题目：其他几种常见特种加工工艺简介——陈少勇08机自A4班084812746摘要：特种加工的出现弥补了传统的切削加工的缺点，即可以用软的工具加工任何硬度的金属材料，获得了“以柔克刚”的效果。

此外，特种加工还可以加工韧性、脆性的金属和非金属材料，且专长于加工复杂、细微表面和低刚度零件。

同时，有些特种加工方法还可以进行超精加工、镜面光整加工和纳米级（原子级）加工。

除电火花加工、电火花线切割加工和电化学加工之外，本文主要介绍激光加工、电子束加工、离子束加工、超声加工、快速成型技术和其他特种加工的相关工艺。

关键词：激光加工；电子束加工；离子束加工；超声加工；化学加工；水射流切割；一、激光加工㈠、激光产生的原理1、原子的发光：电子绕原子核运动，在最靠近原子核的轨道上运动最稳定，这时的能级状态称为基态。

原子接受外界能量时，外层电子获得能量，轨道半径扩大，被激发到高能级转变为激发态或高能态。

激发态的高能级原子停留时间很短，0.01μs左右。

寿命较长的较高能级称为亚稳态能级。

原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，以光子的形式释放出能量。

如图1-1所示：图1-1：原子能级示意图2、激光的产生：具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级（亚稳态）的原子（或粒子）数目大于处于低能级（基态）的原子数目，这种现象，称为“粒子数反转”。

在粒子数反转的状态下，如果有一束光子照射物体，而光子的能量恰好等于这两个能级相对应的能量差，这时就能产生受激辐射，出现雪崩式连锁反应，并输出大量的光能，这就是激光。

㈡、激光加工的原理：1、激光的特性：①强度高：激光的亮度比太阳表面的亮度要高二百多亿倍，可见，激光的亮度与强度特别高。

②单色性好：其单色性比氪灯高上万倍。

③相干性好：激光的相干长度高达几公里，而单色性很好的氪灯所发出的光相干长度才为78厘米。

④方向性好：光束的方向性是用光束的发散角度来衡量的，激光的发散角度可以小到0.12、激光加工的原理：激光加工是利用光的能量，经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工材料的。

具体原理和特点如下：①聚焦后，激光加工的功率密度可高达10～10w/cm3，光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。

例如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都能加工。

②激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可以用以精密微细加工。

③加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题。

加工速度快，热影响小，容易实现加工过程自动化。

还能通过透明体进行加工，如对真空管内部进行焊接加工等。

④和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。

⑤激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求。

由于光的反射作用，对于表面光泽或透明材料的加工，必须预先进行色化或打毛处理，使更多的光能被吸收后转化为热能用于加工。

⑥加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。

简而言之，激光加工的原理可以概括如下：激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。

由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达107~1011w／cm2，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去，这就是激光加工的工作原理。

㈢、激光加工的优点根据激光的特性与其加工原理，可知激光加工有如下优点：①激光功率密度大，加工材料范围广，激光几乎对所有的金属材料和非金属材料都可进行加工，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；②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；③激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，加工精度高；④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；⑤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；⑥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；⑦加工速度快，加工效率高。

㈣、激光加工的基本设备1、固体激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等。

2、气体激光器：二氧化碳激光器、氩离子激光器。

㈤常见的激光加工工艺及应用可由激光加工方法加工的材料范围非常广，几乎所有的金属材料和非金属材料都可进行激光加工。

并且激光加工属于非接触加工，无受力变形，受热区域小，工件热变形小，因此加工精度高，可进行微细加工。

例如：激光聚焦后可实现直径0.01mm的小孔加工和窄缝切割。

在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片等。

激光加工还可以进行打孔、切割、刻蚀、焊接、热处理、电子器件的微调、以及激光存储等各个领域。

现仅介绍几种常见的激光加工工艺：1、激光打孔利用激光几乎可以在任何材料上打微型孔，目前已应用到火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴打孔、金刚石拉丝模加工等方面。

激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。

它与激光束的特性和材料的物理性质有关，分析如下：①输出功率与照射时间：激光的输出功率越大，照射时间越长，工件获得的能量越多。

需要注意的是，激光加工的照射时间要控制在几分之一到几毫秒之内，因为，当激光能量一定时，照射时间太长会使热量传播到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使激光能量的使用效率降低。

②焦距与发散角发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可以获得更小的光斑及更高的功率密度。

激光的功率密度越大，对工件的穿透力越大。

③焦点位置焦点位置对于孔的形状和深度都有很大的影响。

如图1-2所示：图1-2：焦点位置与孔的断面形状④光斑内能量分布激光束经聚焦后光斑内各部分的光强度是不同的。

在基模光束聚焦的情况下，焦点的中心强度是最大的，越是远离中心，光强度越小，能量是以焦点为轴心对称分布的，打出的孔自然是圆的。

当光束不是基模输出时，能量不对称，加工的孔也必然不是对称的。

激光在焦点附近的光强度分布与工作物质的光学均匀性及谐振腔调整精度有关。

如果对孔的圆度要求特别高，就必须使激光器只在基模振荡。

如图1-3所示：图1-3：激光能量分布对打孔质量的影响⑤激光的多次照射用激光器照射一次，加工的深度大约是孔径的五倍左右，而且锥度较大。

如果用激光多次照射，其深度可以大大增加，锥度可以减小，而孔径几乎不变，这是由于光管效应的缘故。

如图1-4所示：图1-4：光管效应示意图值得注意的是，当照射20到30次后，孔的深度达到饱和，如果单位脉冲能量不变，就不能继续加深孔。

如1-5所示图：图1-5：照射次数与孔深关系示意图单位脉冲能量：1- 2.0J 2- 1.5J 3- 1.0J⑥工件材料由于各种工件材料的吸光光谱不同，经透镜聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，生产实践中，必须根据工件材料的性能选择合理的激光器。

注意事项：需要注意的是，激光加工的照射时间要控制在几分之一到几毫秒之内，因为，当激光能量一定时，照射时间太长会使热量传播到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使激光能量的使用效率降低。

2、激光切割激光可以切割各种各样的材料。

既可以切割金属，也可以切割非金属；既可以切割无机物，也可以切割皮革之类的有机物。

由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等即硬又脆的材料。

再加上激光的斑点小、切缝窄，且便于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。

切割金属材料时，采用同轴吹氧的工艺可以大大提高切割速度，而且表面粗糙度也有明显改善。

大功率二氧化碳气体激光器所输出的连续激光，可以切割钢板、钛板、石英、陶瓷以及塑料、木材、布匹、纸张等，其工艺效果都很好，如表1-1、表1-2所示：表1-1：二氧化碳激光器对金属材料切割的有关数据表1-2：二氧化碳激光器对非金属材料切割的有关数据注意事项：激光加工切割布匹、纸张、木材等易燃材料时，可以采用同轴吹保护气体（二氧化碳、氮气等），以防止烧焦和缩小切缝。

3、激光刻蚀小功率的激光束可以用于对金属或非金属表面进行刻蚀打标，加工出文字图案或工艺美术品。

注意事项：激光刻蚀时，应采用小功率激光束。

二、电子束加工㈠、电子束加工的原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料局部熔化和气化，被真空系统抽走。

控制电子束能量密度的大小和能量注入，就可以达到不同的加工目的。

㈡、电子束加工的特点电子束加工的特点总结如下：⑴由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm。

所以加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。

⑵电子束能量密度高，使照射部分的温度超过材料的融化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。

工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。

加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

⑶电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，每秒钟可以在2.5㎜厚的钢板上加工50个直径为0.4㎜的孔。

⑷可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。

在电子束爆光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。

在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。

⑸电子束加工是在真空中进行，污染少，加工表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。

⑹电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。

㈢、电子束加工装置电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源主成。

㈣、电子书加工的应用电子束加工按其功率密度和能量注入时间不同，可用于打孔、切割、刻蚀、焊接、热处理和光刻加工等。

1、高速打孔电子束打孔已经在实际生产中应用，目前最小直径可达0.003mm左右，例如：喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔，不急内孔的密度可以连续变化，而且孔数达数百万个，有时还可以改变孔径，最宜用电子束高速打孔，打孔可以再工件运动中进行，例如在0.1mm厚度的不锈钢上加工直径为@!$@!#%0.2MM 的孔，速度为每秒3000孔。