激光精密加工技术应用

（1）激光精密打孔

随着技术的进步，传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求。例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密度高达108 W/cm2，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述材料上实现打孔。与电子束、电解、电火花、和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从20μm到80μm的微孔，并且其直径与深度之比可达 1∶80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等，这是普通机械加工无法做到的。

（2）激光精密切割

与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点。例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材料 15%～30%。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密切割。瑞士某公司利用固体激光器进行精密切割，其尺寸精度已经达到很高的水平。

激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电路板PCB（Printed circuits Boards）中表面安装用模板（SMT stencil）。传统的SMT模板加工方法是化学刻蚀法，其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于前者，制作费也由早期的远高于化学刻蚀到略低于前者。但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，仅美国、日本、德国等少数国家的几家公司能够生产整机。

（3）激光精密焊接

激光焊接热影响区很窄，焊缝小，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响，从而保证了集成电路管芯的质量。　经过二十多年的努力，在激光精密加工工艺与成套设备方面，我国虽然已在陶瓷激光划片与微小型金属零件的激光点焊、缝焊与气密性焊接以及打标等领域得到应用，但在激光精密加工技术中技术含量很高、应用市场广阔的微电子线路模板精密切割与刻蚀工艺、陶瓷片与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽的激光精密加工等方面，尚处于研究与开发阶段，未见有相应的工业化样机问世。国内的广大用户一般采用进口模板或到香港等地委托加工，其价格高、周期长，严重影响了产品开发周期；近年来，国外少数大公司看到我国在激光精密加工业中巨大的潜在市场，已开始在我国设立分公司。但高昂的加工费用增加了产品成本，仍使许多企业望而却步。

一般用于精密加工的激光器有：CO2激光器，YAG激光器，铜蒸汽激光器，准分子激光器和CO激光器等。其中大功率CO2激光器和大功率YAG激光器在大型件激光加工技术中应用较广；而铜蒸汽激光器和准分子激光器在激光微细加工技术中应用较多；中、小功率YAG激光器一般用于精密加工。

激光精密加工有如下显著特点：

（1）范围广泛：激光精密加工的对象范围很宽，包括几乎所有的金属材料和非金属材料；适于材料的烧结、打孔、打标、切割、焊接、表面改性和化学气相沉积等。而电解加工只能加工导电材料，光化学加工只适用于易腐蚀材料，等离子加工难以加工某些高熔点的材料。

（2）精确细致：激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而特别适合于精密加工。激光精密加工质量的影响因素少，加工精度高，在一般情况下均优于其它传统的加工方法。

（3）高速快捷：从加工周期来看，电火花加工的工具电极精度要求高、损耗大，加工周期较长；电解加工的加工型腔、型面的阴极模设计工作量大，制造周期亦很长；光化学加工工序复杂；而激光精密加工操作简单，切缝宽度方便调控，可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割、加工速度快，加工周期比其它方法均要短。

（4）安全可靠：激光精密加工属于非接触加工，不会对材料造成机械挤压或机械应力；相对于电火花加工、等离子弧加工，其热影响区和变形很小，因而能加工十分微小的零部件。

（5）成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。对于大件产品的加工，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。

（6）切割缝细小：激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm。

（7）切割面光滑：激光切割的切割面无毛刺。

（8）热变形小：激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。

（9）节省材料：激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企业材料成本。

（10）非常适合新产品的开发：一旦产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，你可以在最短的时间内得到新产品的实物。

总的来说，激光精密加工技术比传统加工方法有许多优越性，其应用前景十分广阔。

激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而特别适合于精密加工。按照加工材料的尺寸大小和加工的精度要求，将激光加工技术分为三个层次： （1）大型件材料激光加工技术，以厚板（数毫米至几十毫米）为主要对象，其加工精度一般在毫米或者亚毫米级；

（2）精密激光加工技术，以薄板（0．1～1．0 mm）为主要加工对象，其加工精度一般在十微米级；

（3）激光微细加工技术，针对厚度在100μm以下的各种薄膜为主要加工对象，其加工精度一般在十微米以下甚至亚微米级。

在机械行业中，精密通常是指表面粗糙度小、各种公差（包括位置、形状、尺寸等）范围小。这里所说的“精密”，是指被加工区域的缝隙小，就是说加工所能达到的极限尺寸小。

在上述三类激光加工中，大型件的激光加工技术已经日趋成熟，产业化的程度已经非常高；激光微细加工技术如激光微调、激光精密刻蚀、激光直写技术等也已在工业上得到了较为广泛的应用。

激光加工的优点

在国外，自1960年美国贝尔实验室发明红宝石激光器以来后，激光就逐步地被应用到音像设备、测距、医疗仪器、加工等各个领域。在激光加工领域，虽然激光发射器价格非常昂贵(几十万到上百万)，但由于激光加工具有传统加工无法比拟的优势，在美、意、德等国家激光加工已占到加工行业50%以上的份额。

优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加工推广应用的前提，激光精密加工的发展趋势之一就是加工系统小型化。近年来，二极管泵浦激光器发展十分迅速，它具有转换效率高、工作稳定性好、光束质量好、体积小等一系列优点，很有可能成为下一代激光精密加工的主要激光器。加工系统集成化是激光精密加工发展的又一重要趋势。将各种材料的激光精密加工工艺系统化、完善化；开发用户界面友好、适合激光精密加工的专用控制软件，并且辅之以相应的工艺数据库；将控制、工艺和激光器相结合，实现光、机、电、材料加工一体化，是激光精密加工发展的必然趋势。

国内在激光加工的工艺与设备方面虽然与国外存在较大的差距，但是如果我们在原有基础上不断提高激光器的光束质量和加工精度，结合材料的加工工艺研究，尽可能地占领激光精密加工市场，并逐步向激光微细加工领域中渗透，就可以推动激光加工技术的迅速发展，并最终会使激光精密加工形成较大的规模产业 。

激光器：1、中心波长：515nm；2、脉冲宽度：15ps；3、重复频率：400kHz～1MHz；4、平均功率：30W @ 400kHz；5、功率稳定性：≤±2% (最高重复频率）。X-Y平台：1、重复精度：±2μm；2、定位精度：： 3μm ；3、移动速度：≤200mm/s；。

主要用于各类材料（材料包括金刚石、硅、玻璃、陶瓷、有机材料、金属等）的精细微加工,加工方式包括激光打孔、激光切切削、激光刻蚀、激光刻槽以及各种异型的微细加工，同时具备材料的刻蚀加工功能。

第1章　超精密加工技术概论

1．1　超精密加工技术的内容

1．1．1　超精密加工的范畴

1．1．2　超精密加工方法

1．1．3　纳米加工技术

1．2　超精密加工技术的作用

1．2．1　超精密加工技术的重要性

1．2．2　超精密加工的需求

1．3　超精密加工的关键技术

1．3．1　超精密主轴

1．3．2　超精密导轨

1．3．3　传动系统

1．3．4　超精密刀具

1．3．5　精密测量技术

1．3．6　微进给技术

1．3．7　加工原理

1．3．8　环境控制技术

1．3．9　超精密数控技术

1．4　超精密加工技术的发展状况与趋势

1．4．1　超精密加工技术的发展状况

1．4．2　超精密加工机理研究前沿

1．4．3　超精密加工技术的发展特点与趋势

1．4．4　新形势下面临的任务

第2章　超精密机械加工方法

2．1　超精密切削加工

2．1．1　概述

2．1．2　超精密切削加工的机理

2．1．3　超精密切削加工的特点

2．1．4　保证超精密切削加工质量的措施与方法

2．1．5　硬脆光学晶体材料的超精密切削简介

2．2　超精密磨削加工

2．2．1　超精密磨削机理

2．2．2　超精密磨削的工艺特点

2．2．3　超硬材料微粉砂轮超精密磨削技术

2．2．4　超精密砂带磨削技术

2．2．5　硬脆材料的塑性域超精密磨削加工

2．3　超精密研磨与抛光

2．3．1　研磨加工的机理

2．3．2　抛光加工的机理

2．3．3　影响超精密研磨、抛光的主要工艺因素

2．3．4　化学机械抛光

2．3．5　利用新原理的超精密研磨抛光

第3章　超精密加工机床与设备

3．1　超精密加工机床

3．1．1　概况

3．1．2　超精密机床的分类

3．1．3　对超精密机床的基本要求

3．1．4　超精密机床的基础元部件及其关键技术

3．1．5　超精密加工机床实例

3．2　超精密加工刀具与刃磨技术

3．2．1　超精密切削对刀具的要求

3．2．2　金刚石的性能与结构特性

3．2．3　金刚石刀具的刃磨

3．2．4　超精密切削刀具材料的发展

3．3　超精密夹具设计

3．3．1　夹具定位的稳定性与可靠性

3．3．2　夹具对工件的定位精度

3．3．3　采取有效措施保证精密夹具的设计要求

3．3．4　超精密夹具设计应用实例

第4章　超精密特种加工技术．

4．1　概述

4．1．1　超精密特种加工技术特点

4．1．2　超精密特种加工的适用范围

4．1．3　超精密特种加工技术的内容

4．2　激光加工

4．2．1　激光加工原理

4．2．2　激光加工的特点

4．2．3　激光加工设备的组成

4．2．4　激光微细加工技术与应用实例

4．3　电子束微细加工

4．3．1　电子束加工原理"para" label-module="para">

4．3．2　电子束加工的特点与应用范围

4．3．3　电子束加工装置的组成

4．3．4　电子束微细加工应用技术

4．4　离子束微细加工

4．4．1　离子束微细加工原理

4．4．2　离子束微细加工的特点

4．4．3　离子束微细加工设备

4．4．4　离子束加工的应用

4．5　微细电火花加工

4．5．1　概述

4．5．2　微细电火花加工特点

4．5．3　微细电火花加工的工艺和设备技术

4．5．4　加工应用

4．6　超声波微细加工

4．6．1　超声加工原理

4．6．2　超声微细加工的特点

4．6．3　超声加工机床组成

4．6．4　超声微细复合加工

4．7　电化学加工

4．7．1　电解抛光

4．7．2　电化学机械复合加工

4．8 ELID　镜面磨削技术

4．8．1　ELID磨削镜面形成机理

4．8．2　ELID磨削技术的工艺特点

4．8．3　ELID磨削装置的组成

4．8．4　ELID磨削技术的应用实例

4．9　微细磨料流动加工

4．9．1　磨料流加工的基本原理

4．9．2　磨料流加工的三大要素

4．9．3　磨料流加工的基本特性

4．9．4　磨料流加工的工艺特点

4．9．5　磨料流复合加工应用实例

4．10　磁力研磨加工和磁力电解研磨加工

4．10．1　磁力研磨加工

4．10．2　磁力电解研磨

4．11　磁流变抛光技术

4．11．1　磁流变抛光机理

4．11．2　磁流变液的组成及性质

4．11．3　磁流变抛光方法的特点与关键技术

4．11．4　磁流变抛光的应用

4．12　等离子体加工

4．12．1　等离子体

4．12．2　等离子弧加工

4．12．3　等离子体辅助抛光

4．13　基于微机器人的超精密加工技术

4．13．1　概述

4．13．2　微机器人超精密加工的类型及应用

第5章　超精密加工的检测、误差补偿技术

5．1　超精密加工精度检测

5．1．1　精密测量技术

5．1．2　典型几何量的测量与误差评定方法

5．1．3　超精密加工测量技术应用与实例

5．2　在线检测

5．2．1　概述

5．2．2　在线检测的基本原理

5．2．3　在线检测实例

5．3　误差补偿

5．3．1　误差补偿方法

5．3．2　误差补偿系统应用实例

5．4　检测设备与仪器

5．4．1　双频激光干涉仪

5．4．2　光栅检测系统

第6章　超精密加工材料

6．1　概述

6．1．1　超精密加工对材料的基本要求

6．1．2　超精密加工材料的分类

6．2　工件材料方面诸因素对切削加工性的影响

6．2．1　工件材料的物理、力学性能对切削加工性的影响

6．2．2　金属材料的化学成分对切削加工性的影响

6．2．3　热处理状态和金相组织对切削加工性的影响

6．3　超精密加工常用金属材料

6．3．1　钢

6．3．2　铸铁

6．3．3　有色金属

6．3．4　精密合金

6．4　常用非金属材料

6．4．1　陶瓷

6．4．2　工程塑料

6．4．3　复合材料

6．4．4　其他材料

第7章　超精密加工的环境控制

7．1　空气环境

7．1．1　空气中微粒的分布情况及对超精密加工的影响

7．1．2　空气的洁净度标准

7．1．3　净化空气的方法和措施

7．2　温度环境

7．2．1　温度对超精密加工的影响

7．2．2　恒温条件

7．2．3　环境温度的控制

7．3　湿度环境

7．3．1　湿度概念

7．3．2　湿度对超精密加工的影响

7．3．3　湿度的范围与控制标准

7．3．4　温湿度的控制方法与实例

7．4　振动环境

7．4．1　振动对超精密加工的影响

7．4．2　 主要振源及防震措施

7．4．3　超精密机床防震实例

7．5　噪声环境

7．5．1　噪声及其危害

7．5．2　噪声源

7．5．3　控制噪声的基本途径

7．6　其他环境

7．6．1　静电环境

7．6．2　光环境

7．6．3　电磁波环境

7．7　超精密加工环境设施

第8章　光学非球面零件的超精密加工技术与设备

8．1　概述

8．1．1　光学非球面零件的性能特点

8．1．2　光学非球面零件的制作工艺

8．1．3　非球面的切除加工方法

8．2　非球面零件超精密加工技术

8．2．1　非球面零件超精密切削机床

8．2．2　非球面零件超精密磨削加工技术

8．2．3　光学非球面零件的ELID镜面磨削技术

8．2．4　非球面零件的超精密抛光(研磨)技术

8．2．5　非球面零件复制技术

8．2．6　非球面零件离子束加工

8．2．7　非球面磁流变研磨加工

8．3　光学非球面零件的检测技术

8．3．1　光学非球面零件的形状精度

8．3．2　非球面的非接触测试仪

8．4　大型非球面镜的研抛加工

8．4．1　计算机控制光学表面成形技术

8．4．2　应力盘抛光技术

8．4．3　离子束成形技术

8．5　超精密非球曲面加工机床实例

8．5．1　大型非球面加工机床的设计

8．5．2　超精密非球面加工机床Nanosystem300

8．6　超精密非球面加工技术的发展趋势

第9章　大直径硅片的超精密加工

9．1　概述

9．2　硅片的加工工艺

9．2．1　硅片的传统加工工艺

9．2．2　大直径硅片的现代加工工艺

9．3　大直径硅片的高效超精密磨削加工技术

9．3．1　旋转工作台式磨削

9．3．2　硅片自旋转磨削

9．3．3　微粉金刚石磨盘的研磨和磨抛工艺

9．4　硅片背面减薄加工技术

9．4．1　硅片背面减薄技术的分类

9．4．2　硅片背面磨削减薄技术

9．5　大尺寸硅片的超精密平坦化技术

9．5．1　保证硅片平坦化的方法——化学机械抛光

9．5．2　硅片平坦化技术的新进展

第10章　纳米加工技术

10．1　纳米加工技术概述

10．1．1　纳米加工技术的特点

10．1．2　纳米加工的方法及设备

10．1．3　发展纳米加工技术的途径

10．2　扫描隧道显微加工技术

10．2．1　扫描隧道显微技术的原理

10．2．2　STM在纳米加工中的应用

10．2．3　SPM在纳米加工中的应用

10．3　LIGA技术

10．3．1　LIGA技术

10．3．2　准LIGA技术进展

10．3．3　SLIGA技术

10．3．4　M2LIGA技术

10．3．5　抗蚀剂回流LIGA技术

10．4　纳米材料制造技术

10．4．1　纳米材料的分类与应用

10．4．2　纳米材料的制备方法及特点

10．5　纳米加工检测技术

10．5．1　纳米测量与定位控制技术

10．5．2　基于自然基准的纳米检测技术

10．5．3　纳米微粒粒径的检测方法

参考文献2100433B