特種加工技術(shù)課件第4章 電子束加工

第4章電子束加工EBM4.1

電子束加工原理和特點4.1.1電子束加工原理高速度和能量的電子束聚焦后達(dá)到極高的功率密度打到工件表面，電子的動能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽共牧暇植克矔r的快速溶蝕、氣化蒸發(fā)而去除表層材料，并隨真空系統(tǒng)而抽走。電壓高達(dá)120kV，電子速度可達(dá)到光速50～80%不受材料的密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、反射率、熔點等性能限制。工藝類型：1使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；2使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；3提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、切割等；4利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工電子束加工的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①高速鉆削細(xì)微孔，每秒鐘最高可達(dá)4000個孔；②幾乎可以加工任何材料，并不受其性能限制；③比起電火花、電化學(xué)加工，電子束細(xì)微加工速度快、經(jīng)濟(jì)性好；④加工精度高和位置重復(fù)精度保持在±0.1mm和鉆孔直徑±5(圖4.2)；⑤鉆孔參數(shù)在加工中調(diào)節(jié)方便，甚至在不同列陣的孔可采用不同的參數(shù)；⑥獲得的表面粗糙度比其他工藝更低；⑦自動化程度和生產(chǎn)率高；⑧可以加工出尖角、銳邊局限性有：①設(shè)備昂貴，并需要抽真空裝置；②真空室的清理比較費時；③加工表面有較薄的凝固層和熱影響層；④需要附屬的背襯材料；⑤要求嚴(yán)格培訓(xùn)過懂?dāng)?shù)控編程的操作人員，并能處理X射線保護(hù)。圖a為在金屬或非金屬上鉆削最小直徑為20μm的各型小孔；圖b加工的合成纖維噴絲板，縫寬60μm，厚度0.5mm，長度1.2mm；圖c為50μm厚的鎢板條上加工的60μm寬的蒸發(fā)罩；圖d是在3.5×3.5×0.1mm鎢板上加工1600個群孔；圖e是在0.1mm厚的不銹鋼濾殼圓筒上加工群孔，加工速度達(dá)到每秒3000個。圖f刻蝕40μm寬的拼合電路，加工深度達(dá)到5m/s。4.1.3應(yīng)用舉例4.2電子束加工裝置包括：電子槍、真空抽吸泵、電子束流控制元件及工件位置與運動操控裝置。4.2.1電子槍電子束加工裝置又叫電子搶，典型結(jié)構(gòu)如圖4.4，實物照片圖4.5。加熱鎢絲陰極發(fā)射電子，電子從陰極（鎢絲）奔向中空陽極過程中受到120KV的高電壓的加速后，繼續(xù)射向真空室里的工件。位于陰極和陽極之間的內(nèi)彎圓筒杯（未內(nèi)爾電極）充當(dāng)陰極柵格，它控制流過電子的數(shù)量進(jìn)而控制電子束的電流（1～80mA），同時還充當(dāng)電子束電流的開關(guān).4.2.2真空抽吸泵電子束和工件封閉在真空抽吸環(huán)境：三個作用：防止鎢絲及其他元素被氧化，防止電子與氧氣、氮氣等分子碰撞，減少其動能損失；

防止金屬蒸汽及渣屑的污染。4.2.3電子束流控制元件束流電流（強(qiáng)度）靠電子槍里的陰極柵格完成。束流聚焦靠磁透鏡完成，其聚焦斑點的直徑可在12～25μm。束流的偏轉(zhuǎn)靠偏轉(zhuǎn)線圈來實現(xiàn)，可實現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度不超過5°，由此可以擴(kuò)展電子束的加工范圍。圖4.6里的標(biāo)準(zhǔn)形狀或類似結(jié)構(gòu)都可以在工件不動的情況下通過束流偏轉(zhuǎn)來完成加工。對于鉆孔，每加工一個孔則需要偏轉(zhuǎn)一次。4.2.4工作臺運動裝置對于平板類工件，工件和工作臺是靜止的。加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件還需比較復(fù)雜的多軸操控的工作臺，如圖4.7里右邊的立體型面上加工大小不一的孔，則需要左圖的兩軸旋轉(zhuǎn)裝置。工件安裝在卡盤上，計算機(jī)數(shù)控兩軸旋轉(zhuǎn)分別完成工件的周向分度和軸向分度。需要注意軸承的精細(xì)密封，否者金屬蒸汽和渣屑會對軸承造成損壞。圖4.8是一種電子束完成動態(tài)鉆孔的操控工件的裝置。操控裝置主要是能夠水平運動的回轉(zhuǎn)軸，薄片工件繃緊夾持在張緊鼓的背襯材料上變成了圓筒形狀。電子束鉆孔時，束流偏轉(zhuǎn)，張緊鼓恒速旋轉(zhuǎn)。鉆孔完成后，關(guān)閉束流，此時回到其原始位置，等待鉆削下一個孔。循環(huán)前述過程，就可以在薄板上高效鉆削一排數(shù)目眾多的孔?；剞D(zhuǎn)軸的水平移動必需與加工進(jìn)給同步匹配。4.3特殊工藝應(yīng)用主要應(yīng)用是打孔、刻槽（圖4.3）和加工異形小孔（參考圖4.6），還可以用于工件細(xì)微焊接、熱處理、材料改性等4.3.1套料孔加工加工大直徑孔，圖4.9所示，則需要依靠工作臺的二維數(shù)控聯(lián)動完成，相當(dāng)于套料加工，這個加工過程與激光套料孔加工類同。移動速度必需與電子束穿透工件的速度相匹配圖4.10所示,其加工原理為：電子束在磁場中受洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)彎曲，工件橫向移動，即可加工曲面①，通過改變磁場強(qiáng)度和電子速度即可改變曲面曲率；改變磁場極性，即可加工反方向的曲面②；加工起始點和終結(jié)點如果在工件實體部位內(nèi)，加工后可得到彎曲槽面③；工件固定不動，可獲得一個彎孔，再改變磁場極性，同一位置進(jìn)行二次加工，便可得到一個入口內(nèi)部分叉有兩個出口的彎孔④4.3.2彎曲面/彎孔的加工電子束光刻技術(shù)是利用低功率密度的電子束在涂有電致抗蝕劑的工件表面上直接描畫或投影復(fù)印圖形的技術(shù)(圖4.11)。電致抗蝕劑是一種對電子敏感的高分子聚合物。經(jīng)過電子束掃描過的電致抗蝕劑發(fā)生分子鏈重組或分子鏈切斷，使曝光圖形部分的抗蝕劑發(fā)生化學(xué)性質(zhì)改變，這個過程成為電子束曝光。曝光后的電致抗蝕劑浸入適當(dāng)?shù)娜芤豪?，不同分子量的抗蝕劑溶解速度不一樣，就會使電子束照射過的曝光圖案顯示出來，這一過程稱為顯影。經(jīng)過顯影和定影，獲得高分辨率的抗蝕劑曝光圖形。