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加工中心電子束加工


日期:2010年01月04 來(lái)源:沈陽(yáng)第一機(jī)床廠 關(guān)鍵字:加工中心
    高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束,對(duì)工件材料進(jìn)行去除加工的特種加工方法的總稱,高能束加工通常指激光加工、加工中心電子束加工和離子束加工。
    高能束加工是近幾十年來(lái)迅猛發(fā)展的高新技術(shù)之一,主要是指電子束加工、搖臂鉆床離子束加工和激光束加工,又稱“三束加7-'’。近幾年又出現(xiàn)的了高速水射流加工及電液束加工等。“三束加32'’的精度可達(dá)亞微米甚至分子或原子級(jí)的尺寸精度。下面簡(jiǎn)要介紹電子束、離子束加工的主要應(yīng)用。
    (一)電子束加工原理及特點(diǎn)    
    電子束加工在真空中進(jìn)行,其加工原理。由電子槍射出的高速電子束經(jīng)電磁透鏡聚焦后擊工件表面,在轟擊處形成局部高溫,使材料瞬時(shí)熔化和汽化,從而達(dá)到材料去除、連接或改性的目的。控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間,可達(dá)到不同加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理;使材料局加工中心部熔化就可進(jìn)行電子束焊接;提高電子束能量密度,使材料熔化和汽化,就可進(jìn)行電搖臂鉆床子束打孔、切割等加工;利用較低能量密度的電子轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理,即可進(jìn)行電子束光刻加工。
    電子束加工有如下特點(diǎn):電子束可實(shí)現(xiàn)極其微細(xì)的聚焦(可達(dá)0.11xm),可實(shí)現(xiàn)亞微米和毫微米級(jí)的精密微細(xì)加工;電子束加工主要靠瞬時(shí)熱效應(yīng),工件不受機(jī)械力作用,因而不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形:加工材料的范圍廣,對(duì)高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的材料以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料均可加工;電子束的能量密度高,如果配合自動(dòng)控制加工過(guò)程,加工效率非常高;每秒鐘可在0.1mm厚的鋼板上加工出3000個(gè)直徑為0.2mm的孔;電子束加工在真空中進(jìn)行,污染少,加工表面不易氧化,尤其適合加工易氧化加工中心的金屬及其合金材料,以及純度要求極高的半搖臂鉆床導(dǎo)體材料。
    (二)電子束加工的應(yīng)用范圍
    電子束加工可用于打孑L、切割、焊接、蝕刻和光刻等。
    1.高速打孔
    電子束打孔的孔徑范圍為0.02—0.003mm。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的冷卻孔和機(jī)翼吸附屏的孔,徑微小,孔數(shù)巨大,達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè),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.加工型孔
    為了使人造纖維的透氣性好,更具松軟和富有彈性,人造纖維的噴絲頭型孔往往設(shè)計(jì)成各種異型截面,這些異形截面最適合采用電子束加工。
    3.加工彎孔和曲面
    借助于偏轉(zhuǎn)器磁場(chǎng)的變化,可搖臂鉆床以使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)方向,可加工曲面和彎加工中心孔。此外,還可以利用電子束進(jìn)行焊接、切割、刻蝕、表面熱處理和光刻。由于電子束加工的成套設(shè)備價(jià)格昂貴,其應(yīng)用受到一定限制。
    4.電子束焊接
    電子束加工在我國(guó)始于20世紀(jì)60年代初,最初用于焊接與打孔。中國(guó)科學(xué)院電子研究所、電工研究所和原航天部502所在電子束焊接方面做出了卓有成效的貢獻(xiàn)。例如,中國(guó)科學(xué)院電子研究所利用微電子束在光電器件管殼封口、各種精密傳感器焊接及撓性陀螺框軸組件的焊接上均獲得成功。中國(guó)科學(xué)院電工研究所試制和生產(chǎn)了一批電子束焊機(jī),已應(yīng)用于汽車齒輪、機(jī)用鋸條、薄鋼帶等工業(yè)產(chǎn)品的加工中心焊接工藝中。原航天部502所在高溫耐熱合金及某些特殊零件的焊接上,也廣泛采用了電子束焊接技術(shù)。由于電子束焊接需在真空條件下進(jìn)行,受真空室空間大小的限制,工件及其焊接所需工裝夾具的尺寸必須小于真空室允許的尺寸;而且工件放人與取出時(shí),真空室要重新抽真空,輔助時(shí)間長(zhǎng),加工成本高,所以電子束焊接的應(yīng)用有一定的局限性。
    5.電子束刻蝕
    電子束刻蝕是最好的高分辨率圖形制作技術(shù),在實(shí)驗(yàn)室條件下,特征尺寸最高可達(dá)到2nm,在生產(chǎn)中特征尺寸一般可達(dá)到0.5-1p.m。電子束加工要在真空條件下進(jìn)行,因?yàn)樵谡婵窄h(huán)境中,電子能高速運(yùn)動(dòng),陰搖臂鉆床極不氧化,并可避免加工表面被蒸氣氧化。
    電子束刻蝕是利用電子束的化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行的。用功率密度相當(dāng)?shù)偷碾娮邮丈涔ぜ庸ぶ行谋砻妫?幾乎不會(huì)引起表面溫升,入射的電子與高分子材料的分子相碰撞時(shí),會(huì)使其分子鏈斷開(kāi)或重新聚合,從而引起高分子材料的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。利用這種效應(yīng),可以進(jìn)行電子束曝光。曝光主要有兩種:①電子束掃描型,將聚焦在11xm以內(nèi)的電子束在大約0.5—5mm范圍內(nèi)掃描,可以曝光出任意圖形;②縮小投影型電子搖臂鉆床束曝光,使電子束先通過(guò)掩膜板,再按1/5—1/10的比例縮小后,投影到電子束刻蝕劑上進(jìn)行大規(guī)模集成電路圖形曝光。

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