高能束及復合加工技術

TheponywasrevisedinJanuary021第三章高能束及復合加工技術束流作為熱源，對材料或構(gòu)件進行加工的先進的特種加工技術。包括涂、表面改性、刻蝕和精細加工等各類工藝方法，并已擴展到新型利用高能束熱源、高能量密度、可精密控制微焦點和高速掃描的技術特透、高速加熱和高速冷卻的全方位加工。③高能束加工技術展。合加工1、常用的高能密度束流加工方法:度、工作速度、功率，小型化，惡劣環(huán)境下可以勝任結(jié)構(gòu)形狀的復雜性、材料的可加工性、加工精度及表面完HEBM工技術的應用、打孔和涂覆加工在表面改性、微細加工和新材料制備領域4、復合加工及其應用1)復合加工應用機械、化學、光學、電力、磁力、流體力學和聲波等多種能量，用兩種或者多種加工方法，通過不同的作用原理對加工部位進行改性2)提高了加工效率，生產(chǎn)率一般大大高于單獨用各種加工方法的生產(chǎn)率之和。3)在提高加工效率的同時，又兼顧了加工精度、加工表面質(zhì)量和工具損耗等。束幾乎在一條直線上傳播,發(fā)散角幾毫弧度好:He-Ne激光的譜線寬度約2X10-9nm光的亮度比太陽高100億倍改變腔長可改變波長⑥可調(diào)制：振幅、偏振方向及頻率等參數(shù)可以調(diào)制(光通信采用)①激光加工(laserbeammachining，LBM)是利用材料在在激光聚焦照射下瞬時急劇熔化和氣化，并產(chǎn)生很強的沖質(zhì)爆炸式地噴濺來實現(xiàn)材料去除的加工技術。是一種在光熱效應下產(chǎn)光學系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，其功率密度可達107~1011w/cm2，溫度可達一萬攝氏度，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加工及其應用力、磁力、流體力學和聲波等多種能量，在加種加工方法，通過不同的作用原理對加工部位進行改性和去率，生產(chǎn)率一般大大高于單獨用各種加工方法的生產(chǎn)率之和工表面或到高能階，稱為“激發(fā)態(tài)”。原子從高能階落到低能子的輻射加熱加工的特點1)激光加工屬非接觸加工，無明顯機械力，也無工具損耗，工件不變形，加工速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3)激光加工可通過惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)對工件進行加工，如可通過玻璃對4)激光可聚焦形成微米級光斑，輸出功率大小可調(diào)節(jié)，常用于精密細微加工，最高加工精度可達0.001mm，表面粗糙度Ra值可達0.4~0.1。5)能源消耗少，無加工污染，在節(jié)能、環(huán)保等方面有較大優(yōu)勢。備的核心，它能把電能轉(zhuǎn)換成光能，獲得方向性好、能量密度激光打孔效率非常高，功率密度通常為107~108W/cm2，打孔時間甚至可縮短至傳激光打孔的尺寸公差等級可達IT7，表面粗糙度Ra值可達0.16~0.08。激光切割是利用聚焦后的高功率密度(105~107w/cm2)，激光束連續(xù)照射工件，切割過程附加的化學反應熱能均被材料吸收，引起照射點材料材料開始汽化，并形成孔洞，且光束與工件相對移動，使材料定壓力的輔助氣體吹除。激光切割是激光加工中應用最廣泛的變形小、無刀具磨損、無接觸能量損耗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CO還有CO激光器、半導體激光器和準分子激光器等。激光器利物質(zhì)受激而產(chǎn)生波長均一，方向一致和強度非常高的光束。經(jīng)集中，能量密度可達105-Wcm迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝激光打標/雕刻0um，最小25um多臺激光鉆孔打標設備，其中300臺在日本①當激光能量密度在103~105w/cm2左右時，對工件表面進行掃描，在極短的時間內(nèi)加熱到相變溫度(由掃描速度決定時間長短)，工件表層由于熱量迅速向內(nèi)傳導快速冷卻，實現(xiàn)了工件表層材料的相變硬化(激光淬火)。理比較，激光熱處理工藝簡單，生產(chǎn)率高，工藝過程易實現(xiàn)自動質(zhì)，對環(huán)境無污染，對工件表面加熱快，冷卻快，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)孔或形狀復雜零件表面的光表面熱處理設備費用高，工件表面硬化深度受限，因而不適合大負三、電子束和離子束加工在真空條件下，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/cm工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內(nèi)，其能量大部沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來量密度較低的電子束轟擊高分子材料，使其分子鏈切斷或重新聚加工應用、電子束加工裝置電子束加工的特點90％夠聚焦到0.1μm，污染少，材料加工表面不氧化對電子束，強度、位置、聚焦等直接控制位的溫度超過材料的熔化和氣化溫度，使材料瞬時蒸發(fā)備和真空系統(tǒng)，價格較貴子束加工方法、電子束打孔電子束切割4)、電子束表面改性電子束曝光電子束刻蝕擊工件接縫處，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)比大，可達60:1進行遠距離的焊接熱影響區(qū)小縫的自動焊接到氧、氮等有害氣體的影響X線，有害人體形狀受到工作室的限制加工、裝配要求嚴格較昂貴玻璃等各種材料上的小孔、深孔。最小加工直徑可mm翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔，此類孔數(shù)量巨大(高達數(shù)百萬)，且孔徑微小，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束上打許多微孔，令其象真皮一樣具有透氣性。一些合成纖維為增加透頭型孔往往制成異形孔截面，可利用脈沖電子束對圖形掃描制出。還口寬度僅有3~6μm離子束加工(IBM)是在真空條件下利用離子源(離子槍)產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦到工件表面，使材料變形、破壞、分離以達到加工目的。因為離的千萬倍，且加速到較高速度時，具有比電子束大得多的撞擊動件將引起變形、分離、破壞等機械作用，而不像電子束是通過熱由電子槍產(chǎn)生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰要特點：①適於加工易氧化金屬，合金材料和半導體材料②采微量加工方式，故加工應力、熱變形等極小、加工精度高④成本高，加工效率低，但可進行自動化加工1)、離子蝕刻2)離子鍍膜3)離子濺射沉積4)離子注入當所帶能量為0.1~5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子(或分子)間鍵合力時，材料表面的原子(或分子)被逐個濺射出來，以達到加工目的。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高技術起源“水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力.作為一項獨立而完整的加WaterjetWJ磨料水射流(AbrasiveWaterjet,AWJ產(chǎn)生卻是最近三十年的事.利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務始于十九世紀七十年代左剝落樹皮直到二戰(zhàn)期間，飛機運行中“雨蝕”使雷達艙破壞這一現(xiàn)象到本世紀五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯(lián)，但第一項水射流(WJ、AWJ)切割技術和設備有了長足進步，其應用遍及工業(yè)生面。許多大學、公司和工廠競相研究開發(fā)，新思維、新理論、新技術種你追我趕的勢頭。目前已有3000多套水射流切割設備在數(shù)十個國家長率超過20％。高壓際上興起的一項高科技冷加工切割技術。高壓水射流是將普通自來水通過高壓泵加壓到數(shù)百乃至數(shù)千大氣壓力，然后通過特殊的噴嘴(孔徑只有1-2毫米)，以極高的速度(200-500米/秒)噴出的一股能量高度集中的水流。這一股一股的小水流如同小子彈一樣具有巨夠進行鋼板和鋼筋混凝土的切割、鑄件清砂、金屬除銹、破碎巖石作一種在今后的冷加工工程中將發(fā)揮越來越重要的作用應用，集中反映了水壓切，其相關基礎理論的研究成果將對冷加工技術的發(fā)展起到積極的推的意義。由于水具有腐蝕性強、粘性低、潤滑性差、汽化壓力高等的水切割機，必須解決各類摩擦副的腐蝕、磨損、疲勞破壞、氣蝕高壓水射流是運用液體增壓原理，通過特定的裝置(增壓泵或高壓泵),將動力源(電動機)的機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴(又一換能裝置)，高壓水射流加工之特點mm材料損耗少，適於切割復合材料、蜂窩結(jié)構(gòu)材料，以及泡沫塑料方便、高效率機理靶物碰撞時，產(chǎn)生極高的沖擊動壓(p=ρvc)和看相對于射流平均速度存在著超高速區(qū)和低速區(qū)(有時可能為負值)內(nèi)部實際上存在剛性高和剛性低的部分，剛性壓使傳播時間也減少，增大了沖擊強度，宏觀上看起快速楔劈作用吸屑、排屑作用，這兩者的結(jié)合正。態(tài)斷裂過程，對脆性材料(如巖石)等主要是以裂紋破性材料符合最大的拉應力瞬時斷裂準則，即一旦材料中某點的法向臨界值σy時，該點即發(fā)生斷裂。根據(jù)彈塑性力學，動態(tài)斷裂強度高出一個數(shù)量級左右，主要是因為動態(tài)應力作用時間短，材料中裂4、高壓水射流(WJ、AWJ)切割應用范圍的高速射流進行的(有時又稱為高速水射流加電子束一樣是屬于高能束加工范疇。高壓水射流切割作為一項高新是切割領域的一次革命，有著十分廣闊的應用前景，隨著技術的成對其它切割工藝是一種完美補充。目前其用途和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在難耐熱合金、鈦合金、耐蝕合金、復合材料(frm、frp等)、鍛燒陶瓷、高速鋼(hrc30以下)、不銹鋼、高錳鋼、模具鋼和馬氏體鋼(hrc<30)、高硅鑄鐵、可鍛鑄鐵等一般工程割外，稍降低壓力或增大靶距和流量還可以用于清洗、破碎、表面國，幾乎所有的汽車和飛機制造廠都有應用。目前已在以下行業(yè)獲與修理、航空航天、機械加工、國防、軍工、兵器、電子電力、石建材、核工業(yè)、化工、船舶、食品、醫(yī)療、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政工程超聲波加工UltrasonicMachining(USM)聲波是物體機械振動狀態(tài)(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)波。超聲波是指振動頻率大于20KHz以上的，人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波。頻率高于人的聽覺上限(約為20000赫)的聲波，稱為超聲波聲波具有如下特性：1)超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。2)超聲波可傳遞很強的能量。3)超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化、超聲波加工原理超聲波加工(ultrasonicmachining，USM)是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材超聲波加工是磨料在超聲波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)沖擊是加工基本原理電振蕩轉(zhuǎn)換為超聲機械振動振幅放大至0.05~0.1mm工具推動磨料沖擊工件的綜合切蝕作用波加工設備工設備歷史在1927年就有記錄，超聲波工藝技術的第一次有用的描述直到才在工業(yè)文獻上出現(xiàn)。從那時以來種用途的各種類型和尺寸的超聲機械加工工具，并且已經(jīng)開始進波發(fā)生器換為超聲頻電振蕩振動系統(tǒng)振動號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動壓電式換能器(利用壓電效應制成)磁致伸縮式換能器(利用磁致伸縮效應制成)鐵合金或鐵氧體等鐵磁材料在磁場強度變化下發(fā)生形變。或者石英晶體、鈦酸鋇(BaTiO3)陶瓷、鋯鈦酸鉛(ZrPbTiO3)壓電陶瓷等物質(zhì)受外力通過變幅桿任一截面的振動能量不變(傳播損耗不記)截面小的地方能量密度大能成正比液沖擊工件表面，加工出形狀和尺寸材料：45鋼、碳素工具鋼~一般硬脆材料硬質(zhì)合金、淬火鋼~加工精度高金剛石鍍覆~~特殊要求常用、效果較好~~水表面質(zhì)量要求高~~煤油或機油化鋁生產(chǎn)率要求高~~顆粒大加工精度、表面質(zhì)量要求高~~顆粒料的圓孔、型孔、型腔、溝槽、異形貫通孔，比用金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精濟性好的優(yōu)點切割單晶硅片示意圖，一次可切割10-20片聲波焊接加工化膜，在兩個被焊工件表面分子的高速振動撞擊下粘結(jié)在制品，在陶瓷等表面涂覆熔化的金屬涂層焊接一般很難焊接的稀、锝等聲波復合加工特點、范圍和加工局限性在一個加工過程中運用兩種或兩種以之相輔相成，優(yōu)勢互補，此即復合加工和超聲波加工相結(jié)合的工、超聲振動切削加工、超聲激光加工超聲、提高加工效率和擴大加工范圍等方面具有獨特而明顯22、超聲振動切削加工特點及應用攻絲扭矩、切削變形小，加工精度高，表面粗糙度低，刀具壽，生產(chǎn)率高料的加工、超聲波切割應用技術切割加工時，將安裝在主軸后方的超聲波振動器所產(chǎn)生的前后輪刀片的基臺傳遞到磨輪刀片的外圓部分，并轉(zhuǎn)換成半徑方向上的膨、超聲波切割加工原理：輪刀片在半徑方向上產(chǎn)生瞬間的伸縮式振動，就能在