激光束加工技术 数控论文.doc

激光束加工技术摘要激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程包括激光焊接激光切割表面改性激光打标激光钻孔和微加工等用激光束对材料进行各种加工如打孔切割划片焊接热处理等激光能适应任何材料的加工制造尤其在一些有特殊精度和要求特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用关键词加工原理发展前景强化处理微细加工发展前景一激光加工的原理及其特点1激光加工的原理激光加工是将激光束照射到工件的表面以激光的高能量来切除熔化材料以及改变物体表面性能由于激光加工是无接触式加工工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力所以激光加工的速度极快加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节因此激光加工可应用到不同层面和范围上激光加工的特点激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势由于它是无接触加工并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调因此可以实现多种加工的目的它可以对多种金属非金属加工特别是可以加工高硬度高脆性及高熔点的材料激光加工过程中无刀具磨损无切削力作用于工件激光加工过程中激光束能量密度高加工速度快并且是局部加工对非激光照射部位没有影响或影响极小因此其热影响区小工件热变形小后续加工量小它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工由于激光束易于导向聚集实现作各方向变换极易与数控系统配合对复杂工件进行加工因此是一种极为灵活的加工方法使用激光加工生产效率高质量可靠经济效益好例如美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽不到4H即可高质量完成而原来采用电火花加工则需要9H以上仅此一项每台发动机的造价可省5万美元激光切割钢件工效可提高820倍材料可节省1530大幅度降低了生产成本并且加工精度高产品质量稳定可靠虽然激光加工拥有许多优点但不足之处也是很明显的二激光技术用激光束对材料进行各种加工如打孔切割划片焊接热处理等激光加工有许多优点激光功率密度大工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化即使熔点高硬度大和质脆的材料如陶瓷金刚石等也可用激光加工激光头与工件不接触不存在加工工具磨损问题工件不受应力不易污染可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工激光束的发散角可小于1毫弧光斑直径可小到微米量级作用时间可以短到纳秒和皮秒同时大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级因而激光既适于精密微细加工又适于大型材料加工激光束容易控制易于与精密机械精密测量技术和电子计算机相结合实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度在恶劣环境或其他人难以接近的地方可用机器人进行激光加工激光打孔采用脉冲激光器可进行打孔脉冲宽度为011毫秒特别适于打微孔和异形孔孔径约为00051毫米激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承金刚石拉丝模化纤喷丝头等工件的加工激光切割划片与刻字在造船汽车制造等工业中常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割既能保证精确的空间曲线形状又有较高的加工效率对小工件的切割常用中小功率固体激光器或CO2激光器在微电子学中常用激光切划硅片或切窄缝速度快热影响区小用激光可对流水线上的工件刻字或打标记并不影响流水线的速度刻划出的字符可永久保持激光微调采用中小功率激光器除去电子元器件上的部分材料以达到改变电参数如电阻值电容量和谐振频率等的目的激光微调精度高速度快适于大规模生产利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模修补集成电路存储器以提高成品率还可以对陀螺进行精确的动平衡调节激光焊接激光焊接强度高热变形小密封性好可以焊接尺寸和性质悬殊以及熔点很高如陶瓷和易氧化的材料激光焊接的心脏起搏器其密封性好寿命长而且体积小激光热处理用激光照射材料选择适当的波长和控制照射时间功率密度可使材料表面熔化和再结晶达到淬火或退火的目的激光热处理的优点是可以控制热处理的深度可以选择和控制热处理部位工件变形小可处理形状复杂的零件和部件可对盲孔和深孔的内壁进行处理例如气缸活塞经激光热处理后可延长寿命用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料强化处理激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程在金属材料激光表面强化中当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化当激光束能连密度处于高端时工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚可完成一系列的冶金过程包括表面重熔表层增碳表层合金化和表层熔覆这些功能在实际应用中引发的材料替代技术将给制造业带来巨大的经济效益而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态同时迅速凝固产生新的表面层根据材料表面组织变化情况可分为合金化溶覆重溶细化上釉和表面复合化等激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面使其表面快速熔融快速冷凝获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术它具有以下优点1表面熔化时一般不添加任何金属元素熔凝层与材料基体形成冶金结合2在激光熔凝过程中可以排除杂质和气体同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度耐磨性和抗腐蚀性3其熔层薄热作用区小对表面粗糙度和工件尺寸影响不大有时可不再进行后续磨光而直接使用4提高溶质原子在基体中固溶度极限晶粒及第二相质点超细化形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能光束可以通过光路导向因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面综合激光技术的优点及以被广泛应用的技术的缺点把激光技术应用于刀具材料表面强化处理将是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一尤其对于陶瓷硬质合金刀具这种高硬度耐热性好等优点有利于提高加工效率和加工精度并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工由于它们强度相对较低韧性较差严重地限制了它们的应用范围因此把激光表面强化技术应用于陶瓷硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景微细加工选择适当波长的激光通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统获得高质量光束高稳定性微小尺寸焦斑的输出利用其锋芒尖利的光刀特性进行高密微痕的刻制高密信息的直写也可利用其光阱的力效应进行微小透明球状物的夹持操作例如高精密光栅的刻制通过CADCAM软件进行仿真图案或文字和控制实现高保真打标利用光阱的束缚力对生物细胞执行移动操作生物光镊微细加工工艺l微细机械加工工艺凸形外表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀刀尖半径约为100m单晶金刚石立铣刀的刀头形状当刀具回转时金刚石刀片形成一个45圆锥的切削面凹形内表面的微细切削时最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制如钻孔用麻花钻可加工小至50m的孔更小的孔则无麻花钻商品可采用扁钻微细加工中俯个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致否则很难保证微小的切除量为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件避免装夹的误差如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀可以用它铣出50m宽的槽2微细电加工工艺微型轴和异形截面杆的加工可采用线放电磨削法WEDG加工它的独特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的1100如需获得更为光滑的表面则可以在WEDG加工后再采用线电化磨削法WECG它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层微细电火花加工MEDM所用的机床如日本松下电气产业公司的MGED71它的定位控制的分辩率为01m最小加工孔径达5m表面粗糙度达01m加工节径300m厚100m的9齿不锈钢齿轮时先用24m的电极连续打孔加工出粗轮廓再用31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓精度达3m也可用它加工微型阶梯轴最小直径为30m加工的键槽截面为10m10m加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作否则由于电极的连接和安装误差很难加工出小于直径100m微型孔如在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具就可加工出510m微型孔微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低但加工尺寸能更细小孔的长径比更大可达510尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性三激光加工的发展前景激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样有其不可替代的优点并优于其它加工技术激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段它主要是采用5KW10KWCO2高功率激光器及其系统与国际上激光加工系统相比我国的激光加工系统差距甚大仅占全球销售额的4左右主要表现为高档激光加工系统很少甚至没有主力激光器不过关微细激光加工装备缺口较大而这些领域我国的生产加工企业正在积蓄力量稳步进入国内应用市场有很大发展空间预测今后23年内我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍也就是说会达到70亿元产值国内各类制造业接受了激光加工技术它可使他们的产品增加技术含量加快产品更新换代为适应21世纪高新技术的产业化满足宏观与微观制造的需要研究和开发高性能光源势在必行目前正在积极研制超紫外超短脉冲超大功率高光束质量等特征的激光尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注并已形成国际性竞争参考文献1张辽远现代加工技术北京机械工业出版社200872宋威廉激光加工技术的发展北京机械工业出版社200833曾智江朱三根微细技工技术的研究北京高等教育出版社2007124孟永刚激光加工技术北京国防工业出版社200801