电子束加工技术

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1、哈哈 尔尔 滨滨 理理 工工 大大 学学技技 能能 训训 练练 论论 文文题题 目：目：电子书加工技术电子书加工技术 院院 、 系：系：机械动力工程学院机械动力工程学院 专专 业：业：机械制造及其自动化机械制造及其自动化 姓姓 名：名： 孙甲魁孙甲魁 指导教师：指导教师： 敖晓春敖晓春 20102010 年年 1 1 月月 9 9 日日哈尔滨理工大学 技能训练论文 II电子束加工技术电子束加工技术摘要摘要电子束的发现至今已有 100 多年，早在 1879 年 Sir William Crookes 发现在阴极射线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象。接着到上世纪初的1907 年，Marce

2、llo Von Pirani 进一步发现了电子束作为高能量密度热然的可能性，第一次用电子束做了熔化金属的实验，成功地熔炼了钽。直到近代1960 年夏，由日本电子公司为日本科学技术厅所属的金属材料所研制了第一台电子束焊机。电子束加工（ Electron Beam Machining，简称 EBM） 。它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。电子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和电子束光刻化学加工。关关键键词词 电子束；原理；特点；组成；应用哈尔滨理工大学 技能训练论文 III目录目录摘要.I第一章 绪论.4第二章 电子束加工技术的原理.5第三章 电子束加工技术的特点.7第四章

3、电子束加工装置的组成 .9 第五章 常用几种电子束加工技术的介绍.11第六章 电子束加工技术在国内外的应用.17第七章 UG 5.0 制作简易轮盘的步骤 .22总结.26参考文献.27哈尔滨理工大学 技能训练论文 4第一章 绪论电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法。作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大，能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不同，可以完成各种不同的加工。电

4、子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广

5、泛的应用。技能训练之电子束加工技术是我们对大学学习的一次深入的综合性的总考核，也是一次理论联系实际的训练，这次设计使我们能综合运用特种加工技术以及精密超精密加工技术的理论知识，并结合实习中学到的实践知识，独立地分析和解决问题，初步具备了通过文献检索，书籍查找等方式对一种新技术的认识，学习，最终以论文的形式把学习的知识成文等基本技能的一次实践机会。 因此，它在我们大学生活中占有重要地位。就我个人而言，我也希望通过这次设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性心理，从中锻炼自己分析问题，解决问题的能力，对未来的工作发展打下一个良好的基础。哈尔滨理工大学 技能训练论文 5第二章 电子束加工技术的原理现

6、在的社会可以说电视机很平凡，很常见了。而且它的成像原理就如同我今天要说的电子束加工原理。电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106109w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微妙）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化，被真空系统抽走。下面特殊介绍一下快速扫描电子束加工技术原理，如图 1 所示，就是通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在

7、不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。如果在不同的束流之间改变聚焦位置或者束流强度，则可以实现多功能加工技术，如多束流加工技术、电子束“毛化”技术以及电子束快速成型技术等。 总的来说，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哈尔滨理工大学 技能训练论文 6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（105109w/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

8、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。 电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。哈尔滨理工大学 技能训练论文 7第三章 电子束加工技术的特点电子束加工的主要优点是：1. 电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为 0.010.05 毫米)，

9、且可控 ,可以用于精密加工适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽；2. 功率密度高，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；3. 无机械接触作用，无工具损耗问题；4. 加工速度快，如在 0.1 毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达 3000 个，切割1 毫米厚的钢板速度可达 240 毫米分。5. 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; 6. 电子束加工是在真空状态下进行 ,对环境几乎没有污染; 7. 对于各种不同的被处理材料 ,其效率可高达 75%98% ,而所需的功率则较低; 8. 能量的发生和

10、供应源可精确地灵活移动 ,并具有高的加工生产率; 9. 可方便地控制能量束 ,实现加工自动化;其主要缺点是:a. 由于使用高电压，会产生较强 X 射线，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.。由于电子束流具有以上特点 ,目前已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和抛光 ,以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入 ,电子束加工已成为高科

11、技发展不可缺少的特种加工手段之一。电子束加工广泛用于焊接（见电子束焊） ，其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为 0.031.0 毫米，最小孔径可达 0.002 毫米。切割 0.2 毫米厚的硅片，切缝仅为 0.04 毫米，因而可节省材料。哈尔滨理工大学 技能训练论文 8最重要的是，这些特性具有高的分解力和长的电场深度,电场是由于高能电子的短波产生的。电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。哈尔滨理工大学 技能训练论文 9第四章 电子束加工装置的组成在许多工业领域中，电子束聚焦后能量密度极高（106109 w/cm2） ，并以极高的速度冲击

12、到工件表面极小的面积上，在极短的的时间（几分之一秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化或气化。电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统及电源电源等部分组成。了解电子束加工的结构是为了更好的的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，如果只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子光刻加工。如：电子束爆光可以用到电子束扫描，将聚焦到小于 1um

13、的电子束斑在大约 0.55mm 的范围，可爆光出任意图形；甚至可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。其中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正极，在飞向正极的过程中，经过加速，又通过电磁镜把电子束聚焦成很小的束流。发射阴极一般用纯钨或钽做成阴极。大大功率时用钽做成块状阴极。在电子束打孔装置中，电子枪阴极在工作过各中受到损耗，因此每过 1030 h 就得进行定期更换。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的的强弱，以有初步的聚集作用。加速阳极通常接地，而在阴极加以

14、很高的负电压以驱使电子加速。真空系统 是为了保证在电子束加工时达到 1.3310-21.3310-4Pa 的真空度。因为只有在高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射，使其不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。它一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两部分组成，先用机械旋转泵把真空室抽至 1.40.14Pa 的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014 的高真空度。控制系统是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移的控制等组成。束流聚焦控制是为了提高电子束的的能量密度，使电子束聚焦成哈尔滨理工大学 技能训练论文 10很小的束流，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种比较可靠是利用“电磁透镜（实际上是为一电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，径向磁场则与中心线垂直。） ”靠磁场聚焦。束流强度控制是为了使电流得到更大的运动速度，常在阴极上加上50150KV 以上的负高压。加工时，为了避免热量扩散到不用加工的部位，常使用电子束间歇脉冲性地运动。工作台的移控制是为