【文章內(nèi)容簡介】 1）高速打孔。電子束打孔的孔徑范圍為 ～ ?？椎纳顝奖瓤梢赃_(dá)到 100:1，噴氣發(fā)動機(jī)上的冷卻孔和機(jī)翼吸附屏的孔，孔徑微小，孔數(shù)巨大，達(dá)數(shù)百萬個，最適宜用電子束打孔。此外，還可以利用電子束在人造革、塑料上高速打孔，以增強(qiáng)其透氣性。 2）加工彎孔和曲面。借助于偏轉(zhuǎn)器磁場的變化，可以使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)方向，可加工曲面和彎孔。 3）焊接。電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進(jìn)行，因此焊縫化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度往往高于母材。 4）熱處理。電子束熱處理與激光熱處理類同，但電子束的電熱轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá) 90%，而激光的轉(zhuǎn)換效率只有 7%~10%。電子束熱處理在真空中進(jìn)行，可以防止材料氧化。 如果用電子束加熱金屬達(dá)到表面熔化，可在熔化區(qū)加入添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的物理力學(xué)性能。鋁、鈦、鎳的各種合金幾乎全可進(jìn)行添加元素處理，從而得到很好的耐磨性能。 5）電子束光刻 用低功率密度的電子束照射工件表面雖不會引起表面的溫升，但入射電子與高分子材料的碰撞，會導(dǎo)致它們的分子鏈的切斷或重新聚合，從而使高分子材料的化學(xué)性質(zhì)和分子量產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象叫電子束的化學(xué)效應(yīng)，利用這種效應(yīng)進(jìn)行加工的方法叫電子束的光刻。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 離子束加工 、分類和特點(diǎn) （ 1）離子束加工的原理 離子束加工的原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下， 將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過電場加速后，撞擊在工件表面上，引起材料變形、 破壞和分離。由于離子帶正電荷，其質(zhì)量是電子的千萬倍，因此離子束加工主要靠高速離子束的微觀機(jī)械撞擊動能，而不是像電子束加工主要靠熱效應(yīng)，加工時被加工表面不產(chǎn)生熱量。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 離子束加工的物理基礎(chǔ) 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。 具有一定動能的離子斜射到工件材料（靶材）表面時，可以將表面的原子撞擊出來，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)。 如果將工件直接作為離子轟擊的靶材，工件表面就會受到離子刻蝕（也稱離子銑削）。如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會濺射到工件表面而被濺射沉積吸附，使工件表面鍍上一層靶材原子的薄膜。如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時，離子就會鉆進(jìn)工件表面，這就是 離子的注入效應(yīng)。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) （ 2）離子束加工分類 1） 離子刻蝕 是用能量為 ～ 5keV的氬離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝離。其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工，所以又稱離子銑削。這就是近代發(fā)展起來的毫微米加工工藝。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 2） 離子濺射沉積 也是采用能量為 ～5keV的氬離子，轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜，所以濺射沉積是一種鍍膜工藝。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 3）離子鍍 也稱離子濺射輔助沉積，是用～ 5keV的氬離子，在鍍膜時，同時轟擊靶材和工件表面。目的是為了增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進(jìn)行離子鍍。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 4）離子注入 是采用 5～ 500keV能量的離子束，直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當(dāng)大，離子就鉆進(jìn)被加工材料的表面層，工件表面層含有注入離子后，就改變了化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械物理性能。根據(jù)不同的目的選用不同的注入離子，如磷、硼、碳、氮等。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) （ 3）離子束加工的特點(diǎn) 1）由于離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)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 ，所以離子刻蝕可以達(dá)到毫微米（ ）級的 加工精度 。離子鍍膜可以控制在亞微米級精度， 離子注入的深度和濃度 也可極精確地控制。因此， 離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法，是當(dāng)代毫微米加工（ 納米加工 ）技術(shù)的基礎(chǔ)。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 2）由于離子束加工是在高真空中進(jìn)行，所以 污染少 ，特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料的加工。 3）離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的。它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應(yīng)力、熱變形等極小，加工質(zhì)量高，適合于對各種材料和低剛度零件的加工。 4）離子束加工設(shè)備費(fèi)用昂貴、成本高，因此應(yīng)用范圍受到一定限制。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 離子束加工 —— 裝置組成 ? 與電子束加工裝置類似，它包括 離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源 等部分。主要不同的部位是離子源系統(tǒng)。 ? 離子源用以產(chǎn) 生離子束流。 具體辦法：把要電離的氣態(tài)原子（如氬等情性氣體或金屬蒸汽）注入電離室，經(jīng)高頻放電、電弧放電、 等離子體放電或電子轟擊，使氣態(tài)原子電離為等離子體（即正離子數(shù)和負(fù)電子數(shù)相等的混合體）。用一個相對于等離子體為負(fù)電位的電極（吸極），就可從等離子體中引出正離子束流。 ? 根據(jù)離子束產(chǎn)生的方式和用途的不同，離子源有很多型式，常用的有考夫曼型離子源和雙等離子管型離子源。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 考夫曼型離子源 l— 真空抽氣口 2— 燈絲 3— 惰性氣體注入口 4—電磁線圈 5— 離子束流 6— 工件 7—陰極 8— 引出電極 9— 陽極 10—電離室 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大、不斷創(chuàng)新。目前用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工有：用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工 ，用于給工件表面添加的 離子鍍膜加工 ，用于表面改性的 離子注入加工 等。 （ 1）刻蝕加工 離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射過程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的 。為了避免入射離子與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須用惰性元素的離子。氬氣的原子序數(shù)高，而且價(jià)格便宜，所以通常用氬離子進(jìn)行轟擊刻蝕。由于離子直徑很?。s十分之幾個納米），可以認(rèn)為離子刻蝕的過程是逐個原子剝離的，刻蝕的分辨率可達(dá)微米甚至亞微米級，但刻蝕速度很低，剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) （ 2）鍍膜加工 離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種 。離子鍍時工件不僅接受靶材濺射來的原子，還同時受到離子的轟擊，這使離子鍍具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 離子鍍的種類有很多，常用的離子鍍是以蒸發(fā)鍍膜為基礎(chǔ)的，即在真空中使被蒸發(fā)物質(zhì)氣化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子沖擊作用的同時，把蒸發(fā)物蒸鍍在基體上。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 3）離子注入 離子注入是向工件表面直接注入離子，可以注入任何離子，且注入量可以精確控制，注入的離子固溶在工件材料中，含量可以達(dá)到 10%至 40%，注入的深度可達(dá) 1微米。利用離子注入可以改變金屬表面的物理化學(xué)性能，改善金屬表面的抗腐蝕性、抗疲勞性、潤滑性能和耐磨性能。 超聲加工 超聲加工（ USM）又稱為超聲波加工。超聲波是指頻率超過人耳頻率上限的一種振動波，通常頻率在 16kHz以上的振動聲波就屬于超聲波。其特點(diǎn)是 頻率高、波長短、能量大 ， 超聲加工 是利用超聲波作為動力，帶動工具作超聲振動，通過工具與工件之間加入的磨料懸浮液（工作液與磨料的混合液）沖擊工件表面而進(jìn)行加工的一種成形方法。 超聲加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷。 超聲波加工基本原理 15工件 13工具頭 3冷卻水人口 4換能器 5勵磁線圈 6銀釬料接縫 7諧振支座 8冷卻水出口 12變幅桿 10磨料射流 11磨料懸浮液 14磨料粒子 16工件材料碎粒 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 超聲加工的特點(diǎn)和應(yīng)用 主要特點(diǎn) 1）適應(yīng)范圍廣。超聲加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆硬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料。 2）工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，使機(jī)床運(yùn)動簡化，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，操作維修方便 . 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 3）超聲加工時，工件表面宏觀切削力較小，使得切削應(yīng)力、切削熱較小，不會引起變形和表面燒傷等質(zhì)量問題，因此其加工精度和表面質(zhì)量較高，如超聲加工孔的尺寸精度可達(dá) ～ ，甚至更高，表面粗糙度值一般可達(dá) ～ 。 4）超聲加工生產(chǎn)效率一般較低。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 超聲波加工的應(yīng)用 ?型腔拋磨加工 用于淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模、塑料模具型腔的最終光整加工； ?超聲清洗 超聲波使液體分子往復(fù)高頻振動產(chǎn)生正負(fù)交變的沖擊波，使被清洗物表面的污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來；即使是被清洗物上窄縫、微小細(xì)孔、彎孔中得污物，也容易被清洗干凈。 ?超聲波復(fù)合加工 如超聲與電火花復(fù)合加工，電火花有效放電脈沖利用率可提高到 50%以上，提高生產(chǎn)率220倍。 振動切削 振動切削是在普通切削加工的基礎(chǔ)上，人為地給刀具或工件施加一個有規(guī)律的振動，改變了刀具和工件之間的瞬時運(yùn)動關(guān)系，使切削過程在動態(tài)下進(jìn)行的一種復(fù)合加工方法。從頻率方面把振動切削分為高頻振動切削（超聲波振動）和低頻振動切削兩種。 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 振動切削加工是在刀具或工件上附加一定可控的振動，使加工過程變?yōu)殚g斷、瞬間、往復(fù)的微觀斷續(xù)切削過程。在加工過程中對零件表面進(jìn)行 20220次 /秒的連續(xù)敲擊，即使是高硬材料，在如此高頻的振動敲擊下，一個很小的切削力也可將其瓦解，以撞擊方式將零件表面材料以微小顆粒形式分離出來，這種加工方式的效率要比傳統(tǒng)方式提高 5倍，零件表面光潔度 Ra＜，可加工 ，切削溫升低。故可保護(hù)刀具及延長壽命 原理 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 振動切削的效果 1）切削抗力顯著降低。 2） 加工精度明顯提高 。 3） 切削溫度顯著降低 。 4） 切削過程比較順利 。 5） 加工表面質(zhì)量可以得到改善 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 科學(xué)技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展，由毫米級、微米級繼而涉足納米級，人們把這個領(lǐng)域的技術(shù)稱之為微米 /納米技術(shù)（ Micro ＆ NanoTechnology）。作為本世紀(jì)出現(xiàn)的高技術(shù)，發(fā)展十分迅猛，并由此開創(chuàng)了納米電子、納米材料、納米生物、納米機(jī)械、納米制造、納米測量等等新的高技術(shù)群。 微米 /納米技術(shù) 第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù) 微米 /納米技術(shù) 研究技術(shù)途徑可分為兩類 :一種是分子、原子組裝技術(shù)的辦法 ，即把具有特定理化性質(zhì)的功能分子、原子、借助分子、原子內(nèi)的作用力，精細(xì)地組成納米尺度的分子線、膜和其他結(jié)構(gòu)，再由納米結(jié)構(gòu)與功能單元進(jìn)而集成為微米系統(tǒng)， 這種方法稱為由小到大的方法；另一種是用刻蝕等微細(xì)加工方法， 將大的材料割小，或?qū)F(xiàn)有的系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路中應(yīng)用的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化，這種方法亦稱為由大到小的方法 。目前，由大到小的方法是我們主要應(yīng)用的方法。 ? 微米技術(shù) 是指在微米級（ ～ 100μm）的材料、設(shè)計(jì)、制造、測量、控制和應(yīng)用技術(shù)。 （ 1）微小尺度的設(shè)計(jì)理論研究 研究重點(diǎn)應(yīng)包括：微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微光學(xué)等，并且注重現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法如 CAD技術(shù)、仿真與擬實(shí)技術(shù)等在微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 （ 2）微細(xì)加工技術(shù) 微細(xì)加工技術(shù)包含超精機(jī)械加工、 IC工藝、化學(xué)腐蝕、能量束加工等諸多方法 （ 3）精密測試技術(shù) 具有微米及亞微米測量精度的幾何量與表面形貌測量技術(shù)亦已成熟 ,目前密測試技術(shù)的一個重要研究對象是微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，如諧振頻率、彈性模量、殘余應(yīng)力的測試和微結(jié)構(gòu)的表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如微體缺陷、微裂縫、微沉積物的測試，由此出現(xiàn)了軟 X射線顯微鏡、掃描光聲顯微鏡等新技術(shù)。 （ 4）微系統(tǒng)技術(shù) 在研究微系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、測量的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外較廣泛地開展了微型傳感、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)、微電子信號處理等方面的研究工作，如已制作出微型力傳感器、微型泵、微電機(jī)等。下一階段的目標(biāo)是如何將微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、微電子信號處理電路等集成于一體，這種集成技術(shù)亦是建立