CN102064075A - 一种空腔类零件的腔内电子束加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束加工方法，具体涉及一种针对具有复杂形状空腔的零件的腔内加工方法，属于材料加工领域。包括确定腔内加工位置、计算磁场相关参量、布置磁场和加工处理四个步骤。本发明操作简单、易行，不会产生工业“三废”，对环境无污染，可以实现空腔类零件复杂形状的腔内加工，可以处理非磁性材质的材料，克服了公知技术中对被加工材料的限制。

Description

一种空腔类零件的腔内电子束加工方法

技术领域

本发明涉及一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，具体涉及一种针对具有复杂形状空腔的零件的腔内加工方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

目前，电子束加工技术的主要应用是电子束焊和电子束表面改性处理方面。经过多年的发展，电子束加工技术现已成为成熟的技术，处于平稳发展、扩大应用阶段。中国发明专利公开号CN1534732A公开了一种电子束处理方法及电子束处理装置，提供了一种经由甲烷气体将电子束照射在SOD膜上，从而抑制绝缘膜的k值恶化和耐药品性下降的电子束处理方法及装置。中国发明专利公开号CN1814819A公开了一种基于逐点扫描的电子束表面硬化方法，通过控制电子束在与待硬化工件表面几何相近的点阵中各点的驻留时间完成表面硬化处理，从而实现对复杂形状零件的表面局部热处理。中国发明专利公开号CN1648802公开了一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，提供了一种利用电子束固定不动，工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动装置。中国发明专利公开号CN101146383A公开了一种时域和空域可控的电子束加热方法，采用扫描轨迹采用X、Y、Z三维位移分量描述，通过编程实现对电子束聚焦值及束斑形状的控制，周期性的在三维空间内按设定的轨迹哈方式运动。以上电子束加工方法的实现需要专用的处理装置，并通过对电子束的编程控制实现，操作麻烦，工序复杂。

对于空腔类零件的内壁处理常采用冶金化学中的电镀类技术，例如中国发明专利公开号CN1227282A公开了一种铝合金发动机气缸内壁镍陶复合电镀工艺，中国发明专利公开号CN1936080A公开了一种消声器内壁的表面处理方法，但是上述两种方法容易产生废液，会造成环境污染等现象。中国发明专利公开号CN2581461Y公开了一种用于管状工件内表面激光强化的加工装置，中国发明专利公开号CN1563436A公开了一种用于管状工件内壁激光处理的加工装置，上述两种装置均采用光学镜筒将激光束引入工件内对内壁实现强化处理，所采用的方法仅限于对管状工件内表面的加工，且操作复杂，效率低下。

发明内容

本发明为了克服以上问题，提出一种空腔类零件的腔内电子束加工方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，采用电子束作为加工热源，在需加工的空腔类零件周围设计并布置满足特定条件的磁场，利用磁感应强度控制电子束的行进方向，从而实现空腔类零件复杂形状的腔内加工，其具体步骤为：

1)确定需加工的空腔类零件的腔内加工位置，即根据零件的加工要求，确定零件空腔内部需要进行加工处理的位置；

2)计算并确定待布置磁场的相关参量，为在需加工的空腔类零件周围布置磁场作准备，相关参量包括磁感应强度大小、磁场方向、磁场边界和圆周运动半径，具体包括以下过程：

2.1计算需加工的空腔类零件的腔内电子束速度。电子束是由电子枪中产生的电子，经加速、聚焦形成，电子束的运动速度即为电子的运动速度，根据能量守恒定律，有

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\mathrm{Eq}$

可计算得出

$v=\sqrt{2\mathrm{Eq}/m}$

其中，v为电子运动速度，m为电子质量，E为加速电压，q为电子电量；

2.2根据空腔类零件空腔内部需要加工处理的内壁位置和电子束入射位置选择电子束在磁场中做匀速圆周运动的运动半径R，R取值的大小决定了所需要的磁场宽度，磁场宽度过小或过大都不利于实际应用；

2.3计算电子束在待布置磁场中运动所需磁感应强度

B＝mv/Rqsinθ

其中，B为磁感应强度，θ为磁感应强度B与电子束运动方向夹角，m为电子质量，q为电子电量；

2.4根据空腔类零件的内部空腔需要加工处理的内壁方位，由左手定则确定磁场方向；

2.5计算待布置磁场的磁场边界，该的磁场宽度为圆周运动起点和终点沿电子束运动方向的距离，磁场长度至少为圆周运动起点和终点沿垂直于电子束运动方向的距离；

3)按照步骤2)计算的磁场参数在需加工的空腔类零件周围布置磁场，磁场一条边界位于电子束做圆周运动的起点处，相邻另一边界位于电子束圆周运动的终点处；

4)对空腔内部需要加工处理的内壁进行电子束加工处理，完成对需加工的空腔类零件的电子束腔内加工过程；

上述步骤3)中所述磁场可以为均匀磁场，也可以为非均匀磁场；

上述步骤4)中所述进行电子束加工处理的方法包括电子束焊接、电子束刻蚀、电子束重熔、合金化、电子束熔覆、表面强化和表面硬化等表面处理；

上述步骤2.3中计算电子束在待布置磁场中运动所需磁感应强度的原理为：由电子在磁场中的运动规律，得出电子束在磁场中受到的洛伦兹力F_洛为

F_洛＝Bqvsinθ

电子束由于在磁场中只受到洛伦兹力的作用而做匀速圆周运动，计算其向心力大小为

F_向＝mv²/R

其中F_向为电子束的向心力，R为圆周运动半径，m为电子质量；

由于电子束在磁场中受到的洛伦兹力与向心力大小相等，即

F_向＝F_洛

可推导得出电子束在磁场中运动所需磁感应强度大小

B＝mv/Rqsinθ

其中，B为磁感应强度，θ为磁感应强度B与电子束运动方向夹角，q为电子束电量。

有益效果

本发明的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，与同类技术相比具有以下优点：

(1)该技术的实现不会产生工业“三废”，对环境无污染；

(2)该技术的实现只需要设计并放置一个磁场，不需要额外的专用工装设备，操作简单，易行；

(3)该技术可以处理非磁性材质的材料，克服了公知技术中对被加工材料的限制；

(4)该技术可以实现空腔类零件复杂形状的腔内加工，克服了公知技术中只能对管状工件内可达位置的表面加工。

附图说明

图1是本发明采用实施例1方式的应用示意图；

图2是本发明采用实施例2方式的应用示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明不仅限于实施例所述的范围。

实施例1

一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，应用于管状零件内表面电子束熔覆处理，如图1所示，其步骤为：

1)确定需加工的空腔类零件的腔内加工位置，该管状零件内径为30mm，根据空腔类零件的加工要求，该零件的加工位置为管状零件内表面，要求进行电子束熔覆处理；

2)计算并确定待布置磁场的相关参量，包括磁感应强度大小、磁场方向、磁场宽度和圆周运动半径，具体包括以下过程：

2.1计算需加工的空腔类零件的腔内电子束的运动速度

$v=\sqrt{2\mathrm{Eq}/m}$

其中，v为电子束的运动速度，m为电子质量，E为加速电压；

2.2根据空腔类零件空腔内部需要加工处理的内壁位置和电子束入射位置选择电子束在磁场中做匀速圆周运动的运动半径R；

2.3计算电子束在待布置磁场中运动所需磁感应强度

B＝mv/Rqsinθ

其中，B为磁感应强度，θ为磁感应强度B与电子束运动方向夹角，q为电子电量；

2.4根据空腔类零件的内部空腔需要加工处理的内壁方位，由左手定则确定磁场方向；

2.5计算待布置磁场的磁场边界，该磁场宽度为圆周运动起点和终点沿电子束运动方向的距离；磁场长度至少为圆周运动起点和终点沿垂直于电子束运动方向的距离；

本实施例中，电子束运动方向与磁场方向垂直，因此磁感应强度B与电子束运动方向夹角θ＝90°，电子束加速电压E＝40Kv，工作距离200mm，电子束电量q＝10mA，圆周运动半径R＝6mm，计算出v＝1.2e8m/s，所需要的磁感应强度B＝0.11T，磁场方向为垂直纸面向外，磁场边界为宽6mm，长10mm的长方形区域；

3)按照步骤2)计算的磁场参数在需加工的空腔类零件周围布置磁场，磁场一条边界位于电子束做圆周运动的起点处，相邻另一边界位于电子束圆周运动的终点处。本实施例中匀强磁场的起始边界穿过电子束匀速圆周运动的圆心，水平放置，这样放置的好处是可以保证电子束行进方向改变后能够垂直作用在管状零件内表面，从而保证电子束熔覆处理的均匀性，提高熔覆质量；

4)对空腔内部需要加工处理的内壁进行电子束加工处理，完成对需加工的空腔类零件的电子束腔内加工过程。本实施例中需要对管状零件的内表面进行电子束熔覆处理，按照给定参数，控制转台进行旋转和上升运动，就可以完成整个管状零件内表面的电子束熔覆处理。

实施例2

一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，应用于壳体焊缝的内表面焊接，如图2所示，其步骤为：

1)确定需加工的空腔类零件的腔内加工位置，根据空腔类零件的加工要求，该壳体零件的焊缝为双面焊接，要求对壳体内部进行焊接，该壳体内径为40mm；

2)计算并确定待布置磁场的相关参量，包括磁感应强度大小、磁场方向、磁场宽度和圆周运动半径，具体包括以下过程：

2.1计算需加工的空腔类零件的腔内电子束的运动速度

$v=\sqrt{2\mathrm{Eq}/m}$

其中，v为电子束的运动速度，m为电子质量，E为加速电压；

2.2根据空腔类零件空腔内部需要加工处理的内壁位置和电子束入射位置选择电子束在磁场中做匀速圆周运动的运动半径R；

2.3计算电子束在待布置磁场中运动所需磁感应强度

B＝mv/Rqsinθ

其中，B为磁感应强度，θ为磁感应强度B与电子束运动方向夹角，q为电子电量；

2.4根据空腔类零件的内部空腔需要加工处理的内壁方位，由左手定则确定磁场方向；

2.5计算待布置磁场的磁场边界，该磁场宽度为圆周运动起点和终点沿电子束运动方向的距离；磁场长度至少为圆周运动起点和终点沿垂直于电子束运动方向的距离；

本实施例中，电子束运动方向与磁场方向垂直，因此磁感应强度B与电子束运动方向夹角θ＝90°，电子束加速电压E＝50Kv，工作距离300mm，电子束电量q＝20mA，圆周运动半径R＝10mm，计算出v＝1.3e8m/s，所需要的磁感应强度B＝0.08T，磁场方向垂直纸面向里，磁场边界为16mm的正方形区域；

3)按照步骤2)计算的磁场参数在需加工的空腔类零件周围布置磁场，磁场一条边界位于电子束做圆周运动的起点处，相邻另一边界位于电子束圆周运动的终点处。本实施例中匀强磁场的边界点位于匀速圆周运动的圆心处，水平放置，以保证电子束能够在行进方向改变90°后水平射出；

4)对空腔内部需要加工处理的内壁进行电子束加工处理，完成对需加工的空腔类零件的电子束腔内加工过程。本实施例中要对壳体内壁焊缝进行电子束焊接，按照给定参数，控制转台进行旋转，就可以完成壳体内表面的焊接。

由于壳体内部焊缝位置是传统的加工方法的不可达位置，因此难以进行双面焊接，而电子束前进方向可以通过磁场进行控制，具有很大的灵活性，可以方便的进行该位置的焊接处理。

Claims (10)

1.一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，加工对象为存在一定空腔的零件，其特征在于：采用电子束作为加工热源，在需加工的空腔类零件周围设计并布置满足特定条件的磁场，利用磁感应强度控制电子束的行进方向来实现空腔类零件复杂形状的腔内加工，其具体步骤为：

1)确定需加工的空腔类零件的腔内加工位置，即根据零件的加工要求，确定零件空腔内部需要进行加工处理的位置；

2)计算并确定待布置磁场的相关参量，参量包括磁感应强度大小、磁场方向、磁场边界和圆周运动半径，具体包括以下过程：

2.1计算需加工的空腔类零件的腔内电子束运动速度

$v=\sqrt{2\mathrm{Eq}/m}$

其中，v为电子束运动速度，m为电子质量，E为加速电压，q为电子电量；

2.2根据空腔类零件空腔内部需要加工处理的内壁位置和电子束入射位置选择电子束在磁场中做匀速圆周运动的运动半径R；

2.3计算电子束在待布置磁场中运动所需磁感应强度

B＝mv/Rqsinθ

其中，B为磁感应强度，θ为磁感应强度B与电子束运动方向夹角；

2.4根据空腔类零件的内部空腔需要加工处理的内壁方位，由左手定则确定磁场方向；

2.5计算待布置磁场的磁场边界，该的磁场宽度为圆周运动起点和终点沿电子束运动方向的距离，磁场长度至少为圆周运动起点和终点沿垂直于电子束运动方向的距离；

3)按照步骤2)计算的磁场参数在需加工的空腔类零件周围布置磁场，磁场一条边界位于电子束做圆周运动的起点处，相邻另一边界位于电子束圆周运动的终点处；

4)对空腔内部需要加工处理的内壁进行电子束加工处理，完成对需加工的空腔类零件的电子束腔内加工过程。

2.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为电子束表面焊接。

3.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为电子束表面刻蚀。

4.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为电子束表面重熔。

5.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为合金化。

6.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为电子束表面熔覆。

7.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为电子束表面强化。

8.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤4)中进行电子束加工处理的方法为电子束表面硬化。

9.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤3)中磁场为均匀磁场。

10.根据权利要求1所述的一种空腔类零件的腔内电子束加工方法，其特征在于：步骤3)中磁场为非均匀磁场。

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