第六章 先進制造技術(shù)

1、機電工程學(xué)院6.1 超精密加工技術(shù)超精密加工技術(shù)1. 超精密加工的概念及其發(fā)展超精密加工的概念及其發(fā)展 超精密加工技術(shù)是本世紀(jì)超精密加工技術(shù)是本世紀(jì)6060年代發(fā)展和完善起來的，已成為現(xiàn)代年代發(fā)展和完善起來的，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的一個重要組成部分，受到人們?nèi)找嫫毡榈年P(guān)注。制造技術(shù)的一個重要組成部分，受到人們?nèi)找嫫毡榈年P(guān)注。 按加工精度和加工表面質(zhì)量的不同，通?？梢园褭C械加工分為按加工精度和加工表面質(zhì)量的不同，通?？梢园褭C械加工分為一一般加工般加工( (粗加工粗加工、半精加工半精加工和和精加工精加工) )、光整加工光整加工和和超精密加工超精密加工。 超精密的概念是相對的超精密的概念是相對的，是與

2、某個時代的加工與測量水平密切相，是與某個時代的加工與測量水平密切相關(guān)的。關(guān)的。所謂超精密加工技術(shù)，并不是指某一特定的加工方法，而是指所謂超精密加工技術(shù)，并不是指某一特定的加工方法，而是指在一定的發(fā)展時期中，加工精度和加工表面質(zhì)量達到最高水平的在一定的發(fā)展時期中，加工精度和加工表面質(zhì)量達到最高水平的各種各種加工方法加工方法的總稱的總稱。時代性、相對性時代性、相對性各時代的加工精度極限不斷提高，各時代的加工精度極限不斷提高，5050年代年代 1m、8080年代年代 0.1m 、目目前前 0.1m絕對性絕對性物質(zhì)是由分子或原子組成的，故最小加工單位是分子或原子物質(zhì)是由分子或原子組成的，故最小加工單位

3、是分子或原子。 超精密加工技術(shù)的發(fā)展是與時代的需要和科技的發(fā)展密切相關(guān)的，超精密加工技術(shù)的發(fā)展是與時代的需要和科技的發(fā)展密切相關(guān)的，預(yù)計未來幾年，超精密加工的精度可達納米級。預(yù)計未來幾年，超精密加工的精度可達納米級。由于原子晶格的間距通由于原子晶格的間距通常為常為0 02 20 04nm4nm，因此，納米加工技術(shù)已接近于加工極限。目前對超，因此，納米加工技術(shù)已接近于加工極限。目前對超精密加工技術(shù)的研究主要集中在以下幾個方面：精密加工技術(shù)的研究主要集中在以下幾個方面： 精密加工機床新型結(jié)構(gòu)的研究；精密加工機床新型結(jié)構(gòu)的研究； 金剛石刀具（或砂輪）超精密切削與磨削技術(shù)的研究；金剛石刀具（或砂輪）超

4、精密切削與磨削技術(shù)的研究； 新型超精密研磨拋光方法的研究；新型超精密研磨拋光方法的研究； 納米技術(shù)和微型機械的研究。納米技術(shù)和微型機械的研究。2. 2. 超精密加工的意義及分類超精密加工的意義及分類超精密切削加工：超精密切削加工：金剛石刀具超精密車削、微孔鉆削；金剛石刀具超精密車削、微孔鉆削；超精密磨料加工：超精密磨料加工：超精密磨削、超精密研磨；超精密磨削、超精密研磨；超精密特種加工超精密特種加工：電火花加工、電子束、離子束加工及光刻加工；：電火花加工、電子束、離子束加工及光刻加工；超精密復(fù)合加工：超精密復(fù)合加工：超聲波研磨、機械化學(xué)拋光。超聲波研磨、機械化學(xué)拋光。6.2 精密切削及磨削加工

5、精密切削及磨削加工1. 金剛石刀具超精密切削加工金剛石刀具超精密切削加工 該技術(shù)發(fā)展于該技術(shù)發(fā)展于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，主要用于有色金屬及其合金，以年代，主要用于有色金屬及其合金，以及非金屬零件表面的鏡面加工。及非金屬零件表面的鏡面加工。 單晶天然金剛石刀具可直接切出表面粗糙度單晶天然金剛石刀具可直接切出表面粗糙度RaRa值值0.010.010.05m0.05m、尺寸誤差在尺寸誤差在0.1m0.1m以下以下的鏡面，可以替代收購研磨等光整加工，節(jié)的鏡面，可以替代收購研磨等光整加工，節(jié)約工時、提高加工質(zhì)量。約工時、提高加工質(zhì)量。目前用在陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠目前用在陀螺儀、激光反射鏡

6、、天文望遠鏡的反射鏡、計算機磁盤等。鏡的反射鏡、計算機磁盤等。（1）金剛石刀具）金剛石刀具 超精密切削對刀具的要求超精密切削對刀具的要求（a）極高的硬度、耐磨性和彈性模量，以保證刀具具有極長的使用和尺寸耐用度；極高的硬度、耐磨性和彈性模量，以保證刀具具有極長的使用和尺寸耐用度；（b）刃口應(yīng)能刃磨的極其鋒利，以滿足超微薄切削的要求；刃口應(yīng)能刃磨的極其鋒利，以滿足超微薄切削的要求；（c）切削刃應(yīng)沒有缺陷，以得到超光滑鏡面；切削刃應(yīng)沒有缺陷，以得到超光滑鏡面；（d）與工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性力、摩擦因數(shù)低，以得到極好的加工表與工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性力、摩擦因數(shù)低，以得到極好的加工表

7、 面質(zhì)量。面質(zhì)量。 金剛石車刀的結(jié)構(gòu)與幾何要素金剛石車刀的結(jié)構(gòu)與幾何要素通常是將金剛石刀頭采用機械夾持或粘結(jié)方式固定在刀桿上，如通常是將金剛石刀頭采用機械夾持或粘結(jié)方式固定在刀桿上，如圖圖6-16-1所示所示。幾何要素主要是指刀頭形式和前角、后角等。幾何要素主要是指刀頭形式和前角、后角等。（a）刀頭形式）刀頭形式 金剛石刀具一般不采用主切削刃和副切削金剛石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交于一點的尖銳刀刃，因為這樣的刀尖不刃相交于一點的尖銳刀刃，因為這樣的刀尖不僅容易崩刃和磨損，而且易在加工表面留下加僅容易崩刃和磨損，而且易在加工表面留下加工很久而使加工表面的表面粗糙度值增大。工很久而使加工

8、表面的表面粗糙度值增大。 金剛石刀具的主、副切削刃之間通常采用過渡刃對加工表面進行修金剛石刀具的主、副切削刃之間通常采用過渡刃對加工表面進行修光，常見的修光刃形式有光，常見的修光刃形式有直線修光刃直線修光刃和和圓弧修光刃圓弧修光刃。（b）前角和后角）前角和后角 金剛石較脆，在保證獲得較小的表面粗糙度金剛石較脆，在保證獲得較小的表面粗糙度Ra值的前提下值的前提下，為增加為增加切削刃的強度，應(yīng)采用較大的刀具楔角切削刃的強度，應(yīng)采用較大的刀具楔角，故刀具的前角和后角一般都故刀具的前角和后角一般都取得較小。取得較小。 金剛石刀具的前角通常是根據(jù)加工材料進行選取的，可參考金剛石刀具的前角通常是根據(jù)加工材

9、料進行選取的，可參考表表6-2。圖6-1 機械夾固式金剛石車刀 切削參數(shù)的選擇切削參數(shù)的選擇 金剛石車削時，加工表面的表面粗糙度與切削速度關(guān)系不大，宜采金剛石車削時，加工表面的表面粗糙度與切削速度關(guān)系不大，宜采用高速切削，用高速切削，進給量的大小與車刀過渡刃寬度、圓弧半徑有關(guān)進給量的大小與車刀過渡刃寬度、圓弧半徑有關(guān)，寬度與，寬度與半徑較大，進給量半徑較大，進給量f 可取大些?？扇〈笮?。 金剛石刀具的刃磨金剛石刀具的刃磨a.晶面的選擇晶面的選擇b.刀具刃口的刃磨刀具刃口的刃磨單晶是各向異性的，其不同的方向的性單晶是各向異性的，其不同的方向的性能（硬度、耐磨性等）相差很大。能（硬度、耐磨性等）相

10、差很大。在金剛石刀具超精密切削中，超微量切在金剛石刀具超精密切削中，超微量切除性能的好壞主要取決于刀具刃口的鋒除性能的好壞主要取決于刀具刃口的鋒利程度。金剛石是目前發(fā)現(xiàn)的最硬的材利程度。金剛石是目前發(fā)現(xiàn)的最硬的材料，故其精密刃磨是很困難的。料，故其精密刃磨是很困難的。（2）超精密切削加工的微量進給裝置）超精密切削加工的微量進給裝置 超精密切削對微量進給裝置的要求超精密切削對微量進給裝置的要求 a.微量進給與粗進給分開，以提高微量進給的精度和穩(wěn)定性，同時保證微量進給與粗進給分開，以提高微量進給的精度和穩(wěn)定性，同時保證加工效率；加工效率；b.運動副必須是低摩擦和高穩(wěn)定性的，以保證進給速度均勻、進給

11、平衡、運動副必須是低摩擦和高穩(wěn)定性的，以保證進給速度均勻、進給平衡、無爬行現(xiàn)象，從而使進給裝置達到較高的重復(fù)定位精度；無爬行現(xiàn)象，從而使進給裝置達到較高的重復(fù)定位精度；c.裝置內(nèi)部各連接處必須可靠接觸，接觸暗隙極小，接觸剛度極高；裝置內(nèi)部各連接處必須可靠接觸，接觸暗隙極小，接觸剛度極高；d.末級傳動件（即刀具夾持處）必須具有很高的剛度，以保證刀具進給末級傳動件（即刀具夾持處）必須具有很高的剛度，以保證刀具進給的可靠性；的可靠性；e.在要求快速微量位移（用于隨機誤差補償）時，微量進給裝置應(yīng)具有在要求快速微量位移（用于隨機誤差補償）時，微量進給裝置應(yīng)具有好的動態(tài)特性，即極高的頻率響應(yīng)特性；好的動態(tài)

12、特性，即極高的頻率響應(yīng)特性；f.工藝性好，容易制造工藝性好，容易制造。 常見的微量進給裝置常見的微量進給裝置a. a. 壓電陶瓷微量進給裝置壓電陶瓷微量進給裝置 壓電陶瓷具有電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷具有電致伸縮效應(yīng)，電致伸縮效應(yīng)的變形量與電場強度電致伸縮效應(yīng)的變形量與電場強度的平方成正比。的平方成正比。 用壓電陶瓷制造微量進給裝置用壓電陶瓷制造微量進給裝置具有很多優(yōu)點：具有很多優(yōu)點： 能實現(xiàn)高剛度、無間隙位移；能實現(xiàn)高剛度、無間隙位移； 能實現(xiàn)極精細的微量位移；能實現(xiàn)極精細的微量位移； 變形系數(shù)大，頻響特性好，其響變形系數(shù)大，頻響特性好，其響應(yīng)時間可達應(yīng)時間可達100100s s； 無空耗電流發(fā)

13、熱問題。無空耗電流發(fā)熱問題。b. b. 彈性變形微量進給裝置彈性變形微量進給裝置 利用材料在彈性限度內(nèi)的變形量與所受的力成正比的原理而制利用材料在彈性限度內(nèi)的變形量與所受的力成正比的原理而制成的微量進給裝置，以其進給量小、進給精度高，剛度好，結(jié)構(gòu)簡成的微量進給裝置，以其進給量小、進給精度高，剛度好，結(jié)構(gòu)簡單，變形量容易控制等優(yōu)點，在超精加工機床上廣泛的應(yīng)用。單，變形量容易控制等優(yōu)點，在超精加工機床上廣泛的應(yīng)用。2. 超精密磨料加工超精密磨料加工 金剛石刀具金剛石刀具超精密切削超精密切削加工對加工對鋁、銅鋁、銅等有色金屬及其合金是行之等有色金屬及其合金是行之有效的，但對鋼鐵類鐵碳合金進行切削加工

14、時，由于加工時的局部高有效的，但對鋼鐵類鐵碳合金進行切削加工時，由于加工時的局部高溫，將使金剛石刀具中的溫，將使金剛石刀具中的碳原子很容易擴散碳原子很容易擴散到鐵素體中，從而造成刀到鐵素體中，從而造成刀具的具的擴散磨損；擴散磨損；在在對非金屬硬脆材料進行切削加工對非金屬硬脆材料進行切削加工時，出于加工時的時，出于加工時的切應(yīng)力很大，剪切能量密度也很高，這樣，切應(yīng)力很大，剪切能量密度也很高，這樣，切削刃口處切削刃口處的局部高應(yīng)力、的局部高應(yīng)力、高溫將使刀具很快產(chǎn)生高溫將使刀具很快產(chǎn)生機械磨損機械磨損。因此，對鋼鐵類、非金屬硬脆材料因此，對鋼鐵類、非金屬硬脆材料等的超精密加工，一般多采用超精密磨料

15、加工。等的超精密加工，一般多采用超精密磨料加工。 超精密磨料加工是利用細粒度的磨粒和微粉，主要對黑色金屬超精密磨料加工是利用細粒度的磨粒和微粉，主要對黑色金屬及其合金、非金屬硬脆材料等進行加工的方法。及其合金、非金屬硬脆材料等進行加工的方法。 根據(jù)加工中磨粒的狀態(tài)根據(jù)加工中磨粒的狀態(tài)，可分為可分為固結(jié)磨料超精密加工固結(jié)磨料超精密加工游離磨料超精密加工游離磨料超精密加工(1) 固結(jié)磨料超精密加工固結(jié)磨料超精密加工 它是將磨料或微粉與結(jié)合劑粘結(jié)在一起，形成具有它是將磨料或微粉與結(jié)合劑粘結(jié)在一起，形成具有定形狀和強度定形狀和強度的加工工具（如的加工工具（如砂輪、砂帶、油石砂輪、砂帶、油石等），利用這

16、類工具與工件之間的相等），利用這類工具與工件之間的相對運動來實現(xiàn)超精密加工。對運動來實現(xiàn)超精密加工。金剛石砂輪超精密磨削與普通磨削不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：金剛石砂輪超精密磨削與普通磨削不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 金剛石磨料的硬度極高，與被加工材料間有較大的硬度差，故切削作用極強；金剛石磨料的硬度極高，與被加工材料間有較大的硬度差，故切削作用極強； 金剛石砂輪的磨料濃度較普通砂輪低，且砂輪多使用微細磨料，因此氣孔率很金剛石砂輪的磨料濃度較普通砂輪低，且砂輪多使用微細磨料，因此氣孔率很小，容屑孔小，砂輪表面易發(fā)生堵塞；小，容屑孔小，砂輪表面易發(fā)生堵塞； 金剛石砂輪的自勵性較差；金

17、剛石砂輪的自勵性較差； 金剛石磨料的耐熱性較差，在空氣中當(dāng)溫度超過金剛石磨料的耐熱性較差，在空氣中當(dāng)溫度超過700700時，金剛石將變質(zhì)或石墨時，金剛石將變質(zhì)或石墨化，且溫度越高越嚴(yán)重；化，且溫度越高越嚴(yán)重； 硬脆非金屬材料磨削加工時的法向磨削力遠比切向磨削力大，故機床應(yīng)有足夠硬脆非金屬材料磨削加工時的法向磨削力遠比切向磨削力大，故機床應(yīng)有足夠的剛度。的剛度。 由于上述特點及微薄切削所帶來的問題，使得影響金剛石砂輪超精密由于上述特點及微薄切削所帶來的問題，使得影響金剛石砂輪超精密磨削的因素相當(dāng)復(fù)雜，歸納起來磨削的因素相當(dāng)復(fù)雜，歸納起來如表如表6363所示所示。 由于金剛石的硬度及其稀有性，對金

18、剛石砂輪的合理修整已成為當(dāng)由于金剛石的硬度及其稀有性，對金剛石砂輪的合理修整已成為當(dāng)前人們普遍關(guān)注和致力研究的課題，目前已出現(xiàn)了多種行之有效的金剛前人們普遍關(guān)注和致力研究的課題，目前已出現(xiàn)了多種行之有效的金剛石砂輪修整技術(shù)。石砂輪修整技術(shù)。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代未由年代未由日本人大森整日本人大森整發(fā)明的將砂輪修整與磨削過程相結(jié)發(fā)明的將砂輪修整與磨削過程相結(jié)合的合的ELlD(Electrolytic In Process Dressing)磨削法。磨削法。 ELID磨削法是在進行磨削加工磨削法是在進行磨削加工的同時，利用電解作用對砂輪進行的同時，利用電解作用對砂輪進行修整，從而實現(xiàn)對超硬合金、硬

19、脆修整，從而實現(xiàn)對超硬合金、硬脆非金屬材料的鏡面磨削的新方法。非金屬材料的鏡面磨削的新方法。 利用金屬基結(jié)構(gòu)劑的導(dǎo)電性，在磨利用金屬基結(jié)構(gòu)劑的導(dǎo)電性，在磨削過程中不斷地對結(jié)合劑進行電解削過程中不斷地對結(jié)合劑進行電解作用，使已磨鈍的磨粒脫落，露出作用，使已磨鈍的磨粒脫落，露出新的、鋒利的磨粒從而使砂輪始新的、鋒利的磨粒從而使砂輪始終處于鋒利狀態(tài)。終處于鋒利狀態(tài)。 (2) 游離磨粒超精密加工游離磨粒超精密加工 游離磨料超精密加工時，磨料不是固結(jié)在一起，而是處于游離狀態(tài)游離磨料超精密加工時，磨料不是固結(jié)在一起，而是處于游離狀態(tài)的。加工過程中，工具與被加工表面之間存在一定大小的間隙，間隙中的。加工過程

20、中，工具與被加工表面之間存在一定大小的間隙，間隙中充滿一定粒度和濃度的磨料，依靠磨料與工件表面間的相對運動來實現(xiàn)充滿一定粒度和濃度的磨料，依靠磨料與工件表面間的相對運動來實現(xiàn)加工要求。加工要求。游離磨料超精密加工的典型代表是超精密研磨與拋光。游離磨料超精密加工的典型代表是超精密研磨與拋光。圖6-6 浮動研磨的原理機構(gòu)示意圖1研具；2研磨液；3回轉(zhuǎn)輪定位板；4起浮板；5工件；6工件夾具；7工件回轉(zhuǎn)輪；8主軸 3影響超精密加工的主要因素影響超精密加工的主要因素(1)(1)加工方法的原理及超微量加工機理；加工方法的原理及超微量加工機理；(2)(2)加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元件；加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元件； 高精度

21、和高剛性；高精度和高剛性； 高穩(wěn)定性和高可靠性；高穩(wěn)定性和高可靠性； 高自動化程度。高自動化程度。(3)(3)測量技術(shù)；測量技術(shù)； (4)(4)加工環(huán)境條件。加工環(huán)境條件。 6.3 電火花加工電火花加工( (又稱電蝕加工又稱電蝕加工) )1電火花加工原理電火花加工原理 在充滿液體介質(zhì)的工具電極和工件之間的很小間隙上，施加脈沖在充滿液體介質(zhì)的工具電極和工件之間的很小間隙上，施加脈沖電壓，間隙中產(chǎn)生很強的電場，使兩極間的液體介質(zhì)在極間間隙最小電壓，間隙中產(chǎn)生很強的電場，使兩極間的液體介質(zhì)在極間間隙最小處或在絕緣強度最低處，按脈沖電壓的頻率不斷地被電離擊穿，產(chǎn)生處或在絕緣強度最低處，按脈沖電壓的頻率

22、不斷地被電離擊穿，產(chǎn)生脈沖放電。由于脈沖放電。由于放電時間很短，能量密度高度集中，放電區(qū)的溫度高，放電時間很短，能量密度高度集中，放電區(qū)的溫度高，使工件上的一小部分金屬被迅速熔化和汽化。使工件上的一小部分金屬被迅速熔化和汽化。由于電火花加工是利用極間火花放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，靠高溫熔由于電火花加工是利用極間火花放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，靠高溫熔化和汽化金屬進行蝕除加工的?；推饘龠M行蝕除加工的。因此，可以使用較軟的紫銅等工具電極，因此，可以使用較軟的紫銅等工具電極，對任何導(dǎo)電的對任何導(dǎo)電的難加工材料難加工材料( (如如硬質(zhì)合金、耐熱合金、淬火鋼、不銹銅金硬質(zhì)合金、耐熱合金、淬火鋼、不銹銅金

23、屬陶瓷、磁鋼屬陶瓷、磁鋼等，等，用普通方法難以加工或無法加工用普通方法難以加工或無法加工) )進行加工，達到進行加工，達到以以柔克剛?cè)峥藙偟男Ч?。的效果。由于電火花加工是一種由于電火花加工是一種非接觸式加工非接觸式加工，加工時不產(chǎn)生切削力加工時不產(chǎn)生切削力，不受工，不受工具和工件剛度限制，因而有利于實現(xiàn)具和工件剛度限制，因而有利于實現(xiàn)微細加工，如薄壁、深小孔、盲孔、微細加工，如薄壁、深小孔、盲孔、窄縫及彈性零件窄縫及彈性零件等的加工。等的加工。電火花加工中不需要復(fù)雜的切削運動，電火花加工中不需要復(fù)雜的切削運動，因此因此有利于異形曲面零件的表有利于異形曲面零件的表面加工，面加工，由于工具電極的材

24、料可以較軟，因而工具電極較易制造。由于工具電極的材料可以較軟，因而工具電極較易制造。盡管放電溫度較高盡管放電溫度較高，但因放電時間極短所以加工表面不會產(chǎn)生厚的，但因放電時間極短所以加工表面不會產(chǎn)生厚的熱影響層，因而熱影響層，因而適于加工熱敏感性很強的材料適于加工熱敏感性很強的材料。3電火花加工的工藝特點及應(yīng)用電火花加工的工藝特點及應(yīng)用(1)(1) 電火花加工的工藝特點電火花加工的工藝特點電火花加工時，脈沖電源的電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)及工具電極的自動進給電火花加工時，脈沖電源的電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)及工具電極的自動進給等，均可通過一定措施實現(xiàn)自動化。等，均可通過一定措施實現(xiàn)自動化。電火花加工時，工具電極會產(chǎn)生損

25、耗，這會影響加工精度。電火花加工時，工具電極會產(chǎn)生損耗，這會影響加工精度。 由其特點可見，電火花加工非常適合模具制造工業(yè)，因此電火花由其特點可見，電火花加工非常適合模具制造工業(yè)，因此電火花加工中加工中9090以上都用于模具制造。以上都用于模具制造。沖模是生產(chǎn)上常見的模具，由于形沖模是生產(chǎn)上常見的模具，由于形狀復(fù)雜、尺寸精度高，尤其是凹模用一般機械加工十分困難，甚至不狀復(fù)雜、尺寸精度高，尤其是凹模用一般機械加工十分困難，甚至不可能，靠鉗工手藝制作，勞動量大、耗費時間長、不易保證質(zhì)量、熱可能，靠鉗工手藝制作，勞動量大、耗費時間長、不易保證質(zhì)量、熱處理又易變形和斷裂。處理又易變形和斷裂。電火花加工能

26、很好地解決這些問題，還能加工電火花加工能很好地解決這些問題，還能加工硬質(zhì)合金沖模。型腔模硬質(zhì)合金沖模。型腔模( (包括鍛模、壓鑄模、擠壓模等包括鍛模、壓鑄模、擠壓模等) )用切削方法加用切削方法加上幾乎不可能，采用電火花加工則比較方便。上幾乎不可能，采用電火花加工則比較方便。（2 2）電火花加工的應(yīng)用電火花加工的應(yīng)用電火花加工方法電火花加工方法可分為可分為電火花成形加工電火花成形加工、電火花線切割加工電火花線切割加工、電火花磨電火花磨削和鏜磨加工削和鏜磨加工、電火花同步回轉(zhuǎn)加工電火花同步回轉(zhuǎn)加工、電火花表面強化電火花表面強化與與刻字刻字等五大類。等五大類。其中，尤以其中，尤以電火花成形加工電火

27、花成形加工和和電火花線切割加工電火花線切割加工的應(yīng)用最為廣泛。的應(yīng)用最為廣泛。6.4 電子束和離子束加工電子束和離子束加工圖6-14 電子束加工原理示意圖1-電源及控制系統(tǒng)；2-抽真空系統(tǒng)；3-電子槍系統(tǒng)；4-聚焦系統(tǒng)；5-電子束；6-工件 電子束加工是在真空狀態(tài)下，利用高速電子束加工是在真空狀態(tài)下，利用高速電子的沖擊動能轉(zhuǎn)化成局部熱能而對材料進電子的沖擊動能轉(zhuǎn)化成局部熱能而對材料進行加工的，行加工的，如圖如圖6-146-14所示所示。 在真空狀態(tài)下，利用電能將陰極在真空狀態(tài)下，利用電能將陰極( (鎢絲鎢絲) )加熱到加熱到27002700以上，發(fā)射出電子并形成電子以上，發(fā)射出電子并形成電子云

28、，在陽極吸引下，使電子朝著陽極方向加云，在陽極吸引下，使電子朝著陽極方向加速運動，經(jīng)速運動，經(jīng)聚焦聚焦后，得到后，得到能量密度極高、直能量密度極高、直徑僅為幾微米的電于束徑僅為幾微米的電于束。它以極高的速度作。它以極高的速度作用到被加工表面上，使被加工部位的材料在用到被加工表面上，使被加工部位的材料在極短的時間極短的時間( (幾分之一微秒幾分之一微秒) )內(nèi)溫度迅速升高內(nèi)溫度迅速升高到幾千攝氏度的高溫從而把局部材料到幾千攝氏度的高溫從而把局部材料瞬時瞬時熔化或汽化掉熔化或汽化掉，實現(xiàn)了去除加工。，實現(xiàn)了去除加工。 1電子束加工原理、工藝特點及應(yīng)用電子束加工原理、工藝特點及應(yīng)用 (1) (1)

29、電子束加工原理電子束加工原理 由于電子束可聚集極高的能量密度，因此，其加工范圍相當(dāng)廣泛，幾乎由于電子束可聚集極高的能量密度，因此，其加工范圍相當(dāng)廣泛，幾乎可對任何金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料進行加工?？蓪θ魏谓饘賹?dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料進行加工。由于電子束流可聚成兒微米甚至幾分之一微米的小斑點，因此加工面積由于電子束流可聚成兒微米甚至幾分之一微米的小斑點，因此加工面積可以很小，能加工微孔、窄縫、半導(dǎo)體集成電路等?？梢院苄?，能加工微孔、窄縫、半導(dǎo)體集成電路等。電子束加工是電子束加工是種非接觸式加工，加工過程中工件不受機械力作用，且種非接觸式加工，加工過程中工件不受機械力作用，且加工過程中不存在工

30、具損耗問題。加工過程中不存在工具損耗問題?？梢酝ㄟ^磁場和電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制，容可以通過磁場和電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行直接控制，容易實現(xiàn)自動化。而且利用電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)原理，可使電子束在工件易實現(xiàn)自動化。而且利用電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)原理，可使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，從而加工彎孔和自由曲面，內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，從而加工彎孔和自由曲面，如圖如圖6-156-15所示所示。(2) 電子束加工的工藝特點電子束加工的工藝特點因電子束流可以分割成多條細束，可以實現(xiàn)多束同時加工，一秒鐘因電子束流可以分割成多條細束，可以實現(xiàn)多束同時加工，一秒鐘可以加工出數(shù)干千個小孔，從而大大提高了生

31、產(chǎn)率?？梢约庸こ鰯?shù)干千個小孔，從而大大提高了生產(chǎn)率。 由于電于束加工是在真空中進行的，因而產(chǎn)生污染少，加工表面在由于電于束加工是在真空中進行的，因而產(chǎn)生污染少，加工表面在高溫時也不會氧化，特別適于加工易氧化材料及純度要求較高的半導(dǎo)高溫時也不會氧化，特別適于加工易氧化材料及純度要求較高的半導(dǎo)體材料。體材料。電子束加工需要一套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴。電子束加工需要一套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴。 電子束打孔已在生產(chǎn)中實際應(yīng)用。電子束打孔已在生產(chǎn)中實際應(yīng)用。目前電子束目前電子束微加工的最小孔徑可達微加工的最小孔徑可達0.0010.0010.003mm0.003mm，加工的尺，加工的尺寸精度可

32、達寸精度可達0.010.010.0001m0.0001m ，孔的深徑比為，孔的深徑比為3030以以上，上，以加工以加工不銹鋼、耐熱鋼、寶石、拉絲模的錐孔不銹鋼、耐熱鋼、寶石、拉絲模的錐孔以及微型孔、彎孔、彎縫最為適宜。以及微型孔、彎孔、彎縫最為適宜。圖圖6-166-16所示所示是是電于束加工噴絲頭異形孔。電于束加工噴絲頭異形孔。此外，電子束還可用于此外，電子束還可用于刻蝕制板，難熔金屬刻蝕制板，難熔金屬( (如如鉭、鈮、鉬鉭、鈮、鉬等等) )和化學(xué)性能和化學(xué)性能活潑的金屬活潑的金屬( (如如鈦、鋯、鈾鈦、鋯、鈾等等) )的焊接以及電子束熱的焊接以及電子束熱處理等。處理等。(3) 電子束加工的應(yīng)

33、用電子束加工的應(yīng)用 離子束加工原理與電子束加工類似，也離子束加工原理與電子束加工類似，也是在真空條件下，把是在真空條件下，把氬氬(Ar(Ar) )、氖、氖(Kr)(Kr)、氙、氙(Xe(Xe) )等惰性氣體等惰性氣體，通過離子源產(chǎn)生離子束并通過離子源產(chǎn)生離子束并經(jīng)過加速、集束、聚焦后，投射到工件表面經(jīng)過加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以實現(xiàn)去除加工。的加工部位，以實現(xiàn)去除加工。所不同的是所不同的是離子是帶正電荷的，其質(zhì)量比電子的質(zhì)量大離子是帶正電荷的，其質(zhì)量比電子的質(zhì)量大千萬倍。由于離子的質(zhì)量大，故在同樣的電千萬倍。由于離子的質(zhì)量大，故在同樣的電場中加速較慢，速度較低，而一旦加速

34、到最場中加速較慢，速度較低，而一旦加速到最高速度時，離子束比電子束具有更大的沖擊高速度時，離子束比電子束具有更大的沖擊能量。能量。 高速電子撞擊工件材料時，因電子質(zhì)量高速電子撞擊工件材料時，因電子質(zhì)量小、速度大，動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，使小、速度大，動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，使工件材料局部熔化、汽化，通過熱效應(yīng)進行工件材料局部熔化、汽化，通過熱效應(yīng)進行加工。加工。而離子本身質(zhì)量大，速度較低，撞擊而離子本身質(zhì)量大，速度較低，撞擊工件材料時，將引起變形、分離、破壞等機工件材料時，將引起變形、分離、破壞等機械作用。械作用。 2離子束加工原理、工藝特點及應(yīng)用離子束加工原理、工藝特點及應(yīng)用(1) 離子束加工原理離子束加工原理由于離子束可以通過光學(xué)系統(tǒng)進行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐由于離子束可以通過光學(xué)系統(tǒng)進行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子蝕刻層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子蝕刻可以達到納米可以達到納米(0.001m)(0.001m)級的加工精度。級的加工精度?？梢哉f，