先进制造工艺专业课报告ppt1.ppt

1、原理与特点加工工具应用与前沿,原理与特点,ElectronBreamMachining（一）电子束加工的原理电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（106109W/cm2）的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。,电子束加工原理图,（二）优点,1）由于电子束能够极其微细地聚焦，如电流为10mA时，能聚焦到101

2、00m，电流为1nA时，能聚焦到0.1m。所以加工面积可以很小，能加工微孔、窄缝、半导体集成电路等，是一种精密微细的加工方法。2)由于电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等。又由于电子束加工是非接触式加工，工件不受机械力作用，不易产生宏观应力和变形，所以加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。,6）设备的使用具有高度灵活性,并可使用同一台设备进行电子束焊接、表面改善处理和其他电子束加工,（三）缺点,a.由于使用高电压，会产生较强X射线

3、，必须采取相应的安全措施；b.需要在真空装置中进行加工；c.设备造价高等。电子束加工对设备和系统的真空度要求较高,使得电子束加工价格昂贵,一定程度上限制了其在生产中的应用.。,加工工具,电子束加工装置的基本结构如图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。1）电子枪。电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅和加速阳极等。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。,2）真空系统。真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.3310-21.3310-4Pa的真空度。因为只有在高真

4、空中，电子才能高速运动。此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象，因此，也需要不断地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。,3）控制系统和电源。电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的孔径或宽。束流位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。如果使偏转电压或电流

5、按一定程序变化，电子束焦点便按预定的轨迹运动。工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。,图电子束加工装置结构示意图1-工作台系统；2-偏传线圈；3-电磁透镜；4-光阑；5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极；8-光学观察系统；9-带窗真室门；10-工件,应用与前沿,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：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。2)电子束焊接。3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜;4)电子束熔炼。5)电子束热处理。上述各种电子束加工总称为高能量密度电子束加工。电子

6、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。,热处理焊接打孔切割曝光熔炼,打孔,打孔加工特点：孔小、效率高、加工斜孔,焊接,热处理,曝光,电子束曝光是先在待加工材料表面涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层,然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统,聚焦形成高能电子束流,轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面,形成抗腐蚀剂图形,最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。,熔炼,高真空下，将高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进行金属熔炼的一种

7、真空熔炼方法。简称EBM,前面介绍的主要是单束电子加工技术，最近国内外研究开发了电子束的其他一些应用,多束流电子束加工,多束流电子束加工(MultibeamTechnology)是指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和加工的一种方法。多束流电子束可以由多个电子枪产生，也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产生。电子束在不同的位置快速移动，由于移动的频率很高从而产生多束的效果。,是德国Pro-beam公司采用3束电子束同时焊接齿轮的实例,电子束“毛化”技术,电子束“毛化”技术（ElectronBeamSurfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）BruceDance等人近年来发明的一种

8、新型电子束加工技术，它借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成形效果。,形成一定形状和大小的“凸起”（毛刺），产生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”,电子束快速成型技术,电子束快速成型技术（ElectronBeamMelting，EBM）是一种集成了计算机、数控、电子束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择地熔化金属粉末，并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品,电子束快速成型技术具有能量利用率高、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想