《特种加工技术》课程第4章 电子束加工.pptVIP

 第4章 电子束加工EBM 4.1 电子束加工原理和特点 4.1.1 电子束加工原理 高速度和能量的电子束聚焦后达到极高的 功率密度打到工件表面，电子的动能绝大 部分转变为热能，使材料局部瞬时的快速 溶蚀、气化蒸发而去除表层材料，并随真 空系统而抽走。 电压高达120kV，电子速度可达到光速50～80% 不受材料的密度、导电性、导热性、反射率、熔点 等性能限制。 工艺类型： 1使材料局部加热就可进行电子束热处理； 2使材料局部熔化就可以进行电子束焊接； 3提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等； 4利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工 电子束加工的优势体现在： ①高速钻削细微孔，每秒钟最高可达4000个孔； ②几乎可以加工任何材料，并不受其性能限制； ③比起电火花、电化学加工，电子束细微加工速度快、经济性好； ④加工精度高和位置重复精度保持在±0.1mm和钻孔直径±5(图4.2) ； ⑤钻孔参数在加工中调节方便，甚至在不同列阵的孔可采用不同的参数； ⑥获得的表面粗糙度比其他工艺更低； ⑦自动化程度和生产率高； ⑧可以加工出尖角、锐边 局限性有： ①设备昂贵，并需要抽真空装置； ②真空室的清理比较费时； ③加工表面有较薄的凝固层和热影响层； ④需要附属的背衬材料； ⑤要求严格培训过懂数控编程的操作人员，并能处理X射线保护。 图a为在金属或非金属上钻削最小直径为20μm的各型小孔； 图b 加工的合成纤维喷丝板，缝宽60μm，厚度0.5mm，长度1.2mm； 图c为50μm厚的钨板条上加工的60μm宽的蒸发罩； 图d是在3.5 × 3.5 ×0.1 mm钨板上加工1600个群孔； 图e 是在0.1mm厚的不锈钢滤壳圆筒上加工群孔，加工速度达到每秒3000个。 图f 刻蚀40 μm宽的拼合电路，加工深度达到5m/s。 4.1.3 应用举例 4.2 电子束加工装置 包括：电子枪、真空抽吸泵、电子束流控制元件及工件位置与运动操控装置。 4.2.1 电子枪 电子束加工装置又叫电子抢，典型结构如图4.4，实物照片图4.5。加热钨丝阴极发射电子，电子从阴极（钨丝）奔向中空阳极过程中受到120KV的高电压的加速后，继续射向真空室里的工件。位于阴极和阳极之间的内弯圆筒杯（未内尔电极）充当阴极栅格，它控制流过电子的数量进而控制电子束的电流（1～80mA），同时还充当电子束电流的开关. 4.2.2 真空抽吸泵 电子束和工件封闭在真空抽吸环境：三个作用： 防止钨丝及其他元素被氧化， 防止电子与氧气、氮气等分子碰撞，减少其动能损失； 防止金属蒸汽及渣屑的污染。 4.2.3 电子束流控制元件 束流电流（强度）靠电子枪里的阴极栅格完成。 束流聚焦靠磁透镜完成，其聚焦斑点的直径可在12～25μm。 束流的偏转靠偏转线圈来实现，可实现的偏转角度不超过5°，由此可以扩展电子束的加工范围。 图4.6里的标准形状或类似结构都可以在工件不动的情况下通过束流偏转来完成加工。对于钻孔，每加工一个孔则需要偏转一次。 4.2.4 工作台运动装置 对于平板类工件，工件和工作台是静止的。加工复杂结构的工件还需比较复杂的多轴操控的工作台，如图4.7里右边的立体型面上加工大小不一的孔，则需要左图的两轴旋转装置。工件安装在卡盘上，计算机数控两轴旋转分别完成工件的周向分度和轴向分度。需要注意轴承的精细密封，否者金属蒸汽和渣屑会对轴承造成损坏。 图4.8是一种电子束完成动态钻孔的操控工件的装置。操控装置主要是能够水平运动的回转轴，薄片工件绷紧夹持在张紧鼓的背衬材料上变成了圆筒形状。电子束钻孔时，束流偏转，张紧鼓恒速旋转。钻孔完成后，关闭束流，此时回到其原始位置，等待钻削下一个孔。循环前述过程，就可以在薄板上高效钻削一排数目众多的孔。回转轴的水平移动必需与加工进给同步匹配。 4.3 特殊工艺应用 主要应用是打孔、刻槽（图4.3）和加工异形小孔（参考图4.6），还可以用于工件细微焊接、热处理、材料改性等 4.3.1 套料孔加工 加工大直径孔，图4.9所示，则需要依靠工作台的二维数控联动完成，相当于套料加工，这个加工过程与激光套料孔加工类同。 移动速度必需与电子束穿透工件的速度相匹配 图4.10所示,其加工原理为：电子束在磁场中受洛伦兹力发生偏转 ，在工件内部偏转弯曲，工件横向移动，即可加工曲面①，通过改变磁场强度和电子速度即可改变曲面曲率；改变磁场极性，即可加工反方向的曲面②；加工起始点和终结点如果在工件实体部位内，加工后可得到弯曲槽面③；工件固定不动，可获得一个弯孔，再改变磁场极性，同一位置进行二次加工，便可得到