现代加工技术-09电子束离子束加工.ppt
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1、电子束离子束加工,1,贾宝贤,5687026,Electron Beam MachiningIon Beam MachiningEBMIBM,课程内容大纲,2,1绪论2电火花加工3电火花线切割加工4电化学加工5超声波加工6磨料与水喷射加工7激光加工8快速原型制造9电子束、离子束加工10化学加工、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,7.1电子束加工,3,一、电子束加工的原理和特点二、电子束的加工装置三、电子束加工应用,概述,4,利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工。电子束加工(Electron Beam Machining 简称EBM)起源于德国。1948年德国科学家
2、斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备。经过几十年的发展,目前电子束加工技术已在核工业、航空宇航、精密制造等工业部门广泛应用。电子束加工应用于:电子束焊接、打孔、表面处理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻、铣切、切割以及电子束曝光等。目前,世界上电子束加工技术较先进的国家:德国、日本、美国、俄罗斯以及法国等。,电子束加工3分45.mp4,EB-Generator von pro-beam,6,电子束加工原理图,7,一、电子束加工的原理和特点,8,1.加工原理 在真空条件下,利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106109w/cm2的极细束流,高速冲击到工件表面上极小的部位,并在几分之一微秒
3、时间内,其能量大部分转换为热能,使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度,致使材料局部熔化或蒸发,来去除材料。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。,2.电子束加工特点,9,1.电子束能够极其微细地聚焦(可达l0.1 m),故可进行微细加工。2.加工材料的范围广。能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。非接触加工,工件不产生宏观应力和变形。3.电子束的能量密度高,加工效率很高。4.加工过程便于自动化。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。5.加工在真空中进行,污染少,加工表面不易被氧化。6.设备投资高。电子束加工需要整套的专用设备和真空系统,
4、价格较贵,故在生产中受到一定程度的限制。,二、电子束的加工装置,10,电子束加工装置主要由以下几部分组成。(1)电子枪。获得电子束的装置。它包括:电子发射阴极用钨或钽制成,在加热状态下发射电子。控制栅极既控制电子束的强弱,又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地,由于阴极为很高的负压,所以能驱使电子加速。,图6-2 电子束加工装置示意图1-工作台系统;2-偏转线圈;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-带窗真空室门;10-工件,二、电子束的加工装置,11,图6-2 电子束加工装置示意图1-工作台系统;2-偏转线圈;3-电磁透镜;4-光阑;5-
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-带窗真空室门;10-工件,(2)真空系统 保证电子加工时所需要的真空度。一般电子束加工的的真空度维持在1.3310-2 1.3310-4 Pa。(3)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移控制。,控制系统和电源,12,束流聚焦控制:提高电子束的能量密度,它决定加工点的孔径或缝宽。聚焦方法:一是利用高压静电场是电子流聚焦成细束;另一种方法是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。束流位置控制:改变电子的方向。工作台位移控制:加工时控制工作台的位置。电源:对电压的稳定性要求较高,常用稳压电源。,三、电
6、子束加工应用,13,1-淬火硬化;2-熔炼;3-焊接;4-打孔;5-钻、切削;6-刻蚀;7-升华;8-塑料聚合;9-电子抗蚀剂;10-塑料打孔,1.电子束打孔,14,电子束打到材料表面,电子束贯穿材料,电子束打到辅助材料产生喷射,电子束打到材料内部,材料表面受到电子束冲击开始熔化,气化,材料气化形成气泡,破裂后随着蒸汽溢出,形成空穴,电子束冲击到工件下面的辅助材料,产生喷射,将空穴周围熔化材料吹出,完成打孔过程,继续受到电子束作用,1.电子束打孔,15,高速打孔 高速打孔在生产中实际应用最多,目前最小直径可达3m左右,最大深径比可达10,其深度亦可达10cm以上。1.生产效率高。机翼吸附屏的孔
7、、喷气发动机套上的冷却孔,此类孔数量巨大(高达数百万),且孔径微小,密度连续分布而孔径也有变化,非常适合电子束打孔。,1.电子束打孔,16,2.加工材料范围广。可加工不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。能加工各种孔,包括异形孔、斜孔、锥孔和弯孔。孔的密度可连续变化,其孔径大小可随时调整。加工质量好,无毛刺和再铸层等缺陷。精度:孔径误差在5以内。,绝缘行业:玻璃棉挡油环,造纸和纸浆行业:过滤器,电子束打孔,2加工型孔及特殊表面,18,电子束加工的喷丝头异形孔,电子束加工弯曲的孔,19,加工弯孔:利用电子束在磁场中偏转的原理,使电子束在工件内偏转方向。控制电子速
8、度和磁场强度,就可控制曲率半径,加工出弯曲的孔。,3.电子束切割,20,可对各种材料进行切割,切口宽度仅有36m。利用电子束再配合工件的相对运动,可加工所需要的曲面。,电子束加工曲面,电子束加工样品,4.电子束刻蚀,22,利用电子束的热加工原理,对工件进行类似铣削的加工。在微电子器件生产中,为了制造多层固体组件,可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来,如在硅片上刻出宽2.5 m,深0.25 m的细槽。电子束刻蚀还可用于制版,在铜制印刷筒上按色调深浅刻出大小、深浅不一的沟槽或凹坑,大坑代表深色,小坑代表浅色。,5.电子束焊接,23,利用电子束作为热源的焊接工艺。特点:电子束焊接具有
9、焊缝深宽比大;焊接速度快,焊缝深而窄,焊件变形小;不用焊条,接头机械性能好;可进行异种金属焊接;可在精加工后焊接等等。应用:应用范围极为广泛,尤其在焊接大型铝合金零件中,具有极大的优势,并且可用于不同金属之间的连接。如美国和日本采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮机的定子部件;美国还将电子束焊接工艺广泛应用于飞机制造中。,电子束焊接的实例图片,6.电子束表面处理,25,电子束将工件表面加热到相变温度以上,再快速冷却,从而达到表面热处理的目的。特点:A)快速加热淬火,可得到超微细组织,提高材料的强韧性;B)处理过程在真空中进行,减少了氧化等影响,可以获得纯净的表面强化层;C)电子束功率参数可控,可以
10、控制材料表面改性的位置、深度和性能指标。,6.电子束表面处理,26,应用:表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有较高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。,7.电子束光刻,27,先利用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂的高分子材料,由于入射电子与高分子相碰撞,使高分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化,称为电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光,会在电致抗蚀剂中留下潜像;然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中,则由于分子量不同而溶解度不一样,就会使潜像显影出来显影;将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合就能在金属掩模或材料表面上制出图形来。电子束曝光可
11、以获得比可见光曝光更高分辨率的图像。电子束可达到最佳0.25m的线条宽度可见光波长,电子束曝光加工过程,28,图6-7 电子束曝光加工过程A-电子束曝光;B-显影;C-蒸镀;D离子刻蚀;E、F-去掉抗蚀剂,留下图形1-电子束;2-电致抗蚀剂;3-基板;4-金属蒸汽;5-离子束;6-金属,图24 电子束光刻大规模集成电路加工过程,电子束光刻大规模集成电路,电子束刻蚀图案,30,电子束加工END,31,电子束加工END,Automatische Strahlpositionierung.,Elektronenstrahl-Prozesskontrolle,EB-Deflection Technic
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