《工程實(shí)踐訓(xùn)練基礎(chǔ)》課件第7章

7.1電火花加工

7.2電解加工

7.3超聲波加工

7.4高能束流加工

7.1.1電火花加工的原理

電火花加工利用工具電極和工件電極間瞬時(shí)火花放電所產(chǎn)生的高溫來(lái)熔蝕材料，因此又稱放電加工或電蝕加工。電火花加工的工作原理如圖7-1所示，工具和工件與脈沖電源的兩極相接，并均浸在有一定絕緣度的流體介質(zhì)(通常為煤油或礦物油)中。7.1電?火?花?加?工當(dāng)兩極在液體介質(zhì)中靠近時(shí)，極間電壓將兩極之間的間隙(由自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可調(diào)至0.01～0.05mm)擊穿，而形成了火花放電，放電通道中瞬時(shí)產(chǎn)生了大量的熱，由于通道截面積很小，形成的瞬時(shí)高溫?zé)嵩礈囟瓤蛇_(dá)5000～10000℃，使材料表面局部金屬熔化和氣化而被蝕除下來(lái)，形成一個(gè)微小的凹坑。單個(gè)脈沖能使工件表面形成微小凹坑，而無(wú)數(shù)個(gè)脈沖的積累將使工件上的高點(diǎn)逐漸熔蝕。隨著工具電極不斷地向工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工具電極的形狀便被復(fù)制在工件上。加工過(guò)程中所產(chǎn)生的金屬微粒，則被流動(dòng)的工作液流帶走。同時(shí)，總能量的一小部分也釋放到工具電極上形成一定的工具損耗。圖7-1電火花加工原理圖(a)加工原理示意圖；(b)、(c)加工表面局部放大圖1—工件；2—脈沖電源；3—自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4—工具；5—工作液；6—過(guò)濾器；7—工作液泵；8—被蝕除的材料進(jìn)行電火花加工應(yīng)具備如下條件：

(1)工具電極和工件電極之間必須保持一定的間隙。這可由自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)。間隙可在幾微米至幾百微米之間。如果間隙太小易短路；如果間隙太大，極間電壓不能擊穿兩極間介質(zhì)而不能形成火花放電。

(2)必須采用脈沖電源。因?yàn)榛鸹ǚ烹姳仨毷撬矔r(shí)的脈沖放電，放電延續(xù)一段時(shí)間(通常為10－8～10－7s)后，需停歇一段時(shí)間，這樣才能使放電所產(chǎn)生的熱量來(lái)不及傳導(dǎo)擴(kuò)散到其余部分，而集中于微小區(qū)域。不連續(xù)放電，可避免像電弧放電引起的表面燒傷，從而保證了加工精度和表面質(zhì)量。

(3)必須在有一定絕緣性能的工作液中進(jìn)行火花放電，這有利于產(chǎn)生脈沖性火花放電，并排除放電間隙中的電蝕物，還可以對(duì)電極及工件表面起較好的冷卻作用。7.1.2電火花加工的特點(diǎn)

電火花加工具有如下特點(diǎn)：

(1)可加工任何高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高熔點(diǎn)的難切削加工的導(dǎo)電材料，不受被加工材料的物理機(jī)械性能的影響，如淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、工業(yè)純鐵、導(dǎo)電陶瓷、立方氮化硼、人造聚晶金剛石等。

(2)工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。

(3)加工時(shí)無(wú)顯著機(jī)械切削力，工具電極并不回轉(zhuǎn)，有利于小孔、窄槽、型孔、曲線孔及薄壁零件加工，也適合于精密細(xì)微加工。

(4)脈沖參數(shù)可任意調(diào)節(jié)，加工中只要更換工具電極或采用階梯形工具電極就可以在同一機(jī)床上連續(xù)進(jìn)行粗、半精和精加工。

(5)通常效率低于切削加工，可先用切削加工作粗加工，再用電火花加工作精加工。

(6)放電過(guò)程中有一部分能量消耗于工具電極而導(dǎo)致電極消耗，對(duì)成形精度有一定影響。7.1.3電火花加工的應(yīng)用范圍

電火花加工在各行各業(yè)應(yīng)用日益廣泛，尤其對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度及工藝要求較嚴(yán)的工件，在傳統(tǒng)加工方式難以達(dá)到要求的情況下，電火花加工是一種有效的加工方法，如穿孔加工、型腔加工、線切割加工、電火花磨削與鏜磨加工、電火花展成加工、表面強(qiáng)化、非金屬電火花加工或用于打印標(biāo)記、刻字、跑合齒輪嚙合件、取出折斷在零件中的絲錐或鉆頭等。

1．電火花穿孔加工

電火花穿孔加工常指貫通的等截面或變截面的二維型孔的電火花加工，如各種型孔(圓孔、方孔、多邊孔、異形孔)、曲線孔(彎孔、螺旋孔)、小孔、微孔等的加工，如圖7-2所示。圖7-2電火花穿孔加工(a)圓孔；(b)方槽；(c)異形孔；(d)彎孔

2．電火花型腔加工

電火花型腔加工一般指三維型腔和型面加工，如擠壓模、壓鑄模、塑料模及膠木模等型腔的加工及整體式葉輪、葉片等曲面零件的加工。

3．電火花線切割加工

電火花線切割加工簡(jiǎn)稱“線切割”，它是通過(guò)線狀工具電極按規(guī)定的軌跡與工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割出所需工件的加工方法。加工時(shí)用一根作正反向交替運(yùn)動(dòng)的細(xì)金屬絲(通常為

0.05～

0.25?mm的鉬絲或黃銅絲)作工具電極。在線電極與工件之間通以脈沖電流且注以工作液介質(zhì)，線電極一邊卷繞一邊與工件之間發(fā)生火花放電，使工件產(chǎn)生電蝕而進(jìn)行切割加工。根據(jù)工件與線電極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以加工出各種不同形狀的二維曲線輪廓。如切割內(nèi)封閉結(jié)構(gòu)，鉬絲先穿過(guò)工件上預(yù)加工的工藝小孔，再經(jīng)導(dǎo)輪由儲(chǔ)絲筒帶動(dòng)作正反向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

與電火花成形加工不同的是，線電極在切割時(shí)，只有當(dāng)電極絲和工件之間保持一定的輕微接觸壓力時(shí)，才形成火花放電。目前我國(guó)生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種是采用高速往復(fù)走絲方式，一般走絲速度為8～10m/s，這也是我國(guó)獨(dú)有的電火花線切割加工模式。國(guó)外主要機(jī)種多采用慢速走絲方式，特點(diǎn)是電極絲作低速單向運(yùn)動(dòng)，通常走絲速度低于0.2?m/s。線切割機(jī)床普遍采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)裝置。

電火花線切割加工與成型穿孔加工比較，有如下特點(diǎn)：

(1)由于加工表面的輪廓是由CNC控制的復(fù)合運(yùn)動(dòng)所獲得，因此可切割復(fù)雜表面。

(2)可加工細(xì)微的幾何形狀、切縫和很小的內(nèi)角半徑。線電極在加工中不斷運(yùn)動(dòng)，使單位長(zhǎng)度金屬絲損耗較少，對(duì)加工精度影響小。

(3)無(wú)需特定形狀的工具電極，降低了生產(chǎn)成本及準(zhǔn)備工時(shí)。

(4)在電參數(shù)相同情況下，比穿孔加工生產(chǎn)率高，自動(dòng)化程度高，操作使用方便。

(5)加工同樣的工件，其總蝕除量少，材料利用率高，對(duì)加工貴重金屬有著重要意義。

(6)線切割的缺點(diǎn)是不能加工盲孔類零件和階梯成形表面。7.2.1電解加工的原理

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理去除工件上多余的材料，將零件加工成型的一種方法。電解加工示意圖如圖7-3所示。加工時(shí)，工件接電源正極(陽(yáng)極)，按一定形狀要求制成的工具接負(fù)極(陰極)，兩極之間保持較小的間隙(通常為0.02～0.7mm)，利用電解液泵在間隙中間通以高速(5～50m/s)流動(dòng)的電解液，在工件與工具之間施加一定電壓。7.2電解加工圖7-3電解加工示意圖1—直流電源；2—工具陰極；3—工件陽(yáng)極；4—電解液泵；5—電解液電解加工成型的原理如圖7-4所示，圖中的細(xì)豎線表示通過(guò)陽(yáng)極(工件)和陰極(工具)間的電流。豎線的疏密程度表示電流密度的大小。電解加工開始時(shí)，工件陽(yáng)極與工具陰極的形狀不同，工件表面上的各點(diǎn)至工具表面的距離不等，因而各點(diǎn)的電流密度不等。陽(yáng)極與陰極距離較近的地方通過(guò)的電流密度較大，電解液的流速也較高，陽(yáng)極溶解的速度也就較快，見圖7-4(a)。由于工具相對(duì)工件不斷進(jìn)給，工件表面就不斷被溶解，電解產(chǎn)物不斷被電解液沖走，直至工件表面形成與工具表面基本相似的形狀為止，如圖7-4(b)所示。圖7-4電解加工成型原理圖電解加工過(guò)程沒有機(jī)械加工中的切削力和切削熱作用，也沒有電火花加工中熱的影響，電解液經(jīng)過(guò)濾可重復(fù)使用。

電解加工時(shí)電極間的反應(yīng)是相當(dāng)復(fù)雜的，這主要是因?yàn)楣ぜ话悴皇羌兘饘?，而是各種金屬的合金，其金相組織也不完全一致，所用的電解液往往也不是該金屬鹽的溶液，而且還可能含有多種成分。電解液可分為中性鹽溶液、酸性溶液和堿性溶液三大類，中性鹽溶液的腐蝕性小，使用時(shí)較安全，故應(yīng)用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3和NaClO3三種電解液，下面僅介紹10％～20％的NaCl水溶液作電解液加工低碳鋼工件時(shí)，其主要的電化學(xué)反應(yīng)。水溶液：

(工件陽(yáng)極)離解并與電解液反應(yīng)：

工具(陰極)反應(yīng)：

從以上反應(yīng)可以看出，在電解加工過(guò)程中，由于外電源的作用使工件的Fe原子失去電子，以Fe2＋的形式與電解液中的OH－化合生成Fe(OH)2而沉淀。由于Fe(OH)2在水中的溶解度很小，起初為墨綠色的絮狀物，時(shí)間一長(zhǎng)就逐漸被電解液及空氣中的氧氣氧化生成黃褐色的Fe(OH)3沉淀物。沉淀物不斷被電解液帶走，而陰極不斷得到電子，與水中的H＋結(jié)合而游離出氫氣。在整個(gè)過(guò)程中，僅有工件(陽(yáng)極)和水逐漸消耗，而工具和NaCl并不消耗。因此在理想情況下，工具可長(zhǎng)期使用，電解液不斷過(guò)濾干凈并經(jīng)常補(bǔ)充適量的水，也可長(zhǎng)期使用。7.2.2電解加工的特點(diǎn)

電解加工具有如下特點(diǎn)：

(1)不受材料本身強(qiáng)度、硬度和韌性的限制，可加工高強(qiáng)度、高硬度和高韌性等難切削的金屬材料，如淬火鋼、鈦合金、硬質(zhì)合金、不銹鋼和耐熱合金。

(2)能以簡(jiǎn)單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出形狀復(fù)雜的型面和型腔，如鍛模和葉片。

(3)加工中無(wú)切削力和切削熱的作用，所以不產(chǎn)生由此引起的變形和殘余應(yīng)力、加工硬化、毛刺、飛邊、刀痕等，適合于加工易變形或薄壁零件。

(4)加工過(guò)程中工具電極理論上無(wú)損耗，可長(zhǎng)期使用。

(5)生產(chǎn)率較高，約為電火花加工的5～10倍以上，在某些情況下比切削加工的生產(chǎn)率還高。

(6)電解液對(duì)機(jī)床有腐蝕作用，電解產(chǎn)物的處理和回收困難。7.2.3電解加工的應(yīng)用

電解加工主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。

1．鍛模加工

各種模具的型腔大多采用電火花加工，因?yàn)殡娀鸹庸さ木缺入娊饧庸さ木雀撸渖a(chǎn)率低，因此在一些對(duì)模具消耗較大、精度要求不太高的礦山機(jī)械、農(nóng)機(jī)、拖拉機(jī)等所需的鍛模已逐漸采用電解加工。

2．葉片加工

葉片是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)中的重要零件，葉身型面形狀比較復(fù)雜，要求精度高，加工批量大，采用機(jī)械加工難度大，生產(chǎn)率低，加工周期長(zhǎng)。而采用電解加工則不受葉片材料硬度和韌性的限制，在一次行程中就可加工出復(fù)雜的葉身型面，生產(chǎn)率高，表面粗糙度小，電解加工整體葉輪在我國(guó)已得到普遍應(yīng)用。

3．電解倒棱去毛刺

機(jī)械加工中去毛刺的工作量很大，尤其是去除硬而韌的金屬毛刺，需要很多的人力，電解倒棱去毛刺可以大大提高工效。

此外，電解加工還可以進(jìn)行深孔的擴(kuò)孔加工，如各種形狀復(fù)雜、尺寸較小的四方、六方、橢圓、半圓等形狀的型孔的不通孔或通孔的加工，以及拋光等。7.3.1超聲波加工的原理

超聲波加工(UltrasonicMachining，USM)是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過(guò)磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法，其加工原理如圖7-5所示。加工時(shí)在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動(dòng)方向加上一個(gè)不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過(guò)換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將振幅放大到0.01～

0.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動(dòng)下以很快的速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來(lái)。7.3超?聲?波?加?工雖然每次打擊下來(lái)的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，因此仍存在一定的加工速度。與此同時(shí)，懸浮液受工具端部的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的液壓沖擊和空化現(xiàn)象促使液體鉆入被加工材料的裂隙處，加速了破壞作用，而液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，使變鈍的磨料及時(shí)得到更新。圖7-5超聲波加工原理由此可見，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。

所謂空化作用是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在液體內(nèi)形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，空泡閉合引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，可以強(qiáng)化加工過(guò)程。7.3.2超聲波加工的特點(diǎn)

超聲波加工具有如下特點(diǎn)：

(1)適合于加工各種硬脆材料，特別是一些不導(dǎo)電的非金屬材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石及各種半導(dǎo)體等，對(duì)導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料如淬火鋼、硬質(zhì)合金也能加工，但生產(chǎn)率低。

(2)工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力和切削熱更小，可獲得較高的加工精度(尺寸精度可達(dá)0.005～0.02mm)和較低的表面粗糙度(Ra值為0.05～0.2μm)，被加工表面無(wú)殘余應(yīng)力、燒傷等現(xiàn)象，也適合于加工薄壁、窄縫和低剛度零件。

(3)在加工過(guò)程中不需要工具和工件作比較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此易于加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔和成型表面等，超聲波加工設(shè)備結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，操作維修方便。

(4)工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀。7.3.3超聲波加工的應(yīng)用

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，更重要的是超聲波加工可以加工它們難以加工的半導(dǎo)體和非金屬的硬脆材料如玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等，而且對(duì)于電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模、塑料模等，最后還經(jīng)常用超聲波作拋磨、光整加工。

1.型孔和型腔的加工

超聲波目前主要應(yīng)用在脆硬材料的圓孔、型孔、型腔、套料、微細(xì)孔等的加工，如圖7-6所示。圖7-6型孔與型腔加工(a)加工圓孔；(b)加工異形孔；(c)加工型腔；(d)套料；(e)雕刻；(f)研拋金剛石拉絲模

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，并從被清洗表面脫落下來(lái)。此方法主要用于幾何形狀復(fù)雜、清洗質(zhì)量要求高而用其他方法清洗效果差的中、小精密零件，特別是工件上的深小孔、微孔、彎孔、盲孔、溝槽、窄縫等部位的精清洗，其生產(chǎn)率和凈化率都很高。目前超聲波清洗主要在半導(dǎo)體和集成電路元件、儀器儀表零件、電真空器件、光學(xué)零件、醫(yī)療器械等的清洗中應(yīng)用。

4．超聲波焊接

超聲波焊接就是利用超聲波振動(dòng)作用去除工件表面的氧化膜，使工件露出本體表面，使兩個(gè)被焊工件表面在高速振動(dòng)撞擊下摩擦發(fā)熱并親和粘在一起。它可以焊接尼龍、塑料及表面易生成氧化膜的鋁制品，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀，從而改善這些材料的可焊性。

5．復(fù)合加工

在超聲波加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等硬質(zhì)金屬材料時(shí)加工速度低，工具損耗大，為了提高加工速度和降低工具損耗，采用超聲波、電解加工或電火花加工相結(jié)合來(lái)加工噴油嘴、噴絲板上的孔或窄縫，這樣可大大提高生產(chǎn)率和質(zhì)量。還可以利用超聲波振動(dòng)來(lái)研磨拋光電火花加工或電解加工之后的模具表面和拉絲模小孔使表面粗糙度進(jìn)一步降低。另外在切削加工中(例如對(duì)耐熱鋼、不銹鋼等硬韌材料進(jìn)行車削、鉆孔、攻螺紋時(shí))引入超聲波振動(dòng)，可以降低切削力，降低表面粗糙度值，延長(zhǎng)刀具使用壽命及提高生產(chǎn)率等。7.4.1激光加工

1.激光加工的原理

激光加工(LaserBeamMachining，LBM)中，激光與普通光相比具有強(qiáng)度高、方向性好、相干性和單色性好等特點(diǎn)，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長(zhǎng)相近的極小光斑，其功率密度可達(dá)107～1011W/cm2，溫度可達(dá)一萬(wàn)攝氏度，將材料在瞬間(10－3s)熔化和蒸發(fā)，工件表面不斷吸收激光能量，凹坑處的金屬蒸汽迅速膨脹，壓力猛然增大，熔融物被產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波噴濺出去。所以說(shuō)激光加工是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過(guò)程。7.4高能束流加工圖7-7為固體激光打孔的加工原理圖。激光器是激光加工設(shè)備的核心，它能把電能轉(zhuǎn)換成激光束輸出。常用的激光器有固體和氣體兩大類。固體激光器常由主體光泵(激勵(lì)源)及諧振腔(由全反射鏡和半反射鏡組成)、工作物質(zhì)(一些發(fā)光材料如釔鋁石榴石、紅寶石、釹玻璃等)、聚光器、聚焦透鏡等組成。圖7-7中激光器的工作物質(zhì)為釔鋁石榴石，當(dāng)其受激勵(lì)泵(脈沖氙燈)的激發(fā)后，其粒子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，在一定條件下，少量激發(fā)粒子受激輻射躍遷使得光放大，然后通過(guò)諧振腔內(nèi)的全反射鏡和部分反射鏡的反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生振蕩，此時(shí)由諧振腔的一端輸出激光。由激光器發(fā)射的激光再通過(guò)透鏡聚焦形成高能光束照射到工件的加工表面，即可對(duì)工件進(jìn)行加工。圖7-7固體激光器中激光的產(chǎn)生與加工原理

2.激光加工的特點(diǎn)

激光加工具有如下特點(diǎn)：

(1)激光加工屬非接觸加工，無(wú)明顯機(jī)械力，也無(wú)工具損耗，工件不變形，加工速度快，熱影響區(qū)小，可達(dá)高精度加工，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(2)因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，幾乎可加工任何金屬與非金屬材料。

(3)激光加工可通過(guò)惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)對(duì)工件進(jìn)行加工，如可通過(guò)玻璃對(duì)隔離室內(nèi)的工件進(jìn)行加工或?qū)φ婵展軆?nèi)的工件進(jìn)行焊接。

(4)激光可聚焦形成微米級(jí)光斑，輸出功率大小可調(diào)節(jié)，常用于精密細(xì)微加工，最高加工精度可達(dá)0.001mm，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.1～0.4μm。

(5)能源消耗少，無(wú)加工污染，在節(jié)能、環(huán)保等方面有較大優(yōu)勢(shì)。

3.激光加工的應(yīng)用范圍

激光加工主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。

1)激光打孔

激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模等非金屬材料和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的細(xì)微孔的加工。激光打孔的效率非常高，打孔時(shí)間甚至可縮短至傳統(tǒng)切削加工的百分之一以下，使生產(chǎn)率大大提高。激光打孔的尺寸公差等級(jí)可達(dá)IT7，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.08～0.16μm。

2)激光焊接

激光焊接是以聚焦的激光束作為能源的特種熔化焊接方法。焊接用激光器有YAG固體激光器和CO2氣體激光器，此外還有CO激光器、半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)分子激光器等。激光器利用原子受激輻射的原理，使物質(zhì)受激而產(chǎn)生波長(zhǎng)均一、方向一致和強(qiáng)度非常高的光束，經(jīng)聚焦后，激光束的能量更為集中，能量密度可達(dá)105～107W/cm2。如將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到焊件結(jié)合處，光能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝固后成為焊縫。

3)激光切割

激光切割是利用聚焦以后的高功率密度(105～107W/cm2)激光束連續(xù)照射工件，而光束能量以及活性氣體可輔助切割過(guò)程。附加的化學(xué)反應(yīng)熱能均被材料吸收，引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后材料開始汽化，并形成孔洞，且光束與工件相對(duì)移動(dòng)，使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。

激光切割是激光加工中應(yīng)用最廣泛的一種，主要由于其切割速度快、質(zhì)量高、省材料、熱影響區(qū)小、變形小、無(wú)刀具磨損、沒有接觸能量損耗、噪音小、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且還可穿透玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，激光切割深受各制造領(lǐng)域歡迎，不足之處是其一次性投資較大，且切割深度受限。

4)激光表面熱處理

當(dāng)激光能量密度在103～105W/cm2左右時(shí)，對(duì)工件表面進(jìn)行掃描，并在極短的時(shí)間內(nèi)使工件加熱到相變溫度(由掃描速度決定時(shí)間長(zhǎng)短)，工件表層由于熱量迅速向內(nèi)傳導(dǎo)快速冷卻，實(shí)現(xiàn)了工件表層材料的相變硬化(激光淬火)。

與其他表面熱處理比較，激光熱處理工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；一般無(wú)須冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)工件表面加熱快、冷卻快，達(dá)到的硬度比常溫淬火高約15％～20％；耗能少，工件變形小，適合精密局部表面硬化及內(nèi)孔或形狀復(fù)雜零件表面的局部硬化處理。但激光表面熱處理設(shè)備費(fèi)用高，工件表面硬化深度受限，因而不適合大負(fù)荷的重型零件。

5)其他應(yīng)用

近年來(lái)，各行業(yè)中對(duì)激光合金化、激光拋光、激光沖擊硬化法、激光清洗模具技術(shù)也在不斷深入研究及應(yīng)用中。圖7-8電子束加工原理圖1—發(fā)射陰極；2—控制柵極；3—加速陽(yáng)極；4—聚焦系統(tǒng)；5—電子束斑點(diǎn)；6—工件；7—工作臺(tái)7.4.2電子束和離子束加工

近年來(lái)在精密微細(xì)加工方面發(fā)展較快的新興特種加工為電子束和離子束加工。電子束多用于打孔、焊接、光刻加工等；離子束則主要用于刻蝕、鍍膜及離子注入等。

1.電子束加工

1)電子束加工原理

電子束加工(ElectronBeamMachining，EBM)是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106～109W/cm2的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來(lái)去除材料。圖7-8為電子束加工原理示意圖。

2)電子束加工的特點(diǎn)

電子束加工具有如下特點(diǎn)：

(1)高功率密度。電子束半徑可達(dá)到微米級(jí)，因此使照射材料表面溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，致使材料熔化和汽化，因此去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)。由于電子束加工屬非接觸式加工，工件不受機(jī)械力作用，很少產(chǎn)生宏觀應(yīng)力變形，同時(shí)也不存在工具損耗問(wèn)題。

(2)電子束強(qiáng)度、位置、聚焦可精確控制，強(qiáng)度和束斑大小控制誤差可達(dá)1％以下，位置的控制準(zhǔn)確度可達(dá)0.1μm，電子束通過(guò)磁場(chǎng)和電場(chǎng)可在工件上以任何速度行進(jìn)，便于自動(dòng)化控制。

(3)環(huán)境污染少。由于電子束加工在真空環(huán)境(真空度為10－4～10－2Pa)下進(jìn)行，使加工部位不受污染，不易氧化，適合加工純度要求很高的半導(dǎo)體材料及易氧化的金屬材料。

3)電子束加工的應(yīng)用范圍

電子束加工據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，可分別用于打孔、切割、焊接、蝕刻、熱處理和光刻等加工。

(1)電子束打孔。電子束可用來(lái)加工不銹鋼、耐熱鋼、寶石、陶瓷、玻璃等各種材料上的小孔和深孔。其最小加工直徑可達(dá)0.003mm，最大深徑比可達(dá)10。如機(jī)翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔，此類孔數(shù)量巨大(高達(dá)數(shù)百萬(wàn))，且孔徑微小，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合用電子束打孔，另外還可在塑料和人造革上打許多微孔，令其像真皮一樣具有透氣性。

一些合成纖維為增加透氣性和彈性，其噴絲頭型孔往往制成異形孔截面(如圖7-9)?？衫妹}沖電子束對(duì)圖形掃描制出。除此之外還可憑借偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化使電子束在工件內(nèi)偏轉(zhuǎn)方向加工出彎曲的孔，如圖7-10(c)和(d)所示。圖7-9用電子束加工的孔圖7-10電子束加工曲面、彎孔1—工件；2—工件運(yùn)動(dòng)方向；3—電子束

(2)電子束切割。電子束可對(duì)各種材料進(jìn)行切割，切口寬度僅有3～6μm。利用電子束再配合工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可加工所需要的曲面(如圖7-10(a)和(b))。

(3)光刻。當(dāng)使用低能量密度的電子束照射高分子材料時(shí)，將使材料分子鏈被切斷或重新組合，引起分子量的變化即產(chǎn)生潛象，再將其浸入溶劑中將潛象顯影出來(lái)。把這種方法與其他處理工藝結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)在金屬掩膜或材料表面上刻槽。

(4)其他應(yīng)用。用計(jì)算機(jī)控制，可對(duì)陶瓷、半導(dǎo)體或金屬材料進(jìn)行電子刻蝕加工、異種金屬焊接、電子束熱處理等。

2.離子束加工

1)離子束加工原理

與電子束加工類似，離子束加工(IonBeamMachining，IBM)也是在真空條件下利用離子源(離子槍)產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面，