CN103084726A - 一种电子束表面微造型的动态加工方法 - Google Patents

一种电子束表面微造型的动态加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种电子束表面微造型的动态加工方法，该方法是将电子束的高速扫描与工作台移动相结合，通过电子束扫描速度与工作台移动速度的匹配，实现金属材料的大面积表面形貌的制备，具有加工面积不受电子束偏转角度限制、加工表面均匀性好、连续性好、加工效率高的优点。

Description

一种电子束表面微造型的动态加工方法
技术领域
本发明是一种电子束表面微造型的动态加工方法，属于电子束表面加工技术领域。
背景技术
传统的表面处理方法大多局限于毛化技术领域，目前主要利用喷丸、电火花、激光等不同的加工技术实现，但毛化技术只能对材料表面进行粗糙化处理，产生凹坑和不规则突起等表面形貌，其中喷丸和电火花毛化技术所产生的形貌均匀性较差，形貌尺寸不可控，高度和密度也不可控，难以实现均匀的、规则的表面形貌制备，且加工效率较低、有粉尘污染，不利于环保。激光毛化技术所产生的表面形貌最大高度小于10微米，加工过程中可能导致表面形貌被环境气体污染。传统的电子束加工技术也可应用于表面加工领域，但其对电子束功率和扫描控制要求不高，加工精度不高，无法实现高效、均匀性较好的表面微造型制备。
目前已有针对传统表面处理方法的不足而开发的新型电子束表面微造型方法，是利用电子束的扫描，实现金属材料的表面形貌制备，然而，由于电子束偏转角度具有一定的限制，该方法无法实现大面积的表面形貌制备。如利用该方法通过拼接的方式实现大面积的表面处理，则表面均匀性和连续性较差，加工效率相对较低，无法满足加工要求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供一种电子束表面微造型的动态加工方法，其目的是将电子束的高速扫描与工作台移动相结合，通过电子束扫描速度与工作台移动速度的匹配，实现金属材料的大面积表面形貌的制备，具有加工面积不受电子束偏转角度限制、加工表面均匀性好、连续性好、加工效率高的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种电子束表面微造型的动态加工方法，该方法是利用小功率、高品质电子束，通过电磁场控制进行扫描，按一定的扫描轨迹(1)作用于金属表面，产生几微米到几百微米的微小突起，所述扫描轨迹(1)的排列方式为常规阵列或交错阵列，常规阵列是矩阵阵列的排列方式，相邻两行扫描轨迹(1)之间的行间距相等，相邻两列扫描轨迹(1)之间的列间距相等；交错阵列是在常规阵列基础上，插入扫描轨迹(1)，插入的每一个扫描轨迹(1)位于常规阵列相邻两行和相邻两列扫描轨迹(1)中间，其特征在于：该方法依据扫描轨迹(1)的两种排列方式分别如下：
1.1当扫描轨迹(1)的排列方式为常规阵列时，该方法的步骤为：
1.1.1准备电子束加工设备，该设备需满足：电子束功率为10～1000W，束流直径为0.3～0.7mm，电子束的扫描速度为0.1～5m/s，工作台可由电机驱动实现横向移动，移动精度为0.1mm/s，将工件放置于工作台上；
1.1.2用绘图软件编辑常规阵列，选取常规阵列的首列为常规扫描单元(2)，将常规扫描单元(2)上传到电子束加工设备的控制系统中；
1.1.3启动电子束加工设备，按常规扫描单元(2)的轨迹在工件表面待加工区的一端开始扫描，同时工作台横向移动，使电子束的扫描移向工件表面待加工区的另一端，电子束扫描速度u和工作台移动速度v应满足以下关系式
u/v=L/x
其中：L为常规扫描单元(2)的长度，x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离；
1.2当扫描轨迹(1)的排列方式为交错阵列时，该方法的步骤为：
1.2.1准备电子束加工设备，该设备需满足：电子束功率为10～1000W，束流直径为0.3～0.7mm，电子束的扫描速度为0.1～5m/s，工作台可由电机驱动实现横向移动，移动精度为0.1mm/s，将工件放置于工作台上；
1.2.2用绘图软件编辑交错阵列，该交错阵列相邻两列之间的距离d应满足以下关系式
d<0.5x
其中：x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离；
1.2.3选取交错阵列前端N列为交错扫描单元(3)，其中，N>1，N的取值为可通过平移复制形成该交错阵列的列数的最小值，将交错扫描单元(3)上传到电子束加工设备的控制系统中；
1.2.4启动电子束加工设备，按交错扫描单元(3)的轨迹在工件表面待加工区的一端开始扫描，同时工作台横向移动，使电子束的扫描移向工件表面待加工区的另一端，电子束扫描速度u和工作台移动速度v应满足以下关系式
u/v=L/x
式中：L为交错扫描单元(3)每一列的长度，x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离。
所述扫描轨迹(1)是等长线段的组合，该等长线段向中心汇集。
所述扫描轨迹(1)是阿基米德螺线、三角函数曲线或同心圆曲线中的一种或几种组合而成。
本发明技术方案的优点是实现了大面积金属材料的表面形貌制备。表面形貌均匀性较好、突起密度高度可控，由于可自动化控制，所以加工效率高，且避免粉尘危害，绿色环保，
附图说明
图1为扫描轨迹的排列方式为常规阵列的示意图
图2为扫描轨迹的排列方式为交错阵列的示意图
图3为扫描轨迹是等长线段的组合的示意图
图4为扫描轨迹是阿基米德螺线的示意图
图5为扫描轨迹是三角函数曲线的示意图
图6为扫描轨迹是同心圆曲线的示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1～2所示，该种电子束表面微造型的动态加工方法，该方法是利用小功率、高品质电子束，通过电磁场控制进行扫描，按一定的扫描轨迹(1)作用于金属表面，产生几微米到几百微米的微小突起，所述扫描轨迹(1)的排列方式为常规阵列或交错阵列，常规阵列是矩阵阵列的排列方式，相邻两行扫描轨迹(1)之间的行间距相等，相邻两列扫描轨迹(1)之间的列间距相等；交错阵列是在常规阵列基础上，插入扫描轨迹(1)，插入的每一个扫描轨迹(1)位于常规阵列相邻两行和相邻两列扫描轨迹(1)中间，其特征在于：该方法依据扫描轨迹(1)的两种排列方式分别如下：
1.1当扫描轨迹(1)的排列方式为常规阵列时，该方法的步骤为：
1.1.1准备电子束加工设备，该设备需满足：电子束功率为10～1000W，束流直径为0.3～0.7mm，电子束的扫描速度为0.1～5m/s，位于电子束加工设备真空室中的工作台可由电机驱动实现横向移动，移动精度为0.1mm/s，将TC4钛合金薄板放置于工作台上，然后对真空室抽真空；
1.1.2用绘图软件编辑常规阵列，选取常规阵列的首列为常规扫描单元(2)，将常规扫描单元(2)上传到电子束加工设备的控制系统中；
1.1.3启动电子束加工设备，设定加速电压为150kV，加热阴极灯丝，调整聚焦电流为表面聚焦状态（约2100mA），设定束流为2mA，电子束扫描速度为1000mm/s；
1.1.4设定工作台移动速度，电子束扫描速度u和工作台移动速度v应满足以下关系式
u/v=L/x
其中：L为常规扫描单元(2)的长度，等于50mm，x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离，等于1mm，据此设定工作台移动速度为20mm/s；
1.1.5工作台按照设定的速度横向移动，打开束流开关，从CCD观察系统观察扫描过程；
1.1.6扫描完成后，关断束流，关闭扫描功能；
1.1.7真空室放气，将试板拿出，通过检测，表面均匀性很好。
1.2当扫描轨迹(1)的排列方式为交错阵列时，该方法的步骤为：
1.2.1准备电子束加工设备，该设备需满足：电子束功率为10～1000W，束流直径为0.3～0.7mm，电子束的扫描速度为0.1～5m/s，位于电子束加工设备真空室中的工作台可由电机驱动实现横向移动，移动精度为0.1mm/s，将TC4钛合金薄板放置于工作台上，然后对真空室抽真空；
1.2.2用绘图软件编辑交错阵列，该交错阵列相邻两列之间的距离d应满足以下关系式
d<0.5x
其中：x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离，等于0.5mm，据此设定交错阵列相邻两列之间的距离d等于0.1mm；
1.2.3选取交错阵列前端N列为交错扫描单元(3)，其中，N>1，N的取值为可通过平移复制形成该交错阵列的列数的最小值，将交错扫描单元(3)上传到电子束加工设备的控制系统中；
1.2.4启动电子束加工设备，设定加速电压为150kV，加热阴极灯丝，调整聚焦电流为表面聚焦状态（约2100mA），设定束流为2mA，电子束扫描速度为1000mm/s；
1.2.5设定工作台移动速度，电子束扫描速度u和工作台移动速度v应满足以下关系式
u/v=L/x
式中：L为交错扫描单元(3)每一列的长度，等于50mm，x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离，等于0.5mm，据此设定工作台移动速度为10mm/s；
1.2.6工作台按照设定的速度横向移动，打开束流开关，从CCD观察系统观察扫描过程；
1.2.7扫描完成后，关断束流，关闭扫描功能；
1.2.8真空室放气，将试板拿出，通过检测，表面均匀性很好。
参见附图3～6所示，所述扫描轨迹(1)可以是等长线段的组合，该等长线段向中心汇集。所述扫描轨迹(1)可以是阿基米德螺线、三角函数曲线或同心圆曲线中的一种或几种组合而成。
与现有技术相比，本发明技术方案实现了大面积金属材料的表面形貌制备。表面形貌均匀性较好、突起密度高度可控，由于可自动化控制，所以加工效率高，且避免粉尘危害，绿色环保。

Claims (3)

1.一种电子束表面微造型的动态加工方法，该方法是利用小功率、高品质电子束，通过电磁场控制进行扫描，按一定的扫描轨迹(1)作用于金属表面，产生几微米到几百微米的微小突起，所述扫描轨迹(1)的排列方式为常规阵列或交错阵列，常规阵列是矩阵阵列的排列方式，相邻两行扫描轨迹(1)之间的行间距相等，相邻两列扫描轨迹(1)之间的列间距相等；交错阵列是在常规阵列基础上，插入扫描轨迹(1)，插入的每一个扫描轨迹(1)位于常规阵列相邻两行和相邻两列扫描轨迹(1)中间，其特征在于：该方法依据扫描轨迹(1)的两种排列方式分别如下：
1.1当扫描轨迹(1)的排列方式为常规阵列时，该方法的步骤为：
1.1.1准备电子束加工设备，该设备需满足：电子束功率为10～1000W，束流直径为0.3～0.7mm，电子束的扫描速度为0.1～5m/s，工作台可由电机驱动实现横向移动，移动精度为0.1mm/s，将工件放置于工作台上；
1.1.2用绘图软件编辑常规阵列，选取常规阵列的首列为常规扫描单元(2)，将常规扫描单元(2)上传到电子束加工设备的控制系统中；
1.1.3启动电子束加工设备，按常规扫描单元(2)的轨迹在工件表面待加工区的一端开始扫描，同时工作台横向移动，使电子束的扫描移向工件表面待加工区的另一端，电子束扫描速度u和工作台移动速度v应满足以下关系式
u/v=L/x
其中：L为常规扫描单元(2)的长度，x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离；
1.2当扫描轨迹(1)的排列方式为交错阵列时，该方法的步骤为：
1.2.1准备电子束加工设备，该设备需满足：电子束功率为10～1000W，束流直径为0.3～0.7mm，电子束的扫描速度为0.1～5m/s，工作台可由电机驱动实现横向移动，移动精度为0.1mm/s，将工件放置于工作台上；
1.2.2用绘图软件编辑交错阵列，该交错阵列相邻两列之间的距离d应满足以下关系式
d<0.5x
其中：x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离；
1.2.3选取交错阵列前端N列为交错扫描单元(3)，其中，N>1，N的取值为可通过平移复制形成该交错阵列的列数的最小值，将交错扫描单元(3)上传到电子束加工设备的控制系统中；
1.2.4启动电子束加工设备，按交错扫描单元(3)的轨迹在工件表面待加工区的一端开始扫描，同时工作台横向移动，使电子束的扫描移向工件表面待加工区的另一端，电子束扫描速度u和工作台移动速度v应满足以下关系式
u/v=L/x
式中：L为交错扫描单元(3)每一列的长度，x为工件表面加工后相邻两列微小突起之间的距离。
2.根据权利要求1所述的电子束表面微造型的动态加工方法，其特征在于：所述扫描轨迹(1)是等长线段的组合，该等长线段向中心汇集。
3.根据权利要求1所述的电子束表面微造型的动态加工方法，其特征在于：所述扫描轨迹(1)是阿基米德螺线、三角函数曲线或同心圆曲线中的一种或几种组合而成。
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