CN1792548B - 可控变形电子束精整加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可控变形电子束精整加工方法，由计算机控制系统，以及与该计算机控制系统连接的电子束发生装置、电磁线圈、偏转线圈和工作台控制系统，计算和控制电子束发生装置产生电子束的能量密度、照射次数和照射位置等工艺参数；计算机控制系统控制电子束发生装置产生的电子束的偏转量，根据工件的零件特征和加工要求确定电子束的照射位置、能量密度和照射次数；利用钼光阑获得所需的变形截面电子束，电子束截面形状可控，照射能量分布均匀，零件的表面应力低；还具有生产效率高、加工精度高、自动化程度高等优点；而且，加工后的模具和工件表面粗糙度有较大程度的降低，材料表面光滑，耐磨和耐腐蚀性能优良。

Description

可控变形电子束精整加工方法

技术领域

本发明涉及对金属零件的精整加工和表面改性方法，主要用于模具和工件表面的抛光；具体涉及一种新的可控变形电子束精整加工方法。

背景技术

切屑加工、电火花加工早已被广泛用于模具以及零件加工。由于加工精度、显微裂纹和白层等表面缺陷问题，模具和零件表面还需要最终抛光和表面精整处理后才能使用。

常见的材料表面精整加工方法包括磨床抛光、电解抛光、超声波抛光和手工抛光等。对于形状较为简单的模具也有使用机器人进行抛光的^[1]。手工抛光以其操作简单、成本低、可以抛光细小轮廓等优点成为主要手段，但手工抛光工序需要依靠熟练操作者的技能，表面质量不稳定，加工效率不高。电解抛光生产效率高，但抛光质量受原材料表面状态影响较大，抛光质量难以控制。超声波抛光比手工抛光效率高十多倍，且能抛光狭缝、深槽、不规则的圆弧及棱角等，但超声波抛光会产生“桔皮”状缺陷，模具形状越复杂，这一现象也越严重^[2，3]。

近十几年来，利用脉冲高能密束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面精整加工和改性得到了迅速发展。当高能量密度的射束作用到材料表面时，大量的能量会在短时间里沉积在材料表面的薄层中，被加热层的温度迅速升高，导致局部熔化、汽化等现象。当输入能量结束时，工件表面会急速冷却。经过这几个过程的综合作用，材料表面层的性质会发生明显地变化。这样就可以使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学或力学性质^[4，5]。

国内外利用电子束加工的技术主要包括：

①用电子束对模具实施高速抛光。日本沙迪克公司研制的电子束抛光装置是将电子束不聚焦而作成极粗状。通过放粗后，利用降低的单位面积电能使表面极浅层部分瞬间熔化。虽然表面层被瞬间熔化，但主体部分仍处于低温，所以熔化部分将被迅速冷却下来。其结果表面将被非晶化即非定形化，所形成的非定形化表面难以产生氧化，即不易生锈^[6，7，8]。

②利用电子束进行材料表面热改性处理。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室利用电子束能量瞬间沉积在材料次表层很小的区域内，从而使材料极快速地升温到相变温度或熔化温度以上，然后靠基体导热达到超高速冷却，使材料表层发生淬火效应，提高表面硬度及耐磨性等^[9]。

利用上述加工方法和表面改性技术，能够获得传统加工所不能达到的加工质量和材料表面性能。但其采用的圆形截面电子束加工，束斑重叠区域能量分布不均匀，材料表面应力集中，加工效率相对较低。此外，由于大面积照射的方式采用工作台运动方式，势必造成在相同尺寸加工能力的条件下，加工装置真空室的平面面积增加数倍，造成了不必要的浪费。所以需要寻找一种适合金属零件的电子束精整加工方法^[10]。

发明内容

针对现有电子束加工技术存在上述不足，本发明的目的是提供一种生产效率高、表面精整加工精度高，且表面应力分布均匀的可控变形电子束精整加工方法。

本发明的目的是这样实现的：可控变形电子束精整加工方法由计算机控制系统，以及与该计算机控制系统连接的电子束发生装置、电磁线圈、偏转线圈和工作台控制系统，计算机控制电子束发生装置产生电子束的能量密度、照射次数和照射位置等工艺参数；计算机控制系统执行如下步骤：

1)电子束发生装置产生的电子束，经过电磁线圈的作用汇聚成直径不小于50mm的电子束；2)根据工件的表面加工要求，改变偏转线圈的磁场大小，控制变形后的电子束的偏转量；3)根据工件的零件特征和加工要求确定电子束的照射位置、能量密度和照射次数，使模具或工件表面在电子束能量照射下局部熔化，保证电子束扫描过后，金属表面在整个基体的带动下迅速冷却，从而获得粗糙度低、表面应力均匀、耐磨和耐腐蚀性能优良的表面质量；4)在偏转磁场的作用下，仍超出偏转电子束照射范围时，控制系统驱动工作台进行补偿。

进一步的发明在于所述电子束经过具有一定截面形状的中空钼光阑，在出口形成具有相应截面形状的变形电子束；变形电子束的截面形状可为矩形、圆、椭圆或其它多边形，根据被加工模具或工件的表面形状和加工要求来确定。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、根据零件的表面状况、加工区域和加工要求，利用计算机控制获得加工路线、电子束偏转角度和照射次数等优化工艺参数，实现加工智能化；

2、利用偏转线圈产生磁场对电子束进行偏转控制，在一定范围内不需驱动工作台进行表面精整加工，加工效率高；

3、利用钼光阑获得所需的变形截面电子束，电子束截面形状可控，照射能量分布均匀，零件的表面应力低；

4、加工后工件的表面粗糙度有较大程度降低，材料表面光滑，耐磨和耐腐蚀性能优良。

附图说明

图1是本发明方法的方框流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明可控变形电子束精整加工方法，是基于电子束加工方法，通过计算机控制电子束的变形和偏转实现的。

如图1所示，本发明方法将加工任务输入计算机，由计算机控制系统控制与之相连的电子束发生装置产生电子束、经电磁线圈汇聚后变形，变形的束斑单元根据加工任务的照射次数、能量密度、照射位置等工艺参数进行处理；同时，指挥可控工作台移动进行补偿；最后结束任务。图中，实线表示流程，虚线表示硬件的连接关系(特别是计算机控制系统和整个流程的关系)。

具体方法如下：

1、电子束发生装置产生电子束，电子束经过电磁线圈的作用汇聚成直径不小于50mm的电子束；

2、电子束经过具有一定截面形状的中空钼光阑，在出口形成具有相应截面形状的变形电子束；变形电子束的截面形状可为矩形、圆、椭圆或其它多边形，根据被加工模具或工件的表面形状和加工要求来确定。

3、根据工件的表面加工要求，控制偏转线圈的磁场，控制变形后的电子束的偏转量；

4、根据工件的零件特征和加工要求确定电子束照射位置、能量密度和照射次数，使模具或工件表面在电子束能量照射下局部熔化，电子束扫描过后，金属表面在整个基体的带动下迅速冷却，从而获得粗糙度低、表面应力均匀、耐磨和耐腐蚀性能优良的表面质量；

5、在偏转磁场的作用下，仍超出偏转电子束照射范围时，控制系统驱动工作台进行补偿。

参考文献：

[1]宇野羲幸，冈田晃，薮下法康等，大面积脉冲电子束对模具的精整与表面改性.制造技术与机床，2004年第五期；

[2]赵建华，模具型腔的抛光，机械制造，1998年第7期；

[3]杨雪松，杨明，朱数敏，模具型腔复合抛光工艺规律研究，现代制造工程，2002(10)；

[4]郝胜智，钟溥，董闯.强流脉冲电子束材料表面改性技术，真空与低温，2001年9月第7卷第2期；

[5]Proskurovsky DI，Rotshtein VP，Ozur GE.Surface and Coatings Technology，1997，92

[6]岩波彻.现代金属加工技术，制造技术与机床，2004年第10期；

[7]大面积脉冲电子束对模具的精整与表面改性，日本电器加工技术，200年27卷(86期)；

[8]大面积电子束的模具竞价工技术，机械工人，2004(11)；

[9]Proskurovsky DI.J Vac Sci Technol A，1998，16(4)；

[10]王跃德，郭吉安，可控变形电子束材料表面精整加工方法及装置，科技查新报告，重庆大学教育部科技查新工作站，编号：2005234

Claims (2)

1.可控变形电子束精整加工方法，其特征在于，由计算机控制系统，以及与该计算机控制系统连接的电子束发生装置、电磁线圈、偏转线圈和工作台控制系统，计算和控制电子束发生装置产生电子束的能量密度、照射次数和照射位置工艺参数；该计算机控制系统执行如下步骤：

1)电子束发生装置产生的电子束，先经过电磁线圈的作用汇聚成直径大于50mm的电子束，然后再经过具有一定截面形状的中空钼光阑，最后在出口形成具有相应截面形状的变形电子束；

2)根据工件的表面加工要求，改变偏转线圈的磁场大小，控制电子束的偏转量；

3)根据工件的零件特征和加工要求确定电子束的照射位置、能量密度和照射次数，使模具或工件表面在电子束能量照射下局部熔化，保证电子束扫描过后，金属表面在整个基体的带动下迅速冷却，从而获得粗糙度低、表面应力均匀、耐磨和耐腐蚀性能优良的表面质量；

4)在偏转磁场的作用下，仍超出偏转电子束照射范围时，控制系统驱动工作台进行补偿。

2.根据权利要求1所述的可控变形电子束精整加工方法，其特征在于，所述变形电子束的截面形状可为矩形、圆形或椭圆。