第八章:先进制造工艺之四

  

    激光束加工(LBM, Laser Beam Machining)是利用能量密

度很高的激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能

束加工。两大类:

  • 激光热加工:指激光束加于物体所引起的快速热效应的各种加工过程。

  • 激光冷加工:激光加于物体,借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工(如立体光刻快速成型技术)。

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  1. 激光束加工的基本原理和特点

   激光及其特性

    激光能产生受激辐射,并输出大量在频率、位相、传播方向都

与外来光子完全一致的光。不仅具有反射、折射、绕射及干涉等一

般光的共性,还具有单色性好、方向性好和强度高的特性。

  • 单色性:由于激光具有理想的位相、相同的波长,其驳斥谱线宽度比其它光源的光的波长宽度要小几个数量级,所以激光的单色性最好,可以聚焦成几微米的光斑。

  • 相干性:当两个振动方向相同、频率相同、偏振状态相同、周相相同的光源在空间某点相遇叠加时,各点的震动就有可能比叠加前始终加强或减弱,甚至完全抵消,呈现稳定的明暗条纹—光的干涉现象,即光波具有相干性。激光中,原子或分子所发出的光波是相幅关联的,符合上述条件,相干性好。

  • 方向性:用光束的散射角来表示。散射角愈小,方向性愈好。激光的各个发光中心是互相关联地定向发射,可以把激光束压缩在很小的立体角内,其发射角一般可小到10-3~10-4rad。仅为探照灯的几百分之一。通过聚光系统聚焦,其焦点光斑直径一般小于0.01mm。

  • 强度高:由于激光能实现在空间和时间上的高度集中,其亮度远远高于其它光源。一台红宝石巨脉冲激光器的亮度要比太阳表面的亮度高200多亿倍。

                                

                              

    激光加工的基本原理

    激光加工是以激光为热源对工

件进行热加工。

    激光是单色光,强度高、相干

性和方向性好,通过一系列的光学

系统,可将激光束聚焦成光斑直径

小到几微米、能量密度高达

108~109W/cm2,并能在千分之几秒

甚至更短的时间内使任何可熔化、

不可分解的材料熔化、蒸发、汽化

而达到加工的目的。

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    加工过程大体上可分为如下几个阶段

  • 激光束照射工件材料(光的辐射能部分被反射,部分被吸收并对材料加热,部分因热传导而损失);

  • 工件材料吸收光能;

  • 光能转变成热能是工件材料无损加热(激光进入工件材料的深度极浅,所以在焦点中央,表面温度迅速升高);

  • 工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏;

  • 作用结束与加工区冷凝。

 激光加工的特点
  1. 不需加工工具,不存在工具消耗、无机械加工变形,加工速度快、热影响区小;
  2. 可通过调节光束能量、光斑直径及光束移动速度,实现各种加工,包括微细加工、自动化加工;
  3. 激光的功率高,几乎可以加工所有的可熔化、不可分解的金属;非金属材料,透明材料(如玻璃)只要采取一些色化和打毛措施,也可加工;
  4. 可透过透明介质(如玻璃)、惰性气体或空气对工件加工。这在某些特殊情况下(如真空管内的焊接加工)显得十分重要和方便;
  5. 激光易于导向、聚焦和发散,可与数控机床、机器人等结合,构成各种灵活的加工系统,有利于对传统加工工艺、传统的机床、设备的改造;
  6. 激光束加工是一种热加工,影响因素很多,故加工精度难以保证和提高。
  7. 激光对人体有害,须采取相应的防护措施。

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  激光束加工的基本设备

    激光束加工基本设备由激光器、激光电源、光

    学系统及机械系统等四大部分组成。

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    激光电源----根据加工工艺要

求提供激光器所需要的能量。

    光学系统----将光束聚焦并观

察和调整焦点的位置,包括显微镜

瞄准、激光束聚焦及加工位置的显

示等。

    机械系统----包括床身、可在

多坐标范围内移动的工作台及 电机

控制系统等。可数字控制工作台的

移动,实现激光加工的连续操作。

    激光器----将电能转变为光

能,产生所需要的激光束。

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    按激活介质的种类可分为

固体激光器、气体激光器、液

体激光器、自由电子激光器

等;

    按激光器工作方式可分为

连续式和脉冲式。

    目前常用于材料加工的激

光器有CO2气体激光器和固体激

光器。

                 

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    激光辅助切削:(500-1000w) 高性

能陶瓷、钛合金和镍基合金切削力大,在

零件小时不易磨削。激光加热切削点,使

切削力降低,切削部分的延性提高,以车

代磨(Ra<0.5micrometer)。断裂性能提高

64%。

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  激光束加工的应用

    激光束加工主要用于打孔、切割、焊接和表面处理等材料成形和改性等一系列加工工艺中。在过

去二十多年时间里,激光束加工技术得到了异常迅速的发展,而且得到了广泛的工业应用。

激光表面处理

    包覆和喷涂:在母材基体

表面预置合金薄片或粉剂,然

后利用激光加热使其熔化,光

束离去后涂覆材料便迅速凝

固,形成与基体材料牢固结合

的包覆层,以提高表面耐磨性

和耐腐蚀性。激光能使包覆材

料很快熔化,母材并不熔化,

且包覆材料仅施于所需之处,

因此,涂层厚度均匀,结合力

强。例如,对镍基合金涡轮叶

片,利用激光涂覆钴基合金

后,可提高叶片的耐热、耐磨

耗性能。

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    表面硬化:以激光为热源。原理

与火焰表面淬火相同。不同之处:火

焰淬火加热面积大,需用水冷却硬

化。激光功率密度大而能在短时间处

理,热影响范围小,不用水也能急冷

而硬化。

    表面均匀化:用激光加热材料使

其比表面硬化处理的温度稍高一些,

让表层略微熔化就急冷,这种处理称

为表面均匀化。例如,工具钢等碳化

物相的材料,采用激光使碳化物熔化

分解,并通过急冷形成微细粒子弥散

或固溶在材料中,达到均匀化的目

的。

                  

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  激光切割

    激光能切割的材料除金属外,还有塑

料、木材、纸张、橡胶、皮革、陶瓷、混

凝土、纤维以及复合材料等。

    切割效果:割缝宽度0.2~0.3mm;

热影响区宽度0.04~0.06mm;割缝形状

平行;切割速度快,设备费很高;

运转费低。

    激光切割适合多品种小批量生产。在

激光切割机上配以数控工作台,可切割复

杂形状的产品。

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  激光焊接

    激光束焊接是利用激光束聚焦到工件表面,使辐射作用表面的金属“烧熔”粘合而形成焊接接

头。所需能量较低(104~106W/cm2)。具有:

  1、焊接过程迅速,生产率高;

  2、被焊接材料不易氧化、焊点小、焊缝

窄、热影响区小,故焊接变形小、精度高。

适合于微型、精密、排列密集、受热敏感的

焊件。

 

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  3、可焊接同种金属,也可焊接异

种金属,甚至焊接金属与非金属材

料。可进行薄片间或丝与丝之间的

焊接。

                  

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    在机械工业中广泛应用的激光焊接是基于大功率激

光所产生的小孔效应基础上的深熔焊接。是一种熔深

大、速度快、单位时间熔合面积大的高效焊接方法,且

是焊缝深宽比大、比能小、热影响区小、变形小的精确

焊接方法。但要求被焊接件有较高的装配精度,且被聚

焦成很细的激光束严格沿着待焊缝隙扫描。

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microgear.gif (11242 字节) 新特点
高速化(300mm2/min)
精密化(Ra:0.5micrometer)
微细化,
加工自动化,
加工范围扩大
WEDG (wire  electrodischarge grinding)线电极磨削
  • 制造微型主轴和销,微切削工具
  • 线电极点接触,工件仅与成型运动精度有关
  • 线电极运动,不需考虑电极损耗
  • 易自动化,可加工多种形状的工件
  • 加工时间长,初精结合
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WECG(wire electrochemical grinding)线电极电化学加工

    精加工微型主轴和销(5micrometer),

微切削工具(电极和工件的间隙大,微电

流)

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EDM (electrodischarge)电火花加工

mems-MMTeck3.jpg (34806 字节)

    多电极加工(成型),反拷加工

(块电极加工轴等)

                           

MEDM (micro electrodischarge):微加工
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    microdrilling电极转

动,micromilling 电极扫描运动,

微进给,均化电极端磨损,(15微

米的孔)

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EDMILL 电火花铣削
medm-tandwiel.gif (128488 字节) 电极补偿,CAD/CAM技术

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ROBOMILL 200

LIGA工艺技术   

 

LIGA:Lithoraphic Galvahoformung Abformung 同步电磁辐射X光光刻腐蚀、电铸成型微制造(MEMS)工艺。

工艺过程: 用X光在特定光谱下光照盖了掩模板的光刻胶,光刻胶晶格变化后可被溶解形成空腔,电铸(电化学沉积)金属填满型腔,对电铸件进行清洗抛光 。

 

  

  金刚石薄膜抛

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  金刚石:

    具有最高硬度和耐磨性的工程结构材料。

    集良好的绝缘特性、导热特性、光学特性、化学稳定性和

掺杂诱导半导体特性等优异特性为一体的功能材料。

    用途:金刚石薄膜在硬质合金或陶瓷基体上

沉积的涂层刀具(刀片、麻花钻、立铣刀等)、

或用厚膜焊接在基体上制成的刀具、高保真扬声

器中使用的金刚石涂层或纯金刚石膜振动膜、用

金刚石薄膜制成的X光机的光学窗口等CVD金刚石

制品。

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  等离子体抛光

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     抛光在一密闭容器中完成。

图中的阴极为带有圆弧面的铝板

制成。园弧的直径为75mm,曲率

为200mm。阴极被安装在一个铜制

的水冷装置上并与直流电源相

连。金刚石膜安装在托架上置于

阴级对面。阴极表面在加工中不

断由腔内气体作用而发生氧化,

由于阴极为圆弧面,所以当等离

子体通过阴极表面时将产生弯

曲,使之在工件与阴级间产生半

聚焦的电子束。加工时腔内保持

一定的真空度,并不断充入工作

气体(氧气及氢气)。这种方法

也称作电子束辅助等离子体加

工。该法一般用于精细光整加

工,可用来处理非常薄的金刚石

膜。薄膜的最小厚度仅为5mm,

加工速度约为10~40nm/min。

  离子束抛光

     离子束加工方法是目前国内外使用较多的一种金刚

石膜抛光方法。它是利用氧气或具有较大溅射率的惰性

气体离子进行溅射刻蚀,图中离子源采用ECR离子枪,可

得到长时间稳定均匀的离子束。工件安装在支架上,当a

=0时可固定不动。当a>0时,可由电机带动回转,使金

刚石膜表面各处均匀受到离子束作用,得到无方向性的

光滑表面[17-19]。该方法可用于各类金刚石膜的抛光,

但在作为粗中抛光时效率相对较低,如使Rmax=50m m抛

光至15m m约需24小时,从3m m抛至0.5m m约需8小时。

但该方法可获得较高的表面质量,其表面粗糙度可达到

的纳米级水平。如五厘米直径初始表面Ra=1m m的金刚石

薄膜,经过40分钟抛光表面粗糙度可降至55.4nm。局部

原子水平级的抛光,Ra可达1.9nm/1m m2及1nm/10m m2

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   MQL(最小量冷却液)

MQL的定义: MQL是将压缩空气与润滑液混合气化后,喷射至加工区,对加工进行充分有效的润滑。
MQL的关键技术: (1) 如何保证润滑液可靠的进入切削区,对加工进行充分有效的润滑;
(2) 如何确定加工所需的润滑液用量。
MQL的优点:

MQL是一种很有效的加工新技术,在不能采用完全干切削的场合,MQL可代替湿切削,达到与其相同或超过它的效果,加工后刀具、工件、切屑仍然保持干燥,减少了切屑的处理费用,既降低了成本,也不会对环境造成污染。

刀具材料的选择

PCD,陶瓷刀具,涂层刀具,CBN。
加工应用: 切削、铣削、钻孔、铰孔和螺纹加工。

(MQL注入方法)

  冷却方法:

刀具下部冷却系统:刀具下部通冷却液,不直接接触切削区。

刀杆内部蒸发系统:刀具刀杆内部加可蒸发液体(水等)冷却,在刀具表面蒸发。

致冷剂系统:氮类气体束在刀杆内导管中流动,或加到加工区。

Copyright 1999—2000 IMT,GDUT Prof.Dr.Wang Chengyong.

All rights reserved.

热电冷却系统:在成为电极材料的加工中,通电流。

  MQL可进行干切削加工的各种方案:

   CVM加工