电子束加工技术及其应用.doc

广东白云学院

先进制造技术论文

题目： 电子束加工技术及其应用
专业： 机械设计制造及其自动化（数控方向）
班级： 07数控本科
姓名： 林华英
学号： 0701012229

摘要 1
引言 1
一. 电子束技术在国内外的发展现状 1
多轴控制的基本概念： 2
二.多轴控制特点 2
1、 5轴控制加工中心的加工特点： 2
2、 6轴控制加工中心的加工特点： 3
3、 6轴控制特点如下： 3
三.发展趋向。 3
1、 用5轴控制加工的NURBS插补 3
2、利用二次曲面头立铣刀作5轴控制加工 4
四.结论 4
五.参考文献 4

摘要
电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术 ,其在材料表面改性 、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在表面工程 、打孔和焊接等方面的应用。
关键词：电子束 ;加工原理 ;工业应用

引言
近年来 ,许多国家对电子束加工原理及方法进行了大量的实验研究 ,并在工业上得到一定的实际应用 ,使得该技术得到了飞速发展 。本文主要针对电子束加工技术的发展、研究现状和应用进行理论分析和探讨。

一.电子束技术在国内外的发展现状
1948 年 ,德国物理学家Steigerwald K. H 发明了第一台电子束加工设备 (主要用于焊接) 。1949年 ,德国首次利用电子束在厚度为0. 5mm 的不锈钢板上加工出直径为<0. 2mm 的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。
20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求，扫描电子束曝光机研制成功，并在20世纪70年代进入市场 ,使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于
0. 5 μm。
近年来，国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个方面： 1）完善超高能密度电热源装置；2）掌握电子束品质及与材料的交换行为特性，改进加工工艺技术；3）通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。
我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺，经过多年的实践，在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制通过载能电子与固体表面的相互作用过程，建立较为合理的实际加工中的物理模型，利用二维模型数值计算方法模拟计算试样中的动态温度场及应力场分布 ，并选用Cr18Ni9Ti和GCr15进行初步的改性应用尝试性工作。吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理试验。吉林大学关庆丰教授带领的科研小组，对于强流脉冲电子束作用下金属材料微观组织结构的形成与性能进行研究。张万金教授对于采用电子束辐照对新型质子交换膜的合成及性能的影响进行研究等。
虽然电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用，电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产，但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出，我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大，今后的任务还很艰巨。

二.电子束加工原理
电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流，属于高能密度束流（HEDB），真空电子束的功率密度大于106 W /cm2，极限功率为300kW。电子束加工是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺，其加工原理如图1所示。按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热加工和电子束非热加工。

图 1　电子束加工原理

2. 1 　电子束热加工
电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转 化成热能 ,以实现对材料的加工 ,其中包括 : 1 )电子束 精微加工 。可完成打孔 、切缝和刻槽等工艺 , 这种设 备一般都采用微机控制 , 并且常为一机多用 ; 2 ) 电子 束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于 ,除高
真空电子束焊机之外 , 还有低真空、非真空和局部真
空等类型 ; 3 ) 电子束镀膜 。可蒸镀金属膜和介质膜 ;
4 )电子束熔炼。包括难熔金属的精炼 ,合金材料的制
造以及超纯单晶体的拉制等 ; 5 )电子束热处理。包括
金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材 料的退火等 。上述各种电子束加工总称为高能量密
度电子束加工 [ 7 ] 。
电子由电子枪的阴极发出 ,通过聚束极汇聚成电 子束 , 在电子枪的加速电场作用下 , 电子的速度被提 高到接近或达到光速的一半 ,具有很高的动能。电子 束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用 ,汇聚成更细的 束流。束斑的直径为数微米至 1mm , 在特定应用环 境 ,束斑的直径甚至可以小到几十纳米 , 其能量非常 集中。电子束的功率密度可高达 109 W /mm2 [ 8 ] 。
当电子束轰击材料时 , 电子与金属碰撞失去动 能 ,大部分能量转化成热能 , 使材料局部区域温度急
剧上升并且熔化 , 甚至气化而被去除 , 从而实现对材
料的加工。
2. 2 　电子束非热加工 电子束非热加工是基于电子束的非热效应 ,利用
功率密度比较低的电子束和电子胶 (又称电子抗蚀 剂 ,由高分子材料组成 ) 相互作用产生的辐射化学或 物理效应对材料进行加工。其应用领域主要是电子 束曝光。
电子束曝光原理如图 2 所示 ,是先在待加工材料

2、 6轴控制加工中心的加工特点：
有一点要注意的，是在使用回转刀具进不可能用6轴控制加工。但由于切削速度与进给速度相等而具有加工效率高的特点，所以用5轴控制对一次装夹的坯料也可以作多种加工。也正是由于切削速度与刀具进给速度相当，所以必须使用高刚性结构的加工中心。精加工的切入量很小，只有几个um，还要求机床具有很高的定位精度。
3、 6轴控制特点如下：
1、对平面和曲面作平滑加工：由于是用线接触加工，所以在加工表面不残留进给痕。
2、在平面和曲面上加工异形断面的槽：即可以加工与刀具前进方向成直角的槽，可以是非对称的任何形状。用回转刀具则无法加工这种异形断面槽。
3、加工两曲面交界处的特征线：这是用固定刀具与沿交线的面相接触。条件下移动刀具进行刨削。用回转刀具也无法加工这种特征线。
4、隅角加工：由于回转刀具是圆形的，所以无法形成隅角处的直角。用6轴控制可加工隅角。
5、凹坑加工：可对由平面和曲面构成凹坑的棱线进行清晰地加工。这是特征线加工的扩展。
6轴控制与5轴控制一样需要设置主处理器和后处理器。但由于这时刀具与工件之间的关系使6个自由度。为此更要设法防止发生干涉，一旦发生干涉就无法继续加工。其后同样要在已生成的CL数据基础上由后处理器按不同类型的6轴控制加工中心生成NC数据。
三.发展趋向。
1、 用5轴控制加工的NURBS插补
由于对自由曲面进行精加工的NC数据是以连续的微小线段组合来表达，所以复杂开头的NC数据量非常庞大。现在则因存储器的价格便宜，所以可作大容量储存，还可以与FA-LAN的DNC运转相结合高速传送数据进行加工。但在对于以高速加工为主的今天，NC数据的传送速度总是跟不上刀具的进给速度，从而使加工品质下降。为此使用大量数据的5轴控制必须进一步提高速度。
现在已经有用自由曲线对3维点群座进行插补的表示形状方法。用NURBS表示自由曲线则可为NC数据提供相当多的信息，从而使数据量大幅度减少。另一方面，现在已经开始将3轴控制的NURBS表达方式扩展到5轴控制中，从而减少了5轴控制中，从而减少了NC数据的位置。
2、利用二次曲面头立铣刀作5轴控制加工
使用球头立铣刀对自由曲面进行精加工时，因用一把刀具加工面不需要调换刀具，所以也不会发生刀具啮合问题，但必须选择与加工面最大曲率半径相适应的小直径球头立铣刀。如果欲获得由加工所形成的凹形高度很低的良好的加工面，就必须减少设定的进给间距，从而啬了切削距离和加工时间。解决这个问题的方式之一是使用称为二次曲面头立铣刀的特殊形状刀具进行5轴控制切削加工。
所谓二次曲面头立铣刀是一种以圆锥曲线围绕中心轴回转形成头部形状的铣刀。头部形状有回转抛物面、回转双曲面和回转椭圆面三种类型。在回转面上带有许多切刃，但它的切刃与球头立铣刀不同，是带有连续变化的各种曲率。它们的曲率可从各圆锥曲线公式求得。
用这种铣刀切削时不像球头立铣刀那样只有一个曲率，而是可以选择其中与加工面相吻合的曲率。命名如对加工面上曲率大的部分用铣刀头部附近的切刃加工，曲率小的部分则可用铣刀侧面的切刃进行加工，这样就有加大进给间距，缩短加工时间的优点。
可以自动生成使用二次曲面头立铣刀的5轴控制高效率加工自由曲面的CAM软件，现已开发出来。伴有超声波振动的6轴控制加工。
在用常规条件对铝等软性金属进行6轴控制加工时，有表面粗糙度很有效期的缺点。现在有一种在刀具夹持器上安装超声波工具的方法进行6轴控制加工，这样不仅可使视在切削速度加快，还可以明显地改善加工面的粗糙度，是可取的方法。
四.结论
先进多轴多孔加工中心，在一次装夹中可以对坯料的五个面进行平面、曲面、钻孔和铰孔等多种加工，从而缩短了加工周期和提高了加工精度。
五.参考文献
《先进制造技术》