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1、特種加工 Ch 7特种加工特种加工Non-traditional Machining 主讲：马苏常主讲：马苏常天津工程师范学院天津工程师范学院天津工程师范学院天津工程师范学院机械制造教研室机械制造教研室机械制造教研室机械制造教研室08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1 1特種加工 Ch 7第七章电子束和离子束加工08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2 2特種加工 Ch 7 电子束加工是近年来得到较大发展的特种加工方法，在精密微细加工方面，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。 离子束加工与电子束加工的原理基本相同，不同的只是离
2、子质量比电子质量大数千、数万倍，经过聚焦加速后，靠离子打击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来(撞击效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打入工件表层之内(注入效应)。可实现对材料的“毫微米级”或“原子级”加工。08/200008/2000馬蘇常馬蘇常3 3特種加工 Ch 7第六章电子束和离子束加工 7.1 电子束加工 7.2 离子束加工08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4 4特種加工 Ch 77.1.1电子束加工的基本原理利用能量密度极高的高速电子细束，在高真空腔体中冲击工件，使材料熔化、蒸发、汽化，而达到加工目的。 08/200008/2
3、000馬蘇常馬蘇常5 5特種加工 Ch 7电子束加工设备电子束加工设备电子枪电子枪控制系统控制系统真空系统真空系统真空系统真空系统电子束加工装置08/200008/2000馬蘇常馬蘇常6 6特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常7 7特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常8 8特種加工 Ch 7電子束加工的分類08/200008/2000馬蘇常馬蘇常9 9特種加工 Ch 77.1.2电子束的加工装置電子槍真空系統控制系統電源系統等四部分所組成。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1010特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常11
4、11特種加工 Ch 77.1.3电子束加工的特点1.1.是一种精密微细的加工方法。是一种精密微细的加工方法。2.2.非接触式加工，不会产生应力和变形。非接触式加工，不会产生应力和变形。3.3.加工速度很快，能量使用率可高达加工速度很快，能量使用率可高达9090。4.4.加工过程可自动化。加工过程可自动化。5.5.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧化。化。7.7.电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。价格较贵。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1212特種加工 Ch 77.1.4各种电子束加
5、工方法 一.电子束焊接主要优点：主要优点：1.1.电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，可达到电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，可达到7070：1 1。2.2.焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。3.3.电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体的影响，适于活泼金属的焊接。等有害气体的影响，适于活泼金属的焊接。4.4.可焊接难以接近部位的接缝。可焊接难以接近部位的接缝。5.5.可实现复杂接缝的自动焊接。可实现复杂接缝的自动焊接。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1313特種加工 Ch 708/200008/20
6、00馬蘇常馬蘇常1414特種加工 Ch 7主要缺点：1.设备比较复杂、费用比较昂贵。2.焊接前对接头加工、装配要求严格。3.被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制。4.电子束易受电磁场的干扰，影响焊接质量。5.电子束焊接时会产生X射线，对操作人员的健康和安全会造成威胁。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1515特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常1616特種加工 Ch 7焊接热影响小、变形小焊接热影响小、变形小08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1717特種加工 Ch 7高加速器研究機構加工依頼受超電導空洞用加速器使用付（R型、L型）。材質Nb（）材。 08/20
7、0008/2000馬蘇常馬蘇常1818特種加工 Ch 7二.电子束打孔利用极高能量密度的电子束冲击材料，使材料汽化，而实现钻孔的目的。电子束打孔具有下列的特点：1.可加工细微的孔，目前最小加工直径可达0.003mm左右。2.加工深孔，孔的深径比大于10：1，其深度亦可达10公分以上。08/200008/2000馬蘇常馬蘇常1919特種加工 Ch 73.孔径误差很小，正负5以内。4.适合硬度高的材料打孔。5.可打斜度的孔，倾斜角可达15。7.加工各种直的型孔和成型表面，加工弯孔和立体曲面。7.加工速度快。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2020特種加工 Ch 708/200008/20
8、00馬蘇常馬蘇常2121特種加工 Ch 7电子束加工曲面、穿孔08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2222特種加工 Ch 7各种火焰筒上的冷却孔各种火焰筒上的冷却孔适合于高频率、多孔加工适合于高频率、多孔加工08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2323特種加工 Ch 7三、电子束表面热处理08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2424特種加工 Ch 7 上面、側面改善上面、側面改善08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2525特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常2626特種加工 Ch 7放電面 放電面照射面 面粗：0.8mRa 面粗：0.09mRa 08/20
9、0008/2000馬蘇常馬蘇常2727特種加工 Ch 7四、电子束熔炼1.能得到密度极高的金属。2.可熔高熔点的金属。3.没有电弧的产生。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常2828特種加工 Ch 77.2 离子束加工7.2.1离子束加工的基本原理离子束加工是在真空条件下，先由电子枪离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，最后射入工件表面。步骤，最后射入工件表面。08/20
10、0008/2000馬蘇常馬蘇常2929特種加工 Ch 7离子束工主要特点如下：离子束工主要特点如下：1.加工的精度非常高。加工的精度非常高。2.污染少。污染少。3.加工应力、热变形等极小、加工精度高。加工应力、热变形等极小、加工精度高。4.离子束加工设备费用高、成本贵、加工效离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。率低。08/200008/2000馬蘇常馬蘇常3030特種加工 Ch 77.2.2离子束加工的分类离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。两种。蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。离子在电浆产生室中即对工
11、件进行撞击蚀离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为溅散蚀刻。刻，为溅散蚀刻。产生电子使以加速之离子还原为原子而撞产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料进行蚀刻为离子蚀刻。击材料进行蚀刻为离子蚀刻。08/200008/2000馬蘇常馬蘇常3131特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常3232特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常3333特種加工 Ch 7镀膜方式亦有两种，一种方式是将某种材镀膜方式亦有两种，一种方式是将某种材料为靶，以离子撞击使其表面原子脱离而料为靶，以离子撞击使其表面原子脱离而附着沉积于一材料工件之表面，此种方式附着沉积于一材料工
12、件之表面，此种方式称为溅散沉积。称为溅散沉积。将欲镀之材料将欲镀之材料(靶材靶材)加热蒸发，使其蒸汽原加热蒸发，使其蒸汽原子在遇到电浆时亦被电离，再沉积于工件子在遇到电浆时亦被电离，再沉积于工件表面此法称为离子镀膜。表面此法称为离子镀膜。离子注入：离子直接注入到材料表层，改离子注入：离子直接注入到材料表层，改变工件表面化学成分，进而改变材料之物变工件表面化学成分，进而改变材料之物理性质。理性质。08/200008/2000馬蘇常馬蘇常3434特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常3535特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常3636特種加工 Ch 77.
13、2.3离子束工加工设备离子束加工装置可分为：离子束加工装置可分为：离子源系统、真空系统、控制系统、电源系统离子源系统、真空系统、控制系统、电源系统 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常3737特種加工 Ch 7离子源离子束流的的产生方法是把要电离的气态离子束流的的产生方法是把要电离的气态原子原子(惰性气体或金属蒸气惰性气体或金属蒸气)注入电离室中，注入电离室中，藉由高频放电、电弧放电使气态原子电离藉由高频放电、电弧放电使气态原子电离为等离子体，可引出离子束流。为等离子体，可引出离子束流。1. 考夫曼型离子枪考夫曼型离子枪2. 双等离子体型离子枪双等离子体型离子枪08/200008/2000
14、馬蘇常馬蘇常3838特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常3939特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常4040特種加工 Ch 7減速型高出力銃電子銃両用銃 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4141特種加工 Ch 77.2.4离子束工加工的应用1.1.蚀刻加工：蚀刻加工：蚀刻加工：蚀刻加工：离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。上的沟槽，分辨率高，
15、精度、重复一致性好。上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。电子学构件。电子学构件。电子学构件。太阳能电池表面具有非反射纹理表面。太阳能电池表面具有非反射纹理表面。太阳能电池表面具有非反射纹理表面。太阳能电池表面具有非反射纹理表面。离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透
16、式电离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。子显微镜试片。子显微镜试片。子显微镜试片。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4242特種加工 Ch 72.2.离子束镀膜加工：离子束镀膜加工：离子束镀膜加工：离子束镀膜加工：离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属离子镀可镀材料范围广泛，不论金属
17、、非金属离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。点材料亦均可镀覆。点材料亦均可镀覆。点材料亦均可镀覆。离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、
18、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。耐磨膜、装饰膜和电气膜等。耐磨膜、装饰膜和电气膜等。耐磨膜、装饰膜和电气膜等。离子束装饰膜。离子束装饰膜。离子束装饰膜。离子束装饰膜。离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。提高刀具的寿命。提高刀具的寿命。提高刀具的寿命。提高刀具的寿命。08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4343特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常4444特種加工 Ch 7蒸着（IBAD）法 蒸着時蒸着膜上別制御同時照射、膜質向上。 金属、布表面強
19、固蒸着。 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4545特種加工 Ch 7蒸着加工例Au on Silk浮世絵 銀抗菌 08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4646特種加工 Ch 73.3.离子注入加工：离子注入加工：离子注入加工是在工件表面直接注入离子，可离子注入加工是在工件表面直接注入离子，可达达10%40%10%40%，注入深度可达，注入深度可达1m1m甚至更深。甚至更深。离子注入常用于半导体的制程上，例如用硼、离子注入常用于半导体的制程上，例如用硼、磷等离子注入半导体磷等离子注入半导体离子注入可以改变金属表面的物力和化学性能离子注入可以改变金属表面的物力和化学性能离子注入可以提高材料的耐腐蚀性能离子注入可以提高材料的耐腐蚀性能离子注入可以改善金属材料的耐磨性能离子注入可以改善金属材料的耐磨性能离子注入还可以提高金属材料的硬度离子注入还可以提高金属材料的硬度在光学方面还可以制造光波导，生成具有超导在光学方面还可以制造光波导，生成具有超导性能的性能的Nb3SnNb3Sn导线导线08/200008/2000馬蘇常馬蘇常4747特種加工 Ch 708/200008/2000馬蘇常馬蘇常4848
