《機(jī)械制造工藝與設(shè)備》圖文-第12章

目錄12.1特種加工概述12.2電火花加工12.3激光加工12.4超聲波加工12.5電子束加工12.6離子束加工傳統(tǒng)的機(jī)械加工已有很久的歷史，它對人類的生產(chǎn)和物質(zhì)文明起了極大的作用。但是從第一次產(chǎn)業(yè)革命到第二次世界大戰(zhàn)前，這長達(dá)150多年都靠機(jī)械切削加工的漫長年代里，并沒有產(chǎn)生對特種加工的迫切需求，也沒有發(fā)展特種加工的充分條件，人們的思想還一直局限于傳統(tǒng)的用機(jī)械能量和切削力來加工去除多余的金屬。隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，零件形狀越來越復(fù)雜，材料越來越難以加工，加工精度和表面粗糙度等技術(shù)要求也越來越高，于是人們開始探索用軟的工具加工硬的材料，以及不僅用機(jī)械能而且還采用電、化學(xué)、光、聲等能量來進(jìn)行加工。

12.1.1特種加工的產(chǎn)生和發(fā)展二戰(zhàn)時(shí)期，前蘇聯(lián)拉扎連科夫婦研究電器開關(guān)觸點(diǎn)遭受電火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可使局部的金屬熔化、氣化而被蝕除掉，于是發(fā)明了電火花加工方法，即用銅絲在淬硬鋼上加工出小孔，可用軟的工具加工任何硬度的金屬材料，首次擺脫了傳統(tǒng)的切削加工方法，直接利用電能和熱能來去除金屬，以獲得以柔克剛的效果。12.1特種加工概述隨著生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，很多工業(yè)部門，尤其是國防工業(yè)部門要求產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化等方向發(fā)展，所用的材料越來越難加工，零件形狀越來越復(fù)雜，精度、表面粗糙度和某些特殊要求也越來越高。新的加工方法對新產(chǎn)品的研制、推廣和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重大的作用。傳統(tǒng)的切削加工是靠刀具材料比工件更硬，以及機(jī)械能把工件上多余的材料切除。一般情況下這是行之有效的方法，但是當(dāng)工件材料越來越硬，零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的情況下，原來有效的方法將轉(zhuǎn)化成為限制生產(chǎn)率和影響加工質(zhì)量的不利因素。常用特種加工方法見表12-1。特種加工方法能量來源及形式加工原理電火花加工電火花成形加工電能、熱能熔化、氣化電火花線切割加工電能、熱能熔化、氣化電化學(xué)加工電解加工電化學(xué)能金屬離子陽極溶解電解磨削電化學(xué)能、機(jī)械能陽極溶解、磨削電解研磨電化學(xué)能、機(jī)械能陽極溶解、研磨電鑄電化學(xué)能金屬離子陰極沉積涂鍍電化學(xué)能金屬離子陰極沉積激光加工激光切割、打孔光能、熱能熔化、氣化激光打標(biāo)記光能、熱能熔化、氣化激光處理、表面改性光能、熱能熔化、相變電子束加工切割、打孔、焊接電能、熱能熔化、氣化離子束加工蝕刻、鍍覆、注入電能、動能原子撞擊等離子弧加工切割（噴鍍）電能、熱能熔化、氣化（涂覆）超聲波加工切割、打孔、雕刻聲能、機(jī)械能磨料高頻撞擊化學(xué)加工化學(xué)銑削化學(xué)能腐蝕化學(xué)拋光化學(xué)能腐蝕光刻光能、化學(xué)能光化學(xué)腐蝕特種加工方法能量來源及形式加工原理特種加工的特點(diǎn)123特種加工不是主要依靠機(jī)械能而是主要用其他能量(如電、化學(xué)、光、聲、熱等)來去除金屬材料的。工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。特種加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械切削力?？傮w而言，特種加工可以加工任何硬度、強(qiáng)度、任性、脆性的金屬或非金屬材料，且專長于加工復(fù)雜、微細(xì)表面和低剛度零件，同時(shí)，在特種加工范圍內(nèi)還有一些屬于減小表面粗糙度或改善表面性能的工藝?？s短了新產(chǎn)品試制周期提高了材料的可加工性改變了零件的典型工藝路線對產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響對零件的結(jié)構(gòu)工藝性好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生重要影響1234512.1.2特種加工對機(jī)械制造加工工藝的影響

12.2.1電火花加工原理研究結(jié)果表明，電火花腐蝕的主要原因是：電火花放電時(shí)，電火花通道中瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱，足以使任何金屬材料局部熔化、氣化而被蝕除掉，形成放電凹坑。這樣人們在研究抗腐蝕方法的同時(shí)，開始研究利用電腐蝕現(xiàn)象對金屬材料進(jìn)行尺寸加工的方法。12.2電火花加工電火花加工原理圖1—工件；2—脈沖電源；3—自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4—工具；5—工作液；6—過濾器；7—工作液泵如圖所示為電火花加工原理圖。工具4與工件1分別與脈沖電源2的兩個(gè)輸出端相連接。自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置3（此處為電動機(jī)及絲杠螺母機(jī)構(gòu)）使工具4和工件1間經(jīng)常保持一很小的放電間隙，當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間時(shí)，便在當(dāng)時(shí)條件下相對某一間隙最小處或絕緣強(qiáng)度最低處擊穿介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生電火花放電，瞬時(shí)高溫使工具4和工件1表面都蝕除掉一部分金屬而各自形成一個(gè)小凹坑。1屬于不接觸加工

工具電極和工件之間并不直接接觸，而是存在一個(gè)電火花放電間隙（0.1～0.01mm)，該間隙中充滿了煤油工作液。2加工過程中沒有宏觀切削力

電火花放電時(shí)，局部、瞬時(shí)爆炸力的平均值很小，不足以引起工件的變形和位移。3可以以柔克剛由于電火花加工直接可利用電能和熱能來去除金屬材料，與工件材料的強(qiáng)度和硬度等關(guān)系不大，因此，可以用軟的工具電極加工硬的工件，以實(shí)現(xiàn)以柔克剛。

1.電火花加工的特點(diǎn)1可以加工任何難于加工的金屬材料和導(dǎo)電材料由于加工中材料的去除是靠放電時(shí)的電熱作用實(shí)現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及其熱學(xué)特性。2可以加工形狀復(fù)雜的表面由于可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工，如復(fù)雜型腔模具加工等。3可以加工有特殊要求的零件由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機(jī)械加工的切削力，因而適宜加工低剛度工件和進(jìn)行微細(xì)加工。2.電火花加工的適用范圍

12.2.2電火花線切割機(jī)床電火花線切割加工（wirecutelectricaldischargemachining，簡稱為WCEDM)是在電火花加工基礎(chǔ)上于50年代末在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種新工藝，是用線狀電極（鉬絲或銅絲）靠電火花放電對工件進(jìn)行切割的，故稱為電火花線切割。電火花線切割機(jī)床已獲得廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外的線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床的60%以上。1.電火花線切割加工的原理電火花線切割加工的原理如圖所示，被切割的工件作為工件電極，電極絲作為工具電極。電極絲接脈沖電源的負(fù)極，工件接脈沖電源的正極。當(dāng)電脈沖到來時(shí)，在電極絲和工件之間可能產(chǎn)生一次電火花放電，在放電通道的中心溫度瞬時(shí)可達(dá)5000℃，高溫使工件局部金屬熔化，甚至有少量汽化，高溫也使電極絲和工件之間的工作液產(chǎn)生汽化，這些汽化后的金屬蒸氣和工作液瞬間迅速熱膨脹，并具有爆炸的特性。靠這種熱膨脹和局部微爆炸，拋出熔化和汽化了的金屬材料而實(shí)現(xiàn)對工件材料進(jìn)行電蝕切割加工。DK7725高速走絲微機(jī)控制電火花線切割加工的原理2.DK7725高速走絲微機(jī)控制電火花線切割機(jī)床

DK7725高速走絲微機(jī)控制電火花線切割機(jī)床由機(jī)床本體、脈沖電源、微機(jī)控制裝置、工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分構(gòu)成，如圖所示。DK7725高速走絲微機(jī)控制電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)1—儲絲筒；2—走絲滑板；3—絲架；4—上工作臺；5—下工作臺；6—床身；7—脈沖電源及微機(jī)控制柜電火花穿孔成形機(jī)床的加工范圍12.2.3電火花穿孔成形機(jī)床電火花穿孔成形加工是利用電火花放電腐蝕金屬的原理，用工具電極對工件進(jìn)行加工的工藝方法，其加工范圍如圖所示。最常見的電火花穿孔成形機(jī)床如圖所示。它包括主機(jī)、電源箱、工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)。電火花穿孔成形機(jī)床1—床身；2—液壓油箱；3—工作液槽；4—主軸頭；5—立柱；6—工作液箱；7—電源箱主機(jī)主要由床身、立柱、主軸頭、工作臺及潤滑系統(tǒng)等組成，用于支承工具電極及工件，保證它們之間的相對位置，并實(shí)現(xiàn)電極在加工過程中穩(wěn)定的進(jìn)給運(yùn)動。電源箱包括脈沖電源、自動進(jìn)給控制系統(tǒng)和其他電氣系統(tǒng)。工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)和液壓伺服進(jìn)給系統(tǒng)均包括液壓泵（油泵）、過濾器、各種控制閥和管道等。光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。原子內(nèi)的原子核與核外電子之間存在著吸引和排斥的矛盾。電子按一定半徑的軌道圍繞原子核運(yùn)動，當(dāng)原子吸收一定的外來能量或向外釋放一定的能量時(shí)，核外電子的運(yùn)動軌跡半徑將發(fā)生變化，即產(chǎn)生能級變化，并發(fā)出光。激光是由處于激發(fā)狀態(tài)的原子、離子或分子受激輻射而發(fā)出的光。12.3激光加工

12.3.1激光加工原理激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大綜合性能。通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后可得到柱狀或帶狀光束，而且光束的粗細(xì)可根據(jù)加工需要調(diào)整，當(dāng)激光照射在工件的加工部位時(shí)，工件材料迅速被融化甚至氣化。隨著激光能量不斷被吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸式地高速噴射出來，在工件內(nèi)部形成方向性很強(qiáng)的沖擊波。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合作用過程。激光加工器一般分為固體激光器和二氧化碳?xì)怏w激光器。如圖所示為固體激光器的工作原理。固體激光器的工件原理激光可通過玻璃等透明材料進(jìn)行加工，如對真空管內(nèi)部的器件進(jìn)行焊接等。激光加工屬高能束流加工，功率密度可高達(dá)10～10W/cm，幾乎可以加工任何金屬材料和非金屬材料。激光加工無明顯機(jī)械力，不存在機(jī)械損耗，加工速度快，熱影響區(qū)小，易實(shí)現(xiàn)加工過程自動化。激光可以通過聚焦形成微米級的光斑，輸出功率的大小可以調(diào)節(jié)，因此，可進(jìn)行精密微細(xì)加工。最高加工精度可達(dá)0.01mm，表面粗糙度Ra可達(dá)0.4～0.1μm。激光加工的主要參數(shù)為激光的功率密度、激光的波長和輸出的脈寬、激光照在工件上的時(shí)間及工件對能量的吸收等。只要對主要參數(shù)進(jìn)行合理選用，激光便可以進(jìn)行多種類型的加工。1234512.3.2激光加工特點(diǎn)激光加工應(yīng)用激光打孔激光切割激光打孔主要應(yīng)用于在特殊零件或特殊材料上加工孔，如火箭發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的噴油嘴、化學(xué)纖維的噴絲板、鐘表上的寶石軸承和聚晶金剛石拉絲模等零件上的微細(xì)孔加工。激光切割可以切割金屬材料，也可以切割非金屬材料，還可以透過玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲。大功率二氧化碳?xì)怏w激光器輸出的連續(xù)激光不但廣泛用于切割鋼板、鈦板、石英和陶瓷，而且用于切割塑料、木材、紙張和布匹等。12.3.3激光加工應(yīng)用如圖所示為二氧化碳?xì)怏w激光器切割鈦合金的示意圖。二氧化碳?xì)怏w激光器切割鈦合金的示意圖

3.激光焊接激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖所示。激光焊接過程迅速，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進(jìn)行焊接。激光焊接過程示意圖1—激光；2—被焊接零件；3—被熔化金屬；4—已冷卻的熔池

4.激光表面處理激光可實(shí)現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強(qiáng)化問題。激光表面淬火處理的應(yīng)用實(shí)例激光表面合金化是在工件基體表面采用沉積法預(yù)先涂一層合金，然后用激光束照射涂層表面。當(dāng)激光轉(zhuǎn)化為熱量后，涂層表面和工件基體表面被熔化，使其混合而形成合金。采用這種工藝方法能使貴重金屬如鉻、鈷和鎳等熔入低級而廉價(jià)的鋼表面。表面激光熔覆可在低熔點(diǎn)工件基體表面熔覆一層高熔點(diǎn)的合金，并能局部覆蓋，具有良好的接觸性。此外，它還具有微觀結(jié)構(gòu)細(xì)致、熱影響區(qū)小、表面熔覆層均勻無缺陷的特點(diǎn)。人耳能感受的聲波頻率在16～16000Hz內(nèi)，聲波頻率超過16000Hz稱為超聲波。超聲波加工(ultrasonicmachining，簡稱為USM)有時(shí)也稱為超聲加工，是近幾十年發(fā)展起來的一種加工方法，它彌補(bǔ)了電火花加工和電化學(xué)加工的不足。電火花加工和電化學(xué)加工都只能加工金屬導(dǎo)電材料，不易加工不導(dǎo)電的非金屬材料，然而超聲加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時(shí)還可以用于清洗、焊接和探傷等。12.4超聲波加工從而使工具1的端面做超聲頻振動，在工具1和工件2之間注入磨料懸浮液3，當(dāng)工具1端面迫使磨料懸浮液3中的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊和拋磨被加工表面時(shí)，被加工表面的材料被粉碎成很細(xì)的微粒，從工件上剝落下來。雖然每次剝落下來的材料很少，但由于每秒鐘撞擊的次數(shù)多達(dá)16000次以上，因而仍有一定的加工速度。超聲波加工的原理1—工具；2—工件；3—磨料懸浮液；4、5—變幅桿；6—換能器；7—超聲波發(fā)生器12.4.1超聲波加工原理超聲波加工是磨粒在超聲頻振動作用下，產(chǎn)生機(jī)械撞擊、拋磨以及超聲空化的結(jié)果。超聲波加工的原理如圖所示，超聲波發(fā)生器7產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過換能器6產(chǎn)生16000Hz以上的超聲頻縱向振動，借助于變幅桿4、5把振幅擴(kuò)大到0.05～0.1mm，普通超聲波加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡單，其包括支承超聲波振動系統(tǒng)的支架、安裝工件的工作臺、使工具以一定壓力作用在工件上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及床身等部分，如圖所示為CSJ-2型超聲波加工機(jī)床。超聲波振動系統(tǒng)安裝在能上下移動的導(dǎo)軌7上，導(dǎo)軌7由上下兩組滾動導(dǎo)輪定位，使導(dǎo)軌7能靈活、精密地上下移動。工具4的向下進(jìn)給以及對工件施加的壓力是靠超聲波振動系統(tǒng)的自重來實(shí)現(xiàn)的。為了調(diào)節(jié)壓力大小，在機(jī)床后可加平衡重錘2，也可以采用彈簧進(jìn)行平衡。CSJ-2型超聲波加工機(jī)床1—支架；2—平衡重錘；3—工作臺；4—工具；5—振幅擴(kuò)大棒；6—換能器；7—導(dǎo)軌；8—標(biāo)尺12.4.2超聲波加工裝置模具加工方法超聲波加工的特點(diǎn)1.適合于加工各種脆硬材料，既然超聲波加工是基于微觀局部撞擊作用，所以材料越是脆硬，受撞擊作用所遭受的破壞越大，越適宜超聲波加工。2.由于工具可用較軟的材料，做成較復(fù)雜的形狀，因而不需要使工具和工件做比較復(fù)雜的相對運(yùn)動。3.由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時(shí)局部的撞擊作用，因而工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，而且可以加工薄壁、窄縫和低剛度零件。4.生產(chǎn)率低，這是超聲波加工的一大缺點(diǎn)。12.4.3超聲波加工的特點(diǎn)

12.4.4超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工雖然比電火花、電解加工效率低，但其加工精度和表面粗糙度卻更好，而且能加工非導(dǎo)體、半導(dǎo)體等脆硬材料，例如，玻璃、石英、寶石、鍺、硅甚至金剛石等。即使是電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模、塑料模具，還常采用超聲波拋磨法進(jìn)行光整加工。1.超聲波孔、腔和套料加工

超聲波加工目前在工業(yè)部門中主要用于對脆硬材料進(jìn)行圓孔、型腔、異形孔、套料和微細(xì)孔等加工，如圖所示。超聲波孔、腔和套料加工

2.超聲波切割加工

用普通機(jī)械加工切割脆硬的半導(dǎo)體材料很困難，采用超聲波切割則較為有效。如圖所示為超聲波切割加工單晶硅片的示意圖。用錫焊或銅焊將工具（薄鋼片或磷青銅片）焊接在變幅桿的端部，加工時(shí)注意噴注磨料懸浮液，一次可割10～20片。超聲波切割加工單晶硅片的示意圖1—變幅桿；2—工具（薄鋼片）；3—磨料懸浮液；4—工件（單晶硅）如圖所示為成批切塊刀具。它采用了一種多刃刀具，即包括一組厚度為0.127mm的軟鋼刀片5，每個(gè)刀片間隔1.14mm，用鉚釘3鉚合在一起后焊接在變幅桿1上。軟鋼刀片伸出的高度應(yīng)足夠在磨鈍后做幾次重磨。最外邊的刀片應(yīng)比其他刀片高出0.5mm，切割時(shí)插入坯料的導(dǎo)向槽中，起定位作用。成批切塊刀具1—變幅桿；2—焊縫；3—鉚釘；4—導(dǎo)向片；5—軟鋼刀片加工時(shí)噴注磨料懸浮液，將坯料片先切割成1mm寬的長條，然后將刀具旋轉(zhuǎn)90°，使導(dǎo)向片插入另一導(dǎo)向槽中，進(jìn)行第二次切割，以完成對模塊的切割加工。如圖所示為已切成的陶瓷模塊。已切成的陶瓷模塊超聲波電解復(fù)合加工小孔和深孔的示意圖1—換能器；2—變幅桿；3—工具；4—磨料電解液；5—工件；6—直流電源；7—超聲波發(fā)生器3.超聲波復(fù)合加工

利用超聲波加工硬質(zhì)合金、耐熱合金等金屬材料時(shí)，存在加工速度低、工具損耗大等問題。為了提高加工速度，降低工具損耗，可以把超聲波加工與其他加工方法結(jié)合起來，這就是所謂的復(fù)合加工。在光整加工中，利用導(dǎo)電油石或鑲嵌金剛石顆粒的導(dǎo)電工具，對工件表面進(jìn)行電解超聲波復(fù)合拋光加工，更有利于改善表面粗糙度。如圖所示，用一套超聲波振動系統(tǒng)使工具手柄產(chǎn)生超聲頻振動，并在變幅桿上接直流電源負(fù)極，在被加工工件上接直流電源正極。手?jǐn)y式電解超聲波復(fù)合拋光的原理圖1—超聲波發(fā)生器；2—壓電陶瓷換能器；3—工具手柄；4—變幅桿；5—導(dǎo)電油石；6—電解液噴嘴；7—直流電源

4.超聲波清洗

超聲波清洗的原理主要是利用超聲頻振動在液體中產(chǎn)生的交變沖擊波和空化作用。超聲波在清洗液（汽油、煤油、酒精、丙醇或水等）中傳播時(shí)，液體分子往復(fù)高頻振動形成正負(fù)交變的沖擊波。當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，液體中產(chǎn)生微小空化氣泡并瞬時(shí)強(qiáng)烈閉合，造成的微沖擊波使被清洗物表面的污物脫落下來。即使污物在深孔、彎孔中，也能被清洗干凈。雖然每個(gè)空化氣泡的作用并不大，但每秒鐘有上億個(gè)空化氣泡作用，仍可獲得很好的清洗效果。所以超聲波廣泛應(yīng)用于對噴油嘴、噴絲板、微型軸承、儀表齒輪、手表整體機(jī)芯、印制電路板、集成電路微電子器件的清洗。如圖所示為超聲波清洗裝置的示意圖。超聲波清洗裝置的示意圖1—清洗槽；2—硬鉛合金；3—壓緊螺釘；4—壓電陶瓷換能器；5—鎳片（＋）；

6—鎳片（－）；7—接線螺釘；8—墊圈；9—銅墊塊

5.超聲波焊接

超聲波焊接的原理是利用超聲頻振動作用除去工件表面的氧化膜，暴露出新的本體表面，通過兩個(gè)工件基體表面在一定壓力下相互劇烈摩擦、發(fā)熱面親和而黏結(jié)在一起。它不僅可以焊接尼龍、塑料以及表面易生成氧化膜的鋁制品等，還可以在陶瓷等非金屬表面掛錫、掛銀、涂覆熔化的金屬薄層等。如圖所示為超聲波焊接的示意圖。超聲波焊接的示意圖1—換能器；2—固定軸；3—變幅桿；4—焊接工具頭；5—被焊工具；6—反射體電子束加工（electronbeammachining，簡稱為EBM）是近年來得到較大發(fā)展的新興特種加工。它主要用于打孔、焊接等的精加工和電子束光刻化學(xué)加工。12.5電子束加工如圖所示，電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時(shí)間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走?？刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。電子束加工原理及設(shè)備組成12.5.1電子束加工原理電子槍電子槍是獲得電子束的裝置。它包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽極等。發(fā)射陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)電荷的電子高速飛向帶高電位的陽極，在飛向陽極的過程中，經(jīng)過加速陽極加速，又通過電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束斑。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)是為了保證在電子束加工時(shí)維持一定的真空度。因?yàn)橹挥性诟哒婵罩?，電子才能高速運(yùn)動。此外，加工時(shí)的金屬蒸氣會影響電子發(fā)射，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。控制系統(tǒng)電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺位移控制等。束流聚焦控制是為了提高電子束的能量密度，使電子束聚焦成很小的束斑，它基本上決定著加工點(diǎn)的孔徑或縫寬。電子束加工裝置主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成。12.5.2電子束加工裝置

12.5.3電子束加工特點(diǎn)電子束加工特點(diǎn)如下：（1）由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm，因而其加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。（2）電子束能量密度很高，使照射部分的溫度超過工件材料的熔化和氣化溫度，去除工件材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。加工材料范圍很廣，對脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可加工。（3）電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)率高，例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。（4）可以通過磁場或電場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動化。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描，都可實(shí)現(xiàn)自動化。在電子束打孔和切割時(shí)，可以通過電氣控制加工異形孔，以實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。（5）由于電子束加工是在真空中進(jìn)行的，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。（6）電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。

12.5.4電子束加工應(yīng)用

1.電子束高速打孔

電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。目前其所打出孔的最小直徑可達(dá)ф0.003mm。例如，噴氣發(fā)動機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)冀吸附屏的孔，不僅孔的密度可以連續(xù)變化，孔數(shù)達(dá)數(shù)百萬個(gè)，面且有時(shí)還可改變孔徑，最宜用電子束高速打孔，高速打孔可在工件運(yùn)動中進(jìn)行。在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性。

2.加工型孔及特殊表面

電子束可以用來切割各種復(fù)雜型面，切口寬度為6.3μm，邊緣表面租糙度Ra可控制在±0.5μm。離心過濾機(jī)、造紙化工過濾設(shè)備中鋼板上的小孔均為錐孔，這樣可以防止堵塞，并便于反沖清洗。

3.刻蝕

在微電子器件的生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細(xì)溝槽和孔，還可在加工過程中對電阻值進(jìn)行測量校準(zhǔn)，這些都可用計(jì)算機(jī)自動控制完成。

4.電子束焊接電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當(dāng)高能量密度的電子束轟擊焊件表面時(shí)，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個(gè)被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池，如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束做相對移動，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個(gè)接縫形成一條焊縫。由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以其焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小、變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進(jìn)行，因此，焊縫化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度高于母材電子束焊接，可以焊接難熔金屬，如鉭、鈮、鉬等，也可焊接鈦、鋯、鈾等化學(xué)性能活潑的金屬。

5.熱處理

電子束熱處理也是把電子束作為熱源，適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)到熱處理的目的。其加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體花費(fèi)的時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度（硬化深度可達(dá)0.3～0.8mm）。如果用電子束加熱金屬達(dá)到表面熔化，可在熔化區(qū)加入添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的物理力學(xué)性能。鑄鐵的熔化處理可以產(chǎn)生非常細(xì)的萊氏體結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是抗滑動磨損。鋁、鈦、鎳的各種合金幾乎全可進(jìn)行添加元素處理，從而得到很好的耐磨性能。

6.電子束光刻電子束光刻是先利用低功率密度的電子束照射電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使高分子鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這一步驟稱為電子束曝光。如果按規(guī)定圖形進(jìn)行電子束曝光，就會在電致抗蝕劑中留下潛像。然后將它浸入適當(dāng)?shù)娜軇┲?，則由于分子量不同而溶解度不一樣，就會使?jié)撓耧@影出來。將光刻與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結(jié)合，就能在金屬掩?；虿牧媳砻嫔现瞥鰣D形來。離子束加工(ionbearnmachining，簡稱為IBM)