特种加工 电子束和离子束加工

2020/3/251第九章电子束和离子束加工第一节电子束加工1.加工原理电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图下所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。2020/3/252图1电子束加工原理电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统2020/3/253控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；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。2020/3/2542．特点与应用电子束加工的特点如下：(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1μm)，故可进行微细加工。(2)加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(3)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。(4)电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。2020/3/255由于上述特点，电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔(如图2所示)及特殊曲面。图3所示为电子束加工弯曲的型面。其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。控制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。2020/3/256图2电子束加工的喷丝头异形孔0.03～0.07mm2020/3/257图3电子束加工曲面、穿孔1323(a)(b)(c)(d)1—工件；2—工件运动方向；3—电子束电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ2020/3/258另外电子束还能焊接、热处理暴光2020/3/259第二节离子束加工1．加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。2020/3/2510离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。1)离子束刻蚀加工离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子溅射沉积离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。4)离子注入离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。2020/3/2511离子束加工设备组成与电子束的相同，离子源、真空系统、控制系统和电源。刻蚀沉积离子镀注入2020/3/2512离子束加工有如下特点：(1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。(2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。2．特点及应用2020/3/2513(3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚度件零件进行加工。在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。2020/3/2514工件2020/3/2515第三节等离子体加工（金属工艺学）1．加工原理：等离子体加工也叫等离子弧加工，它是利用电弧放电使气体电离成为过热等离子气体束，靠局部融化、气化来去除工件材料的。等离子体加工有及其高的能量密度：机械收缩热收缩磁收缩机械收缩热收缩磁收缩