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电子束在模具表面精整加工中的应用
摘要：介绍了电子束精整加工的原理、特点、工艺流程、装置结构以及影响精整加工效果的因素。为模具表面镜面加工提供技术指导。
关键词：电子束 模具 精整加工
模具的传统加工工序主要包括铣削加工、研磨及抛光。其中抛光是决定模具质量的重要工序, 模具的形状精度及表面粗糙度直接影响着成形加工产品的质量。电火花加工早已被广泛用于模具以及零件加工,然而实际上, 这些加工后的表面很少直接使用, 为减小表面粗糙度值, 去除显微裂纹和白层等表面缺陷,改善形状精度, 也需要最终抛光和表面精整处理工序。常见的材料表面精整加工方法包括磨床抛光、电解抛光、超声波抛光和手工抛光等。对于形状较为简单的模具也有使用机器人进行抛光的[ 1 ]。手工抛光以其操作简单、成本低、可以抛光细小轮廓等优点成为主要手段, 但手工抛光工序需要依靠熟练操作者的技能, 表面质量不稳定, 加工效率不高。电解抛光生产效率高, 但抛光质量受原材料表面状态影响较大, 抛光质量难以控制。超声波抛光比手工抛光效率高十多倍, 且能抛光狭缝、深槽、不规则的圆弧及棱角等,但超声波抛光会产生“桔皮”状缺陷, 模具形状越复杂, 这一现象也越严重[ 2 - 3 ] 。近十几年来, 利用脉冲高能束(电子束、离子束、激光束) 进行金属材料表面精整加工和改性得到了迅速发展。当高能量密度的射束作用到材料表面时, 大量的能量会在短时间里沉积在材料表面的薄层中, 被加热层的温度迅速升高, 导致局部熔化、汽化等现象。当输入能量结束时, 工件表面会急速冷却。其结果, 表面将被非晶化。若将这一过程沿着整个表面反复进行就能获得非常光滑的镜面。经过这几个过程的综合作用, 材料表面层的性质会发生明显地变化, 可以使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学或力学性质[ 4 ] 。
一、原理
电子束是把电能通过聚焦用于穿孔等高速加工的一种加工技术。如果把这种思路反过来,将电子束不聚焦而做成极粗状(图1) 。通过放粗后,利用降低的单位面积电能使表面极浅(2μm) 层部分瞬间熔化。照射时间仅为2μs。虽然表面层被瞬间熔化,但主体部分仍处于低温,所以熔化部分将被迅速冷却下来。其结果,表面将被非晶化即非定形化。若将这一过程沿着整个表面反复进行就能获得非常光滑的镜面。如同溶化后的黄油凝固时那样光滑的表面。而且,所形成的非定形化表面难以产生氧化,即不易生锈。这种方法也许已超出抛光范围,是一种划时代的加工技术。

电子束流由布置在腔外部的电磁线圈产生磁场, 火花源通电, 然后在磁场强度达到最大的瞬间, 对阳极施加脉冲电压而产生的。由彭宁( Penning) 效应在阴极产生的电子便向阳极移动, 与此同时, 电子因受到洛伦兹(Lorentz) 力的作用而进行螺旋运动。飞行中的电子不断与腔内的氩(Ar) 原子发生冲撞而在阳极附近产生等离子体(阳极等离子体) 。当在该等离子区达到最大的瞬间给阴极施加脉冲电压时, 就会在阴极附近形成等离子体(阴极等离子体) , 以及形成双电荷层, 因而电场强度得到增强, 使从阴极释放出来的电子被高压电场加速。阳极等离子体量与离子质量很大时, 就能提高电子束的电流密度, 而且阳极等离子体的存在还有延长电子束寿命的效果。一般来说, 电子束因电子间产生的库伦斥力, 电子有发生散射的倾向。但是利用使其通过阳极等离子体以屏蔽电子间的库伦力, 就可以提高直线行进性。加速后的电子经过电磁线圈也就是电磁透镜组的作用, 汇聚成为具有一定直径和能量密度的电子束流[5]。
电子束（Ø60mm）的单位面积能量为2～10J/cm2，每次照射的时间为2～3μs，作用深度为几个微米。高功率的脉冲电子束照射钢表面时，电子束90％能量转变为金属表面热能，受热区域的温度极迅速上升（约10e8K/s ），达到熔点以上而熔化气化，从而实现金属表面的平整。停止照射后由于金属基体的导热，金属表面高速冷却（约10e8K/s ），发生淬火反应形成致密的细小马氏体组织，提高了金属表面的硬度，耐磨性和耐腐蚀性。

图2.大面积电子束照射金属表面示意图
二、电子束表面加工的特点
（1）加工后工件的表面粗糙度有较大程度降低,材料表面光滑, 材料表面形成非晶体组织, 耐磨和耐腐蚀性能优良。
（2）利用电子束直接对模具加工表面进行照射抛光, 加工效率高。
（3）利用电子束产生的能量进行照射, 对材料具有热处理作用, 模具型腔表面应力低, 模具寿命长。
三、 工艺流程
电子束加工的控制采用以计算机为中心的控制系统, 电子束加工流程如图3所示, 其中虚线表示计算机对加工流程的控制关系, 实线表示加工流程。

图3.电子束加工工艺流程图
加工任务输入计算机, 由计算机控制系统控制与之相连的电子束发生装置产生电子束, 计算机根据加工任务将整个加工区域分成若干照射单元, 并确定每个单元的照射次数、能量密度等工艺参数; 根据加工任务的完成情况协 调工作台运动, 直至加工任务结束[6]。
四、电子束抛光装置结构方框
模具型腔的电子束加工装置结构方框图如图4所示, 它由计算机、图形系统、控制电路、硬件和工作台系统和真空系统组成, 计算机系统进行数据的存储和计算, 并将相关信息通过图形发生器对电路进行放大操作, 计算机的结果通过CRT进行和人的信息交换, 控制电路进行电源的管理、工作台的控制和真空的控制, 真空系统保证加工状态, 确保加工的质量。

图4.电子束抛光装置结构方框图
五、 影响因素
5.1能量密度的影响
图5所示为对预硬钢的电火花加工表面，用不同能量密度的脉冲电子束照射后的状态。照射前电火花加工面的表面粗糙度约为Ry6µm，照射次数均为30次。如图所示，当能量密度较小，为14J/cm2时，可以看到表面熔化的形迹。能量密度提高到2.1 J/cm2时，表面熔化更明显，且趋向平滑。当进一步提高能量密度时，则形成了与电火花加工面完全不同的表面。

图5.不同电子束能量密度照射后的照射面状态
图6表示此时各照射面的断面轮廓曲线。照射前电火花加工表面凹凸剧烈，与此成对照，随着照射能量密度的增加，表面的凹凸趋于减小，在能量密度大的条件下可使表面完全达到平滑化。图7表示能量密度与照射表面的粗糙度及光泽度变化关系。光泽度依据JIS（Z8741）的标准进行测量。一般认为，适合测量金属的测量角为600。此时理想镜面的光泽度为1000。

图6.不同能量密度照射表面的断面轮廓曲线
能量密度在1~4 J/cm2时，表面粗糙度值随着能量密度的增加而减小，当能量密度提高到6~7 J/cm2时，表面粗糙度值达到最小约为Ry0.7µm。当能量密度高于此值时，表面粗糙度反而有些增大。另一方面由图可知，光泽度与表面粗糙度显现良好的对应关系，表面粗糙度值最小时光泽度则达到了最高[7]。

图7.照射能量密度与表面粗糙度、光泽度的关系
5.2照射次数的影响
接着对照射次数的影响进行了研究。图8表示在能量密度4.2 J/cm2的条件下改变照射次数对照射面的影响。从这些照片中可看到，只照射1次的表面熔化形迹明显，随着照射次数增加，表面越来越平滑。在照射10次以上，照射面的变化已趋平缓。

图8.同一能量密度不同照射次数照射的表面状况
与上述能量密度的影响综合起来考虑可知，一次照射的脉冲能量增大或者增加照射次数 就能使照射面达到完全平滑。也就是说，照射面的粗糙度可能由照射电子束的能量密度的总和来决定。 为此，我们在2种单脉冲能量密度条件下，对表面粗糙度随照射次数的变化进行了比较试验。图9表示采用单脉冲能量4.2 J/cm2与7.3 J/cm2照射时，表面粗糙度随照射次数，即总照射能量密度的变化情况。由图中可知，两种单脉部能量密度下，它们照射的表面粗糙度值都随照射次数的增加，即总照射能量密度的增加而减小而且在总照射能量密度为200~300 J/cm2时达到最小。只是，该最小值，单脉冲能量密度小的4.2 J/cm2更小些。所以，在总照射能量密度相同的条件下，使用较小的单脉冲能量密度多进行风冷照射可获得更高的表面平滑度[8]。

图9.表面粗糙度与总照射能量密度的关系
六、 结论
传统的抛光技术由于效率很低、抛光质量差等缺点, 已经不能适应当前模具市场发展要求。模具型腔电子束抛光技术在国内还不完善。但其抛光表面粗糙度低、耐磨和耐腐蚀性能优良、加工效率高、表面应力低等诸多优点, 使其在模具型腔抛光处理应用上具有不可替代的地位和广阔的市场前景。
七、 参考文献
[1].宇野義幸, 冈田晃, 数下法康, 植村贤介.PURWAD IRaharjo [ J ] .制造技术与机床, 2004 (5) .
[2].赵建华.模具型腔的抛光[ J ] .机械制造, 1998(7) .
[3].杨雪松, 杨明, 朱数敏.模具型腔复合抛光工艺规律研究[ J ] .代制造工程, 2002 (10) .
[4].郝胜智, 钟溥, 董闯.强流脉冲电子束材料表面改性技术[ J ] .真空与低温, 2001, 7 (2) .
[5] 魏志强,莫德秀.精密模具的大面积镜面加工技术[J].模具工业，2000，（2），47-49.
[6] 许洪斌，李登波.模具表面抛光技术的研究进展[J].模具制造技术，2006，（2），44-48.
[7]沙迪克公司，虞战波，樱井丰久.大面积电子束的模具精加工技术[J].机械工人（冷加工）2004,(11),43-44.
[8]赵万生，孟庆国.混粉电火花镜面加工技术的研究及进展[J]. 中国机械工程，2001,(4),466-469.