6现代加工技术-高能束流加工技术

1、第六章第六章 高能束流加工技术高能束流加工技术 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 第六章 高能束流加工技术 n6.1 激光加工技术激光加工技术 n6.2 电子束加工技术电子束加工技术 n6.3 离子束加工技术离子束加工技术 n6.4 水射流及磨料射流加工技术水射流及磨料射流加工技术 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.1 激光加工技术激光加工技术 6.1.1 激光及激光加工原理激光及激光加工原理 1、激光、激光 自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式，自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光

2、方式， 前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。 原子由原子核和电子组成。电子在靠近原子核最近的轨道原子由原子核和电子组成。电子在靠近原子核最近的轨道 上运动时是最稳定的，这时原子所处的能级状态称为基态。当上运动时是最稳定的，这时原子所处的能级状态称为基态。当 外界传给原子一定的能量，原子的内能增加，外层电子的轨道外界传给原子一定的能量，原子的内能增加，外层电子的轨道 半径增大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。被激发到半径增大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。被激发到 高能级的原子不稳定，从高能级回落到低能级的过程，称

3、为高能级的原子不稳定，从高能级回落到低能级的过程，称为“ 跃迁跃迁”。 一般处于激发状态的各种高能级的原子停留时间一般都较一般处于激发状态的各种高能级的原子停留时间一般都较 短，在短，在0.01us左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级却左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级却 有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳态能级。有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳态能级。 如氦原子、二氧化碳分子以及钕离子等具有亚稳态能级。亚稳如氦原子、二氧化碳分子以及钕离子等具有亚稳态能级。亚稳 态能级的存在是形成激光的重要条件。态能级的存在是形成激光的重要条件。 现代设计与集成制造技术教育

4、部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 当原子从高能态跃迁回低能级或基态时，常常会以光子当原子从高能态跃迁回低能级或基态时，常常会以光子 的形式辐射出光能量，所放出光的频率的形式辐射出光能量，所放出光的频率与高能态与高能态En和低能和低能 态态E1之差的关系为：之差的关系为： 原子从高能态自发地跃迁到低能态，称为自发辐射，如原子从高能态自发地跃迁到低能态，称为自发辐射，如 日光灯等。由于各个受激原子自发跃迁回低能态或基态时日光灯等。由于各个受激原子自发跃迁回低能态或基态时 在时序上先后不一，辐射的光子在各个方向上，辐射出的在时序上先后不一，辐射的光子在各个方向上，辐射出的 光的频率

5、和波长大小不一，所以单色性很差，方向性也差光的频率和波长大小不一，所以单色性很差，方向性也差 。 1n EE h 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光 子能量激发的条件下，会吸收光能，使处于高能级子能量激发的条件下，会吸收光能，使处于高能级 的原子数目大于处于低能级的原子数目，这种现象的原子数目大于处于低能级的原子数目，这种现象 称为称为“粒子数反转粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如。在粒子数反转的状态下，如 有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于这有一束光子照

6、射该物体，而光子的能量恰好等于这 两个能级对应的能量差，这时就能产生受激辐射，两个能级对应的能量差，这时就能产生受激辐射， 产生大量的光能。产生大量的光能。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 人工晶体红宝石的基本成分是氧化铝人工晶体红宝石的基本成分是氧化铝+0.05%的氧化铬，的氧化铬， 能发射激光的是正铬离子。当脉冲氖灯照射红宝石时，处能发射激光的是正铬离子。当脉冲氖灯照射红宝石时，处 于基态于基态E1的铬离子被大量激发到的铬离子被大量激发到En状态，由于状态，由于En寿命很短寿命很短 ，En状态的铬离子快速跳到寿命较长的亚稳态状态的铬离子快速跳到

7、寿命较长的亚稳态Es。如照射。如照射 光足够强，就能把半数以上的原子激发到光足够强，就能把半数以上的原子激发到Es，从而在，从而在Es和和 E1之间实现了粒子数反转。这时若有频率之间实现了粒子数反转。这时若有频率 的光子照的光子照 射它时，就可以产生从能级射它时，就可以产生从能级E1到到E2的受激辐射跃迁，出现的受激辐射跃迁，出现 雪崩式连锁反应，发出频率为雪崩式连锁反应，发出频率为 的单色性好的光，的单色性好的光， 这就是激光。这就是激光。 由于激光是一种受激辐射产生的加强光，发出的光波由于激光是一种受激辐射产生的加强光，发出的光波 具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。因此具有相同

8、的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。因此 激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等综合激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等综合 性能。性能。 21 EE h 21 EE h 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2、激光加工、激光加工 激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到材料激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到材料 的加工部位，在极短的时间内，光能转变为热能，被照部位的加工部位，在极短的时间内，光能转变为热能，被照部位 迅速升温，材料发生汽化、熔化、金相组织变化，实现工件迅速升温，材料发生汽化、熔化、金相组织变化，实现工

9、件 材料的去除、连接、改性或分离等加工。材料的去除、连接、改性或分离等加工。 激光加工过程大体可分为：激光束照射材料激光加工过程大体可分为：激光束照射材料材料吸收材料吸收 光能光能光能转变为热能使材料加热光能转变为热能使材料加热通过汽化或熔融溅通过汽化或熔融溅 出使材料去除或破坏等。出使材料去除或破坏等。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 不同的加工工艺有不同的加工过程：不同的加工工艺有不同的加工过程： （1）激光对材料加热并去除材料：打孔、切割等；）激光对材料加热并去除材料：打孔、切割等； （2）激光将材料加热到熔化程度而不要求去除：焊）激光将材料

10、加热到熔化程度而不要求去除：焊 接；接； （3）激光加热到一定温度使材料产生相变：热处理）激光加热到一定温度使材料产生相变：热处理 等。等。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 激光加工特点：激光加工特点： （1）聚焦后，激光加工的功率密度可高达（）聚焦后，激光加工的功率密度可高达（1081010 W/cm2） ，光能转化为热能，几乎可以熔化、汽化任何材料。，光能转化为热能，几乎可以熔化、汽化任何材料。 （2）激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因）激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因 此可用于精密微细加工。此可用于精密微细加

11、工。 （3）加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的）加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的 机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易 实现加工过程自动化。实现加工过程自动化。 （4）激光可通过玻璃等透明材料进行加工。）激光可通过玻璃等透明材料进行加工。 （5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因）激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因 素很多。素很多。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.1.2 激光加工设备激光加工设备 （1）激光

12、器：产生激光束）激光器：产生激光束 （2）电源：为激光器提供所需要的能量，包括电压控）电源：为激光器提供所需要的能量，包括电压控 制、储能电容组、时间控制及触发器等。制、储能电容组、时间控制及触发器等。 （3）光学系统：光学系统是将光束聚焦并观察和调整）光学系统：光学系统是将光束聚焦并观察和调整 焦点位置，包括显微镜瞄准、激光束聚焦及加工位焦点位置，包括显微镜瞄准、激光束聚焦及加工位 置在投影仪上显示等。置在投影仪上显示等。 （4）机械系统：主要包括床身、能够在三坐标范围内）机械系统：主要包括床身、能够在三坐标范围内 移动的工作台及机电控制系统等。移动的工作台及机电控制系统等。 现代设计与集成

13、制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.1.3 激光器激光器 按激活介质种类划分，激光器可分为固体激光器、气体按激活介质种类划分，激光器可分为固体激光器、气体 激光器、液体激光器和半导体激光器；按激光器的工作方式激光器、液体激光器和半导体激光器；按激光器的工作方式 ，可分为连续激光器和脉冲激光器。，可分为连续激光器和脉冲激光器。 （1）固体激光器）固体激光器 固体激光器常用的工作物质有红宝石、钕玻璃和掺钕钇固体激光器常用的工作物质有红宝石、钕玻璃和掺钕钇 石榴石等。石榴石等。 固体激光器包括工作物质、光泵、玻璃套管、滤光器和固体激光器包括工作物质、光泵、玻璃套管、滤

14、光器和 冷却水、聚光器及谐振腔等部分。当激光工作物质受到光泵冷却水、聚光器及谐振腔等部分。当激光工作物质受到光泵 （激励脉冲氙灯）的激发后，吸收具有特定波长的光，在一（激励脉冲氙灯）的激发后，吸收具有特定波长的光，在一 定的条件下可导致工作物质产生粒子数反转。此时一旦有少定的条件下可导致工作物质产生粒子数反转。此时一旦有少 量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐 振腔内全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由振腔内全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由 谐振腔的一端输出激光。谐振腔的一端输出激光。 现代设计与集成制

15、造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 固体激光器工作原理固体激光器工作原理 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 (2)气体激光器气体激光器 气体激光器一般直接采用电激励，因其效率高、气体激光器一般直接采用电激励，因其效率高、 寿命长、连续输出功率大，可达数千瓦，所以广泛用寿命长、连续输出功率大，可达数千瓦，所以广泛用 于切割、焊接、热处理等加工，常用于材料加工的气于切割、焊接、热处理等加工，常用于材料加工的气 体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。 二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工

16、作物质的二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的 分子激光器，最大连续输出功率可达万瓦，是目前连分子激光器，最大连续输出功率可达万瓦，是目前连 续输出功率最高的气体激光器。续输出功率最高的气体激光器。 氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氩氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氩 原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光。由于原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光。由于 氩激光器波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑，氩激光器波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑， 所以可用于精密微细加工。所以可用于精密微细加工。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实

17、验室 6.1.4 激光加工应用激光加工应用 1、激光打孔、激光打孔 利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目 前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、 化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打 孔、金刚石拉丝模加工等方面。孔、金刚石拉丝模加工等方面。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2、激光切割、激光切割 CO2气体激光器切割钛合金板材气体激光器切割钛合金板材 激光切割的功率一般在105W/cm2-107W/cm2

18、左右，工 件与激光束要相对移动，一般是工件移动。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 3、激光焊接、激光焊接 激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工 区域区域“热熔热熔”在一起。焊接过程迅速，热影响区小，焊在一起。焊接过程迅速，热影响区小，焊 接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还 可透过玻璃进行焊接。可透过玻璃进行焊接。 激光焊接过程示意图激光焊接过程示意图 1-激光；激光；2-被焊接零件；被焊接零件；3-被熔化金属；被熔化金属；4-已冷却的已

19、冷却的 熔池熔池 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 4、激光表面处理、激光表面处理 激光表面合金化：在工件基体的表面采用沉积法预先涂一激光表面合金化：在工件基体的表面采用沉积法预先涂一 层合金，然后用激光束照射涂层表面，合金层和基体薄层被层合金，然后用激光束照射涂层表面，合金层和基体薄层被 熔化，基体与合金混合而形成合金。采用这种工艺能使贵金熔化，基体与合金混合而形成合金。采用这种工艺能使贵金 属如铬、钴等熔入低级而廉价的钢表面，能节省大量的贵金属如铬、钴等熔入低级而廉价的钢表面，能节省大量的贵金 属。属。 激光表面合金化激光表面合金化 现代设计与集

20、成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 表面表面激光熔覆：当激光对工件表面进行处理时，用气动激光熔覆：当激光对工件表面进行处理时，用气动 喷注法把粉末注入熔池中，连同工件表层一起熔化形成表面喷注法把粉末注入熔池中，连同工件表层一起熔化形成表面 融覆层。表面熔覆可在低熔点工件上熔覆一层高熔点的合金融覆层。表面熔覆可在低熔点工件上熔覆一层高熔点的合金 ，并能局部熔覆，具有良好的接触性；微观结构细致，热影，并能局部熔覆，具有良好的接触性；微观结构细致，热影 响区小，熔覆层均匀无缺陷。响区小，熔覆层均匀无缺陷。 激光表面熔覆激光表面熔覆 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室

21、现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 5 、选区激光烧结、选区激光烧结 选区激光烧结（选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）又称）又称 选择性激光烧结、粉末材料选择性烧结等。选择性激光烧结、粉末材料选择性烧结等。 1989年，由美年，由美 国德克萨斯大学奥斯汀分校的国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard研制成功。研制成功。 A、工艺原理、工艺原理 SLS成形机的主体结构是安装两个活塞机构的成形工成形机的主体结构是安装两个活塞机构的成形工 作缸，一个用于供粉，一个用于成形。成形过程开始前，作缸，一个用于供粉，一个用于成形。成形过程开始前， 用红外线

22、板将粉末材料加热到恰好低于烧结点某一温度，用红外线板将粉末材料加热到恰好低于烧结点某一温度， 之后，供粉缸活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉末均匀铺之后，供粉缸活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉末均匀铺 在成形缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的在成形缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的 速度和能量对第一层信息进行扫描，激光束扫过之后粉末速度和能量对第一层信息进行扫描，激光束扫过之后粉末 被烧结固化为片层，被烧结的粉末被用来作为支撑，这样被烧结固化为片层，被烧结的粉末被用来作为支撑，这样 零件的第一层被制作出来。成形缸活塞下移一给定量，供零件的第一层被制作出来。成形缸活塞下移一给定量，

23、供 料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束按第二层信息料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束按第二层信息 进行扫描，所形成的第二层同时被烧结固化在第一层上，进行扫描，所形成的第二层同时被烧结固化在第一层上， 如此逐层叠加，烧结完后去掉多余的粉末，进行打磨烘干如此逐层叠加，烧结完后去掉多余的粉末，进行打磨烘干 处理得到三维实体零件。处理得到三维实体零件。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 SLS工艺原理 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 B、工艺过程、工艺过程 1）粉末原料的烧结）粉末原料的烧结 （1）金属粉

24、末的烧结）金属粉末的烧结 单一成分金属粉末单一成分金属粉末 金属混合粉末金属混合粉末 金属粉末与金属粉末与 有机黏结剂粉末的混合体有机黏结剂粉末的混合体 （2）陶瓷粉末的烧结）陶瓷粉末的烧结 （3）塑料粉末的烧结）塑料粉末的烧结 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2）烧结件的后处理）烧结件的后处理 坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、 熔浸和浸渍等。熔浸和浸渍等。 （1）高温烧结：金属和陶瓷坯体可用高温烧结的方法进行处理。）高温烧结：金属和陶瓷坯体可用高温烧结的方法进行处理。 经高温烧结

25、后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加。经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加。 （2）热等静压：热等静压是通过流体介质将高温和高压同时均匀）热等静压：热等静压是通过流体介质将高温和高压同时均匀 地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改 善其他性能。善其他性能。 （3）熔浸：熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属）熔浸：熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属 接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部孔隙，冷却后接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部孔隙，冷却后 得到致密的零件。得到致密的零件。 （4

26、）浸渍：浸渍与熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物）浸渍：浸渍与熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物 质浸入多孔的坯体的空隙，制件尺寸变化小。质浸入多孔的坯体的空隙，制件尺寸变化小。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 3）工艺参数的影响）工艺参数的影响 SLS的工艺参数主要包括铺粉层厚、预热温度、激光功的工艺参数主要包括铺粉层厚、预热温度、激光功 率、光斑直径、扫描速度等。率、光斑直径、扫描速度等。 （1）激光能量和扫描速度：成型零件的致密度和强度随着）激光能量和扫描速度：成型零件的致密度和强度随着 激光输出能量的增大而增大，随着扫描速度的增

27、大而减激光输出能量的增大而增大，随着扫描速度的增大而减 小。小。 （2）预热温度和铺粉层厚：粉末的预热能明显地改善成型）预热温度和铺粉层厚：粉末的预热能明显地改善成型 制品的性能，但预热温度不能超过粉末材料的最低熔点制品的性能，但预热温度不能超过粉末材料的最低熔点 。薄的铺粉层能提高烧结质量，改善制品的致密度，但。薄的铺粉层能提高烧结质量，改善制品的致密度，但 薄的铺粉层会使激光能量对先前烧结层产生较大的影响薄的铺粉层会使激光能量对先前烧结层产生较大的影响 。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 C、成型材料、成型材料 目前用于激光选区烧结的材料主要有

28、以下几种：目前用于激光选区烧结的材料主要有以下几种： （1）高分子粉末材料）高分子粉末材料 （2）金属粉末材料）金属粉末材料 （3）陶瓷粉末材料）陶瓷粉末材料 （4）覆膜砂粉末材料）覆膜砂粉末材料 D、选区激光烧结成型系统：、选区激光烧结成型系统： 一般由主机、控制系统和冷却器一般由主机、控制系统和冷却器3部分组成。部分组成。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 AFS-500激光快速成形机（北京隆源公司）激光快速成形机（北京隆源公司） 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 激光烧结成形件激光烧结成形件 现代设计

29、与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 5、 选区激光烧结工艺特点选区激光烧结工艺特点 n可采用多种材料可采用多种材料 。 n成本较低，制造工艺比较简单，适应面广。成本较低，制造工艺比较简单，适应面广。 n高精度。高精度。 n成形速度较慢，成形件结构一般较疏松、多孔，表面质成形速度较慢，成形件结构一般较疏松、多孔，表面质 量不高，强度较低量不高，强度较低 。 n选区激光烧结一般只适合于中小件的快速成形。选区激光烧结一般只适合于中小件的快速成形。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.2 电子束加工电子束加工 6.2.1

30、电子束加工原理电子束加工原理 电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效 应或辐射化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子束应或辐射化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子束 加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非热加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非热 加工两类。加工两类。 1、电子束热加工、电子束热加工 通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞 离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦

31、 ，形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当，形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当 它冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑它冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑 直径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在直径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在 几分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸几分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸 发而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法，发而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法， 被称为被称为电子束热加工电子束热加工。 现代设计与集成制造技术教育部

32、重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 电子束加工的原理图 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 （2）电子束非热加工）电子束非热加工 电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功电子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，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由高分子材料组成）相互作用，产生的辐射化学或物 理效应。理效应。 该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、 集成光学器件、表面声波器件的

33、制作，也适用于某些集成光学器件、表面声波器件的制作，也适用于某些 精密机械零件的制造。精密机械零件的制造。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，可达控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，可达 到不同的加工目的。只使材料局部加热就可进行电子到不同的加工目的。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进行电子束焊接；提束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；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

34、击高孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高 分子光敏材料时产生化学变化的原理，可进行电子束分子光敏材料时产生化学变化的原理，可进行电子束 光刻加工。光刻加工。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 电子束加工特点：电子束加工特点： （1）加工面积和切缝小，是一种精密微细的加工方法。）加工面积和切缝小，是一种精密微细的加工方法。 （2）是一种非接触式加工）是一种非接触式加工 ,工件不受机械力作用，不产生宏工件不受机械力作用，不产生宏 观应力和变形。观应力和变形。 （3）电子束的能量密度高，因而加工生产率高）电子束的能量密度高，因而加工生产率高 。

35、（4）可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等）可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等 进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。 （5）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工 表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料 ，以及纯度要求极高的半导体材料。，以及纯度要求极高的半导体材料。 （6）电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较）电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较 贵，生产应用有一定的局限性。贵，

36、生产应用有一定的局限性。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.2.2 电子束加工设备电子束加工设备 电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系 统和电源等部分组成。统和电源等部分组成。 （1）电子枪：是获得电子束的装置，包括电子发射阴）电子枪：是获得电子束的装置，包括电子发射阴 极、控制栅极和加速阳极等。极、控制栅极和加速阳极等。 （2）真空系统：是为了保证电子束加工维持在）真空系统：是为了保证电子束加工维持在 1.410-2Pa-1.410-4Pa的真空度，只有在高真空中，的真空度，只有在高真空中，

37、电子才能高速运动。电子才能高速运动。 （3）控制系统和电源：控制系统包括束流聚焦控制、）控制系统和电源：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置控制等束流位置控制、束流强度控制以及工作台位置控制等 。电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常。电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常 用稳压设备。用稳压设备。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.2.2 电子束加工设备电子束加工设备 电子束加工装置电子束加工装置 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.2.3 电子束加工工艺

38、电子束加工工艺 （1）打孔）打孔 ：无论是何种材料，如金属、陶瓷、金刚石、：无论是何种材料，如金属、陶瓷、金刚石、 塑料等都可以用电子束加工工艺加工出小孔和窄缝；塑料等都可以用电子束加工工艺加工出小孔和窄缝； （2）电子束焊接：电子束的能量高，焊接速度快，焊接）电子束焊接：电子束的能量高，焊接速度快，焊接 的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。 （3）刻蚀：在微电子器件生产中，可利用电子束对半导）刻蚀：在微电子器件生产中，可利用电子束对半导 体材料刻出许多微细沟槽和孔来。体材料刻出许多微细沟槽和孔来。 （4）电子束曝光：在集成电路、微电子器件、微机电系）电

39、子束曝光：在集成电路、微电子器件、微机电系 统等元器件的图形制作技术中，通常采用电子束曝光统等元器件的图形制作技术中，通常采用电子束曝光 处理，作为刻蚀前置工序。处理，作为刻蚀前置工序。 （5）电子束热处理和表面改性处理：把电子束作为热源）电子束热处理和表面改性处理：把电子束作为热源 ，适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不，适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不 熔化，达到热处理的目的。熔化，达到热处理的目的。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.3 离子束加工离子束加工 6.3.1 离子束加工原理离子束加工原理 离子束加工原理与电子

40、束加工相似，也是在真空条离子束加工原理与电子束加工相似，也是在真空条 件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞 击工件表面。由于离子质量比电子大的多，所以一旦击工件表面。由于离子质量比电子大的多，所以一旦 离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的 撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量实现加工的。撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量实现加工的。 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所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。发生的撞击效应、溅射效应和注

41、入效应。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 （a） （b） （c） （d） 各类离子束加工示意图 （a）离子束刻蚀；（b）溅射镀膜；（c）离子镀；（d）离子注入。 1离子流；2吸极（吸收电子，引出离子）；3一离子束；4一工件；5靶材 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 离子束加工特点：离子束加工特点： （1）离子束可通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击）离子束可通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击 材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确 控

42、制，离子刻蚀可以达到毫微米级的加工精度。离子束是控制，离子刻蚀可以达到毫微米级的加工精度。离子束是 所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法；所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法； （2）离子束是在高真空中进行的，污染少；）离子束是在高真空中进行的，污染少； （3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加 工应力、热变形极小，加工质量高；工应力、热变形极小，加工质量高； （4）离子束加工设备费用贵、成本高、加工效率低，应用范）离子束加工设备费用贵、成本高、加工效率低，应用范 围受到一定限制。围受到一定限制。 现代设计与集成制造技

43、术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.3.2 离子束加工装置离子束加工装置 离子束加工装置与电子束加工装置类似，也包括离子离子束加工装置与电子束加工装置类似，也包括离子 源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分 是离子源系统。是离子源系统。 下图为考夫曼型离子源示意图。它由灼热的灯丝下图为考夫曼型离子源示意图。它由灼热的灯丝2发射发射 电子，在阳极电子，在阳极9的作用下向下方移动，同时受线圈的作用下向下方移动，同时受线圈4磁场的磁场的 偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩从注入口偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气

44、体氩从注入口3注入注入 电离室电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和和 引出电极（吸极）引出电极（吸极）8上各有上各有300个直径为个直径为0.3 mm的小孔，的小孔， 上下位置对齐。在引出电极上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形的作用下，将离子吸出，形 成成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为50 mm的圆面积上。的圆面积上。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 考夫曼型离子源示意图 1一真空抽气口；2一灯丝；3惰性气体注入口；4一电磁

45、线圈；5离子 束流；6工件；7阴极；8引出电极；9阳极；10电离室。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.3.3 离子束加工方法离子束加工方法 1、刻蚀加工：离子束轰击工件，入射离子与靶原子碰撞时将动、刻蚀加工：离子束轰击工件，入射离子与靶原子碰撞时将动 能传递给靶原子，使其获得的能量超过原子的结合能，导致能传递给靶原子，使其获得的能量超过原子的结合能，导致 靶原子发生溅射，从工件表面溅射出来，达到刻蚀的目的；靶原子发生溅射，从工件表面溅射出来，达到刻蚀的目的； 2、溅射镀膜加工、溅射镀膜加工 ：离子束在电场或磁场的加速下飞向阴极靶材：离子束在电场

46、或磁场的加速下飞向阴极靶材 ，阴极表面靶原子溅射到靶材附近的工件表面，形成镀膜；，阴极表面靶原子溅射到靶材附近的工件表面，形成镀膜； 3、离子镀加工：离子镀是真空蒸镀和溅射镀膜基础上发展起来、离子镀加工：离子镀是真空蒸镀和溅射镀膜基础上发展起来 的一种镀膜技术。是在真空镀膜过程中镀层在沉积的同时又的一种镀膜技术。是在真空镀膜过程中镀层在沉积的同时又 受到高能离子束的轰击，使界面和膜层的性能发生变化；受到高能离子束的轰击，使界面和膜层的性能发生变化； 4、离子注入加工：是将高速离子直接注入工件表面，通过离子、离子注入加工：是将高速离子直接注入工件表面，通过离子 的注入，改变基体表面层的成分和组织

47、结构，造成表面性能的注入，改变基体表面层的成分和组织结构，造成表面性能 变化。变化。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.4.1水射流加工的起源 n“水滴石穿水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身 潜在的威力。潜在的威力。 n十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿，剥十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿，剥 落树皮。直到落树皮。直到19681968年由美国密苏里大学林学教授年由美国密苏里大学林学教授 诺曼诺曼弗兰兹博士获得第一项切割技术专利。弗兰兹博士获得第一项切割技术专利。 6.4水射流及磨料射流加工技术 现

48、代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 n 而在而在8080年代末才由莫斯科金属切削机床实验科年代末才由莫斯科金属切削机床实验科 学研究所开始深入研究。学研究所开始深入研究。19971997年的汉诺威和年的汉诺威和19991999年年 的巴黎的巴黎EMOEMO展览会上证明，该方法有了很大发展，展览会上证明，该方法有了很大发展， 且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展 出出3 3台大型的工作装置，台大型的工作装置，它们是德国、瑞士它们是德国、瑞士和法国和法国 的的机械公司机械公司。后来后来开始在研制水射流切割装

49、置。开始在研制水射流切割装置。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 n 在最近十多年里，高压水射流在最近十多年里，高压水射流(WJ)(WJ)、磨料水射、磨料水射 流流(AWJ) (AWJ) 切割技术和设备有了长足进步，其应用遍切割技术和设备有了长足进步，其应用遍 及工业生产和人们生活各个方面。及工业生产和人们生活各个方面。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 6.4.2水喷射加工定义 n 水喷射加工（水喷射加工（Water Jet MachiningWater Jet Machining）又称水射流加）又称水射

50、流加 工、水力加工或水刀加工，它是利用超高压（数十至数工、水力加工或水刀加工，它是利用超高压（数十至数 百兆帕）水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层百兆帕）水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层 材料去除等加工。材料去除等加工。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 人们利用高压水服务于生产始于人们利用高压水服务于生产始于19世纪世纪70年年 代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。20世世 纪纪50年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进 行了研究，并利用纯水液的高压射流进行

51、煤层开采行了研究，并利用纯水液的高压射流进行煤层开采 和隧道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压和隧道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压 喷射装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完喷射装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完 整的加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成整的加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成 功应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。功应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 n 后来在此基础上又发展起一项新技术后来在此基础上又发展起一项新技术混合磨混合磨 料射流加工技术（料射流加工技术（A

52、WJAWJ，Abrasive Water JetAbrasive Water Jet），它），它 是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中 ，使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而，使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而 形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流来说形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流来说 ，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围， 几乎可以切割一切硬质材料。几乎可以切割一切硬质材料。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验

53、室 6.4.3水喷射加工系统的组成 n 水喷射加工系统主要由增压系统、供水系统、水喷射加工系统主要由增压系统、供水系统、 增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、 集水系统和水循环处理系统等构成。如果是磨料射集水系统和水循环处理系统等构成。如果是磨料射 流加工装置，则还有磨料与水的混合系统。如图流加工装置，则还有磨料与水的混合系统。如图1 所示。所示。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 n 如图如图1 所示所示, 贮存在水箱中

54、的水经过滤器贮存在水箱中的水经过滤器2 处理后处理后, 由由 水泵抽出送至由液压机构驱动的增压器增压水泵抽出送至由液压机构驱动的增压器增压, 水压增高水压增高 。然后高压水通过蓄能器。然后高压水通过蓄能器, 使脉动水流平滑化。高压水使脉动水流平滑化。高压水 与磨料（与磨料（加压水喷砂加压水喷砂）在混合腔内混合后）在混合腔内混合后, 由具有精细由具有精细 小孔的喷嘴小孔的喷嘴( 一般由蓝宝石制成一般由蓝宝石制成) 喷射到由工作台固定喷射到由工作台固定 的工件表面上的工件表面上, 射流速度可达射流速度可达300 900 m/ s( 约为约为 音速的音速的13 倍倍) , 可产生如头发丝细的射流可产

55、生如头发丝细的射流, 从而对工从而对工 件进行切割、打孔等。件进行切割、打孔等。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 排水器 喷嘴喷嘴 阀阀 控制器控制器蓄能器蓄能器 供水器供水器 过滤器过滤器 泵泵 增压器增压器 液压装置液压装置 工件工件 射流射流 d 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 高压水射流能量转换原理高压水射流能量转换原理 动力源（电动 机、柴油机等） 机械能 压力能 换能装置 （小孔喷 嘴） 动能 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 n 水喷射加工的基本

56、原理是利用液体增压原理水喷射加工的基本原理是利用液体增压原理, , 通通 过特定的装置过特定的装置( ( 增压器或高压泵增压器或高压泵) , ) , 将动力源将动力源( ( 电电 动机动机) )的机械能转换成压力能的机械能转换成压力能, , 具有巨大压力能的水具有巨大压力能的水 再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能, , 从而形成高从而形成高 速射流速射流, , 喷射到工件表面喷射到工件表面, , 达到去除材料的加工目达到去除材料的加工目 的。的。 6.4.4水喷射加工的原理 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 主要完成两种

57、功能：主要完成两种功能： 1 1）高压水射流切割高压水射流切割。将水增至超高压。将水增至超高压100100 400MPa400MPa，经节流小孔（，经节流小孔（0.150.150.4mm0.4mm），使流速），使流速 高达高达100600m/s100600m/s。用这种高速密集的水射流对物体进。用这种高速密集的水射流对物体进 行切割。行切割。 磨料水射流切割则是再往水射流中混入磨料粒子磨料水射流切割则是再往水射流中混入磨料粒子 ，经混合管形成磨料射流进行切割。在磨料射流中，经混合管形成磨料射流进行切割。在磨料射流中， 水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大、水射流作为载体使磨料粒子加速，

58、由于磨料质量大、 硬度高，磨料水射流较之水射流其射流动能更大，切硬度高，磨料水射流较之水射流其射流动能更大，切 割效能更强。割效能更强。 2 2）高压水射流清洗高压水射流清洗, ,高压高压3030140MPa 140MPa 。 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 高压水射流切割机床如下图 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 高压水喷射流切割机 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 高压水射流清洗

59、机高压水射流清洗机 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1. 增压系统增压系统 增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀及密封增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀及密封 装置等。增压器是液压系统中重要的设备，要求增压器装置等。增压器是液压系统中重要的设备，要求增压器 使液体的工作压力达到使液体的工作压力达到100400MPa，以保证加工的，以保证加工的 需要。高出普通液压传动装置液体工作压力的需要。高出普通液压传动装置液体工作压力的10倍以倍以 上，因此系统中的管路和密封是否可靠，对保障切割过上，因此系统中的管路和密封是否可靠，对保障切割过 程的稳定性

60、、安全性具有重要意义。对于增压水管采用程的稳定性、安全性具有重要意义。对于增压水管采用 高强度不锈钢厚壁无缝管或双层不锈钢管，接头处采用高强度不锈钢厚壁无缝管或双层不锈钢管，接头处采用 金属弹性密封结构。金属弹性密封结构。 6.4.5超高压水射流加工设备 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2. 切割系统切割系统 喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具有良好喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具有良好 的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的结构取决于加的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的结构取决于加 工要求、常用的喷嘴有单孔和分叉两种。工要求、常用的喷嘴有单孔和