1、 第第11章章 特种加工设备特种加工设备11.1概概 述述 特种加工方法也称为现代加工方法，是指采用除特种加工方法也称为现代加工方法，是指采用除机械能以外的电能、化学能、声能、光机械能以外的电能、化学能、声能、光 能、磁能等能、磁能等进行加工的方法。进行加工的方法。这种加工方法在加工过程中，不使用普通刀具来这种加工方法在加工过程中，不使用普通刀具来切削工件材料，而是切削工件材料，而是直接利用能量来进行加工直接利用能量来进行加工。特种加工的特点是：特种加工的特点是：（1）切除材料的能量不单纯依靠机械能，主要）切除材料的能量不单纯依靠机械能，主要依靠电能、化学能、声能、光能等；依靠电能、化学能、声
2、能、光能等；（2）有的使用工具，有的则不使用工具。在加）有的使用工具，有的则不使用工具。在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力，工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。削力，工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。特种加工方法的分类见表特种加工方法的分类见表11-1所示。所示。能量类型能量类型金属切削机理金属切削机理传递介质传递介质能源能源方法方法机械能机械能冲击冲击高速粒子高速粒子高压流体高压流体水射流加工水射流加工磨料射流加工磨料射流加工超声波加工超声波加工超声波超声波剪切剪切直接接触直接接触切削工具切削工具普通机械加工普通机械加工电化学能电化
3、学能离子转移离子转移电介质电介质大电流大电流电化学加工电化学加工电化学磨削电化学磨削化学能化学能烧蚀烧蚀易反应的周围介质易反应的周围介质 腐蚀剂腐蚀剂化学加工化学加工电热能电热能离子撞击离子撞击离子流离子流离子源离子源离子束加工离子束加工熔化、气化熔化、气化电子束电子束电子枪电子枪电子束加工电子束加工激光激光激光器激光器激光加工激光加工高温离子流高温离子流等离子电弧等离子电弧等离子电弧加等离子电弧加工工电火花电火花脉冲电源脉冲电源电火花加工电火花加工表表11-1 特种加工方法的分类特种加工方法的分类 11.2数控电火花线切割机床数控电火花线切割机床 11.2.1 概述概述 1.电火花线切割加工
4、的基本原理电火花线切割加工的基本原理（如图（如图11-1所示）所示）图图11-1 电火花线切割原理电火花线切割原理1绝缘底板 2工件 3脉冲电源 4钼丝 5导向轮 6支架 7贮丝筒 基本工作原理：基本工作原理：电火花线切割（电火花线切割（Wire Cut EDM，简称，简称WEDM）的基本原理是利用连续移动的细金属丝（铜丝或钼的基本原理是利用连续移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作为工具电极，并在金属丝与工件之间通以脉丝）作为工具电极，并在金属丝与工件之间通以脉冲电流（工具冲电流（工具(线线)电极与电源的负极相接，工件与电极与电源的负极相接，工件与电源的正极相接），利用它们之间的脉冲火花放电电源的正
5、极相接），利用它们之间的脉冲火花放电效应，使金属熔化或气化，并通过电极丝与工件的效应，使金属熔化或气化，并通过电极丝与工件的相对运动，对工件进行切割成型。电火花线切割也相对运动，对工件进行切割成型。电火花线切割也简称为线切割。简称为线切割。2.数控线切割机床的分类数控线切割机床的分类 根据电极丝的运行速度和运转方式，数控线切割机根据电极丝的运行速度和运转方式，数控线切割机床可分为以下三类：床可分为以下三类：高速走丝线切割机床（高速走丝线切割机床（WEDMHS）这类机床的电极丝作高速往复运动，也称为往复走这类机床的电极丝作高速往复运动，也称为往复走丝或快走丝线切割机，一般走丝速度为丝或快走丝线切
6、割机，一般走丝速度为810m/s，为，为我国独创，也是我国生产和使用的主要机种；我国独创，也是我国生产和使用的主要机种；低速走丝线切割机床（低速走丝线切割机床（WEDMLS）这类机床的电极丝作低速单向运动，故也称为单这类机床的电极丝作低速单向运动，故也称为单向走丝或慢走丝线切割机，一般走丝速度低于向走丝或慢走丝线切割机，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机种。，这是国外生产和使用的主要机种。自旋转式数控线切割机床自旋转式数控线切割机床 这类机床的电极丝在作直线运动这类机床的电极丝在作直线运动(20120mm/s)的同时绕自身轴线做高速旋转运动的同时绕自身轴线做高速旋转运动(
7、10003000r/min)，为我国首创。，为我国首创。11.2.2 数控线切割机床的组成数控线切割机床的组成 如图如图11-2和图和图11-3所示，数控线切割机床所示，数控线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、工作液循环系主要由机床本体、脉冲电源、工作液循环系统、数控系统和机床附件等组成。统、数控系统和机床附件等组成。图图11-2 高速走丝线切割装置示意图高速走丝线切割装置示意图 1脉冲电源;2喷嘴;3、8步进电动机;4电极丝;5导轮;6储丝筒;7坐标数控装置;9工件;10绝缘板;11工作液箱;12泵 图图11-3 低速走丝线切割装置示意图低速走丝线切割装置示意图 1脉冲电源;2工件;3工作液
8、箱;4去离子水;5泵;6放丝筒;7坐标工作台;8 X轴电动机;9数控装置;10Y轴电动机;11收丝筒 1.机床本体机床本体 机床本体由床身、坐标工作台、走丝机构、丝架、机床本体由床身、坐标工作台、走丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具等组成。工作液箱、附件和夹具等组成。（1）床身）床身 床身是坐标工作台、储丝机构及丝架的支承和固床身是坐标工作台、储丝机构及丝架的支承和固定基础，应具有足够的强度和刚度，一般采用箱式定基础，应具有足够的强度和刚度，一般采用箱式结构的铸件。结构的铸件。床身内部可安置电源及工作液箱。床身内部可安置电源及工作液箱。（2）坐标工作台）坐标工作台 坐标工作台用来安置工件，并根
9、据控制要求，对坐标工作台用来安置工件，并根据控制要求，对电极丝做预定的相对运动。它包括拖电极丝做预定的相对运动。它包括拖 板、导轨、丝板、导轨、丝杆运动副及驱动装置等。杆运动副及驱动装置等。（3）走丝机构）走丝机构 走丝机构的作用是使电极丝保持一定的张力，以走丝机构的作用是使电极丝保持一定的张力，以一定的速度平稳运行，并使电极丝整齐地缠绕在储丝一定的速度平稳运行，并使电极丝整齐地缠绕在储丝筒上。筒上。低速走丝机构低速走丝机构 如图如图11-4所示，低速走丝是单方向一次用丝，所示，低速走丝是单方向一次用丝，电极丝从放丝筒出丝，经导向滑轮、张紧装置、导电极丝从放丝筒出丝，经导向滑轮、张紧装置、导向
10、装置，穿过工件等到达卷丝筒，在卷丝筒的转动向装置，穿过工件等到达卷丝筒，在卷丝筒的转动下以一定的张力下以一定的张力(225N)和较低的速度和较低的速度(通常在通常在0.2m/s以下以下)平稳移动。平稳移动。1放丝筒;2、5、6、11、18导向滑轮;3制动轮;4、12断丝检测微动开关;7卷丝筒;8放丝筒;9压紧轮;10抬丝轮;13、17引电板;14、16导向器;15工件图图11-4 低速走丝机构示意图低速走丝机构示意图 为了减小电极丝的振动，通常在工件的上、下装有可上为了减小电极丝的振动，通常在工件的上、下装有可上下调节（适应厚度的变化）的蓝宝石下调节（适应厚度的变化）的蓝宝石V形导向器或圆孔金
11、形导向器或圆孔金刚石模导向器，其附近装有引电板。刚石模导向器，其附近装有引电板。工作液一般通过引电区和导向器再进入加工区，可使电工作液一般通过引电区和导向器再进入加工区，可使电极丝的通电部分全部冷却。有的机床上还装有自动穿丝机极丝的通电部分全部冷却。有的机床上还装有自动穿丝机构，能使电极丝经过导向器穿过工件上的穿丝孔被送到另构，能使电极丝经过导向器穿过工件上的穿丝孔被送到另一个导向器，并在必要时能自动切断。一个导向器，并在必要时能自动切断。为了使工作可靠，走丝机构中通常装有断丝检测微动开为了使工作可靠，走丝机构中通常装有断丝检测微动开关，断丝时能自动停车并报警。关，断丝时能自动停车并报警。快走
12、丝机构快走丝机构 快走丝机构通过电动机传动储丝筒做高速正、反快走丝机构通过电动机传动储丝筒做高速正、反转，使电极丝保持一定的张力，以较高的速度转，使电极丝保持一定的张力，以较高的速度（810m/s）平稳运行，并通过丝杠螺母传动推板）平稳运行，并通过丝杠螺母传动推板随同储丝筒的正、反转而做往复移动，使电极丝整随同储丝筒的正、反转而做往复移动，使电极丝整齐、均匀地缠绕在储丝筒上。齐、均匀地缠绕在储丝筒上。走丝机构与床身、工作台必须保持良好的绝缘。走丝机构与床身、工作台必须保持良好的绝缘。（4）丝架）丝架 丝架的作用是通过丝架上的两个导轮对电极丝进丝架的作用是通过丝架上的两个导轮对电极丝进行支承和导
13、向，并且能使电极丝的工作部分与工作行支承和导向，并且能使电极丝的工作部分与工作台保持一定的角度，以便实现锥度切割。台保持一定的角度，以便实现锥度切割。双坐标联动丝架是在丝架上增加了双坐标联动丝架是在丝架上增加了 u、v两个驱两个驱动电动机，通过程序控制来实现锥度切割。动电动机，通过程序控制来实现锥度切割。2.脉冲电源脉冲电源 脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给工件和电极丝放电频率的单向脉冲电流，以供给工件和电极丝放电间隙所需的电能来蚀除金属。间隙所需的电能来蚀除金属。脉冲电源的性能直接影响加工速度、表面质量、脉冲电源的性能
14、直接影响加工速度、表面质量、加工精度及电极丝的损耗等。加工精度及电极丝的损耗等。正极性加工正极性加工 受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工电源的脉宽较窄（线切割加工电源的脉宽较窄（260s），单个脉），单个脉冲能量、脉冲峰值电流较小，一般为冲能量、脉冲峰值电流较小，一般为1535A，所，所以线切割加工总是采用以线切割加工总是采用正极性加工（即工件接正正极性加工（即工件接正极）。极）。因采用窄脉宽时，电子质量小、惯性小、易因采用窄脉宽时，电子质量小、惯性小、易加速，且冲向正极表面，所以电能、动能转化为热加速，且冲向正极表面，所以电能、
15、动能转化为热量而蚀除金属量而蚀除金属;负极性加工负极性加工 若采用负极性加工，因采用的脉宽窄，且离子质量较若采用负极性加工，因采用的脉宽窄，且离子质量较大、惯性较大、起动加速较慢，有一大部分离子尚未到大、惯性较大、起动加速较慢，有一大部分离子尚未到达工件（负极）表面，脉冲就结束了，所以蚀除金属速达工件（负极）表面，脉冲就结束了，所以蚀除金属速度低。因此，负极性加工只适于长脉冲粗加工。度低。因此，负极性加工只适于长脉冲粗加工。常用的脉冲电源常用的脉冲电源 脉冲电源的品种很多，常用的有晶体管矩形波脉冲电脉冲电源的品种很多，常用的有晶体管矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、并联电容型脉冲电源和低损耗源
16、、高频分组脉冲电源、并联电容型脉冲电源和低损耗脉冲电源等。脉冲电源等。3.工作液工作液 工作液在加工时起绝缘、洗涤、排屑、冷却作用，工作液在加工时起绝缘、洗涤、排屑、冷却作用，对切割速度、表面粗糙度、加工精度等工艺指标影对切割速度、表面粗糙度、加工精度等工艺指标影响很大。因此，对工作液的性能有以下要求：响很大。因此，对工作液的性能有以下要求：（1）具有一定的绝缘性）具有一定的绝缘性 火花放电必须在工作液中进行，要求放电间隙击火花放电必须在工作液中进行，要求放电间隙击穿时即能压缩放电通道，形成瞬时、局部高温，熔穿时即能压缩放电通道，形成瞬时、局部高温，熔化、气化金属，又能在放电后迅速恢复放电间隙
17、为化、气化金属，又能在放电后迅速恢复放电间隙为绝缘状态。绝缘状态。绝缘性太低，将产生电解而不能形成火花放电绝缘性太低，将产生电解而不能形成火花放电;绝缘性太高，则放电间隙将减小，排屑困难，使切绝缘性太高，则放电间隙将减小，排屑困难，使切割速度降低。割速度降低。一般要求工作液的电阻率为一般要求工作液的电阻率为103 10 4 cm。（2）具有较好的洗涤性能）具有较好的洗涤性能 与工件材料有较大的亲和附着力，渗透性强，去与工件材料有较大的亲和附着力，渗透性强，去油污能力强，排屑效果好，使切割后的表面光亮清洁。油污能力强，排屑效果好，使切割后的表面光亮清洁。（3）冷却性能好。）冷却性能好。（4）对环
18、境无污染，对人体无危害。）对环境无污染，对人体无危害。（5）价格低，稳定性好，使用存储安全方便，寿）价格低，稳定性好，使用存储安全方便，寿命长等。命长等。低走丝线切割低走丝线切割机床的工作液大多采用去离子水，机床的工作液大多采用去离子水，只有在特殊精加工时才采用绝缘性较高的煤油。只有在特殊精加工时才采用绝缘性较高的煤油。高走丝线切割高走丝线切割机床的工作液采用乳化液。机床的工作液采用乳化液。4.数控系统数控系统 数控系统的主要作用是在电火花线切割加工过程数控系统的主要作用是在电火花线切割加工过程中，按加工程序要求自动控制电极丝与工件的相对中，按加工程序要求自动控制电极丝与工件的相对运动轨迹和进
19、给速度，实现自动加工。运动轨迹和进给速度，实现自动加工。数控系统的主要功能数控系统的主要功能:（1）轨迹控制功能）轨迹控制功能 通过插补运算，驱动步进电动机实现工作进给，通过插补运算，驱动步进电动机实现工作进给，精确控制电极丝与工件的相对运动轨精确控制电极丝与工件的相对运动轨 迹，切割出迹，切割出符合形状、尺寸要求的零件。符合形状、尺寸要求的零件。（2）加工控制功能）加工控制功能 主要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机构、主要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机构、工作液循环系统以及其他操作的控制。工作液循环系统以及其他操作的控制。进给控制进给控制根据加工间隙的平均电压或放电状态的变化，通根
20、据加工间隙的平均电压或放电状态的变化，通过取样、变频电路，不定期地向计算机发出中断申过取样、变频电路，不定期地向计算机发出中断申请，自动调整伺服进给速度，保持某一平均放电间请，自动调整伺服进给速度，保持某一平均放电间隙，使加工稳定，并提高切割速度和加工精度。隙，使加工稳定，并提高切割速度和加工精度。短路退回短路退回经常记忆电极丝的经过路线，发生短路时，改变经常记忆电极丝的经过路线，发生短路时，改变加工条件并使电极丝沿原路快速后退，消除短路，加工条件并使电极丝沿原路快速后退，消除短路，防止断丝。防止断丝。间隙补偿间隙补偿由于加工程序是按电极丝中心的移动轨迹来进行由于加工程序是按电极丝中心的移动轨
21、迹来进行编制的，因此，必须补偿电极丝的半径和放电间隙：编制的，因此，必须补偿电极丝的半径和放电间隙：加工凸模时加工凸模时，电极丝中心轨迹应向原图形之，电极丝中心轨迹应向原图形之外偏外偏移移，进行，进行“间隙补偿间隙补偿”；加工凹模时加工凹模时，电极丝中心轨迹应向原图形，电极丝中心轨迹应向原图形内偏移内偏移，进行进行“间隙补偿间隙补偿”。图形的缩放、旋转和平移图形的缩放、旋转和平移利用图形的任意缩放功能可以加工出任意比例的利用图形的任意缩放功能可以加工出任意比例的相似图形；相似图形；利用任意角度的旋转功能可大大简化如齿轮、电利用任意角度的旋转功能可大大简化如齿轮、电动机定子和转子等旋转对称类零件
22、的编程；动机定子和转子等旋转对称类零件的编程；利用平移功能则可大大简化复杂模具的编程。利用平移功能则可大大简化复杂模具的编程。适应控制适应控制在工件厚度变化时，改变规准之后，能自动改变在工件厚度变化时，改变规准之后，能自动改变预置进给速度或电参数（包括加工电流、脉冲宽度预置进给速度或电参数（包括加工电流、脉冲宽度和间隔），不用人工调节就能自动进行高效率、高和间隔），不用人工调节就能自动进行高效率、高精度的加工。精度的加工。自动找中心自动找中心可使工件孔中的电极丝自动进行中心找正，并可使工件孔中的电极丝自动进行中心找正，并停止在中心处。停止在中心处。信息显示信息显示可动态显示程序号、计数长度等轨
23、迹参数，采可动态显示程序号、计数长度等轨迹参数，采用用CRT还可显示电规准参数和切割轨迹图形等。还可显示电规准参数和切割轨迹图形等。自诊断功能等。自诊断功能等。11.3.1电火花成型加工原理电火花成型加工原理如图如图11-5所示。所示。在工具电极在工具电极4和工件和工件1之间接一脉冲电源之间接一脉冲电源2，利用，利用自动进给调节装置自动进给调节装置3使工具电极与工件始终保持一使工具电极与工件始终保持一很小的放电间隙，在脉冲电流的作用下，产生火花很小的放电间隙，在脉冲电流的作用下，产生火花放电。放电。11.3数控电火花成型机床数控电火花成型机床 图图11-5电火花成型加工原理电火花成型加工原理
24、1工件;2脉冲电源;3自动进给调节装置;4工具电极;5工作液;6过滤器;7工作液泵 在工件和电极表面上的凸峰处电流密度大，产生在工件和电极表面上的凸峰处电流密度大，产生局部高温，因此凸峰将首先被熔化、气化，形成微局部高温，因此凸峰将首先被熔化、气化，形成微小的凹坑，这又会形成新的凸峰，下次脉冲放电时，小的凹坑，这又会形成新的凸峰，下次脉冲放电时，又会在新的凸峰处蚀除金属。熔化的金属以粉末状又会在新的凸峰处蚀除金属。熔化的金属以粉末状散布于工作液中被带走并过滤掉。这样不断的脉冲散布于工作液中被带走并过滤掉。这样不断的脉冲放电，就可将工具电极的形状复制在工件上，实现放电，就可将工具电极的形状复制在
25、工件上，实现成型加工。成型加工。11.3.2数控电火花成型加工机床数控电火花成型加工机床 数控电火花成型加工机床是一种高精度的自动化数控电火花成型加工机床是一种高精度的自动化加工机床。如图加工机床。如图11-6所示，它由机床本体、脉冲电所示，它由机床本体、脉冲电 源、数控系统、工作液循环系统等组成。源、数控系统、工作液循环系统等组成。图图11-6数控电火花成型加工机床示意图数控电火花成型加工机床示意图 机床主轴机床主轴上装有工具电极（正上装有工具电极（正 极），工件（负极）极），工件（负极）固定在工作台上，在固定在工作台上，在CNC系统控制下，系统控制下，Z向伺服电动向伺服电动机通过滚珠丝杠带
26、动主轴上、下运动，使工具电极与机通过滚珠丝杠带动主轴上、下运动，使工具电极与工件之间保持稳定的放电间隙，实现电蚀加工过程。工件之间保持稳定的放电间隙，实现电蚀加工过程。X、Y两坐标工作台两坐标工作台由伺服电动机通过滚珠丝杠实现由伺服电动机通过滚珠丝杠实现X、Y向进给运动，完成指定的轨迹加工。向进给运动，完成指定的轨迹加工。ATC是电极的自动更换装置，可根据需要更换不同是电极的自动更换装置，可根据需要更换不同形状的电极，以加工所需形状的。形状的电极，以加工所需形状的。11.4 激光切割机激光切割机 11.4.1 概概 述述 1.光的物理概念光的物理概念 电磁学说认为：电磁学说认为：光是一种在一定
27、波长范围内的光是一种在一定波长范围内的电磁波。电磁波。波长波长、频率、频率、光速、光速c具有下列关系具有下列关系:=c/可见光：可见光：可见的红、橙、黄、绿、蓝、青、紫光的波长范可见的红、橙、黄、绿、蓝、青、紫光的波长范围为围为0.40.76m；紫外光：紫外光：波长小于波长小于0.4m的光称为紫外光或紫外线；的光称为紫外光或紫外线；红外光：红外光：波长大于波长大于0.76m的光称为红外光或红外线。的光称为红外光或红外线。量子学说认为：量子学说认为：光是一种以光速运动且具有一定光是一种以光速运动且具有一定能量的粒子流。能量的粒子流。这种具有一定能量的粒子称为光子，光子的能量这种具有一定能量的粒子
28、称为光子，光子的能量 E与光的频率成正比，即：与光的频率成正比，即：E=h 式中，式中，h为普朗克常数。为普朗克常数。因此，光是一种具有波粒二相性的物质，即光既因此，光是一种具有波粒二相性的物质，即光既具有波动性，又具有粒子性。具有波动性，又具有粒子性。2.原子发光的两种形式原子发光的两种形式 （1）自发辐射）自发辐射 原子内部的电子，可以通过与外界交换能量而从原子内部的电子，可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状一种运动状态改变为另一种运动状 态，对于每一态，对于每一种运动状态，原子内部都有某一确定的能量值，即种运动状态，原子内部都有某一确定的能量值，即能级。能级。习惯上把
29、能量值大的叫高能级，把能量值小的叫习惯上把能量值大的叫高能级，把能量值小的叫低能级，最小的能级叫基态。低能级，最小的能级叫基态。一般，能级越高，电一般，能级越高，电子的数目就越少。如图子的数目就越少。如图11-7所示为氢原子的能所示为氢原子的能级示意图，其中，处于级示意图，其中，处于 E2 、E3 、E8 等等高能级的电子很不稳定，高能级的电子很不稳定，总是力图回到较低的能总是力图回到较低的能级。因此，高能级的电级。因此，高能级的电子为激发态。子为激发态。图图11-7 氢原子的能级示意图氢原子的能级示意图 电子从高能级向低能级运动的过程称为电子从高能级向低能级运动的过程称为跃迁跃迁，当电，当电
30、子从高能级跃迁到低能级或基态时，常以发出光子的子从高能级跃迁到低能级或基态时，常以发出光子的形式辐射出能量，这种发光过程称为形式辐射出能量，这种发光过程称为自发辐射。自发辐射。如日光灯、氙灯等光源都是自发辐射发光，自发辐如日光灯、氙灯等光源都是自发辐射发光，自发辐射发光时的频率射发光时的频率与跃迁能量差与跃迁能量差 En-E1、普朗克常数、普朗克常数 h遵循下列关系遵循下列关系:=（En-E1）/h 由于各个受激原子自发跃迁返回基态时，辐射时间由于各个受激原子自发跃迁返回基态时，辐射时间不一致，跃迁的能级多，因此，频率、波长不同。不一致，跃迁的能级多，因此，频率、波长不同。故故这类光源强度低、
31、单色性差。这类光源强度低、单色性差。（2）受激辐射）受激辐射 当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中时，当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中时，若这束光的频率与该系统中电子跃迁所发光的频率若这束光的频率与该系统中电子跃迁所发光的频率=（En-E1）/h 很接近，则该系统中大量处于很接近，则该系统中大量处于激发态的原子在这束光激发态的原子在这束光 的激发下会向低能级跃迁，的激发下会向低能级跃迁，同时发出一束光，这束光与入射光有着完全相同的特同时发出一束光，这束光与入射光有着完全相同的特性（频率、性（频率、相位、传播方向等都相同），相当于把相位、传播方向等都相同），相当于把入射光放大了，这种
32、发光过程称为入射光放大了，这种发光过程称为受激辐射。受激辐射。3.激光及其产生激光及其产生 激光激光（Laser，即，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写）意思的缩写）意思是利用受激辐射而得到的加强光。是利用受激辐射而得到的加强光。激光的特点：激光的特点：具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好的具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好的基本特性。基本特性。例如例如人工晶体红宝石基本成分是氧化铝，其中掺人工晶体红宝石基本成分是氧化铝，其中掺杂杂0.05%（质量（质量 分数）的氧化铬，铬离子就可以发分数）的氧化铬，
33、铬离子就可以发射激光。射激光。当用脉冲氙灯照射红宝石时，处于低能级当用脉冲氙灯照射红宝石时，处于低能级 E1 （基态）的铬离子被大量激发到高能级（基态）的铬离子被大量激发到高能级En （激发（激发态），由于态），由于 En状态不稳定，寿命很短，大量状态不稳定，寿命很短，大量 En状状态的铬离子又很快跃迁到寿命较长的亚稳态态的铬离子又很快跃迁到寿命较长的亚稳态 E2 。这时当用频率为这时当用频率为=（E2-E1 ）/h 的光源去的光源去“刺激刺激”（照射）它时，就可以产生从高能级（照射）它时，就可以产生从高能级 E2到到低能级低能级E1的受激辐射跃迁，发出相同频率的受激辐射跃迁，发出相同频率的光
34、子，的光子，而这些光子又会继续而这些光子又会继续“刺激刺激”别的亚稳态离子发出别的亚稳态离子发出光来，这样互为因果，连锁反应，在极短的时间内光来，这样互为因果，连锁反应，在极短的时间内可以使受激原子的能量以同一频率可以使受激原子的能量以同一频率的单色光辐射的单色光辐射出来，出来，形成能量密度很高的激光。形成能量密度很高的激光。4.激光的加工原理激光的加工原理 由于激光的强度高、方向性好、颜色单纯，可以由于激光的强度高、方向性好、颜色单纯，可以通过一系列的光学系统把激光束聚焦通过一系列的光学系统把激光束聚焦 成一个极小的成一个极小的光斑（直径仅有几微米到几十微米），获得光斑（直径仅有几微米到几十
35、微米），获得108 1010 W/mm2 的能量密度和的能量密度和 10000以上的高温，从以上的高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内，使各种物质熔而能在千分之几秒甚至更短的时间内，使各种物质熔化和气化，以达到蚀除被加工工件材料的目的。化和气化，以达到蚀除被加工工件材料的目的。5.激光的加工特点及应用激光的加工特点及应用 激光加工大多数基于光对非透明体材料的作用过激光加工大多数基于光对非透明体材料的作用过程，其特点如下程，其特点如下:（1）激光的光斑小，能进行非常细微的加工。）激光的光斑小，能进行非常细微的加工。（2）激光的能量密度高，适用于用其他方法难）激光的能量密度高，适用于用其他方法
36、难加工的材料。加工的材料。（3）激光加工时，激光枪体与工件不接触，加）激光加工时，激光枪体与工件不接触，加工变形小，热变形也小。工变形小，热变形也小。（4）激光能穿过透明体进行加工。）激光能穿过透明体进行加工。（5）激光加工与电子束加工相比，不需要真空，）激光加工与电子束加工相比，不需要真空，也不需要对也不需要对X射线进行防护。因此激光装置简单，射线进行防护。因此激光装置简单，工作性能良好。工作性能良好。目前激光已用于各种加工领域，目前激光已用于各种加工领域，例如例如:（1）打孔金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、）打孔金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、塑料等非金属以及硬质合金、不锈钢等金属材料
37、。塑料等非金属以及硬质合金、不锈钢等金属材料。（2）激光刻录光盘在盘面上打一系列随信号变化）激光刻录光盘在盘面上打一系列随信号变化的凹坑。的凹坑。（3）切断各种金属材料、纸张、布料、皮革、陶）切断各种金属材料、纸张、布料、皮革、陶瓷、塑料等非金属。瓷、塑料等非金属。（4）划线半导体材料、陶瓷等。）划线半导体材料、陶瓷等。（5）微调薄膜和厚膜电路的电阻、石英振子和）微调薄膜和厚膜电路的电阻、石英振子和音叉的频率，以及钟表摆轮、微型电动机、汽轮音叉的频率，以及钟表摆轮、微型电动机、汽轮机的动平衡。机的动平衡。（6）焊接金属箔、板、丝、玻璃、硬质合金等。）焊接金属箔、板、丝、玻璃、硬质合金等。（7）
38、表面处理表面淬火等。）表面处理表面淬火等。6.激光的种类及加工用激光器激光的种类及加工用激光器 激光根据其所用的发光材料不同，可分为固体激光根据其所用的发光材料不同，可分为固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光等。激光、气体激光、液体激光和半导体激光等。表表11-2 常见加工用激光器常见加工用激光器 11.4.2 CO2 激光切割机激光切割机 目前工业生产中用于大量切割加工的激光切割目前工业生产中用于大量切割加工的激光切割机，大多采用机，大多采用CO2 气体激光器，而各种细微、精密气体激光器，而各种细微、精密零件的切割加工则大多采用零件的切割加工则大多采用YAG固体激光器。固体激光器。CO2
39、激光切割机利用输出激光束的割炬与工件的激光切割机利用输出激光束的割炬与工件的相对运动来实现工件的切割。如图相对运动来实现工件的切割。如图11-8所示，它主所示，它主要由电源、要由电源、CO2 激光器、光学系统、激光割炬、机激光器、光学系统、激光割炬、机床本体、数控系统以及辅助装置等构成。床本体、数控系统以及辅助装置等构成。1冷却水装置2激光气瓶3辅助气瓶4空气干燥器5数控装置 6操作盘7伺服电动机8切割台9激光割炬10聚焦透镜11丝杠 12、14反射镜13激光束15激光振荡器16激光电源17伺服电动机和割炬驱动装置图图11-8 CO2 激光切割机的基本构成示意图激光切割机的基本构成示意图（1）
40、激光电源）激光电源：供给激光器用的高压电源。：供给激光器用的高压电源。（2）CO2 激光器激光器：用来产生激光，基本组成如用来产生激光，基本组成如图图11-9所示。所示。图图11-9 轴流式轴流式CO2 激光器组成示意图激光器组成示意图 （3）反射镜）反射镜:激光导向。激光导向。（4）激光割炬（割枪）激光割炬（割枪）:利用激光来实现切割的利用激光来实现切割的主要工具，如图主要工具，如图11-10所示。所示。（5）数控装置：）数控装置：用来控制割炬、工作台等按程用来控制割炬、工作台等按程序指令动作，实现自动切割加工。序指令动作，实现自动切割加工。（6）气瓶：）气瓶：激光气瓶用于补充激光振荡的工作
41、激光气瓶用于补充激光振荡的工作气体，辅助气瓶供给切割用的辅助气体。气体，辅助气瓶供给切割用的辅助气体。1激光束2冷却水3反射镜4聚焦透镜5压缩空气6割嘴 图11-10 激光割炬结构示意图（7）冷却水循环系统）冷却水循环系统用于冷却激光器。用于冷却激光器。CO2 激光器的能量转换率一般激光器的能量转换率一般为为20%，80%的能量转为热能，因此必须进行冷的能量转为热能，因此必须进行冷却。却。（8）压缩空气系统）压缩空气系统向激光器及光束通路供给洁净的干燥空气，保护向激光器及光束通路供给洁净的干燥空气，保护通路和反射镜等正常工作。通路和反射镜等正常工作。思考题思考题 11-1 何谓特种加工何谓特种加工?其加工特点有哪些其加工特点有哪些?11-2 简述数控电火花线切割的基本原理。简述数控电火花线切割的基本原理。11-3 数控电火花线切割机的类型及其基本组成有数控电火花线切割机的类型及其基本组成有哪些哪些?11-4 何谓激光何谓激光?它是如何产生的它是如何产生的?11-5 激光的加工原理是什么激光的加工原理是什么?11-6 CO2 激光切割机的基本组成有哪些激光切割机的基本组成有哪些?此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！
