《特种加工技术》教案6

广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案《特种加工技术》教案2016学年第2学期课程类型：理实一体化授课班级：15级数控技术授课教师：蔡文华2016年9月21日广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案一体化教案课题名称高能束加工理论课时2课题目标1．了解高能束加工的特点；2．理解激光产生的原理；3．掌握激光特性及激光加工的原理与特点；4.理解电子束和离子束加工的原理。实训课时2合计课时4授课日期2016.10.16教具多媒体、实物、挂图等教学重点．掌握激光加工原理及特性教学难点熟悉激光加工工艺及应用备。教学回顾说明广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案教学过程一、组织教学。（5分钟）1、点名并登记好出勤情况。2、讲解注意事项、检查学生自身安全隐患并排除。3、让学生合编成几个小组、以小组组长为每组负责人。二、导入新课。（5分钟）激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～1011W/cm2，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能密度束流去除工件上多余材料的加工方法。常用的高能束加工方法主要有激光加工、电子束加工、离子束加工等。三、理论新授。（一）激光加工原理及特性（35分钟）（重点讲解）1、激光的产生原子是由原子核和核外电子构成的。原子核很小，但质量很重，核外电子围绕在原子核周围，电子分布在原子核外不同的电子轨道上。不同电子轨道上的电子具有不同的能量，从而形成所谓的能级。当原子的内能增加时（例如用光照射原子，外界传给原子一定的能量），外层电子的轨道半径将扩大，被激发到能量更高的能级。因此，电子可以在不同能级之间发生跃迁，这样就会伴随光的吸收或发射。电子跃迁有三种方式：自发辐射：电子自发地透过释放光子从高能级跃迁到较低能级；受激吸收：电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能级；受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。激光就是通过受激辐射而产生的。2、激光加工原理（结合实物讲解）激光加工利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化、汽化而进行穿孔、切割和焊接等特种加工。早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案3、激光加工特性1）光点小，能量集中，热影响区小；2）不接触加工工件，不会对材料造成机械挤压或机械应力；3）不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更方便；4）激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制；5）范围广泛，几乎可对任何材料进行雕刻切割；6）精确细致，加工精度可达到0.1mm7）适合大件产品的加工，大件产品的模具制造费用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边，可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次。（二）激光加工工艺及应用备（20分钟）（难点，通过观看视频方法讲解）1、激光打孔随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务。激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能否打孔。激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。2、激光切割激光切割是激光加工的重要应用领域。激光切割是利用高能量密度的激光束熔化或汽化材料，并用辅助气体吹除熔化材料形成割缝的过程。激光切割切缝窄，几乎没有切割残渣，热影响区小，切割噪声小，能够按照AutoCAD设计文件快速完成制造过程，不需要增加其他的模具费用。3、激光焊接激光焊接是采用激光能源，将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求，用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家，激光焊接不仅在交通运输装备制造业中被使用，还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接（连续轧制中的钢板连接）等领域中被大量使用。激光焊接采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案（三）离子束加工原理、分类和特点（15分钟）1、离子束加工的原理和物理基础离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，最后射入工件表面。2、离子束加工分类离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为溅散蚀刻。产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料进行蚀刻为离子蚀刻。3、离子束加工的特点1）加工的精度非常高。2）污染少。3）加工应力、热变形等极小、加工精度高。4）离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。四、小结（5分钟）1、掌握激光加工的应用技术；2、熟悉电子束和离子束加工的应用技术。五、实操（一）离子束加工的应用（40分钟）1、蚀刻加工离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。太阳能电池表面具有非反射纹理表面。离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。2、离子束镀膜加工（结合实物讲解）离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案离子束装饰膜。离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。提高刀具的寿命。3、离子注入加工离子注入加工是在工件表面直接注入离子，可达10%~40%，注入深度可达1μm甚至更深。离子注入常用于半导体的制程上，例如用硼、磷等离子注入半导体离子注入可以改变金属表面的物力和化学性能离子注入可以提高材料的耐腐蚀性能离子注入可以改善金属材料的耐磨性能离子注入还可以提高金属材料的硬度在光学方面还可以制造光波导，生成具有超导性能的Nb3Sn导线（二）电子束加工装置（结合实物讲解）（30分钟）1、电子枪包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等，是获得电子束的装置。2、真空装置由机械转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成，保证电子束加工时维持1.33×10-2~1.33×10-4Pa的真空度。3、控制系统和电源包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。广东工贸职业技术学院成人教育（广州南华工贸技工学校教学点）教案六、实操小结。（3分钟）了解电子束加工的原理和特点。七、课后作业。（2分钟）离子束加工的应用有哪些？八、整理清洁。（5分钟）1、设备恢复和整理2、整理工量具3、教学场地的清洁4、人走五关（关门、关窗、关灯、关风扇、关工具箱）