三种特种加工技术的比较

4000瓦
10000瓦
脉冲性能
上升达到同样的功率，脉 可调制成脉冲输出模式， 冲爬升时间比快轴流激光 最高频率5KHZ，响应时 器多五倍，峰值功率持续 间小于100us，打孔能力、 时间远短于快轴流激光器， 转角加工质量能量还，保 所以打孔能力、转角加工 证切割尖角和质量拐角质 质量、消除零件下表面挂 量。 渣能力较差。 碳钢、不锈钢，连续切割 可连续大量加工一些难加 工的金属铜、磷青铜、钼 时对射频管影响大。 等。 18-20mm 8-10mm 5-6mm(不能连续切割) 厚板稍慢，由于割缝细， 速度较慢 15-20mm 8-10mm 6-8mm 薄板速度快，是CO2切割 速度的2-3倍，切割质量 好，断面完美。
电火花线切割加工、激光加 工、水切割加工技术的比较
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主要内容

1.分析三者的工作原理，比较能量利用率；
2.分析三者加工范围，精度，生产效率，性 价比；


3.分析各自的互补性，列出各自的优缺点， 发展趋势。
加工原理的比较
加工种类 区别 火花线切割加工时，在电极 丝和工件之间进行脉冲放电。 电极丝接脉冲电源的负极， 工件接脉冲电源的正极。 激光加工就是利用其所具有 的输出光线的高指向性和高 能量，进行微小孔及狭缝等 的精密加工、切割、细微焊 接等。 水切割又叫水射流切割，主 要是运用高压水射流，利用 刚度差进行切割。 加工原理 共性
加工范围
加工种类 加工范围（加工材料，使用范围） 加工模具：各种形状的冲模，只需要一次编成。采用电火花线 切割整体加工，使配合精度提高，制造周期缩短，成本降低。 加工电火花成型加工用的电极。加工零件：用于试制新产品； 电火花线切割 单件小批量生产；特殊难加工材料的加工；贵重金属下料。 按走丝的快慢可分为：快走丝：走丝速度为6～12 m/s；中走 丝；慢走丝电火花线切割的走丝速度为0.2m/s。 激光穿孔，如加工航空发动机涡轮叶片等，达到无再铸层、无 微裂纹的效果。激光切割薄材，如耐热合金、钛合金、复合材 料制成的零件等等。主要是应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船 船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。激光焊接，对高熔 点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别 有利。大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业等行业。还有激 光表面强化；激光快速成形技术等等。 可以切割高硬度和不可溶的材料，比如： 石材、玻璃、陶瓷、 硬质合金、金刚石等。特殊的场地和环境下切割：水下、有可 燃气体环境，而电火花以及激光切割却无法实现。
电能利用率低：只有20%25%。脉冲利用率低，其 影响因素较多，也不稳定， 包括脉宽、峰值电流、电 极、加工材料、加工极性 等因素。加工对象局限为 导电体（金属）。加工速 度慢。
激光加工
（1）既可以加工金属，也可以加工非金属，如木材、 亚克力、PP、有机玻璃等。（2）激光加工速度快， 热影响区小，工件变形小。（3）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, 又适于巨型机加工。
水射流切割加工的发展趋势
五轴水切 割、机器 人水切割 机等等
更高压 力超高 压水切 割
水射流 切割
耐高压 的辅助 设备
便携式 水切割
补充：“便携式水切割系统”


主要技术：高压柱塞泵、碳纤维磨料射流 发生装臵、转动夹具。 应用更广：应用于反恐、救援、航空、石 油、天然气管道、各种易燃易爆场合等领 域，是一项新型、节能、安全、实用的高 新技术。它是高危作业领域唯一的冷切割 设备，具有独特的安全性和适用性。
数字显示（%） 加工状态 有效脉冲 短路脉冲 空载 比例显示（%） 有效放电 短路
正常进给
欠进给 过进给
27.5
15.8 52.30.4Βιβλιοθήκη 0.2 1.573.6
86.4 60.8
25.8
13.2 34.6
0.6
0.4 4.6
激光加工技术的能源利用率


激光能量的80%-90%被材料反射而浪费， 因此只有10%-20%的利用率。 影响因素：激光与材料实际作用是，能量 的吸收收到激光波长、温度、材料表面涂 敷和粗糙度等因素的影响。因此，材料吸 收能量的大小及分布及吸收谱是影响能量 利用率的重要参数。
能源利用率低，只有10%20%。与其他加工工艺方 法比较，激光加工设备的 前期投资较大。除了光纤 激光器外，都需要增设外 光路设备，来保证激光能 源利用率，维护成本较高。
水切割
切割成本低廉；绿色环保；适用性更广；冷态 加工过程。与激光切割相比：水切割前期投资 比激光切割设备小的多，切割材料范围广,效率 较高，操作维修方便。
•原因（二）与脉冲利用率有关
脉冲利用率的影响因素有： （1）脉宽、峰值电流，有实验证明：脉宽 达到50-80微秒时，脉冲利用率达到其最大 值70%-80%。峰值电流 一旦小于5A时， 脉冲利用率不到10%。 （2）电极的选用不当、加工材料的不同、加 工极性的选用不当都会造成脉冲利用率下 降。
（3）加工状态也会影响脉冲利用率：
技术特点
光纤激光器的优点：技术成 熟及其光纤的可绕行所带来 的小型化、集约化，高亮度 高转换率。高能量输出高质 量光束，省电无需维修。
激光器产生激光的气体消耗 光电转化效率 激光器内光路及机床外光路 镜片消耗 激光器电功率消耗 激光器水冷却系统电耗
5.1元/小时 8%-10% 3.73元/小时 35KW/h 15KW/h 涡轮机轴承寿命8000小时， 8万元每对；射频阀约9万 元/根，保修4000小时； 激光器需2000小时点检一 次，费用5000元。
激光加工
水切割
加工类型
加工参数的比较
加工参数
切割效率一般为20～60毫米2／分，最高可达300毫米2／分；加工精 度一般为±0.01～±0.02毫米,最高可达±0.004毫米；表面粗糙度一 电火花线 般为Rα2.5～1.25微米,最高可达Rα0.63微米；切割厚度一般为40～60 切割 毫米，最厚可达600毫米。 激光制孔的最小孔径已达0.002mm；激光划线技术是生产集成电路的 关键技术，其划线细、精度高（线宽为15～25微米，槽深为5～200 微米），加工速度快（可达200毫米/秒），成品率可达99.5%以上。 激光加工 激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成 本，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制 造。 水切割比电火花线切割效率高，但是精度低于电火花线切割。其切割 工件之精度介于0.1mm～0.25mm之间，而电火花线切割最大可以达 到：±0.002 mm以内。但是，利用水刀切割会产生斜边：大部份所 看到好的切割品质之单侧斜边为0.1mm左右。




激光加工技术的发展趋势
激光器输入参数的提高，从kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦 级YAG激光器完成对各种资料的切割、焊接、打孔、刻划和热处臵等。 YAG激光器的发展：如今打孔用的YAG激光器平均输入功率已由5年前 的400w提高到了800w至1000w,甚至达到2000W-2500W。国际目前比 拟成熟的激光打孔的运用是在天然金刚石和自然金刚石拉丝模的消费 及手表宝石轴承的消费中。 激光器的未来发展趋势集中在半导体激光器、光纤激光器、碟片激光 器等。 欧美发达国家CO2激光器三维加工技术日趋成熟，光纤激光器技术逐 渐发展。光纤激光由于它可以通过光纤传输，柔性化程度空前提高， 特别是针对汽车行业，由于基本上都是的薄板曲面加工，光纤激光配 合同样柔性化的机器人系统，成本低，故障点1mm左右少，维护方便， 速度奇快，当仁不让地稳稳占领了这块市场。 激光打孔峰值功率高达30~50kw,打孔用的脉冲宽度越来越窄,重复频率 越来越高。
精度低于电火花线切割。 利用水刀切割会产生斜 边：大部份所看到好的 切割品质之单侧斜边为 0.1mm左右。
电火花低速走丝线切割的发展趋势


加工效率明显提高：
（1）最高加工效率 由于ns级大峰值电流脉冲电源技术及检测、控制、抗干扰技术的发展，低速 走丝电火花线切割机的加工效率也在不断提高。苏州三光机床使用标准电极 丝时，加工效率为 350 mm2/min。 （2）较大厚度工件的加工效率 日本三菱电机公司FA-V系列机床在切割300 mm厚的工件时，加工效率可达 170 mm2/min。这是很有实际意义的技术提升。 （3）厚度变化工件的加工效率 自动检测加工件的厚度，自动调整加工参数，防止断丝，达到该状态的最高 加工效率。 （4）双丝自动交换技术 瑞士阿奇夏米尔公司推出的ROBOFIL 2030S1-TW机床能采用0.20～0.02 mm 的电极丝自动进行双丝切换加工。采用粗丝进行第一次切割，一般丝径为0.25 mm，以提高加工效率，并可无芯切割；然后采用细丝进行修整，一般采用 0.10 mm的细丝，切割出小圆角，并可提高精度。总体可节省30%～50%的切 割时间。 （5）快速自动穿丝技术 日本牧野公司称自动穿丝时间<15 s；日本沙迪克公司称穿丝时间为13 s.日本 三菱电机公司，当板厚为50 mm 时，穿丝时间为10 s，切丝、穿丝总时间为25 s。
可切割材料种类 切割能力： 碳钢 不锈钢 铝合金 切割板材速度
水切割的性价比
加工种类 优点
优缺点比较 缺点
电火花线切 割
（1）不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出 以直线为母线的任何二维曲面。（2）能切割0.05毫 米左右的窄缝。加工中并不把全部多余材料加工成为 废屑，提高了能量和材料的利用率。（3）在电极丝 不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电 极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙 度。
无气体消耗 30%以上 1.6元/小时 7KW/h 6KW/h 免维护
维护成本
光束特性
最大功能率
ROFIN DC025横向边缘放电，光 激光单模输出，能量呈搞死分布。 束呈不规则状态，内部需要增加 原始光束均匀，金属切割断面完 4片镜片对光束进行整形，由于 美。 其原始光斑不规则，所以切割断 面相对粗糙，有在厚板上更明显。