【正文】 精度較高的一些電解液以及混氣電解加工工藝,大大提高了電解加工的成型精度,簡化了工具陰極的設(shè)計(jì)，促進(jìn)了電解加工工藝的進(jìn)一步發(fā)展。第7章 激光加工技術(shù)1 激光原理 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，高能級(jí)上的粒子數(shù)總是小于低能級(jí)的粒子數(shù)。由于外界能源的激勵(lì)(光泵或放電激勵(lì))，破壞了熱平衡，有可能使得處于高能級(jí)E2上的粒子數(shù)n2大大增加，達(dá)到n2n1。這種情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。一般可把原子從低能級(jí)n1激勵(lì)到高能級(jí)n2以使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程稱為泵浦(或抽運(yùn))。泵浦裝置實(shí)質(zhì)上是激光器的外來能源，提供光能、電能、熱能、化學(xué)反應(yīng)能或原子核能等。激光泵浦裝置的作用，是通過適當(dāng)?shù)姆绞剑瑢⒁欢ǖ哪芰總魉偷焦ぷ魑镔|(zhì)，使其中的發(fā)光原子(或分子、離子)躍遷到激發(fā)態(tài)上，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 諧振腔 光學(xué)諧振腔裝有兩面反射鏡，分置在工作物質(zhì)的兩端并與光的行進(jìn)方向嚴(yán)格垂直。反射鏡對(duì)光有一定的透過率，便于激光輸出；但又有一定的反射率，便于進(jìn)行正反饋。由于兩反射鏡嚴(yán)格平行，使在兩鏡間(即諧振腔內(nèi))往返振蕩的光有高度的平行性，因而激光有好的方向性。 處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，一旦發(fā)生受激發(fā)射，由于在激光工作物質(zhì)的兩端裝上反射鏡，光就在反射鏡間多次來回反射。于是在反射鏡之間光強(qiáng)度增大，有效地產(chǎn)生受激發(fā)射，形成急劇的放大。若事先使一端的反射鏡稍微透光，則放大后的一部分激光就能輸出到腔外 激光放大 處于激活狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，當(dāng)有一束能量為E= hν21=E2E1的入射光子通過該激活物質(zhì)，這時(shí)光的受激輻射過程將超過受激吸收過程，而使受激輻射占主導(dǎo)地位。在這種情況下，光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。其實(shí)，這樣一段激活物質(zhì)就是一個(gè)放大器。2激光器簡單介紹 激光器種類比較多，但在工業(yè)上最常用材料加工的激光器是CO2激光器和Nd：YAG激光器。，電光轉(zhuǎn)換效率為10%~15%。 激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)等四大部分。 (1) 激光器：是激光加工的核心設(shè)備，它是把電能轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生激光束。(2) 激光器電源：為激光器提供電能以及實(shí)現(xiàn)激光器和機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)控制。(3) 光學(xué)系統(tǒng)：主要包括聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。(4) 機(jī)械系統(tǒng)：包括床身、數(shù)控工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)等。3 激光切割和打孔技術(shù) 激光切割與傳統(tǒng)的機(jī)械切割方式和其他切割方式(如等離子切割、水切割、氧溶劑電弧切割、沖裁等)相比，激光切割具有如下優(yōu)點(diǎn)。(1) 切縫細(xì)小，可以實(shí)現(xiàn)幾乎任意輪廓線的切割。(2) 切割速度高。(3) 切口的垂直度和平行度好，表面粗糙度好。(4) 熱影響區(qū)非常小，工件變形小。(5) 幾乎沒有氧化層。(6) 幾乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材料和極軟、極硬的材料，既可以切割金屬，也可以切割非金屬如玻璃、陶瓷以及木材、布料、紙張等。(7) 無力接觸式加工，沒有“刀具”磨損，也不會(huì)破壞精密工件的表面。(8) 具有高度的適應(yīng)性、加工柔性高，可以實(shí)現(xiàn)小批量、多品種的高效自動(dòng)化加工。(9) 噪聲小，無公害。 4 激光焊接技術(shù) 激光焊接原理(1) 熱傳導(dǎo)熱焊接。采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2時(shí)，激光將金屬表面加熱到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間。焊接時(shí)，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴(kuò)大，凝固后形成焊點(diǎn)或焊縫，這種焊接機(jī)理稱為熱傳導(dǎo)熱焊。(2) 激光深熔焊接。當(dāng)激光光斑上的功率密度大于106W/cm2時(shí)，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化或汽化，產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定速度離開熔池，逸出的蒸氣對(duì)熔化液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凹坑。當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱時(shí)，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小坑進(jìn)一步加深；另一方面，坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，此過程連續(xù)進(jìn)行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個(gè)細(xì)長的孔洞而進(jìn)行焊接，因此稱之為激光深熔焊。 5 激光表面技術(shù) 采用激光高能束流集中作用在金屬表面，通過表面掃描或伴隨有附加填充材料的加熱，使金屬表面由于加熱、熔化、汽化而產(chǎn)生冶金的、物理的、化學(xué)的或相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，達(dá)到了金屬表面改性的目的，這種加工技術(shù)稱為激光表面技術(shù)。據(jù)激光加熱和處理工藝方法的特征，激光表面處理的種類很多，如下圖列出了幾種典型工藝。 激光表面技術(shù)的分類圖 6 激光銑削技術(shù)激光銑削技術(shù)與應(yīng)用 當(dāng)聚焦的高能激光束作用于物體微小區(qū)域，瞬間可使任何材料熔化或者蒸發(fā)，激光銑削就是利用激光束按規(guī)定的圖案，一層一層掃描剝離(或稱燒蝕)材料，就像機(jī)械銑削過程一樣對(duì)材料進(jìn)行成形加工，這類似機(jī)械銑削加工，可以形象地把它稱為激光銑削。利用激光銑削加工可以直接進(jìn)行零件的成形加工，激光銑削加工具有很大的柔性，特別適合單件小批量生產(chǎn)。 7 激光快速成形技術(shù) 激光快速原型制造技術(shù)是指通過三維模型和體積單元疊加的方法生產(chǎn)制造模型或者零件的工藝，也定義為加成技術(shù)。其制造原理是在計(jì)算機(jī)上生成零件的CAD模型，通過特殊的軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行切片處理，使一個(gè)復(fù)雜的三維零件轉(zhuǎn)變成一系列的二維平面圖形，計(jì)算機(jī)由此獲得掃描軌跡指令。根據(jù)CAD給出的路線，數(shù)控系統(tǒng)控制激光束來回掃描，便可形成逐層堆積而形成的任意形狀的實(shí)體模型。其類型主要有液體材料的固化(光敏樹脂固化如SLA)的點(diǎn)線面、實(shí)體疊層制造(LOM)和區(qū)域選擇激光燒結(jié)(SLS) 。 激光直接制造金屬零件與區(qū)域選擇激光燒結(jié)技術(shù)相似，其區(qū)別在于：使用單組元粉末材料和在過程中粉末材料完全熔化。借助送粉器將一種或多種金屬粉末經(jīng)送粉噴嘴匯集送到激光形成的小熔池中，粉末熔化凝固后形成一個(gè)金屬點(diǎn)。根據(jù)CAD給出的路線，用數(shù)控系統(tǒng)控制激光束來回掃描，便可形成金屬線、金屬面并逐層熔覆堆積出任意形狀的金屬實(shí)體零件。 激光微細(xì)立體光刻 激光微細(xì)立體光刻是把立體光刻技術(shù)(SLA)應(yīng)用到微制造領(lǐng)域衍生出來的一種加工技術(shù)。它的特點(diǎn)是不受MEMS器件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀的限制，可以加工包含自由曲面在內(nèi)的任意三維結(jié)構(gòu)。 其原理是利用激光束在短時(shí)間內(nèi)對(duì)工件的中間進(jìn)行加熱，工件受熱要膨脹，但工件承受了周圍的阻力而不能膨脹，結(jié)果在受熱區(qū)受到了壓應(yīng)力，一旦壓應(yīng)力達(dá)到了屈服極限，就會(huì)形成永久變形，如果控制好其變形就可以達(dá)到成形目的。第八章 電子束和離子束加工技術(shù)1．1電子束加工的基本原理如下圖所示，在真空條件下，電子槍射出高速運(yùn)動(dòng)的電子束，電子束通過一極或多極匯聚形成高能束流，經(jīng)電磁透鏡聚焦后轟擊工件表面，由于高能束流沖擊工件表面時(shí)，電子的動(dòng)能瞬間大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｓ捎诠獍咧睆綐O小(其直徑在微米級(jí)或更小)，在轟擊處形成局部高溫，可使被沖擊部分的材料在幾分之一微秒內(nèi)，溫度升高到幾千攝氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸發(fā)而實(shí)現(xiàn)加工目的。所以電子束加工是通過熱效應(yīng)進(jìn)行的。電磁透鏡實(shí)質(zhì)上只是一個(gè)通直流電流的多匝線圈，其作用與光學(xué)玻璃透鏡相似，當(dāng)線圈通過電流后形成磁場。利用磁場，可迫使電子束按照加工的需要作相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)。 ：(1) 束斑極小。由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。微型機(jī)械中的光刻技術(shù)，可達(dá)到亞微米級(jí)寬度。(2) 能量密度很高。能達(dá)到107~109W/cm2，使照射部分的溫度超過材料的熔化和汽化溫度。去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。適合于加工精微深孔和狹縫等，速度快，效率高。(3) 可控性好?？梢酝ㄟ^磁場或電場對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，可加工出斜孔、彎孔及特殊表面，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。，強(qiáng)度和斑束尺寸可達(dá)到1%的控制精度。(4) 生產(chǎn)率很高。電子束的能量密度高，而且能量利用率可達(dá)90%以上，所以加工生產(chǎn)率很高。 (5) 無污染。由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。 (6) 電子束加工有一定的局限性，一般只用來加工小孔、小縫及微小的特形表面，且需要一套專用設(shè)備和數(shù)萬伏的高壓真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。1） 打孔電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。目前，電子束打孔的最小直徑已達(dá)1。~，其最大孔深已超過10mm，即孔深徑比大于15∶1。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，通常每秒可加工幾十至幾萬個(gè)孔，而且有時(shí)還可以改變孔徑。2）焊接電子束焊接是電子束加工技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的焊接方法。電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝，焊接過程不需要填充物(焊條)，焊接過程又是在真空中完成。因此焊縫中的化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度往往高于母材。3） 熱處理電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度，~。焊接時(shí)，可以在金屬熔化區(qū)加入適當(dāng)?shù)脑?，使焊接區(qū)形成合金層，從而得到比原來金屬更好的物理力學(xué)性能。 4）刻蝕集成電子器件、集成光學(xué)器件、表面聲波器以及微機(jī)械元器件的圖形制作技術(shù)中，為制造多層固體組件，可用電子束刻出許多微細(xì)溝槽和孔。例如通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，；在銅制滾筒上可以刻出直徑為70~120，深度為5~40μm的凹坑。 離子束加工的原理與電子束加工類似，也是在真空條件下，將氬、氪、氙等隋性氣體，通過離子源產(chǎn)生離子束并經(jīng)過加速、集束、聚焦后，以其動(dòng)能轟擊工件表面的加工部位，實(shí)現(xiàn)去除材料的加工。該方法所用的是氬(Ar)離子或其他帶有10keV數(shù)量級(jí)動(dòng)能的惰性氣體離子。 (1) 易于精確控制，加工精度高。離子束可通過離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，使微離子束的聚焦光斑直徑在1以內(nèi)進(jìn)行加工，并能精確控制離子束流密度、深度、含量等，以獲得精密的加工效果，可以對(duì)材料實(shí)行“原子級(jí)加工”或“微毫米加工”。(2) 加工應(yīng)力小、變形小。離子束加工是依靠離子撞擊工件表面的原子而實(shí)現(xiàn)的，是一種微觀作用，其宏觀作用力極小，加工應(yīng)力、變形也極小，故對(duì)脆件、極薄、半導(dǎo)體、高分子等各種材料、低剛度工件進(jìn)行微細(xì)加工，加工的適應(yīng)性好。(3) 加工所產(chǎn)生的污染少。因?yàn)殡x子束加工是在較高真空中進(jìn)行的，所以污染少，特別適合易氧化的金屬、合金材料及半導(dǎo)體材料的精密加工。但是，要增加抽真空裝置，不僅投資費(fèi)用較大，而且維護(hù)也麻煩。(4) 離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，它是一種微觀作用，宏觀應(yīng)力很小，所以加工應(yīng)力、變形等極小，加工質(zhì)量高，適合于各種材料和低剛度零件的加工。1）離子刻蝕離子刻蝕是從工件上去除材的濺射過程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動(dòng)量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍍合力時(shí)，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的。該種方法是一種微細(xì)加工，可完成多種加工。如加工致薄材料鎳箔(厚度僅有10)，可加工出直徑為20的孔；~、銅、金、鋁、鉻、銀等薄膜上加工直徑為30~10d的孔。2）離子鍍覆 離子鍍覆時(shí)工件不僅接受靶材濺射來的原子，同時(shí)還受到離子的轟擊，這使離子鍍覆有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：鍍覆面積大(所有被暴露在外的表面均能被鍍覆)、鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落、提高或改變材料的使用性能?？稍诮饘倩蚍墙饘佟⒏鞣N合金、化合物、某些合成材料、半導(dǎo)體材料、高熔點(diǎn)材料均可鍍覆，使用廣泛，如工具上覆蓋高硬度的碳化鈦、可以大大提高其使用壽命。鋼的表面熱處理，進(jìn)行離子氮化，以強(qiáng)化表面層，可以大大提高耐磨性。3）離子注入 離子注入是將所需要的元素進(jìn)行電離，并進(jìn)行加速，把離子直接注入工件表面，它不受熱力學(xué)限制，可以注入任何離子，且注入量可以精確控制，注入的離子是固溶在工件材料中，含量可達(dá)10%~40%，注入深度可達(dá)l甚至更深。離子注入是半導(dǎo)體參雜的一種新工藝，在國內(nèi)外都很普遍。已廣泛應(yīng)用于微波低噪聲晶體管、雪崩管、場效應(yīng)管、太陽能電池、集成電路等制造中。第九章 超聲波加工（1）超聲波加工是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法（2）超聲波加工是磨料在超聲波振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結(jié)果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。1）加工范圍廣①可加工一些傳統(tǒng)難加工的金屬與非金屬材料。②適合深小孔、薄壁件、細(xì)長桿等低剛度零件的加工。 ③適合高精度、低表面粗糙度等精密零件的精密加工。 2）切削力小、切削功率消耗低。由于超聲波加工主要靠瞬時(shí)的局部沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小。 3）工件加工精度高、表面粗糙度低。 4）易于加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔和成形表面等。 5）工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀。 6) 超聲波加工設(shè)備結(jié)構(gòu)一般比較簡單，操作維修方便。超聲波加工的生產(chǎn)率雖然比電火花加工和電解加工低，但其加工精度和表面質(zhì)量都優(yōu)于它們。而且可以加工難以加工的半導(dǎo)體和非金屬的硬脆材料。對(duì)于電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模等，最后還經(jīng)常用超聲波拋磨、光整加工，使表面粗糙度進(jìn)一步降低。1）型孔和型腔的加工 2）切割加工對(duì)于難以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、寶石等用超聲波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。3）超聲波清洗其原理主要是基于清洗液在超聲波作用下產(chǎn)生空化效應(yīng)的結(jié)果?？栈?yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊液直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破壞，并從清洗表面脫落下來。應(yīng)用：主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件，特別是工件上的深小孔