特种加工技术第四章电子束加工

1、特种加工技术特种加工技术广东白云学院机电工程学院广东白云学院机电工程学院 韩韩 伟伟第九章电子束和离子束加工第九章电子束和离子束加工 第一节第一节 电子束加工电子束加工 1. 1. 加工原理加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击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、汽分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。（课本化蒸发而去除。（课本9999页）

2、页）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 控制电子束能量密度的大小和能量注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。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，即可分子材料时产生化

3、学变化的原理，即可进行进行电子束光刻加工。电子束光刻加工。 电子束加工是通过热效应进行的。电子束加工是通过热效应进行的。 电子束加工原理示意图 1高速加压；2电子枪；3电子束；4电磁透镜；5偏转器；6反射镜；7加工室；8工件； 9工作台及驱动系统；10窗口；11观察系统 2特点与应用特点与应用电子束加工的特点如下：电子束加工的特点如下：(1) (1) 电子束能够极其微细地聚焦电子束能够极其微细地聚焦( (可达可达l l0.1m)0.1m)，故可进行微细加工。故可进行微细加工。(2) (2) 加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，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

4、化且机械力的作用极小，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。体、半导体和非导体材料。(3) (3) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。氧化。 (4) (4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，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。价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。 由于上述特点，电子束加工常应用于加由于上述特点，电子束加工常应用于加工工微细小孔、异型孔微细小孔、异型孔(

5、(如图如图2 2所示所示) )及特殊及特殊曲面。图曲面。图3 3所示为电子束加工弯曲的型面。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，即可加工曲面内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面；随后改变磁场极性，即可加工曲面；随后改变磁场极性，即可加工曲面；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽在工件实体部位内加工，即可得到弯槽；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔弯孔。控制电子束速度和磁场强度，即。控制电子束速度和

6、磁场强度，即可控制曲率半径。可控制曲率半径。图图2 2 电子束加工的喷丝头异形孔电子束加工的喷丝头异形孔0.030.07 mm图图3 3 电子束加工曲面、穿孔电子束加工曲面、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，即可加工曲面动，即可加工曲面；随后改变磁场极性，即可加工；随后改变磁场极性，即可加工曲面曲面；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，

7、即可得到一个入口、两个出口的弯孔可得到一个入口、两个出口的弯孔另外电子束还能焊接、热处理曝光另外电子束还能焊接、热处理曝光第二节第二节 离子束加工离子束加工1 1加工原理加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工，它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，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正电荷，其质量比电子大数千

8、倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较倍，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。高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。热能进行的。 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生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的撞击效应、溅射效应和注入效应撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分。离子束加工可分为四类。为四类。1) 1) 离子束刻蚀加工离子束刻蚀加工 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称

9、离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。其实质是一种原子尺度的切削加工。2) 2) 离子溅射沉积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，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。使工件表面镀上一层薄膜。3) 3) 离子镀离子镀( (又称离子溅射辅助沉积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。材之间的结合力。 4) 4) 离子注入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，离子就钻离子束直接轰击被加工材料，由于离子

10、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。化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。离子束刻蚀机离子束刻蚀机离子束加离子束加工设备组工设备组成与电子成与电子束的相同，束的相同，离子源、离子源、真空系统、真空系统、控制系统控制系统和电源。和电源。刻蚀刻蚀沉积沉积离子镀离子镀注入注入n多功能离子束增强沉积设备多功能离子束增强沉积设备离子束加工有如下特点：离子束加工有如下特点：(1) (1) 离子束加工是离子束加工是目前特种加工中最精密、最目前特种加工中最精密、最微

11、细的加工。微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜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。可精确地控制。 (2) (2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特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别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。加工。2 2特点及应用特点及应用 (3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子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，适宜于对和变形极小，适宜于对各种材料和低刚度件各种材料和低刚度件零件进行加工。零件进行加工。 在目前的工业生产中，离子束加工主在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工要应用于刻蚀加工( (如加工空气轴承的如加工空气轴承的沟槽，沟槽，加工极薄材料等加工极薄材料等) )、镀膜加工镀膜加工( (如在金属或非如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料金属材料上镀制金属或非金属材料) )、注入加、注入加工工( (如某些特殊的半导体器件如某些特殊的半导体器件) )等。等。工件工件 第三节等离子体加工第三节等离子体加工