用。蚀刻加工。离子束蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等电子学构件。离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。1.3.5 电子束和离子束加工离子束镀膜加工。离子束镀膜可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆。离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。Thank you for time