機(jī)械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)論文

本科課程論文 題 目 激光加工應(yīng)用及其發(fā)展 學(xué) 院 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 年 級 2010 學(xué) 號 222010322210250 姓 名 羅 歡 指 導(dǎo) 教 師 邱 兵 成 績 _ 2012 年 12 月 6 日 目錄 摘要 . 2 1 前言 . 2 2 正文 . 2 2.1 激光加工的原理及其特點(diǎn) . 錯誤 !未定義書簽。 2.1.1 激光加工的原理 . 錯誤 !未定義書簽。 2.1.2 激光加工的特點(diǎn) . 3 2.2 激光加工的應(yīng)用 . 3 2.2.1 激光打孔 . 3 2.2.2 激光切割、劃片與刻字 . 3 2.2.3 激光熱處理 . 4 2.2.4 激光強(qiáng)化處理 . 4 2.2.5 激光融化處理 . 4 2.2.6 精細(xì)加工 . 5 2.3 激光加工的發(fā)展前景 . 6 3 結(jié)論 . 6 參考文獻(xiàn) . 7 2 激光加工應(yīng)用及其發(fā)展 羅歡 邱兵 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 2010 級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 4 班 摘要 ： 激光加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。用激光束對材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。 關(guān)鍵詞 ： 激光加工 加工原理 發(fā)展前景 精細(xì)加工 1 前言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會需求的多樣 化，產(chǎn)品的競爭越來越激烈，更新?lián)Q代的周期也越來越短。為此，要求不但能根據(jù)市場的要求盡快設(shè)計出新產(chǎn)品，而且能在盡可能短的時間內(nèi)制造出原型，從而進(jìn)行性能測試和修改，最終形成定型產(chǎn)品。而在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，需要大量的模具設(shè)計、制造和調(diào)試等工作，成本高，周期長，已不能適應(yīng)日新月異的市場變化。為了提高研發(fā)和生產(chǎn)速度，快速而精確地制作出高質(zhì)量、低成本的模具和產(chǎn)品，能對市場變化做出敏捷響應(yīng)，人們作了大量的研究和探索工作。隨著工業(yè)激光器價格的不斷下降和工業(yè)激光加工技術(shù)的日益成熟，給模具制造和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝帶來了重大變革 。 2 正文 2.1 激光加工的原理及其特點(diǎn) 2.1.1 激光加工的原理 激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與 3 工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。 2.1.2 激光加工的特點(diǎn) 激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢： 由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速 度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。 它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。 激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。 激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。 它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。 由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。 使用 激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。例如：美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動機(jī)上的異形槽，不到 4H 即可高質(zhì)量完成，而原來采用電火花加工則需要 9H 以上。僅此一項，每臺發(fā)動機(jī)的造價可省 5 萬美元。激光切割鋼件工效可提高 8-20 倍，材料可節(jié)省 15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但不足之處也是很明顯的。 2.2 激光加工的應(yīng)用 2.2.1 激光打孔 采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔 ,脈沖寬度為 0.1 1 毫秒 ,特別適于打微孔和異形孔 ,孔徑約為 0.005 1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工 。 用激光在材料上鉆孔，鉆出的小孔質(zhì)量不僅非常好，特別是在打大量同樣的小孔時，還能保證多個小孔的尺寸形狀統(tǒng)一，而且鉆孔速度快，生產(chǎn)效率高。所以，除在電子工業(yè)生產(chǎn)中用激光打孔外，其他許多工業(yè)生產(chǎn)部門都在采用，比如普通香煙過濾嘴上的小孔、噴霧器閥門上的小孔，也在采用激光加工。噴霧器罐和瓶子頸部都有一個用來控制壓縮物質(zhì)（比如除臭劑、油料或者其他液體）的流量，閥門使用的性能就由噴霧器上這只小孔來決定了。這只小孔的直徑為 10 微米到40 微米，用其他機(jī)械加工方法不那么好做，用激光來加工，能保證質(zhì)量，每小時還可以打 4 萬個小孔！ 2.2.2 激光切割、劃片與刻字 在造船、汽車制造等工業(yè)中 ,常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù) CO2 激光器對大工件進(jìn)行切割 ,既能保證精確的空間曲線形狀 ,又有較高的加工效率。對小工件的切割常用中、小功率固體激光器或 CO2 激光器。在微電子學(xué)中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。用激光可對流水線上的工件刻字或打標(biāo)記， 4 并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。激光切割利用激光束作為熱源的熱切割， 工作 原理與激光焊相似。激光切割的溫度超過 11000，足以使任何材料氣化，因此在激光切割時，除熔化外，氣化也起著重要的作用。有些材料（例如碳和某些陶瓷）的激光切割過程則純屬氣化過程。金屬的激光切割多采用大功率 二氧化碳 連續(xù)激光器。切割時，噴射惰性氣體流，吹除切口熔化金屬，可使切口光潔平直；噴射氧氣流可提高切割速度。激光切割的切口細(xì)窄、尺寸精確、表面光潔 ， 質(zhì)量 優(yōu)于任何其他熱切割方法。幾乎所有的金屬材料都可以用激光切割，可切割的厚度從幾微米的箔片至 50 毫米的板材 2.2.3 激光熱處理 即利用激光加熱金屬材料表面實(shí)現(xiàn)表面熱處理。激光加熱具有極高的 功率密度 ，即激光的照射區(qū)域的單位面積上集中極高的 功率 。由 于功率密度極高，工件傳導(dǎo)散熱無法及時將熱量傳走，結(jié)果使得工件被激光照射區(qū)迅速升溫到奧氏體化溫度實(shí)現(xiàn)快速加熱。當(dāng)激光加熱結(jié)束，因?yàn)榭焖偌訜釙r工件基體大體積中仍保持 較低 的溫度，被加熱區(qū)域可以通過工件本身的熱傳導(dǎo) 迅速冷卻 ，從而實(shí)現(xiàn) 淬火 等熱處理效果。 用激光照 射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小 ,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件 ,可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料 。 2.2.4 激光強(qiáng)化處理 激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能連密度 處于高端時，工件表面光斑出相當(dāng)與一個移動的坩堝，可完成一系列的 冶金過程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 2.2.5 激光融化處理 熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1.表面熔化時一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。 2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的 5 硬度、耐磨性和抗腐蝕性。 3.其熔層薄、熱作用區(qū)小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。 4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。 2.2.6 精細(xì)加工 選擇適當(dāng)波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近 衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制；通過 CAD/CAM 軟件進(jìn)行仿真圖案（或文字）和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的“束縛力”，對生物細(xì)胞執(zhí)行移動操作（生物光鑷）。 （ l）微細(xì)機(jī)械加工工藝 凸形（外）表面的微細(xì)切削大多采用單晶金剛石車刀或銑刀。刀尖半徑約為 100 m。單晶金剛石立銑刀的刀頭形狀，當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，金剛石刀片形成一個 45 圓錐的切削面。凹形（內(nèi)）表面的微細(xì)切削時，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如鉆孔用麻花鉆可加工小至 50 m 的孔，更小的孔則無麻花鉆商品，可采用扁鉆。 微細(xì)加工中俯 個關(guān)鍵問題是刀具安裝后的姿態(tài)及其與主軸軸線的同軸度是否與坐標(biāo)系一致，否則很難保證微小的切除量。為此可在同一臺機(jī)床上制作刀具后進(jìn)行加工，使刀具的制作和微細(xì)加工采用同一工作條件，避免裝夾的誤差。如果在機(jī)床上采用線放電磨削制作銑刀，可以用它銑出 50 m 寬的槽。 （ 2）微細(xì)電加工工藝 微型軸和異形截面桿的加工可采用線放電磨削法（ WEDG）加工。它的獨(dú) 特的放電回路使放能僅為一般電火花加工的 1/100。如需獲得更為光滑的表面，則可以在 WEDG 加工后，再采用線電化磨削法（ WECG），它是用去離子水在低電流下去除極薄的表面層。微細(xì)電火花加工（ MEDM）所用的機(jī)床如日本松下電氣產(chǎn)業(yè)公司的 MG-ED71，它的定位控制的分辯率為 0.1 m，最小加工孔徑達(dá) 5 m，表面粗糙度達(dá) 0.1 m。加工節(jié)徑 300 m、厚 100 m的 9齒不銹鋼齒輪時，先用 24 m的電極連續(xù)打孔加工出粗輪廓，再用 31mm電極按齒形曲線掃描出輪廓，精度達(dá) 3 m。也可用它加工微型階梯軸，最小直徑為 30 m，加工的鍵槽截面為 10 m 10 m。 6 加工微小零件的電極應(yīng)在同一臺電加工機(jī)床上制作，否則由于電極的連接和安裝誤差很難加工出小于直徑 100 m 微型孔。如在微細(xì)電火花機(jī)床上加工電極或超聲加工工具，就可加工出 5 10 m 微型孔。微細(xì)電加工與微細(xì)機(jī)械加工相比雖材料切除率較低，但加工尺寸能更細(xì)小，孔的長徑比更大可達(dá) 5 10，尤其對于微細(xì)的復(fù)雜凹形內(nèi)腔加工更有其優(yōu)越性。 2.3 激光加工的發(fā)展前景 激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，并優(yōu)于其它加工技術(shù)。激光加工用于再制造業(yè)是由相變 硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項重要手段。它主要是采用 5KW10KWCO2 高功率激光器及其系統(tǒng)。 與國際上激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的 4%左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光器不過關(guān)；微細(xì)激光加工裝備缺口較大；而這些領(lǐng)域我國的生產(chǎn) 加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入，國內(nèi)應(yīng)用市場有很大發(fā)展空間。預(yù)測今后 2-3年內(nèi)，我國激光加工銷售額將會由 2008年的 35 億人民幣上升翻一倍， 也就是說會達(dá)到 70 億元產(chǎn)值。 國內(nèi)各類制造業(yè)接受了激光加工技術(shù)，它可使他們的產(chǎn)品增加技術(shù)含量，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，為適應(yīng) 21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能光源勢在必行。目前正在積極研制超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質(zhì)量等特征的激光，尤其是能適應(yīng)微制造技術(shù)要求的激光光源更是倍受關(guān)注，并已形成國際性競爭。 3 結(jié)論 本文對激光加工進(jìn)行了全面的介紹，讓我們知道了很多關(guān)于激光加工的知識以及它的發(fā)展趨勢。激光有它特有的優(yōu)勢，應(yīng)用于多個領(lǐng)域，但是每件事都不是完美無缺的，激光加工