CN105328325A - 实现工件减阻的电子束表面加工方法和具有减阻表面的板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现工件减阻的电子束表面加工方法和具有减阻表面的板，其中的加工方法包括以下步骤：步骤1、使电子束在工件表面按照该扫描路径图形依次扫描，同时，沿垂直于工件表面上角形的排列方向以适当的速度移动工件；步骤2、重复步骤1，直至加工完成，该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱。该加工方法利用小功率高品质电子束高速扫描，通过扫描波形设计优化和工作台移动使工件表面形成类似鲨鱼皮的仿生微细形貌特征，该具有减阻表面的板改善了工件表面流场分布，实现了减阻效果，可用于飞行器、潜水器等航空航天船舶等重要领域。

Description

实现工件减阻的电子束表面加工方法和具有减阻表面的板

技术领域

本发明涉及电子束表面加工技术领域，具体的是一种实现工件减阻的电子束表面加工方法，还是一种由该电子束表面加工方法制成的具有减阻表面的板。

背景技术

现有的工件主要通过壁面开槽、加肋、布置旋流发生器等方法改变工件表面流场，实现减阻效果，但传统外形设计及宏观结构已经不能满足发展需求，而将工件表面加工成仿生微细结构进而实现减阻功能则具有更大的可行性和适用性，具有十分重大的意义。

目前，工件表面的仿鲨鱼皮三角形沟槽微细结构在流场中具有减阻功能，而传统的加工方法无法或很难实现金属工件表面精细形貌的加工。

发明内容

为了解决现有技术中无法在工件表面加工出仿鲨鱼皮的三角形沟槽微细结构的问题，本发明提供了一种实现工件减阻的电子束表面加工方法和具有减阻表面的板，该实现工件减阻的电子束表面加工方法利用小功率高品质电子束高速扫描，通过扫描波形设计优化和工作台移动使工件表面形成类似鲨鱼皮的仿生微细形貌特征，该具有减阻表面的板改善了工件表面流场分布，实现了减阻效果，可用于飞行器、潜水器等航空航天船舶等重要领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现工件减阻的电子束表面加工方法，包括以下步骤：

步骤1、使电子束在工件表面沿第一方向按照角形依次逐个的进行扫描，直至完成一排角形的扫描；同时，沿垂直于该工件表面上角形的排列方向移动工件；

每个所述角形均由两条侧边和两条侧边相交形成的三个端点组成，该三个端点中两条侧边相交形成的端点为顶点，另外两个端点均为底点，每个该角形的角平分线均垂直于该第一方向，该电子束在工件表面扫描每个该角形的顺序均为：从该角形的顶点开始沿着该角形的一个侧边扫描到达该侧边的底点后结束，然后再从该角形的顶点开始沿着该角形的另一个侧边扫描到达该另一个侧边的底点后结束；

步骤2、重复步骤1，直至该工件表面加工完成，在该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱。

一种实现工件减阻的电子束表面加工方法，包括以下步骤：

步骤1、使电子束在工件表面沿第一方向按照角形依次逐个的进行扫描，直至完成该一排角形的扫描；

每个所述角形均由两条侧边和两条侧边相交形成的三个端点组成，该三个端点中两条侧边相交形成的端点为顶点，另外两个端点均为底点，每个该角形的角平分线均垂直于该第一方向，该电子束在工件表面扫描每个该角形的顺序均为：从该角形的顶点开始沿着该角形的一个侧边扫描到达该侧边的底点后结束，然后再从该角形的顶点开始沿着该角形的另一个侧边扫描到达该另一个侧边的底点后结束；

步骤2、沿垂直于工件表面上该角形的排列方向移动工件；

步骤3、依次重复步骤1和步骤2，直至该工件表面加工完成，在该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱。

一种具有减阻表面的板，该板的表面具有上述的实现工件减阻的电子束表面加工方法形成的多个相互平行的条形凸棱。

本发明的有益效果是，该实现工件减阻的电子束表面加工方法利用小功率高品质电子束高速扫描，通过扫描波形设计优化和工作台移动使工件表面形成类似鲨鱼皮的仿生微细形貌特征，该具有减阻表面的板改善了工件表面流场分布，实现了减阻效果，可用于飞行器、潜水器等航空航天船舶等重要领域。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1为第一种扫描路径图形。

图2为第二种扫描路径图形。

图3为第三种扫描路径图形。

图4为电子束在工件表面加工的平面示意图。

图5为电子束在工件表面加工的立体示意图。

图6为电子束在具有减阻表面的板的表面加工出的条形凸棱的示意图。

其中1.条形凸棱，2.板，3.电子束。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种实现工件减阻的电子束表面加工方法，包括以下步骤：

步骤1、使电子束在工件表面沿第一方向A按照角形依次逐个的进行扫描(即如图1所示电子束在工件表面扫描一个角形留下的轨迹与该角形相同)，直至完成该一排角形的扫描，在电子束扫描的同时还要工件表面上沿第二方向B移动工件，该第二方向B为在工件表面上垂直于第一方向A的方向；

每个所述角形均由两条侧边和两条侧边相交形成的三个端点组成，该三个端点中两条侧边相交形成的端点为顶点，另外两个端点均为底点，每个该角形的角平分线均垂直于该第一方向，该电子束在工件表面扫描一个角形的顺序为：从该角形的顶点开始沿着该角形的一个侧边扫描到达该侧边的端点后结束(即电子束扫描了该侧边或线段)，电子束扫描一个角形留下的轨迹，然后再从该角形的顶点开始沿着该角形的另一个侧边扫描到达该另一个侧边的端点后结束(即电子束扫描了该侧边或线段)。

以图3、图4和图5为例进行详细说明，电子束3在工件表面按照图3所示的该扫描路径图形沿第一方向A依次扫描每一个角形，具体过程是：电子束3在工件表面从B1扫描至A1，然后电子束3从B1扫描至C1，然后电子束3从D1扫描至C1，然后电子束3从D1扫描至E1，然后电子束3从F1扫描至E1，然后电子束3从F1扫描至G1，以此循环扫描直至电子束3将图4和图5中下部的第一排角形全部扫描完毕，同时，在此过程中沿图4和图5中第二方向B移动工件。然后电子束3将进行第二排角形的扫描，具体是电子束3在工件表面从B2扫描至A2，然后电子束3从B2扫描至C2，然后电子束3从D2扫描至C2，然后电子束3从D2扫描至E2，然后电子束3从F2扫描至E2，然后电子束3从F2扫描至G2，以此循环扫描直至电子束3将第二排角形全部扫描完毕，在此过程中沿图4和图5中第二方向B移动工件。

由此可见，图3中的点A、B、C、D、E分别与工件表面第一排角形中的A1、B1、C1、D1、E1相对应，图3中的点A、B、C、D、E还分别与工件表面第二排角形中的A2、B2、C2、D2、E2相对应，如图4和图5所示。

步骤2、多次重复步骤1，直至该工件表面加工完成，在该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱1，如图6所示。

该实现工件减阻的电子束表面加工方法利用小功率高品质电子束高速扫描，通过扫描图形设计优化和工作台移动使工件表面形成类似鲨鱼皮的仿生微细形貌特征，进而改善工件表面流场分布，实现减阻效果，可用于飞行器、潜水器等航空航天船舶领域。

在步骤1之前，还包括在以X轴和Y轴为坐标轴的平面直角坐标系中设计出电子束的扫描路径图形，如图1至图3所示，该扫描路径图形为沿X轴方向排列的一排所述角形；这样，在步骤1中，电子束在工件表面将沿该角形的排列方向按照该扫描路径图形依次对每个角形进行扫描，每个所述角形的顶点的朝向均相同，即如图1至图3所示，每个所述角形的顶点可以朝向Y轴的正方向也可以朝向Y轴的负方向，即其中的一个角形既可以为角形ABC或角形CDE，也可以为角形BCD，如图3所示。在本实施例中，X轴与第一方向A相对应，Y轴与第二方向B相对，第一方向A即为该工件表面上角形的排列方向。

下面介绍可以用于制造类似鲨鱼皮的仿生微细形貌特征的电子束扫描路径图形，

第一种：该扫描路径图形由多个相同的循环单元组成，该循环单元的循环次数为m，无单位，该循环单元可以由一个角形和一条线段组成，如图1所示，该角形的至少一个底点位于该X轴，该线段与该角形的底点连接，并且该线段也位于该X轴。

该线段d的长度满足以下关系式：在该关系式中h为角形的高，单位为mm；α为该角形的两条侧边之间的夹角，单位为°；d为线段的长度，单位为mm。当d的数值为负时，表面图1中相邻的两个角形部分重合。

第二种：该扫描路径图形由多个相同的循环单元组成，该循环单元的循环次数为m，无单位，该循环单元可以由一个大角形和至少一个小角形组成，如图2所示，两种角形之间没有间距，该大角形的高大于小角形的高，该大角形的两个底点之间的距离大于小角形的两个底点之间的距离，该大角形的两个底点和小角形的两个底点均位于该X轴。图2中，h1为大角形的高，单位为mm；α为大角形的两条侧边之间的夹角，单位为°；h2为小角形的高，单位为mm；β为小角形的两条侧边之间的夹角，单位为°。

第三种：该扫描路径图形为沿X轴方向排列的一排角形，如图3所示，角形的数量为m，每个角形的大小和形状均相同，每个角形的底点均位于该X轴，其中h为角形的高，单位为mm；α为角形的两条侧边之间的夹角，单位为°。该情况是图1的一种特例，即图1中d的长度为0时，即为图3所示。

在实现工件减阻的电子束表面加工方法中，电子束的扫描路径由设计的该扫描路径图形决定。在工件的表面，该电子束在扫描一个角形时，该角形的侧边的长度为0.1mm～1.0mm。电子束扫描的能量输入由加速电压和束流决定，扫描速度u由扫描频率决定，为了实现较好的表面形貌，电子束的工作参数需和工件移动速度v相互匹配(当工件放在电子束加工设备的工作台时，工件和工作台同步移动)，在步骤3中，该工件的移动速度满足以下关系式：为这样电子束流扫描与工件(或工作台)移动相匹配的方式，可实现工件表面形貌加工均匀一致性好。

在该关系式中u为电子束的扫描速度，单位为mm/s；v为工件(或工作台)的移动速度，单位为mm/s；S为电子束扫描一排角形的路径的总长度，单位为mm；H为电子束在工件表面加工出的条形凸棱1的高度，即沿图6中第三方向C的高度，单位为mm。该第三方向C为垂直于工件表面的方向。其中关于“H”，不同的扫描路径图形，加工出的条形凸棱1的高度也不同。当出现两种(如图2所示)或以上尺度的角形扫描路径图形时，条形凸棱1将被相应的加工出两种或以上不同的凸棱高度。此时，这两种或以上不同的高度都要满足不等式一般而言，如图2中，大尺度高为h1的扫描波形加工出的凸棱高度H1更高，小尺度高为h2的角形波形加工出的凸棱高度H2小。针对图2这种情况，只要小尺度高为h2的波形扫描形成的凸棱高度H2满足不等式即可。

电子束扫描一排角形的路径的总长度S有三种表达式，图1中s的表达式为 $s=$ $m\×(d+\frac{2h}{cos\frac{\mathrm{\α}}{2}}),$ 图2中s的表达式为 $s=m\×(\frac{2h1}{cos\frac{\mathrm{\α}}{2}}+\frac{2h2}{\cos \frac{\mathrm{\β}}{2}}),$ 图3中s的表达式为 $s=m\×\left(\frac{2h}{cos\frac{\mathrm{\α}}{2}}\right).$

同时，该扫描路径图形中的参数设计可根据实际需要确定。如加工等尺寸角形沟槽，则可采用图1所示的扫描图形，沟槽微造型高度可以由电子束扫描的能量输入控制，在一定范围内，增加能量输入，则沟槽微造型高度随之增加，即条形凸棱的高度与电子束扫描的能量成正比；沟槽宽度可以由扫描图形中相邻角形的顶点位置间距控制，增加间距，则沟槽宽度增加。如加工二级微细结构形貌，可采用图2所示的扫描图形。并可根据需要，采取不同的参数组合，实现仿生微细形貌。通过设计和运用不同的角形扫描路径图形，可以实现角形沟槽微细形貌。

下面介绍该实现工件减阻的电子束表面加工方法的具体工作过程，该实现工件减阻的电子束表面加工方法在电子束加工设备上实施，该实现工件减阻的电子束表面加工方法的具体工作过程具体的包括以下步骤：

加工前的准备：

首先将试验板2放在电子束加工设备的工作台上，再将电子束加工设备准备就绪；

在电脑中用于普通的绘图软件设计出该扫描路径图形，如在以X轴和Y轴为坐标轴的平面直角坐标系中设计出电子束的扫描路径图形，该扫描路径图形为沿X轴方向排列的一排角形，见图3，该绘图软件可以为CAD或CAXA，设计图形时设定h＝0.34mm，α＝60°，d＝0，m＝100；

提取每个该角形的两条侧边上所有点的位置坐标；将该所有点的位置坐标数据传输至电子束加工设备的控制单元中；建立每个位置坐标数据与电子束加工设备的自身坐标系统之间的对应关系。将电子束设备工作电压加到150kv，并将阴极灯丝加热，调整聚焦电流为表面聚焦状态(约2300mA)。

步骤1、电子束加工设备选择上传的扫描路径图形的编号，按照合适速度，移动电子束加工设备的X轴，然后打开束流开关，调整合适的电子束的束流大小(约为1mA)，调节扫描频率使电子束扫描速度为200mm/s(11kHz)，图工作台沿图4和图5中第二方向B的移动速度为0.1mm/s，从CCD观察系统观察扫描过程。使电子束在工件表面沿该角形的排列方向按照该扫描路径图形依次对每个角形进行扫描，直至完成该一排角形的扫描；同时，沿垂第二方向B移动工件。

步骤2、多次重复步骤1，直至工作台移动到合适的时间后，该工件表面加工完成，关断束流，关闭扫描功能，该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱1，如图6所示。

本发明中未介绍的技术特征均可采用CN103111749A和CN101947688A中的技术方案，如本文中的电子束加工设备可以采用与CN103111749A和CN101947688A中相同的电子束加工设备，为了节约篇幅，本文不再详细介绍。

该实现工件减阻的电子束表面加工方法完成后能够得到一种具有减阻表面的板，该板2的表面具有多个相互平行的条形凸棱1，如图6所示。该板2为金属板，如钛合金板，多个条形凸棱1的断面形状与该扫描路径图形中一排角形的形状一一对应，但不是完全相同。因为凸棱1是高度方向形成的，角形是在平面方向上的扫描路径，两者的成形速度也不一样，所以断面形状与该扫描路径图形一般为对应相似，尺寸可以并不相同，该条形凸棱1的断面形状的高度为20um～200um，该条形凸棱1的断面形状的宽度为200um～600um，即图6中，该条形凸棱1断面的角形沿第三方向C的高度为20um～200um，该条形凸棱1断面的角形沿第一方向A的宽度为200um～600um。

实施例2

本实施例是实施例1的一种替代方案，本实施例中所述实现工件减阻的电子束表面加工方法包括以下步骤：

步骤1、使电子束在工件表面沿第一方向A按照角形依次逐个的进行扫描，直至完成该一排角形的扫描；

每个所述角形均由两条侧边和两条侧边相交形成的三个端点组成，该三个端点中两条侧边相交形成的端点为顶点，另外两个端点均为底点，每个该角形的角平分线均垂直于该第一方向，该电子束在工件表面扫描每个该角形的顺序均为：从该角形的顶点开始沿着该角形的一个侧边扫描到达该侧边的底点后结束，然后再从该角形的顶点开始沿着该角形的另一个侧边扫描到达该另一个侧边的底点后结束；

步骤2、沿垂直于工件表面上角形的排列方向(第二方向B)移动工件；

步骤3、依次重复步骤1和步骤2，直至该工件表面加工完成，在该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱1。

本实施例与实施例1的区别是，本实施例中，电子束的扫描工作和工件的移动均为间断的方式。而实施例1中电子束的扫描工作和工件的移动均为连续的方式，所以实施例1中的实现工件减阻的电子束表面加工方法的工作效率更高。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于，所述实现工件减阻的电子束表面加工方法包括以下步骤：

步骤1、使电子束在工件表面沿第一方向按照角形依次逐个的进行扫描，直至完成一排角形的扫描；同时，沿垂直于该工件表面上角形的排列方向移动工件；

每个所述角形均由两条侧边和两条侧边相交形成的三个端点组成，该三个端点中两条侧边相交形成的端点为顶点，另外两个端点均为底点，每个该角形的角平分线均垂直于该第一方向，该电子束在工件表面扫描每个该角形的顺序均为：从该角形的顶点开始沿着该角形的一个侧边扫描到达该侧边的底点后结束，然后再从该角形的顶点开始沿着该角形的另一个侧边扫描到达该另一个侧边的底点后结束；

步骤2、重复步骤1，直至该工件表面加工完成，在该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱(1)。

2.根据权利要求1所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于：在步骤1之前，还包括在以X轴和Y轴为坐标轴的平面直角坐标系中设计出电子束的扫描路径图形，该扫描路径图形为沿X轴方向排列的一排所述角形；

在步骤1中，电子束在工件表面沿该角形的排列方向按照该扫描路径图形依次对每个角形进行扫描，每个所述角形的顶点的朝向均相同。

3.根据权利要求2所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于：该扫描路径图形由多个相同的循环单元组成，该循环单元由一个角形和一条线段组成，该角形的至少一个底点位于该X轴，该线段与该角形的底点连接，并且该线段也位于该X轴；

该线段的长度满足以下关系式： $-2h\&times;tan\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}<d<2h\&times;tan\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2};$

在该关系式中h为该角形的高，单位为mm；α为该角形的两条侧边之间的夹角，单位为°；d为线段的长度，单位为mm；

优选该扫描路径图形为沿X轴方向排列的一排角形，每个角形的大小和形状均相同，每个角形的两个底点均位于该X轴。

4.根据权利要求2所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于：该扫描路径图形由多个相同的循环单元组成，该循环单元由一个大角形和至少一个小角形组成，该大角形的高大于小角形的高，该大角形的两个底点之间的距离大于小角形的两个底点之间的距离，该大角形的两个底点和小角形的两个底点均位于该X轴。

5.根据权利要求2所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于：该实现工件减阻的电子束表面加工方法在电子束加工设备上实施，该步骤1之前包括以下步骤：

用绘图软件设计出该扫描路径图形；提取每个该角形的两条侧边上所有点的位置坐标；将该所有点的位置坐标数据传输至电子束加工设备的控制单元中。

6.根据权利要求1所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于：在步骤1中，该电子束扫描出的一个角形的侧边的长度为0.1mm～1.0mm。

7.根据权利要求1所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于：在步骤1中，该工件的移动速度满足以下关系式：为

在该关系式中u为电子束的扫描速度，单位为mm/s；v为工件的移动速度，单位为mm/s；S为电子束扫描一排角形的路径的总长度，单位为mm；H为该电子束在工件表面加工出的条形凸棱(1)的高度，单位为mm。

8.一种实现工件减阻的电子束表面加工方法，其特征在于，所述实现工件减阻的电子束表面加工方法包括以下步骤：

步骤1、使电子束在工件表面沿第一方向按照角形依次逐个的进行扫描，直至完成该一排角形的扫描；

每个所述角形均由两条侧边和两条侧边相交形成的三个端点组成，该三个端点中两条侧边相交形成的端点为顶点，另外两个端点均为底点，每个该角形的角平分线均垂直于该第一方向，该电子束在工件表面扫描每个该角形的顺序均为：从该角形的顶点开始沿着该角形的一个侧边扫描到达该侧边的底点后结束，然后再从该角形的顶点开始沿着该角形的另一个侧边扫描到达该另一个侧边的底点后结束；

步骤2、沿垂直于工件表面上该角形的排列方向移动工件；

步骤3、依次重复步骤1和步骤2，直至该工件表面加工完成，在该工件表面形成多个相互平行的条形凸棱(1)。

9.一种具有减阻表面的板，其特征在于：该板(2)的表面具有权利要求1～8中任意一项所述的实现工件减阻的电子束表面加工方法形成的多个相互平行的条形凸棱(1)。

10.根据权利要求9所述的板，其特征在于：该板(2)为金属板，多个条形凸棱(1)的断面形状与一排角形一一对应，该条形凸棱(1)的断面形状的高度为20um～200um，该条形凸棱(1)的断面形状的宽度为200um～600um。