6現(xiàn)代加工技術(shù)-高能束流加工技術(shù)

1、第六章第六章 高能束流加工技術(shù)高能束流加工技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 第六章 高能束流加工技術(shù) n6.1 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) n6.2 電子束加工技術(shù)電子束加工技術(shù) n6.3 離子束加工技術(shù)離子束加工技術(shù) n6.4 水射流及磨料射流加工技術(shù)水射流及磨料射流加工技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.1 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 6.1.1 激光及激光加工原理激光及激光加工原理 1、激光、激光 自然界存在著自發(fā)輻射和受激輻射兩種不同的發(fā)光方式，自然界存在著自發(fā)輻射和受激輻射兩種不同的發(fā)光

2、方式， 前者發(fā)出的光是隨處可見的普通光，后者發(fā)出的光便是激光。前者發(fā)出的光是隨處可見的普通光，后者發(fā)出的光便是激光。 原子由原子核和電子組成。電子在靠近原子核最近的軌道原子由原子核和電子組成。電子在靠近原子核最近的軌道 上運(yùn)動(dòng)時(shí)是最穩(wěn)定的，這時(shí)原子所處的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)。當(dāng)上運(yùn)動(dòng)時(shí)是最穩(wěn)定的，這時(shí)原子所處的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)。當(dāng) 外界傳給原子一定的能量，原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道外界傳給原子一定的能量，原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道 半徑增大，被激發(fā)到高能級(jí)，稱為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。被激發(fā)到半徑增大，被激發(fā)到高能級(jí)，稱為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。被激發(fā)到 高能級(jí)的原子不穩(wěn)定，從高能級(jí)回落到低能級(jí)的過程，稱

3、為高能級(jí)的原子不穩(wěn)定，從高能級(jí)回落到低能級(jí)的過程，稱為“ 躍遷躍遷”。 一般處于激發(fā)狀態(tài)的各種高能級(jí)的原子停留時(shí)間一般都較一般處于激發(fā)狀態(tài)的各種高能級(jí)的原子停留時(shí)間一般都較 短，在短，在0.01us左右。但有些原子或離子的高能級(jí)或次高能級(jí)卻左右。但有些原子或離子的高能級(jí)或次高能級(jí)卻 有較長的壽命，這種壽命較長的較高能級(jí)，稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。有較長的壽命，這種壽命較長的較高能級(jí)，稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。 如氦原子、二氧化碳分子以及釹離子等具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。亞穩(wěn)如氦原子、二氧化碳分子以及釹離子等具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。亞穩(wěn) 態(tài)能級(jí)的存在是形成激光的重要條件。態(tài)能級(jí)的存在是形成激光的重要條件。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育

4、部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 當(dāng)原子從高能態(tài)躍遷回低能級(jí)或基態(tài)時(shí)，常常會(huì)以光子當(dāng)原子從高能態(tài)躍遷回低能級(jí)或基態(tài)時(shí)，常常會(huì)以光子 的形式輻射出光能量，所放出光的頻率的形式輻射出光能量，所放出光的頻率與高能態(tài)與高能態(tài)En和低能和低能 態(tài)態(tài)E1之差的關(guān)系為：之差的關(guān)系為： 原子從高能態(tài)自發(fā)地躍遷到低能態(tài)，稱為自發(fā)輻射，如原子從高能態(tài)自發(fā)地躍遷到低能態(tài)，稱為自發(fā)輻射，如 日光燈等。由于各個(gè)受激原子自發(fā)躍遷回低能態(tài)或基態(tài)時(shí)日光燈等。由于各個(gè)受激原子自發(fā)躍遷回低能態(tài)或基態(tài)時(shí) 在時(shí)序上先后不一，輻射的光子在各個(gè)方向上，輻射出的在時(shí)序上先后不一，輻射的光子在各個(gè)方向上，輻射出的 光的頻率

5、和波長大小不一，所以單色性很差，方向性也差光的頻率和波長大小不一，所以單色性很差，方向性也差 。 1n EE h 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光 子能量激發(fā)的條件下，會(huì)吸收光能，使處于高能級(jí)子能量激發(fā)的條件下，會(huì)吸收光能，使處于高能級(jí) 的原子數(shù)目大于處于低能級(jí)的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象的原子數(shù)目大于處于低能級(jí)的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象 稱為稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，如。在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，如 有一束光子照射該物體，而光子的能量恰好等于這有一束光子照

6、射該物體，而光子的能量恰好等于這 兩個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)的能量差，這時(shí)就能產(chǎn)生受激輻射，兩個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)的能量差，這時(shí)就能產(chǎn)生受激輻射， 產(chǎn)生大量的光能。產(chǎn)生大量的光能。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 人工晶體紅寶石的基本成分是氧化鋁人工晶體紅寶石的基本成分是氧化鋁+0.05%的氧化鉻，的氧化鉻， 能發(fā)射激光的是正鉻離子。當(dāng)脈沖氖燈照射紅寶石時(shí)，處能發(fā)射激光的是正鉻離子。當(dāng)脈沖氖燈照射紅寶石時(shí)，處 于基態(tài)于基態(tài)E1的鉻離子被大量激發(fā)到的鉻離子被大量激發(fā)到En狀態(tài)，由于狀態(tài)，由于En壽命很短壽命很短 ，En狀態(tài)的鉻離子快速跳到壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的鉻離子快速跳到

7、壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)Es。如照射。如照射 光足夠強(qiáng)，就能把半數(shù)以上的原子激發(fā)到光足夠強(qiáng)，就能把半數(shù)以上的原子激發(fā)到Es，從而在，從而在Es和和 E1之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)若有頻率之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)若有頻率 的光子照的光子照 射它時(shí)，就可以產(chǎn)生從能級(jí)射它時(shí)，就可以產(chǎn)生從能級(jí)E1到到E2的受激輻射躍遷，出現(xiàn)的受激輻射躍遷，出現(xiàn) 雪崩式連鎖反應(yīng)，發(fā)出頻率為雪崩式連鎖反應(yīng)，發(fā)出頻率為 的單色性好的光，的單色性好的光， 這就是激光。這就是激光。 由于激光是一種受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，發(fā)出的光波由于激光是一種受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，發(fā)出的光波 具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴(yán)格的相位關(guān)系。因此具有相同

8、的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴(yán)格的相位關(guān)系。因此 激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等綜合激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等綜合 性能。性能。 21 EE h 21 EE h 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2、激光加工、激光加工 激光加工是把具有足夠能量的激光束聚焦后照射到材料激光加工是把具有足夠能量的激光束聚焦后照射到材料 的加工部位，在極短的時(shí)間內(nèi)，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，被照部位的加工部位，在極短的時(shí)間內(nèi)，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽徽詹课?迅速升溫，材料發(fā)生汽化、熔化、金相組織變化，實(shí)現(xiàn)工件迅速升溫，材料發(fā)生汽化、熔化、金相組織變化，實(shí)現(xiàn)工

9、件 材料的去除、連接、改性或分離等加工。材料的去除、連接、改性或分離等加工。 激光加工過程大體可分為：激光束照射材料激光加工過程大體可分為：激光束照射材料材料吸收材料吸收 光能光能光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁共牧霞訜峁饽苻D(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁共牧霞訜嵬ㄟ^汽化或熔融濺通過汽化或熔融濺 出使材料去除或破壞等。出使材料去除或破壞等。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 不同的加工工藝有不同的加工過程：不同的加工工藝有不同的加工過程： （1）激光對(duì)材料加熱并去除材料：打孔、切割等；）激光對(duì)材料加熱并去除材料：打孔、切割等； （2）激光將材料加熱到熔化程度而不要求去除：焊）激光將材料

10、加熱到熔化程度而不要求去除：焊 接；接； （3）激光加熱到一定溫度使材料產(chǎn)生相變：熱處理）激光加熱到一定溫度使材料產(chǎn)生相變：熱處理 等。等。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 激光加工特點(diǎn)：激光加工特點(diǎn)： （1）聚焦后，激光加工的功率密度可高達(dá)（）聚焦后，激光加工的功率密度可高達(dá)（1081010 W/cm2） ，光能轉(zhuǎn)化為熱能，幾乎可以熔化、汽化任何材料。，光能轉(zhuǎn)化為熱能，幾乎可以熔化、汽化任何材料。 （2）激光光斑大小可以聚焦到微米級(jí)，輸出功率可以調(diào)節(jié)，因）激光光斑大小可以聚焦到微米級(jí)，輸出功率可以調(diào)節(jié)，因 此可用于精密微細(xì)加工。此可用于精密微細(xì)加

11、工。 （3）加工所用工具是激光束，是非接觸加工，所以沒有明顯的）加工所用工具是激光束，是非接觸加工，所以沒有明顯的 機(jī)械力，沒有工具損耗問題。加工速度快、熱影響區(qū)小，容易機(jī)械力，沒有工具損耗問題。加工速度快、熱影響區(qū)小，容易 實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。 （4）激光可通過玻璃等透明材料進(jìn)行加工。）激光可通過玻璃等透明材料進(jìn)行加工。 （5）激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、汽化的熱加工，影響因）激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、汽化的熱加工，影響因 素很多。素很多。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.1.2 激光加工設(shè)備激光加工設(shè)備 （1）激光

12、器：產(chǎn)生激光束）激光器：產(chǎn)生激光束 （2）電源：為激光器提供所需要的能量，包括電壓控）電源：為激光器提供所需要的能量，包括電壓控 制、儲(chǔ)能電容組、時(shí)間控制及觸發(fā)器等。制、儲(chǔ)能電容組、時(shí)間控制及觸發(fā)器等。 （3）光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)是將光束聚焦并觀察和調(diào)整）光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)是將光束聚焦并觀察和調(diào)整 焦點(diǎn)位置，包括顯微鏡瞄準(zhǔn)、激光束聚焦及加工位焦點(diǎn)位置，包括顯微鏡瞄準(zhǔn)、激光束聚焦及加工位 置在投影儀上顯示等。置在投影儀上顯示等。 （4）機(jī)械系統(tǒng)：主要包括床身、能夠在三坐標(biāo)范圍內(nèi)）機(jī)械系統(tǒng)：主要包括床身、能夠在三坐標(biāo)范圍內(nèi) 移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成

13、制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.1.3 激光器激光器 按激活介質(zhì)種類劃分，激光器可分為固體激光器、氣體按激活介質(zhì)種類劃分，激光器可分為固體激光器、氣體 激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器；按激光器的工作方式激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器；按激光器的工作方式 ，可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。，可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。 （1）固體激光器）固體激光器 固體激光器常用的工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃和摻釹釔固體激光器常用的工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃和摻釹釔 石榴石等。石榴石等。 固體激光器包括工作物質(zhì)、光泵、玻璃套管、濾光器和固體激光器包括工作物質(zhì)、光泵、玻璃套管、濾

14、光器和 冷卻水、聚光器及諧振腔等部分。當(dāng)激光工作物質(zhì)受到光泵冷卻水、聚光器及諧振腔等部分。當(dāng)激光工作物質(zhì)受到光泵 （激勵(lì)脈沖氙燈）的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一（激勵(lì)脈沖氙燈）的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一 定的條件下可導(dǎo)致工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時(shí)一旦有少定的條件下可導(dǎo)致工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時(shí)一旦有少 量激發(fā)粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷，就會(huì)造成光放大，再通過諧量激發(fā)粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷，就會(huì)造成光放大，再通過諧 振腔內(nèi)全反射鏡和部分反射鏡的反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生振蕩，最后由振腔內(nèi)全反射鏡和部分反射鏡的反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生振蕩，最后由 諧振腔的一端輸出激光。諧振腔的一端輸出激光。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制

15、造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 固體激光器工作原理固體激光器工作原理 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (2)氣體激光器氣體激光器 氣體激光器一般直接采用電激勵(lì)，因其效率高、氣體激光器一般直接采用電激勵(lì)，因其效率高、 壽命長、連續(xù)輸出功率大，可達(dá)數(shù)千瓦，所以廣泛用壽命長、連續(xù)輸出功率大，可達(dá)數(shù)千瓦，所以廣泛用 于切割、焊接、熱處理等加工，常用于材料加工的氣于切割、焊接、熱處理等加工，常用于材料加工的氣 體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器等。體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器等。 二氧化碳激光器是以二氧化碳?xì)怏w為工

16、作物質(zhì)的二氧化碳激光器是以二氧化碳?xì)怏w為工作物質(zhì)的 分子激光器，最大連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦，是目前連分子激光器，最大連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦，是目前連 續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。 氬離子激光器是惰性氣體氬通過氣體放電，使氬氬離子激光器是惰性氣體氬通過氣體放電，使氬 原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。由于原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。由于 氬激光器波長短、發(fā)散角小，能聚焦成更小的光斑，氬激光器波長短、發(fā)散角小，能聚焦成更小的光斑， 所以可用于精密微細(xì)加工。所以可用于精密微細(xì)加工。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)

17、驗(yàn)室 6.1.4 激光加工應(yīng)用激光加工應(yīng)用 1、激光打孔、激光打孔 利用激光幾乎可在任何材料上打微型小孔，目利用激光幾乎可在任何材料上打微型小孔，目 前已應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、前已應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、 化學(xué)纖維噴絲板打孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打化學(xué)纖維噴絲板打孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打 孔、金剛石拉絲模加工等方面?？?、金剛石拉絲模加工等方面。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2、激光切割、激光切割 CO2氣體激光器切割鈦合金板材氣體激光器切割鈦合金板材 激光切割的功率一般在105W/cm2-107W/cm2

18、左右，工 件與激光束要相對(duì)移動(dòng)，一般是工件移動(dòng)。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3、激光焊接、激光焊接 激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工 區(qū)域區(qū)域“熱熔熱熔”在一起。焊接過程迅速，熱影響區(qū)小，焊在一起。焊接過程迅速，熱影響區(qū)小，焊 接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還 可透過玻璃進(jìn)行焊接。可透過玻璃進(jìn)行焊接。 激光焊接過程示意圖激光焊接過程示意圖 1-激光；激光；2-被焊接零件；被焊接零件；3-被熔化金屬；被熔化金屬；4-已冷卻的已

19、冷卻的 熔池熔池 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4、激光表面處理、激光表面處理 激光表面合金化：在工件基體的表面采用沉積法預(yù)先涂一激光表面合金化：在工件基體的表面采用沉積法預(yù)先涂一 層合金，然后用激光束照射涂層表面，合金層和基體薄層被層合金，然后用激光束照射涂層表面，合金層和基體薄層被 熔化，基體與合金混合而形成合金。采用這種工藝能使貴金熔化，基體與合金混合而形成合金。采用這種工藝能使貴金 屬如鉻、鈷等熔入低級(jí)而廉價(jià)的鋼表面，能節(jié)省大量的貴金屬如鉻、鈷等熔入低級(jí)而廉價(jià)的鋼表面，能節(jié)省大量的貴金 屬。屬。 激光表面合金化激光表面合金化 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集

20、成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 表面表面激光熔覆：當(dāng)激光對(duì)工件表面進(jìn)行處理時(shí)，用氣動(dòng)激光熔覆：當(dāng)激光對(duì)工件表面進(jìn)行處理時(shí)，用氣動(dòng) 噴注法把粉末注入熔池中，連同工件表層一起熔化形成表面噴注法把粉末注入熔池中，連同工件表層一起熔化形成表面 融覆層。表面熔覆可在低熔點(diǎn)工件上熔覆一層高熔點(diǎn)的合金融覆層。表面熔覆可在低熔點(diǎn)工件上熔覆一層高熔點(diǎn)的合金 ，并能局部熔覆，具有良好的接觸性；微觀結(jié)構(gòu)細(xì)致，熱影，并能局部熔覆，具有良好的接觸性；微觀結(jié)構(gòu)細(xì)致，熱影 響區(qū)小，熔覆層均勻無缺陷。響區(qū)小，熔覆層均勻無缺陷。 激光表面熔覆激光表面熔覆 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

21、現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5 、選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)激光燒結(jié) 選區(qū)激光燒結(jié)（選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）又稱）又稱 選擇性激光燒結(jié)、粉末材料選擇性燒結(jié)等。選擇性激光燒結(jié)、粉末材料選擇性燒結(jié)等。 1989年，由美年，由美 國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard研制成功。研制成功。 A、工藝原理、工藝原理 SLS成形機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是安裝兩個(gè)活塞機(jī)構(gòu)的成形工成形機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是安裝兩個(gè)活塞機(jī)構(gòu)的成形工 作缸，一個(gè)用于供粉，一個(gè)用于成形。成形過程開始前，作缸，一個(gè)用于供粉，一個(gè)用于成形。成形過程開始前， 用紅外線

22、板將粉末材料加熱到恰好低于燒結(jié)點(diǎn)某一溫度，用紅外線板將粉末材料加熱到恰好低于燒結(jié)點(diǎn)某一溫度， 之后，供粉缸活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉末均勻鋪之后，供粉缸活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉末均勻鋪 在成形缸加工表面上，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下以給定的在成形缸加工表面上，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下以給定的 速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描，激光束掃過之后粉末速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描，激光束掃過之后粉末 被燒結(jié)固化為片層，被燒結(jié)的粉末被用來作為支撐，這樣被燒結(jié)固化為片層，被燒結(jié)的粉末被用來作為支撐，這樣 零件的第一層被制作出來。成形缸活塞下移一給定量，供零件的第一層被制作出來。成形缸活塞下移一給定量，

23、供 料缸活塞上移，鋪粉滾筒再次鋪粉，激光束按第二層信息料缸活塞上移，鋪粉滾筒再次鋪粉，激光束按第二層信息 進(jìn)行掃描，所形成的第二層同時(shí)被燒結(jié)固化在第一層上，進(jìn)行掃描，所形成的第二層同時(shí)被燒結(jié)固化在第一層上， 如此逐層疊加，燒結(jié)完后去掉多余的粉末，進(jìn)行打磨烘干如此逐層疊加，燒結(jié)完后去掉多余的粉末，進(jìn)行打磨烘干 處理得到三維實(shí)體零件。處理得到三維實(shí)體零件。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 SLS工藝原理 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 B、工藝過程、工藝過程 1）粉末原料的燒結(jié)）粉末原料的燒結(jié) （1）金屬粉

24、末的燒結(jié)）金屬粉末的燒結(jié) 單一成分金屬粉末單一成分金屬粉末 金屬混合粉末金屬混合粉末 金屬粉末與金屬粉末與 有機(jī)黏結(jié)劑粉末的混合體有機(jī)黏結(jié)劑粉末的混合體 （2）陶瓷粉末的燒結(jié)）陶瓷粉末的燒結(jié) （3）塑料粉末的燒結(jié)）塑料粉末的燒結(jié) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2）燒結(jié)件的后處理）燒結(jié)件的后處理 坯體的后處理方法有多種，如高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、坯體的后處理方法有多種，如高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、 熔浸和浸漬等。熔浸和浸漬等。 （1）高溫?zé)Y(jié)：金屬和陶瓷坯體可用高溫?zé)Y(jié)的方法進(jìn)行處理。）高溫?zé)Y(jié)：金屬和陶瓷坯體可用高溫?zé)Y(jié)的方法進(jìn)行處理。 經(jīng)高溫?zé)Y(jié)

25、后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強(qiáng)度增加。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強(qiáng)度增加。 （2）熱等靜壓：熱等靜壓是通過流體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)均勻）熱等靜壓：熱等靜壓是通過流體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)均勻 地作用于坯體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強(qiáng)度，并改地作用于坯體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強(qiáng)度，并改 善其他性能。善其他性能。 （3）熔浸：熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一種低熔點(diǎn)的液體金屬）熔浸：熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一種低熔點(diǎn)的液體金屬 接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓金屬填充制件內(nèi)部孔隙，冷卻后接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓金屬填充制件內(nèi)部孔隙，冷卻后 得到致密的零件。得到致密的零件。 （4

26、）浸漬：浸漬與熔浸相似，所不同的是浸漬是將液態(tài)非金屬物）浸漬：浸漬與熔浸相似，所不同的是浸漬是將液態(tài)非金屬物 質(zhì)浸入多孔的坯體的空隙，制件尺寸變化小。質(zhì)浸入多孔的坯體的空隙，制件尺寸變化小。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3）工藝參數(shù)的影響）工藝參數(shù)的影響 SLS的工藝參數(shù)主要包括鋪粉層厚、預(yù)熱溫度、激光功的工藝參數(shù)主要包括鋪粉層厚、預(yù)熱溫度、激光功 率、光斑直徑、掃描速度等。率、光斑直徑、掃描速度等。 （1）激光能量和掃描速度：成型零件的致密度和強(qiáng)度隨著）激光能量和掃描速度：成型零件的致密度和強(qiáng)度隨著 激光輸出能量的增大而增大，隨著掃描速度的增

27、大而減激光輸出能量的增大而增大，隨著掃描速度的增大而減 小。小。 （2）預(yù)熱溫度和鋪粉層厚：粉末的預(yù)熱能明顯地改善成型）預(yù)熱溫度和鋪粉層厚：粉末的預(yù)熱能明顯地改善成型 制品的性能，但預(yù)熱溫度不能超過粉末材料的最低熔點(diǎn)制品的性能，但預(yù)熱溫度不能超過粉末材料的最低熔點(diǎn) 。薄的鋪粉層能提高燒結(jié)質(zhì)量，改善制品的致密度，但。薄的鋪粉層能提高燒結(jié)質(zhì)量，改善制品的致密度，但 薄的鋪粉層會(huì)使激光能量對(duì)先前燒結(jié)層產(chǎn)生較大的影響薄的鋪粉層會(huì)使激光能量對(duì)先前燒結(jié)層產(chǎn)生較大的影響 。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 C、成型材料、成型材料 目前用于激光選區(qū)燒結(jié)的材料主要有

28、以下幾種：目前用于激光選區(qū)燒結(jié)的材料主要有以下幾種： （1）高分子粉末材料）高分子粉末材料 （2）金屬粉末材料）金屬粉末材料 （3）陶瓷粉末材料）陶瓷粉末材料 （4）覆膜砂粉末材料）覆膜砂粉末材料 D、選區(qū)激光燒結(jié)成型系統(tǒng)：、選區(qū)激光燒結(jié)成型系統(tǒng)： 一般由主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻器一般由主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻器3部分組成。部分組成。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 AFS-500激光快速成形機(jī)（北京隆源公司）激光快速成形機(jī)（北京隆源公司） 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 激光燒結(jié)成形件激光燒結(jié)成形件 現(xiàn)代設(shè)計(jì)

29、與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5、 選區(qū)激光燒結(jié)工藝特點(diǎn)選區(qū)激光燒結(jié)工藝特點(diǎn) n可采用多種材料可采用多種材料 。 n成本較低，制造工藝比較簡單，適應(yīng)面廣。成本較低，制造工藝比較簡單，適應(yīng)面廣。 n高精度。高精度。 n成形速度較慢，成形件結(jié)構(gòu)一般較疏松、多孔，表面質(zhì)成形速度較慢，成形件結(jié)構(gòu)一般較疏松、多孔，表面質(zhì) 量不高，強(qiáng)度較低量不高，強(qiáng)度較低 。 n選區(qū)激光燒結(jié)一般只適合于中小件的快速成形。選區(qū)激光燒結(jié)一般只適合于中小件的快速成形。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.2 電子束加工電子束加工 6.2.1

30、電子束加工原理電子束加工原理 電子束加工是利用高能電子束流轟擊材料，使其產(chǎn)生熱效電子束加工是利用高能電子束流轟擊材料，使其產(chǎn)生熱效 應(yīng)或輻射化學(xué)和物理效應(yīng)，以達(dá)到預(yù)定的工藝目的。電子束應(yīng)或輻射化學(xué)和物理效應(yīng)，以達(dá)到預(yù)定的工藝目的。電子束 加工根據(jù)其所產(chǎn)生的效應(yīng)可分為電子束熱加工和電子束非熱加工根據(jù)其所產(chǎn)生的效應(yīng)可分為電子束熱加工和電子束非熱 加工兩類。加工兩類。 1、電子束熱加工、電子束熱加工 通過加熱發(fā)射材料產(chǎn)生電子，在熱發(fā)射效應(yīng)下，電子飛通過加熱發(fā)射材料產(chǎn)生電子，在熱發(fā)射效應(yīng)下，電子飛 離材料表面。在強(qiáng)電場作用下，熱發(fā)射電子經(jīng)過加速和聚焦離材料表面。在強(qiáng)電場作用下，熱發(fā)射電子經(jīng)過加速和聚焦

31、 ，形成高速電子流。通過一級(jí)或多級(jí)會(huì)聚產(chǎn)生高能束流，當(dāng)，形成高速電子流。通過一級(jí)或多級(jí)會(huì)聚產(chǎn)生高能束流，當(dāng) 它沖擊工件表面時(shí)，電子的動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于光斑它沖擊工件表面時(shí)，電子的動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于光?直徑很小，電子束具有極高的功率密度，可使材料的溫度在直徑很小，電子束具有極高的功率密度，可使材料的溫度在 幾分之一微秒內(nèi)升高到幾千攝氏度，局部材料快速汽化、蒸幾分之一微秒內(nèi)升高到幾千攝氏度，局部材料快速汽化、蒸 發(fā)而實(shí)現(xiàn)加工的目的。這種利用電子束熱效應(yīng)的加工方法，發(fā)而實(shí)現(xiàn)加工的目的。這種利用電子束熱效應(yīng)的加工方法， 被稱為被稱為電子束熱加工電子束熱加工。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部

32、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子束加工的原理圖 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （2）電子束非熱加工）電子束非熱加工 電子束非熱加工是基于電子束的非熱效應(yīng)，利用功電子束非熱加工是基于電子束的非熱效應(yīng)，利用功 率密度比較低的電子束和電子膠（又稱電子抗蝕劑，率密度比較低的電子束和電子膠（又稱電子抗蝕劑， 由高分子材料組成）相互作用，產(chǎn)生的輻射化學(xué)或物由高分子材料組成）相互作用，產(chǎn)生的輻射化學(xué)或物 理效應(yīng)。理效應(yīng)。 該類工藝方法廣泛應(yīng)用于集成電路、微電子器件、該類工藝方法廣泛應(yīng)用于集成電路、微電子器件、 集成光學(xué)器件、表面聲波器件的

33、制作，也適用于某些集成光學(xué)器件、表面聲波器件的制作，也適用于某些 精密機(jī)械零件的制造。精密機(jī)械零件的制造。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，可達(dá)控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，可達(dá) 到不同的加工目的。只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子到不同的加工目的。只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子 束熱處理；使材料局部熔化就可進(jìn)行電子束焊接；提束熱處理；使材料局部熔化就可進(jìn)行電子束焊接；提 高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打 孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟

34、擊高孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高 分子光敏材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，可進(jìn)行電子束分子光敏材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，可進(jìn)行電子束 光刻加工。光刻加工。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子束加工特點(diǎn)：電子束加工特點(diǎn)： （1）加工面積和切縫小，是一種精密微細(xì)的加工方法。）加工面積和切縫小，是一種精密微細(xì)的加工方法。 （2）是一種非接觸式加工）是一種非接觸式加工 ,工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏 觀應(yīng)力和變形。觀應(yīng)力和變形。 （3）電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)率高）電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)率高 。

35、（4）可以通過磁場或電場對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等）可以通過磁場或電場對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等 進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 （5）由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工）由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工 表面不會(huì)氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料表面不會(huì)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。，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。 （6）電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較）電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較 貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。貴，

36、生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.2.2 電子束加工設(shè)備電子束加工設(shè)備 電子束加工裝置主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系電子束加工裝置主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)和電源等部分組成。統(tǒng)和電源等部分組成。 （1）電子槍：是獲得電子束的裝置，包括電子發(fā)射陰）電子槍：是獲得電子束的裝置，包括電子發(fā)射陰 極、控制柵極和加速陽極等。極、控制柵極和加速陽極等。 （2）真空系統(tǒng)：是為了保證電子束加工維持在）真空系統(tǒng)：是為了保證電子束加工維持在 1.410-2Pa-1.410-4Pa的真空度，只有在高真空中，的真空度，只有在高真空中，

37、電子才能高速運(yùn)動(dòng)。電子才能高速運(yùn)動(dòng)。 （3）控制系統(tǒng)和電源：控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、）控制系統(tǒng)和電源：控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、 束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位置控制等束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位置控制等 。電子束加工裝置對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，常。電子束加工裝置對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，常 用穩(wěn)壓設(shè)備。用穩(wěn)壓設(shè)備。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.2.2 電子束加工設(shè)備電子束加工設(shè)備 電子束加工裝置電子束加工裝置 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.2.3 電子束加工工藝

38、電子束加工工藝 （1）打孔）打孔 ：無論是何種材料，如金屬、陶瓷、金剛石、：無論是何種材料，如金屬、陶瓷、金剛石、 塑料等都可以用電子束加工工藝加工出小孔和窄縫；塑料等都可以用電子束加工工藝加工出小孔和窄縫； （2）電子束焊接：電子束的能量高，焊接速度快，焊接）電子束焊接：電子束的能量高，焊接速度快，焊接 的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。 （3）刻蝕：在微電子器件生產(chǎn)中，可利用電子束對(duì)半導(dǎo)）刻蝕：在微電子器件生產(chǎn)中，可利用電子束對(duì)半導(dǎo) 體材料刻出許多微細(xì)溝槽和孔來。體材料刻出許多微細(xì)溝槽和孔來。 （4）電子束曝光：在集成電路、微電子器件、微機(jī)電系）電

39、子束曝光：在集成電路、微電子器件、微機(jī)電系 統(tǒng)等元器件的圖形制作技術(shù)中，通常采用電子束曝光統(tǒng)等元器件的圖形制作技術(shù)中，通常采用電子束曝光 處理，作為刻蝕前置工序。處理，作為刻蝕前置工序。 （5）電子束熱處理和表面改性處理：把電子束作為熱源）電子束熱處理和表面改性處理：把電子束作為熱源 ，適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不，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。熔化，達(dá)到熱處理的目的。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.3 離子束加工離子束加工 6.3.1 離子束加工原理離子束加工原理 離子束加工原理與電子

40、束加工相似，也是在真空條離子束加工原理與電子束加工相似，也是在真空條 件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之撞件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之撞 擊工件表面。由于離子質(zhì)量比電子大的多，所以一旦擊工件表面。由于離子質(zhì)量比電子大的多，所以一旦 離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的 撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量實(shí)現(xiàn)加工的。撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量實(shí)現(xiàn)加工的。 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所 發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注

41、入效應(yīng)。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （a） （b） （c） （d） 各類離子束加工示意圖 （a）離子束刻蝕；（b）濺射鍍膜；（c）離子鍍；（d）離子注入。 1離子流；2吸極（吸收電子，引出離子）；3一離子束；4一工件；5靶材 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 離子束加工特點(diǎn)：離子束加工特點(diǎn)： （1）離子束可通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊）離子束可通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊 材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確 控

42、制，離子刻蝕可以達(dá)到毫微米級(jí)的加工精度。離子束是控制，離子刻蝕可以達(dá)到毫微米級(jí)的加工精度。離子束是 所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法；所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法； （2）離子束是在高真空中進(jìn)行的，污染少；）離子束是在高真空中進(jìn)行的，污染少； （3）離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，加）離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，加 工應(yīng)力、熱變形極小，加工質(zhì)量高；工應(yīng)力、熱變形極小，加工質(zhì)量高； （4）離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高、加工效率低，應(yīng)用范）離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高、加工效率低，應(yīng)用范 圍受到一定限制。圍受到一定限制。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技

43、術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.3.2 離子束加工裝置離子束加工裝置 離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，也包括離子離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，也包括離子 源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同部分源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同部分 是離子源系統(tǒng)。是離子源系統(tǒng)。 下圖為考夫曼型離子源示意圖。它由灼熱的燈絲下圖為考夫曼型離子源示意圖。它由灼熱的燈絲2發(fā)射發(fā)射 電子，在陽極電子，在陽極9的作用下向下方移動(dòng)，同時(shí)受線圈的作用下向下方移動(dòng)，同時(shí)受線圈4磁場的磁場的 偏轉(zhuǎn)作用，作螺旋運(yùn)動(dòng)前進(jìn)。惰性氣體氬從注入口偏轉(zhuǎn)作用，作螺旋運(yùn)動(dòng)前進(jìn)。惰性氣

44、體氬從注入口3注入注入 電離室電離室10，在電子的撞擊下被電離成等離子體，陽極，在電子的撞擊下被電離成等離子體，陽極9和和 引出電極（吸極）引出電極（吸極）8上各有上各有300個(gè)直徑為個(gè)直徑為0.3 mm的小孔，的小孔， 上下位置對(duì)齊。在引出電極上下位置對(duì)齊。在引出電極8的作用下，將離子吸出，形的作用下，將離子吸出，形 成成300條準(zhǔn)直的離子束，再向下則均勻分布在直徑為條準(zhǔn)直的離子束，再向下則均勻分布在直徑為50 mm的圓面積上。的圓面積上。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 考夫曼型離子源示意圖 1一真空抽氣口；2一燈絲；3惰性氣體注入口；4一電磁

45、線圈；5離子 束流；6工件；7陰極；8引出電極；9陽極；10電離室。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.3.3 離子束加工方法離子束加工方法 1、刻蝕加工：離子束轟擊工件，入射離子與靶原子碰撞時(shí)將動(dòng)、刻蝕加工：離子束轟擊工件，入射離子與靶原子碰撞時(shí)將動(dòng) 能傳遞給靶原子，使其獲得的能量超過原子的結(jié)合能，導(dǎo)致能傳遞給靶原子，使其獲得的能量超過原子的結(jié)合能，導(dǎo)致 靶原子發(fā)生濺射，從工件表面濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的；靶原子發(fā)生濺射，從工件表面濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的； 2、濺射鍍膜加工、濺射鍍膜加工 ：離子束在電場或磁場的加速下飛向陰極靶材：離子束在電場

46、或磁場的加速下飛向陰極靶材 ，陰極表面靶原子濺射到靶材附近的工件表面，形成鍍膜；，陰極表面靶原子濺射到靶材附近的工件表面，形成鍍膜； 3、離子鍍加工：離子鍍是真空蒸鍍和濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來、離子鍍加工：離子鍍是真空蒸鍍和濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的一種鍍膜技術(shù)。是在真空鍍膜過程中鍍層在沉積的同時(shí)又的一種鍍膜技術(shù)。是在真空鍍膜過程中鍍層在沉積的同時(shí)又 受到高能離子束的轟擊，使界面和膜層的性能發(fā)生變化；受到高能離子束的轟擊，使界面和膜層的性能發(fā)生變化； 4、離子注入加工：是將高速離子直接注入工件表面，通過離子、離子注入加工：是將高速離子直接注入工件表面，通過離子 的注入，改變基體表面層的成分和組織

47、結(jié)構(gòu)，造成表面性能的注入，改變基體表面層的成分和組織結(jié)構(gòu)，造成表面性能 變化。變化。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.4.1水射流加工的起源 n“水滴石穿水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身 潛在的威力。潛在的威力。 n十九世紀(jì)七十年代人們利用高壓水開采金礦，剝十九世紀(jì)七十年代人們利用高壓水開采金礦，剝 落樹皮。直到落樹皮。直到19681968年由美國密蘇里大學(xué)林學(xué)教授年由美國密蘇里大學(xué)林學(xué)教授 諾曼諾曼弗蘭茲博士獲得第一項(xiàng)切割技術(shù)專利。弗蘭茲博士獲得第一項(xiàng)切割技術(shù)專利。 6.4水射流及磨料射流加工技術(shù) 現(xiàn)

48、代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 n 而在而在8080年代末才由莫斯科金屬切削機(jī)床實(shí)驗(yàn)科年代末才由莫斯科金屬切削機(jī)床實(shí)驗(yàn)科 學(xué)研究所開始深入研究。學(xué)研究所開始深入研究。19971997年的漢諾威和年的漢諾威和19991999年年 的巴黎的巴黎EMOEMO展覽會(huì)上證明，該方法有了很大發(fā)展，展覽會(huì)上證明，該方法有了很大發(fā)展， 且在該領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步十分顯著。僅在巴黎就展且在該領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步十分顯著。僅在巴黎就展 出出3 3臺(tái)大型的工作裝置，臺(tái)大型的工作裝置，它們是德國、瑞士它們是德國、瑞士和法國和法國 的的機(jī)械公司機(jī)械公司。后來后來開始在研制水射流切割裝

49、置。開始在研制水射流切割裝置。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 n 在最近十多年里，高壓水射流在最近十多年里，高壓水射流(WJ)(WJ)、磨料水射、磨料水射 流流(AWJ) (AWJ) 切割技術(shù)和設(shè)備有了長足進(jìn)步，其應(yīng)用遍切割技術(shù)和設(shè)備有了長足進(jìn)步，其應(yīng)用遍 及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6.4.2水噴射加工定義 n 水噴射加工（水噴射加工（Water Jet MachiningWater Jet Machining）又稱水射流加）又稱水射

50、流加 工、水力加工或水刀加工，它是利用超高壓（數(shù)十至數(shù)工、水力加工或水刀加工，它是利用超高壓（數(shù)十至數(shù) 百兆帕）水射流對(duì)各種材料進(jìn)行切割、穿孔和工件表層百兆帕）水射流對(duì)各種材料進(jìn)行切割、穿孔和工件表層 材料去除等加工。材料去除等加工。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 人們利用高壓水服務(wù)于生產(chǎn)始于人們利用高壓水服務(wù)于生產(chǎn)始于19世紀(jì)世紀(jì)70年年 代，當(dāng)時(shí)主要用來開采金礦、剝落樹皮等。代，當(dāng)時(shí)主要用來開采金礦、剝落樹皮等。20世世 紀(jì)紀(jì)50年代前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)高壓水射流加工技術(shù)進(jìn)年代前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)高壓水射流加工技術(shù)進(jìn) 行了研究，并利用純水液的高壓射流進(jìn)行

51、煤層開采行了研究，并利用純水液的高壓射流進(jìn)行煤層開采 和隧道開挖，但在機(jī)械加工領(lǐng)域還是在解決了高壓和隧道開挖，但在機(jī)械加工領(lǐng)域還是在解決了高壓 噴射裝置的性能和可靠性后，才作為一項(xiàng)獨(dú)立而完噴射裝置的性能和可靠性后，才作為一項(xiàng)獨(dú)立而完 整的加工技術(shù)，首先在美國的飛機(jī)和汽車行業(yè)中成整的加工技術(shù)，首先在美國的飛機(jī)和汽車行業(yè)中成 功應(yīng)用于復(fù)合材料的切割和缸體毛刺的去除。功應(yīng)用于復(fù)合材料的切割和缸體毛刺的去除。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 n 后來在此基礎(chǔ)上又發(fā)展起一項(xiàng)新技術(shù)后來在此基礎(chǔ)上又發(fā)展起一項(xiàng)新技術(shù)混合磨混合磨 料射流加工技術(shù)（料射流加工技術(shù)（A

52、WJAWJ，Abrasive Water JetAbrasive Water Jet），它），它 是將具有一定粒度的磨料粒子加入高壓水管路系統(tǒng)中是將具有一定粒度的磨料粒子加入高壓水管路系統(tǒng)中 ，使其與高壓水進(jìn)行充分混合后再經(jīng)噴嘴噴出，從而，使其與高壓水進(jìn)行充分混合后再經(jīng)噴嘴噴出，從而 形成具有極高速度的磨料射流，相對(duì)于純水射流來說形成具有極高速度的磨料射流，相對(duì)于純水射流來說 ，它成倍地提高了切割力，拓寬了切割材料的范圍，它成倍地提高了切割力，拓寬了切割材料的范圍， 幾乎可以切割一切硬質(zhì)材料。幾乎可以切割一切硬質(zhì)材料。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

53、室 6.4.3水噴射加工系統(tǒng)的組成 n 水噴射加工系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、水噴射加工系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、 增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù)控工作臺(tái)系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù)控工作臺(tái)系統(tǒng)、 集水系統(tǒng)和水循環(huán)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。如果是磨料射集水系統(tǒng)和水循環(huán)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。如果是磨料射 流加工裝置，則還有磨料與水的混合系統(tǒng)。如圖流加工裝置，則還有磨料與水的混合系統(tǒng)。如圖1 所示。所示。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 n 如圖如圖1 所示所示, 貯存在水箱中

54、的水經(jīng)過濾器貯存在水箱中的水經(jīng)過濾器2 處理后處理后, 由由 水泵抽出送至由液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的增壓器增壓水泵抽出送至由液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的增壓器增壓, 水壓增高水壓增高 。然后高壓水通過蓄能器。然后高壓水通過蓄能器, 使脈動(dòng)水流平滑化。高壓水使脈動(dòng)水流平滑化。高壓水 與磨料（與磨料（加壓水噴砂加壓水噴砂）在混合腔內(nèi)混合后）在混合腔內(nèi)混合后, 由具有精細(xì)由具有精細(xì) 小孔的噴嘴小孔的噴嘴( 一般由藍(lán)寶石制成一般由藍(lán)寶石制成) 噴射到由工作臺(tái)固定噴射到由工作臺(tái)固定 的工件表面上的工件表面上, 射流速度可達(dá)射流速度可達(dá)300 900 m/ s( 約為約為 音速的音速的13 倍倍) , 可產(chǎn)生如頭發(fā)絲細(xì)的射流可產(chǎn)

55、生如頭發(fā)絲細(xì)的射流, 從而對(duì)工從而對(duì)工 件進(jìn)行切割、打孔等。件進(jìn)行切割、打孔等。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 排水器 噴嘴噴嘴 閥閥 控制器控制器蓄能器蓄能器 供水器供水器 過濾器過濾器 泵泵 增壓器增壓器 液壓裝置液壓裝置 工件工件 射流射流 d 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高壓水射流能量轉(zhuǎn)換原理高壓水射流能量轉(zhuǎn)換原理 動(dòng)力源（電動(dòng) 機(jī)、柴油機(jī)等） 機(jī)械能 壓力能 換能裝置 （小孔噴 嘴） 動(dòng)能 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 n 水噴射加工的基本

56、原理是利用液體增壓原理水噴射加工的基本原理是利用液體增壓原理, , 通通 過特定的裝置過特定的裝置( ( 增壓器或高壓泵增壓器或高壓泵) , ) , 將動(dòng)力源將動(dòng)力源( ( 電電 動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)) )的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能, , 具有巨大壓力能的水具有巨大壓力能的水 再通過小孔噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能再通過小孔噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能, , 從而形成高從而形成高 速射流速射流, , 噴射到工件表面噴射到工件表面, , 達(dá)到去除材料的加工目達(dá)到去除材料的加工目 的。的。 6.4.4水噴射加工的原理 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 主要完成兩種

57、功能：主要完成兩種功能： 1 1）高壓水射流切割高壓水射流切割。將水增至超高壓。將水增至超高壓100100 400MPa400MPa，經(jīng)節(jié)流小孔（，經(jīng)節(jié)流小孔（0.150.150.4mm0.4mm），使流速），使流速 高達(dá)高達(dá)100600m/s100600m/s。用這種高速密集的水射流對(duì)物體進(jìn)。用這種高速密集的水射流對(duì)物體進(jìn) 行切割。行切割。 磨料水射流切割則是再往水射流中混入磨料粒子磨料水射流切割則是再往水射流中混入磨料粒子 ，經(jīng)混合管形成磨料射流進(jìn)行切割。在磨料射流中，經(jīng)混合管形成磨料射流進(jìn)行切割。在磨料射流中， 水射流作為載體使磨料粒子加速，由于磨料質(zhì)量大、水射流作為載體使磨料粒子加速，

58、由于磨料質(zhì)量大、 硬度高，磨料水射流較之水射流其射流動(dòng)能更大，切硬度高，磨料水射流較之水射流其射流動(dòng)能更大，切 割效能更強(qiáng)。割效能更強(qiáng)。 2 2）高壓水射流清洗高壓水射流清洗, ,高壓高壓3030140MPa 140MPa 。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高壓水射流切割機(jī)床如下圖 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高壓水噴射流切割機(jī) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高壓水射流清洗

59、機(jī)高壓水射流清洗機(jī) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 1. 增壓系統(tǒng)增壓系統(tǒng) 增壓系統(tǒng)主要包括增壓器、控制器、泵、閥及密封增壓系統(tǒng)主要包括增壓器、控制器、泵、閥及密封 裝置等。增壓器是液壓系統(tǒng)中重要的設(shè)備，要求增壓器裝置等。增壓器是液壓系統(tǒng)中重要的設(shè)備，要求增壓器 使液體的工作壓力達(dá)到使液體的工作壓力達(dá)到100400MPa，以保證加工的，以保證加工的 需要。高出普通液壓傳動(dòng)裝置液體工作壓力的需要。高出普通液壓傳動(dòng)裝置液體工作壓力的10倍以倍以 上，因此系統(tǒng)中的管路和密封是否可靠，對(duì)保障切割過上，因此系統(tǒng)中的管路和密封是否可靠，對(duì)保障切割過 程的穩(wěn)定性

60、、安全性具有重要意義。對(duì)于增壓水管采用程的穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。對(duì)于增壓水管采用 高強(qiáng)度不銹鋼厚壁無縫管或雙層不銹鋼管，接頭處采用高強(qiáng)度不銹鋼厚壁無縫管或雙層不銹鋼管，接頭處采用 金屬彈性密封結(jié)構(gòu)。金屬彈性密封結(jié)構(gòu)。 6.4.5超高壓水射流加工設(shè)備 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 切割系統(tǒng)切割系統(tǒng) 噴嘴是切割系統(tǒng)最重要的零件。噴嘴應(yīng)具有良好噴嘴是切割系統(tǒng)最重要的零件。噴嘴應(yīng)具有良好 的射流特性和較長的使用壽命。噴嘴的結(jié)構(gòu)取決于加的射流特性和較長的使用壽命。噴嘴的結(jié)構(gòu)取決于加 工要求、常用的噴嘴有單孔和分叉兩種。工要求、常用的噴嘴有單孔和