CN2923146Y - 可控变形电子束精整加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可控变形电子束精整加工装置，包括设于真空室顶部由电磁线圈、电子束发生装置、离子体、阳极构成的强流脉冲电子束装置，和设于真空室内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台；强流脉冲电子束装置的底部依次设有钼光阑和偏转线圈；电磁线圈、偏转线圈和可控工作台分别通过电磁线圈控制装置、偏转线圈控制装置和工作台控制系统与控制中心控制电路联接；利用钼光阑获得所需的变形截面电子束，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降低，材料表面光滑，耐磨和耐腐蚀性能优良。其设计合理、结构简单，具有较好的应用前景。

Description

可控变形电子束精整加工装置

技术领域

本实用新型涉及对金属零件的精整加工和表面改性处理的装置，主要用于模具表面的抛光；具体涉及一种新型可控变形电子束精整加工装置。

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，然而实际上，这些加工后的表面很少直接使用，为减小表面粗糙度值，去除显微裂纹和白层等表面缺陷，改善形状精度，需要最终抛光和表面精整处理工序。

现有技术中，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。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，没有经验的抛光工往往会在表面弄出“桔皮”状和凹痕来，而且需要花费很长的加工时间，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非常大，而且抛光效果还受到两极间距离、两极的大小、电解液温度和抛光时间多种因素的影响，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。但超声波使用也会产生“桔皮”状缺陷，模具形状越复杂，这一现象也越严重^[2，3]。高精度要求的零件通过这些加工方法有时很难达到相应精度要求，复杂型腔尤其突出，且采用这些加工方法进行加工后大多存在严重的残留应力。

利用电子束加工是解决上述问题的有效途径，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，以至导致熔化、汽化等现象。同时，由热膨胀引起的动态应力也会在整个材料中产生强烈作用。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]。

利用上述加工装置和表面改性技术，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装置^[10]。

实用新型的内容

针对现有电子束加工技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提出了一种生产效率高、加工精度高，且表面应力分布均匀的一种可控变形电子束精整加工装置。

本实用新型的目的是这样实现的：可控变形电子束精整加工装置，包括设于真空室顶部由电磁线圈、电子束发生装置、离子体、阳极构成的强流脉冲电子束装置，和设于真空室内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台；强流脉冲电子束装置的底部依次设有钼光阑和偏转线圈；电磁线圈、偏转线圈和可控工作台分别通过电磁线圈控制装置、偏转线圈控制装置和工作台控制系统与控制中心控制电路联接。

进一步的改进在于控制中心为计算机控制系统；所述钼光阑型腔截面形状为矩形、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；偏转线圈为两组相互垂直放置的激励线圈，缠绕方式为矩形、鞍形或喇叭形线圈分绕法。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

1、根据零件的表面状况、加工要求和加工区域，将需要加工的加工路线和加工质量，利用电脑计算电子束照射路线和照射次数，利用钼光阑获得所需的变形截面电子束；

2、利用偏转磁场线圈对电子束进行偏转控制加工进程，加工周期短，加工效率优，自动化水平高；

3、电子束截面形状可控，照射能量分布均匀，极大地减小零件的表面应力；

4、加工后模具和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；

5、设计合理、结构简单，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型可控变形电子束精整加工装置，包括设于真空室顶部由电磁线圈4、电子束发生装置5、离子体6、阳极7构成的强流脉冲电子束装置，和设于真空室10内底部的可控工作台14；可控工作台14设于强流脉冲电子束装置的下方；强流脉冲电子束装置的底部依次设有钼光阑2和偏转线圈1；强流脉冲电子束装置的电磁线圈4、偏转线圈1和可控工作台14分别通过电磁线圈控制装置8、偏转线圈控制装置9和工作台控制系统15与控制中心12控制电路连通。

在防辐射板的真空室10上设有抽真空装置11。图中，2是电子束，13是工件。

其中，由电磁线圈4、电子束发生装置5、离子体6、阳极7构成产生极粗电子束的强流脉冲电子束装置，可以采用俄罗斯的“Nadezhda-2”型强流脉冲电子束(HCPEB)装置或同类现有设备；强流脉冲电子束装置固定在真空室顶上，偏转线圈装在线圈骨架里并固定在真空室内壁；钼光阑固定在真空室内壁上。

偏转线圈1为两组相互垂直放置的激励线圈，缠绕方式主要为矩形、鞍形或喇叭形线圈分绕法，偏转线圈的安扎数、直径和绕法根据装置的加工能力定制。

本实用新型的控制中心12为具有计算机控制系统，根据加工要求利用计算机系统发出指令控制电磁线圈控制装置8、偏转线圈控制装置9和工作台控制系统15正常工作。钼光阑的型腔截面可为矩形、圆、椭圆或其他多边形，能根据被加工模具或工件的表面形状和加工要求来确定。

本实用新型基于可控变形电子束精整加工方法而设计，其使用方法和操作步骤如下：

1、首先，将工件13放在可控工作台14上，使之正对上方的电子束发生装置5；

2、使用抽真空系统11，将真空室10中的真空抽到符合加工要求的真空度；

3、根据工件13的零件特征和加工要求，控制中心12控制生成电子束的能量密度、照射次数和照射位置等相关参数；

4、启动电子束发生装置5使之产生电子，电子经过等离子体6、阳极7的作用，并利用控制中心12控制电磁线圈控制装置8指挥电磁线圈4汇聚形成直径不少于50mm的电子束斑，电子束经过具有一定截面形状的中空钼光阑2，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，能根据被加工模具或工件的表面形状和加工要求来确定；

5、根据控制中心12控制偏转控制装置9，使偏转线圈1产生相应磁场对变形后的电子束3进行可控偏转，偏转量根据工件的表面加工要求，改变偏转线圈的电磁场控制；

6、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，从而达到抛光和材料表面改性的目的；

7、在偏转磁场的作用下，仍超出偏转电子束照射范围时，由控制中心12控制工作台控制系统15指挥可控工作台14做水平方向的移动进行补偿。

采用本实用新型具有精度高、操作自动化程度高、加工周期短等优点，其不仅可用于零件表面精密加工，还可以应用于材料表面的改性。

Claims (4)

1、可控变形电子束精整加工装置，包括设于真空室(10)顶部由电磁线圈(4)、电子束发生装置(5)、离子体(6)、阳极(7)构成的强流脉冲电子束装置，和设于真空室(10)内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台(14)；其特征在于强流脉冲电子束装置的底部依次设有钼光阑(2)和偏转线圈(1)；电磁线圈(4)、偏转线圈(1)和可控工作台(14)分别通过电磁线圈控制装置(8)、偏转线圈控制装置(9)和工作台控制系统(15)与控制中心(12)控制电路联接。

2、根据权利要求1所述的可控变形电子束精整加工装置，其特征在于所述控制中心(12)为计算机控制系统。

3、根据权利要求1所述的可控变形电子束精整加工装置，其特征在于所述钼光阑(2)型腔截面形状为矩形、圆或椭圆形。

4、根据权利要求1所述的可控变形电子束精整加工装置，其特征在于所述偏转线圈(1)为两组相互垂直放置的激励线圈，缠绕方式为矩形、鞍形或喇叭形线圈。