機械設計制造及其自動化畢業(yè)論文

本科課程論文 題 目 激光加工應用及其發(fā)展 學 院 工程技術學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 年 級 2010 學 號 222010322210250 姓 名 羅 歡 指 導 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 . 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 . 3 2.2 激光加工的應用 . 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 激光強化處理 . 4 2.2.5 激光融化處理 . 4 2.2.6 精細加工 . 5 2.3 激光加工的發(fā)展前景 . 6 3 結論 . 6 參考文獻 . 7 2 激光加工應用及其發(fā)展 羅歡 邱兵 西南大學工程技術學院 2010 級機械設計制造及其自動化 4 班 摘要 ： 激光加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等。用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應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。 關鍵詞 ： 激光加工 加工原理 發(fā)展前景 精細加工 1 前言 隨著科學技術的發(fā)展和社會需求的多樣 化，產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)市場的要求盡快設計出新產品，而且能在盡可能短的時間內制造出原型，從而進行性能測試和修改，最終形成定型產品。而在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，需要大量的模具設計、制造和調試等工作，成本高，周期長，已不能適應日新月異的市場變化。為了提高研發(fā)和生產速度，快速而精確地制作出高質量、低成本的模具和產品，能對市場變化做出敏捷響應，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)激光加工技術的日益成熟，給模具制造和產品生產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 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生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調節(jié)，因此激光加工可應用到不同層面和范圍上。 2.1.2 激光加工的特點 激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領域存在的優(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，因此可以實現(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對密閉容器內的工件進行各種加工。 由于激光束易于導向、聚集實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。 使用 激光加工，生產效率高，質量可靠，經濟效益好。例如：美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動機上的異形槽，不到 4H 即可高質量完成，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%，大幅度降低了生產成本，并且加工精度高，產品質量穩(wěn)定可靠。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點，但不足之處也是很明顯的。 2.2 激光加工的應用 2.2.1 激光打孔 采用脈沖激光器可進行打孔 ,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，生產效率高。所以，除在電子工業(yè)生產中用激光打孔外，其他許多工業(yè)生產部門都在采用，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（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，用其他機械加工方法不那么好做，用激光來加工，能保證質量，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。激光切割的切口細窄、尺寸精確、表面光潔 ， 質量 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，工件傳導散熱無法及時將熱量傳走，結果使得工件被激光照射區(qū)迅速升溫到奧氏體化溫度實現(xiàn)快速加熱。當激光加熱結束，因為快速加熱時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 迅速冷卻 ，從而實現(xiàn) 淬火 等熱處理效果。 用激光照 射材料，選擇適當?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晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點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 ,可處理形狀復雜的零件和部件 ,可對盲孔和深孔的內壁進行處理。例如，氣缸活塞經激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復離子轟擊所引起損傷的硅材料 。 2.2.4 激光強化處理 激光表面強化技術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化中，當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化，當激光束能連密度 處于高端時，工件表面光斑出相當與一個移動的坩堝，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。這些功能在實際應用中引發(fā)的材料替代技術，將給制造業(yè)帶來巨大的經濟效益。 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、重溶細化、上釉和表面復合化等。激光熔凝是用適當?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細化均質的組織和所需性質的表面改性技術。它具有以下優(yōu)點： 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合。 2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質和氣體，同時急冷重結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。有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用。 4.提高溶質原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質點超細化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結構甚至非晶態(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 精細加工 選擇適當波長的激光，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，進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 軟件進行仿真圖案（或文字）和控制，實現(xiàn)高保真打標；利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執(zhí)行移動操作（生物光鑷）。 （ l）微細機械加工工藝 凸形（外）表面的微細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?shù)毒呋剞D時，金剛石刀片形成一個 45 圓錐的切削面。凹形（內）表面的微細切削時，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。 微細加工中俯 個關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系一致，否則很難保證微小的切除量。為此可在同一臺機床上制作刀具后進行加工，使刀具的制作和微細加工采用同一工作條件，避免裝夾的誤差。如果在機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 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。微細電火花加工（ MEDM）所用的機床如日本松下電氣產業(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 5 m，表面粗糙度達 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 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在同一臺電加工機床上制作，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。如在微細電火花機床上加工電極或超聲加工工具，就可加工出 5 10 m 微型孔。微細電加工與微細機械加工相比雖材料切除率較低，但加工尺寸能更細小，孔的長徑比更大可達 5 10，尤其對于微細的復雜凹形內腔加工更有其優(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)和應用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點，并優(yōu)于其它加工技術。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)展到復合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術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；微細激光加工裝備缺口較大；而這些領域我國的生產 加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進入，國內應用市場有很大發(fā)展空間。預測今后 2-3年內，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， 也就是說會達到 70 億元產值。 國內各類制造業(yè)接受了激光加工技術，它可使他們的產品增加技術含量，加快產品更新?lián)Q代，為適應 21世紀高新技術的產業(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、高光束質量等特征的激光，尤其是能適應微制造技術要求的激光光源更是倍受關注，并已形成國際性競爭。 3 結論 本文對激光加工進行了全面的介紹，讓我們知道了很多關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，應用于多個領域，但是每件事都不是完美無缺的，激光加工