CN108063081A - 微细脉冲电子束抛光系统 - Google Patents

Abstract

一种微细脉冲电子束抛光系统，包括：依次相连的赝火花电子束源、真空舱和支撑平台，以及设置于真空舱内的静电聚焦系统、静电偏转系统和实现待抛光工件三个维度运动的运动平台，其中：待抛光工件设置于运动平台上，由赝火花电子束源产生电子束，经过静电聚焦系统形成小束斑的电子束，在静电偏转场的作用下电子束可以沿任意方向偏转，运动平台带动工件在三个方向运动，使电子束和待抛光工件表面形成相对运动，电子束到达工件表面后与工件表面层相互作用，实现工件表面的抛光。本发明采用具有更高优势的电子束‑基于赝火花放电机制的高频微细脉冲电子束以扫描方式进行辐照抛光。

Description

微细脉冲电子束抛光系统

技术领域

本发明涉及的是一种金属抛光领域的技术，具体是一种微细脉冲电子束抛光系统。

背景技术

在高精度模具和高推重比发动机核心零部件的制造中，机械加工所产生的完整性不佳而引起的微观缺陷从而导致寿命不理想的问题一直以来都是制造领域内的一大技术难题。而金属表面抛光作为表面精加工的最后一道工序，能够有效消除材料表面微裂纹和残余应力等微观缺陷，改善材料抗腐蚀性和耐磨性，提高使用寿命，因此高效率和高精度的金属表面抛光技术在复杂结构的金属模具制造领域内具有十分广阔的应用前景。

目前国内外常用的抛光方法主要有：以通过控制磨料与工件表面的物理作用对表面进行抛光处理的物理类抛光法；以及利用化学氧化剂的腐蚀作用或电解反应来降低表面粗糙度的化学类抛光法。

发明内容

本发明针对现有抛光技术难以达到加工的高精度和稳定性与一致性、工艺耗时长、在抛光过程中产生大量有毒有害金属粉尘及废液等缺陷，提出一种微细脉冲电子束抛光系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次相连的赝火花电子束源、真空舱和支撑平台，以及设置于真空舱内的静电聚焦系统、静电偏转系统和实现待抛光工件三个维度运动的运动平台，其中：待抛光工件设置于运动平台上，由赝火花电子束源产生电子束，经过静电聚焦系统形成小束斑的电子束，在静电偏转场的作用下电子束可以沿任意方向偏转，运动平台带动工件在三个方向运动，使电子束和待抛光工件表面形成相对运动，电子束到达工件表面后与工件表面层相互作用，实现工件表面的抛光。

所述的赝火花电子束源包括：依次连接的中空大法兰、绝缘陶瓷和盲法兰，以及设置于绝缘陶瓷两端的中空小法兰，其中：金属电极及其绝缘片设置于绝缘陶瓷的中部，中空电极及其密封圈对称设置于金属电极的两侧，通过接地的中空电极和多间隙结构的金属电极及其绝缘片赝火花放电产生的电子束，作为加工用的电子束源；通过接地的中空大法兰与真空舱相连，将产生的电子束用于金属表面处理。

所述的中空电极长度可调，从而可改变间隙数目，改变电子束的特性。

所述的中空电极之间设有无氧铜垫圈进行轴向定位，保证可靠地接触。

所述的静电聚焦系统包括：静电聚焦透镜，该静电聚焦透镜被安装在真空腔内部，且透镜的轴线与赝火花电子束源的轴线重合，通过控制聚焦的电压，可以调节聚焦后电子束的半径，使其满足束源和待抛光表面间的距离的要求。

所述的静电偏转系统包括：两对金属电极板，每对金属电极板产生的电场相互垂直，四块金属电极板所产生的电场重叠部分正对静电聚焦系统以及赝火花电子束源的输出端，通过在任意一块金属电极板上施加电压，可使电子束沿水平方向偏转。

所述的金属电极板为二折板结构。

所述的每对金属电极的两块静电偏转板采用对称供电，使偏转场的等位线关于真空舱轴线对称分布。

所述的运动平台包括：实现水平方向运动的第一平台和第二平台以及实现高度方向升降运动的第三平台，其中：由直线电机驱动的第一平台和第二平台设置于真空舱底板上方，由电缸驱动的第三平台设置于底板下方并通过底板与第二平台相连。

所述的第一平台和第二平台运动的最大速度为500mm/s，重复定位精度为±0.01mm，最大加速度为2G，行程均为170mm。

所述的第三平台的最大速度为200mm/s，重复定位精度为±0.01mm，最大加速度为0.5G，行程均为120mm。

所述的电缸上设有四根导杆作为辅助支撑轴，该导杆与第二平台相连以防止真空舱内平台的倾斜。

所述的运动平台最上方设有用于连接待抛光工件的T形槽工作台，该工作台的台面上设有两块用于装夹工件的夹具，从侧面固定工件，避免了对工件待抛光上表面的遮挡。

所述的支撑平台使用箱式结构，其四面可以打开，可以用于安置控制系统和必要的工具和配件。真空计显示部分。用于真空舱内运动平台直线电机冷却的水冷箱放置于支撑平台下面。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用赝火花放电电源作为电子束抛光系统的束源，能耗低且能够产生高频且频率可控的微细电子束，适于复杂零件的高效抛光。采用两对二折板结构的偏转电极对称供电，用做电子束的静电偏转，在提高偏转灵敏度的同时，一定程度上消除了偏转解聚现象。采用三轴运动平台，在真空腔内的两轴使工件可沿水平面以高加速度和高速度运动，提高加工效率；在真空腔外的轴通过有效的密封结构在不影响真空腔内真空度的情况下实现工件的升降运动，这种运动平台结构可提高真空腔的空间利用率，减小设备体积。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为微细脉冲电子束束源的一个具体实施例的剖面图；

图3为电子束静电聚焦装置的具体实施例的原理示意图；

图4为电子束静电偏转装置的具体实施例的原理示意图；

图5A、5B、5C为真空腔的具体实施例的示意图；

图6为运动平台的具体实施例的示意图；

图7为支撑平台的具体实施例的示意图；

图中：中空大法兰1、中空小法兰2、绝缘陶瓷3、中空阴极4、无氧铜密封圈5、盲法兰6、金属电极7、绝缘片8、中空阳极9、电子束抛光系统100、电子束束源组件200、电子束静电聚焦装置300、电子束301、静电聚焦透镜302、电子束静电偏转装置400、金属电极401、402、真空舱500、前侧舱门501、观察法兰502、KF法兰连接真空规管503、504、航插接口505、高压线支架506、放气口507、机械泵接口508、分子泵接口509、真空舱上观察窗520、左侧观察窗521、冷却系统接口522、运动平台600、第一平台601、第二平台602、第三平台603、真空舱底板604、导杆605、电缸轴606、T型槽工作台610、夹具611、612、挡板613、走线支架614、走线板615、616、支撑平台700、复合真空计701、水冷箱702。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种微细脉冲电子束抛光系统的一个具体实施概略图；该系统是利用一种在性能上具有更高优势的电子束-基于赝火花放电(Pseudosparkdischarge)机制的高频微细脉冲电子束以扫描方式进行辐照抛光的。

本实施例电子束抛光系统100包括：电子束束源组件200、静电聚焦系统(未显示)、静电偏转系统(未显示)、真空舱500、运动平台(未显示)、支撑平台700、抽真空泵(包括机械泵和分子泵，未显示)、以及水冷机(未显示)，其中：电子束束源200置于真空舱上方，束源内腔与其下方的真空腔500连通，使产生的电子束也处于真空环境中，静电聚焦系统和静电偏转系统依次布置在束源内腔的正下方，均处在真空环境中，电子束束源200与真空舱500通过法兰连接，且电子束束源200的中轴线与真空舱500的中轴线重合，运动平台的第一平台和第二平台置于真空舱500内部，且第一平台安装在第二平台上方，运动平台的第三平台处在真空舱500正下方，且穿过真空舱500底板与第二平台相连，真空舱500与支撑平台700通过法兰连接并固定，支撑平台700通过地脚螺栓与地面固定。

赝火花电子束源200具有能耗低、放电脉冲频率可控等优势。如图2所示，所述的赝火花电子束源200包括：依次连接的中空大法兰1、绝缘陶瓷3和盲法兰6，以及设置于绝缘陶瓷3两端的中空小法兰2，其中：金属电极7及其绝缘片8设置于绝缘陶瓷3的中部，中空电极4、9及其密封圈5对称设置于金属电极7的两侧，其中：金属电极7材料为铜，厚度为2mm，金属电极的中心孔直径为2mm，金属电极之间的间距即绝缘板8的厚度为2mm。均小于放电气压下的分子的平均自由程。该装置使用无氧铜密封圈5作为真空密封。由于无氧铜本身可具有一定压缩量，利用其对中空阴极(阳极)凸台进行轴向定位，同时也保证了中空阴极(阳极)与接电大法兰的可靠接触。

将赝火花电子束源200通过接地中空大法兰1通过螺纹连接与真空舱500相连。当绝缘陶瓷3内部充入一定量的惰性气体，并维持稳定的气压之后，在盲法兰1处接特定负高电压，中空法兰7接地，使得阴极腔内形成中空阴极放电，从而产生大量的电子经由靠近阴极腔的金属电极4射出。高能电子在极间电压的加速下，电子不断地通过各个金属极片和绝缘板之间的间隙，并最终到达阳极，并从束源200射出。高能电子的运动形成了虚阳极，造成最终的气体击穿，从而形成赝火花放电，高密度高能量的电子束从阳极孔射出。该电子束源200使用金属极片与绝缘片交错排列的8间隙结构，且通过改变中空阴极4和中空阳极9的长度，可增加间隙数，提高电子束的特性。多间隙的赝火花一方面可以提高极间击穿的电压，形成高能量的电子束，另一方面，多简写下的赝火花放电具有更大的电子束电流，同时赝火花产生的电子束具有很好的自聚焦作用。因此多间隙赝火花电子束源被用作加工用的电子束源。

在峰值电流400A、充电电压达到16KV时，赝火花电子束源产生的电子束到达工件表面的能量密度可达10⁹W/cm²。同时，电子束的频率可在100～1000Hz范围内调控，到达工件表面的电子束束斑直径在1～5mm，这种小直径高频率电子束抛光与大束斑辐照抛光相比在复杂零件的精细抛光上具有很大优势。

静电聚焦透镜302用于调节电子束在传输过程中的半径。如图3所示，由电子束束源200发出的电子束301在沿着真空腔500轴线方向运动时，由于粒子间库伦斥力的存在，电子束301会发生散焦，即电子束301直径扩大。在本发明中，静电聚焦透镜302被安装在真空腔500内部，且透镜302的轴线与真空舱500的轴线重合。通过静电聚焦透镜302时，电子束301粒子获得朝向系统轴的径向脉冲。结果，发散的电子束301被压缩成较小半径的电子束301，然后沿着真空舱500轴线方向运动到待抛光工件的表面。通过适当地控制聚焦的电压，可以调节聚焦后电子束的半径，使其满足长距离运输的需要，这里的长距离指的是束源和待抛光表面间的距离。

静电偏转装置用于实现电子束的灵活可控偏转。如图4所示，为保证电子束能在任何指定的方向偏转，静电偏转电场由位于电子束两边的两对金属电极401和402产生，并使每对产生的场是相互垂直的，两对金属电极401和402沿电子束传播方向按顺序逐个排列。为了在不减小最大偏转角的条件下得到最大的偏转灵敏度，本发明设计了二折板结构的金属电极对401和402。在第一对偏转板401上加偏转电压，可使电子束沿垂直方向偏转；在第二对偏转板402上加偏转电压，可使电子束沿水平方向偏转。为消除杂散场引起的非线性畸变以及一定程度上消除偏转解聚，每对金属电极的两块静电偏转板采用对称供电，使偏转场的等位线关于真空舱轴线对称分布。

真空舱500为电子束源和工件提供了真空环境。如图5A、5B、5C所示，所述的真空舱500用于提供电子束束源200、电子束聚焦系统300、电子束偏转系统400、电子束传播路径以及电子束和待抛光表面相互作用的真空环境。真空舱前侧舱门501用于工件的取放，舱门501上的观察法兰502为安装光学检测设备的接口。图中503和504为KF法兰连接真空规管，用于实时测量真空舱内的真空度，由于真空范围较大，且低气压下放电时要保证真空度的稳定，为此使用两个量程的真空计，503和504为两个不同量程的真空规管，503用来测量低真空，504用来测量高真空，而二者测量得到的数值用同一个复合真空计显示。图中505为航插接口，由于运动平台的电机在真空舱内，而电机驱动器在真空舱外，故需要用航插接口505进行电机和驱动器线路的转接。其中电机所用线缆需要满足系统所在真空度(10^-5torr)的要求，这里采用航空电缆。图中506为高压线支架，系统所用电源包含高压电源和低压电源，使用高压线支架结构可以使高压线与台体进行有效的隔离。图中507为放气口，每次更换工件或者开舱前需要先利用放气口对真空舱进行放气操作。图中508为机械泵接口，由于需要的真空度为10^-5torr，所以需要先用机械泵(未显示)将系统抽至真空度为10^-2torr。图中509为分子泵接口，分子扩散泵(未显示)用于进一步将系统真空度抽至10^-5torr。图中真空舱上观察窗520、左侧观察窗521、和右侧观察窗(未显示)为光学设备的接口(如光谱仪等)，用于加工过程的观察和测量。图中522为冷却系统接口，由于真空环境下，电机运行过程中产生的热量很难及时散出，因此将水冷机的水冷管通过冷却系统接口522与电机相连，电机内部有水冷通道，可以进行循环水冷。冷却系统接口522与电机之间的连接是通过软管，可以适应真空环境，并且不阻碍运动平台的运动。

运动平台600保证了工件相对于电子束源的高速运动。如图6所示，所述的运动平台600的第一平台601和第二平台602实现水平方向的运动，第三平台603实现高度方向的升降运动。604为真空舱底板，第一平台601和第二平台602在真空舱604底板上方，第三平台603在底板下方，并通过底板604与第二平台602相连。为满足真空舱500内真空度要求，第一平台601和第二平台602由可用于真空环境的直线电机驱动，两个平台601和602运动的最大速度为500mm/s，重复定位精度为±0.01mm，最大加速度为2G，行程均为170mm。第三平台603在真空舱外，由电缸驱动，最大速度为200mm/s，重复定位精度为±0.01mm，最大加速度为0.5G，行程均为120mm。与第三平台603的电缸所在轴平行的四根导杆605为辅助支撑轴，同电缸轴606一起连接到第二平台602上，目的是防止真空舱内平台的倾斜。电缸轴606和辅助支撑轴605穿过真空舱底板604与第二平台602连接，为保证真空舱内的真空度，在真空舱底板604的穿孔处做了有效密封。

所述的运动平台600最上方设有带有T形槽的工作台610，工作台的台面上有两块用于装夹工件的夹具611和612，这种夹具设计是通过夹持工件侧面的方式固定工件，在能够在有效夹持工件的同时，避免了对工件待抛光上表面的遮挡。电子束表面抛光是利用电子束与工件表面的热作用使工件表层熔融后快速凝固，在熔融过程中蒸发的材料如果附着在直线电机上，会降低直线电机的使用寿命，因此在工作台四周安装挡板613，有效阻止材料附着到下面的直线电机上。运动平台上装有1个10孔走线支架614和2个5孔走线板615和616，用于布置直线电机驱动线缆以及水冷管，防止线缆阻碍第一平台601和第二平台602的运动。直线电机上配置有水冷接口，可通过宝塔接头与水冷管连接。

如图7所示，所述的支撑平台700使用箱式结构，一方面提高整体的承载能力，另一方面箱式结构四面可以打开，可以用于安置控制系统和必要的工具和配件，减小了整体的体积，如复合真空计701就放置在箱式支撑平台的一个门上。用于真空舱内运动平台直线电机冷却的水冷箱702放置于支撑平台下面。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (11)

1.一种微细脉冲电子束抛光系统，其特征在于，包括：依次相连的赝火花电子束源、真空舱和支撑平台，以及设置于真空舱内的静电聚焦系统、静电偏转系统和实现待抛光工件三个维度运动的运动平台，其中：待抛光工件设置于运动平台上，由赝火花电子束源产生电子束，经过静电聚焦系统形成小束斑的电子束，在静电偏转场的作用下电子束可以沿任意方向偏转，运动平台带动工件在三个方向运动，使电子束和待抛光工件表面形成相对运动，电子束到达工件表面后与工件表面层相互作用，实现工件表面的抛光。

2.根据权利要求1所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的赝火花电子束源包括：依次连接的中空大法兰、绝缘陶瓷和盲法兰，以及设置于绝缘陶瓷两端的中空小法兰，其中：金属电极及其绝缘片设置于绝缘陶瓷的中部，中空电极及其密封圈对称设置于金属电极的两侧，通过接地的中空电极和多间隙结构的金属电极及其绝缘片赝火花放电产生的电子束，作为加工用的电子束源；通过接地的中空大法兰与真空舱相连，将产生的电子束用于金属表面处理。

3.根据权利要求2所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的中空电极长度可调，从而可改变间隙数目，改变电子束的特性。

4.根据权利要求2所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的中空电极之间设有无氧铜垫圈进行轴向定位，保证可靠地接触。

5.根据权利要求1所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的静电聚焦系统包括：静电聚焦透镜，该静电聚焦透镜被安装在真空腔内部，且透镜的轴线与赝火花电子束源的轴线重合，通过控制聚焦的电压，可以调节聚焦后电子束的半径，使其满足束源和待抛光表面间的距离的要求。

6.根据权利要求1所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的静电偏转系统包括：两对金属电极板，每对金属电极板产生的电场相互垂直，四块金属电极板所产生的电场重叠部分正对静电聚焦系统以及赝火花电子束源的输出端，通过在任意一块金属电极板上施加电压，可使电子束沿水平方向偏转。

7.根据权利要求6所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的金属电极板为二折板结构。

8.根据权利要求6所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的每对金属电极的两块静电偏转板采用对称供电，使偏转场的等位线关于真空舱轴线对称分布。

9.根据权利要求1所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的运动平台包括：实现水平方向运动的第一平台和第二平台以及实现高度方向升降运动的第三平台，其中：由直线电机驱动的第一平台和第二平台设置于真空舱底板上方，由电缸驱动的第三平台设置于底板下方并通过底板与第二平台相连。

10.根据权利要求1所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的运动平台最上方设有用于连接待抛光工件的T形槽工作台，该工作台的台面上设有两块用于装夹工件的夹具，从侧面固定工件，避免了对工件待抛光上表面的遮挡。

11.根据权利要求1所述的微细脉冲电子束抛光系统，其特征是，所述的支撑平台使用箱式结构，其四面可以打开，可以用于安置控制系统和必要的工具和配件。真空计显示部分。用于真空舱内运动平台直线电机冷却的水冷箱放置于支撑平台下面。