精密加工高能束加工
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
25
2
2000
N2
1
2000
《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
6现代加工技术-高能束流加工技术
第六章 高能束流加工技术
6.1 激光加工技术
6.2 电子束加工技术
6.3 离子束加工技术 6.4 水射流及磨料射流加工技术
现代设计与集成制造技术教育部重点实验室
6.1 激光加工技术
6.1.1 激光及激光加工原理
1、激光 自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式， 前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。 原子由原子核和电子组成。电子在靠近原子核最近的轨道 上运动时是最稳定的，这时原子所处的能级状态称为基态。当 外界传给原子一定的能量，原子的内能增加，外层电子的轨道 半径增大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。被激发到 高能级的原子不稳定，从高能级回落到低能级的过程，称为“ 跃迁”。 一般处于激发状态的各种高能级的原子停留时间一般都较 短，在0.01us左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级却 有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳态能级。 如氦原子、二氧化碳分子以及钕离子等具有亚稳态能级。亚稳 态能级的存在是形成激光的重要条件。
现代设计与集成制造技术教育部重点实验室
6.2 电子束加工
6.2.1 电子束加工原理 电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热 效应或辐射化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子 束加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非 热加工两类。 1、电子束热加工 通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞 离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦 ，形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当 它冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑 直径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在 几分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸 发而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法， 被称为电子束热加工。
高能束加工1
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
高能束加工
电子束加工
电子束非热加工
电子束非热加工是基于电子束的非 热效应，利用功率密度比较低的电子束 和电子胶（又称电子抗蚀剂，由高分子 材料组成）相互作用，产生的辐射化学 或物理效应。
电子束热加工
通过加热发射材料产生电子，在热 发射效应下，电子飞离材料表面。在强 电场作用下，热发射电子经过加速和聚 焦，形成高速电子流。通过一级或多级 会聚产生高能束流，当它冲击工件表面
先进制造系统
主要功能： • 高压/磨料水射流切割，用高速密集的水射流对物体进行切割。
•统
水喷射加工样件
切割大理石
加工的零件
先进制造系统
先进制造系统
水喷射加工的特点:
适用范围广。既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料。 加工质量高。切缝窄（约为0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口质量好，几乎
Water Jet），它是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，使其与高压水 进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流 来说，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以切割一切硬质材料。
先进制造系统
水喷射加工系统组成： 增压系统-供水系统-增 压恒压系统-喷嘴管路系统数控工作台系统-集水系统水循环处理系统。 如果是磨料射流加工 装置，则还有磨料与水的混 合系统。
激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因素很多。
先进制造系统
电子束加工
电子束加工原理：
电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使
其产生热效应或辐射化学和物理效应，以达到 预定的工艺目的。
电子束加工根据其所产生的效应可分为： 电子束热加工和电子束非热加工
电子束加工的原理图
高能束流加工技术的现状及发展
高能束流加工技术的现状及发展一、引言高能束流加工技术是一种先进的制造加工技术，其利用高能束流对材料进行加工处理，可以实现高精度、高效率、低损伤的加工效果。
随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，高能束流加工技术已经成为了当前最具前景和潜力的制造加工技术之一。
二、高能束流加工技术的基本原理1. 高能束流的产生高能束流包括电子束、离子束和激光束等。
其中，电子束和离子束是通过电子枪或离子源产生，并通过磁场聚焦形成细小且密集的束流；激光束则是通过激光器产生，并通过透镜系统聚焦形成极小直径的光斑。
2. 高能束流与材料相互作用当高能束流与材料相互作用时，会发生以下几种物理过程：撞击效应、热效应、化学效应和辐射效应。
其中，撞击效应主要指由于高速粒子与固体表面发生碰撞而导致表面变形或破裂；热效应主要指由于高能束流的能量被转化为材料内部的热能而导致材料熔化或蒸发；化学效应主要指由于高能束流与材料发生化学反应而导致表面化学性质的改变；辐射效应主要指由于高能束流所产生的辐射而导致材料受到辐射损伤。
3. 高能束流加工技术的基本过程高能束流加工技术包括预处理、加工和后处理三个基本过程。
其中，预处理主要是对待加工材料进行表面清洗和处理，以确保其表面光洁度和化学性质符合加工要求；加工过程则是将高能束流对材料进行精细加工，包括切割、打孔、雕刻等多种形式；后处理则是对已经完成的产品进行表面处理和质量检测，以确保其符合产品标准。
三、高能束流加工技术在各领域中的应用1. 航空航天领域在航空航天领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造发动机喷口、涡轮叶片等关键部件。
这些部件需要高精度、高强度和高温性能，而高能束流加工技术可以实现对这些部件的精细加工和表面处理，提高其性能和寿命。
2. 电子信息领域在电子信息领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造微电子器件、光学器件等高精度产品。
这些产品需要极高的精度和表面光洁度，而高能束流加工技术可以实现对这些产品的微米级别加工和表面处理。
5高能束加工
• 离子束加工的特点
• （1）易于精确控制 • 可以聚焦到毫微米（0.001μm）级的加工精度，离子镀可以 控制在亚微米级精度，离子注入也可以精确的控制。 • 可以这样说，离子束加工是所有特种加工方法中最精密，最 精细的加工方法，是当代毫微米级加工（纳米加工）技术的 基础。 • （2）加工时产生的污染小 • 由于离子束加工是在真空中进行的，所以污染少。特别适合 易氧化的金属、合金材料和高纯度的半导体材料的加工。 • （3）加工应力小、变形极小、对材料适应性强。 • 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种 微观作用，宏观压力很小，所以加工应力，热变形极小。加 工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。 • （4）离子束加工设备的费用高，成本高，加工效率低，因 此应用范围受到一定的限制。
旁热阴极 控制栅极 加速阳极
聚焦系统
电子束斑点
工件
工作台
电子束加工原理图
• 电子束加工的物理过程
• 可以这样来认为：当入射的电子束与工件表面的原子相互作用时 ，将冲击能量转换成热能，加热被冲击部位。温度迅速升高到熔 点或沸点以上，使材料局部熔化、蒸发或成雾状粒子飞散、喷射 出来。随着孔不断加深，电子束冲击点也越深入。由于孔的内侧 壁对电子束产生“壁聚焦”，所以加工点可达很深，从而可打出 深径比很大微孔。 • 电子束加工的另一种是利用电子束流非热效应。功能密度较小的 电子束流和电子胶(又称电子抗蚀剂)相互作用，电能转化为化学 能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新 组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。
• 注：电子束曝光 用具有一定能量的电子束照射抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生 图形的一种微细加工技术。对于正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被 溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反。这样就在 抗蚀剂中形成了需要制作的图形，电子束曝光有扫描和投影两种工作方式。扫描电子 束曝光机是实现亚微米图形加工的最重要的一种设备，是研制微电子器件，特别是大 规模、超大规模集成电路的一项关键技术。
(新)高能量束加工原理_
6.5 放電加工(EDM)(續)
6.5 放電加工(EDM)(續)
放電加工的優點： 可加工任何可導電的工件材料，尤其適用於 難切削材。 各種複雜形狀、細小圓孔、深孔、薄片工件， 和易碎材料等都可用此法加工製造。 加工過程中不會產生切削力所引起的殘留應 力或變形。 電極工具可採用較軟且易於加工之良導電性 材料，例如銅、石墨、黃銅、鋼、鋅合金或 鋁合金等。
6.2 雷射束加工(LBM)
以閃光燈等幫泵能源對雷射工作介質作用 並激發出雷射。 具高能量且高平行度的單色光，當其聚集 於極小的光點時，可瞬間產生大量熱能並 形成高溫使材料急速熔化。
雷射可調整其光束的大小，應用於切割、 鑽孔、銲接、刻字和熱處理等。
6.2 雷射束加工(LBM)(續)
雷射的工作物質有固態、液態和氣態。
產生光波的形式可分為脈衝式和連續式。
影響雷射加工效果的因素包含雷射本身功 率等特性、輔助氣體、工件表面的反射率 和熱傳導等性質。
6.2 雷射束加工(LBM)(續)
雷射加工具有電子束加工的優點： 但不需在真空中才能進行加工。
又能對雷射可穿透之透明容器內的工件進 行加工。 故應用範圍廣，且操作及控制也較簡單。
6.5 放電研磨加工 (EDG)(續)
可用於半導體產業中之光罩的製作，也可 對任何材料加工，但鑽石是唯一的例外。
6.3 電子束加工(EBM)(續)
對工件很少造成熱應力或殘留應力等不良 副作用，沒有工具損耗的問題，易於實現 自動化生產。 缺點則為設備昂貴，會產生有害的X-射線， 且工件大小受到真空室空間之限制。
6.4 電漿電弧加工 (PAM)
介電液一般用去離子水。
電極線材料有銅、黃銅、鎢或鉬等，由上 往下垂直運動進行切削且使用後即丟棄。
高能束加工图文详解
（4） 加工精度高，质量好。
（5）
加工效率高，经济效益好。
（6）
能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大 优势。
四、激光加工设备
1. 激光器
4. 机械系统
拓展提高
1.数控化和综合化
把激光与数控技术，光 学技术或高精度、自动化的 工件装卸、定位系统结合， 研制和生产各种加工中心， 已成为激光加工设备发展的 一个重要趋势。
拓展提高
2.典型的离子束加工机床
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机
拓展提高
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机的主要参数
（2）污染少。
二、离子束加工
考 夫 曼 型 离 子 源 示 意 图
3.离子束加工装置
1—真空抽气孔； 2—灯丝； 3—注入孔； 4—电磁线圈； 5—离子束流； 6—工件； 7—阴极； 8— 9—阳极； 10—电离室
拓展提高
1.典型的电子束加工机床
EB300 型电子束加工机床
拓展提高
EB300 型电子束加工机床的主要参数
4
2
束斑极小。
5
1
无污染。
6
加工的局限性。
7
一、电子束加工
电 子 束 加 工 装 置 的 基 本 结 构
3.电子束加工装置
一、电子束加工
电子枪
真空系统 真空系统
1）
2）
控制系统
3）
电源装置
4）
二、离子束加工
1.离子束加工原理
二、离子束加工
（3）加工应力小、变形小。
2.离子束加工特点
（1）易于精确控制，加 工精度高。
二、激光的产生及特性
光的受激辐射
高能束流加工技术的应用与发展
高能束流加工技术的应用与发展高能束流(High Energy Density Beam)加工是利用高能量密度的束流(激光束、电子束、等离子束)作为热源,对材料或构件进行特种加工的技术. 20世纪以来，航空科学技术迅速发展，为保证在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作可靠性，在飞机、发动机和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件，这就使产品的制造性日趋恶化，对制造技术不断提出新的挑战。
鉴于对有特殊要求的零件用传统机械加工方法很难完成，难于达到经济性要求。
现在，工艺师们独辟蹊径，借助各种能量形式，探寻新的工艺途径，各种异于传统切削加工方法的新型特种加工方法应运而生，如高能束流加工、电火花加工、电解加工、化学加工、物料切蚀加工以及复合加工。
目前，特种加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支，在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。
1.现代特种加工技术的特点及发展趋势1.1特种加工技术的特点现代特种加工（SP,Special Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。
与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。
① 以柔克刚。
因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。
② 用简单运动加工复杂型面。
特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。
特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。
③ 不受材料硬度限制。
因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。
它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。
其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此， 特别适用于航空产品结构材料的加工。
先进制造技术之高能束及快速成型
电子束焊接
层流等离子喷涂
离子束工主要特点如下： 1.加工的精度非常高。 2.污染少。 3.加工应力、热变形等极小。 4.离子束需真空系统、加工设备费用高、 成本贵、加工效率低。
5.电子束加工需要一整套专用设备和真空系 统，价格较贵。
电子束加工的特点 1.是一种精密微细的加工方法。 2.非接触式加工，不会产生应力和变形。 3.加工速度很快，能量使用率可高90％。 4.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面 不氧化
班级 姓名
先进加工技术
激光加工技术 高能束加工技术 快速成形制造技术
激光加工技术
激光的本质：受激辐射放大
E
外来能量激发，原子由基态跃迁到激发态。 处于激发态的原子不稳定，在外来辐射作用下， 发射一个光子并由激发态跃迁到基态。 受激辐射出的光子又激发另外的原子受激辐射， 光得到放大，且具有方向性。
搭建在一根头发上的体育场馆
采用离子束加工技术
快速成形制造技术
快速成形制造技术
是20世纪80年代末90 年代初兴起并迅速发展 起来的新的先进制造技 术。是由CAD模型直接 驱动的快速制造任意复 杂形状三维物理实体的 技术总称。
基本过程是：
设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD 模型）； 根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系 列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散 （习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系 列的层片； 根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成 数控代码； 由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得 到一个三维物理实体。
激光加工技术的基本原理
• 激光加工及改变材料的表面性质，从而达到加工的目的。
激光加工技术的应用
高能束加工及其前景
高能束加工及其前景张炳生中恒数控设备制造有限公司高能束加工的概念高能束加工出现于上世纪60 ～70 年代，以解决复杂形状、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题以及高强度、高硬度、高韧性和高脆性材料的加工。
利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工，将光、电、磁、水等物理能及化学能或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能。
高能束加工去除材料的机理主要不是依靠机械能，工件和工具都不承受明显的切削力，从而使得工件的加工变形和加工应力小，整体发热少、热变形小，易于获得好的加工质量。
在机械制造领域，应用比较广泛而有发展前景的高能束加工主要有两种：激光加工和离子束加工。
图1 LaserTec 80 系列激光加工机床的外观激光是一种受激辐射而得到的加强光。
由于其强度高、亮度大，波长频率确定、单色性好，相干性好、相干长度长，方向性好、几乎是一束平行光，聚焦后能够将能量集中在一点。
当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个锥孔。
将激光束聚焦于工件的不同深度就形成不同的激光加工工艺，如热处理、标记和纹理等表面加工、焊接、切割、打孔和铣削等。
离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满隋性气体（氩气）的电离室中，使隋性气体离子化，由负极引出阳离子，又经加速、集束等步骤，将获得具有一定速度的离子投射到材料表面（或被导入的高硬度金属粉末）上，产生溅射效应和注入效应。
由于离子带正电荷，其质量比电子大数千到数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，产生非常高的温度效应（30 000?K）。
因此，离子束加工的实质是靠微观撞击能量来实现的。
激光加工设备和工艺激光加工包括激光板材切割、复杂零件的打孔和铣削。
高能束流加工技术
高能束流加工技术高能束流(High Energy Density Beam)加工技术是利用激光束、电子束、离子束和高压水射流等高能量密度的束流(其中高压水射流是冷切割加工技术)，对材料或构件进行特种加工的技术。
它的主要技术领域有激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术以及高能束流复合加工技术等。
它包括焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等，用于加工制造具有先进技术指标的构件或制备新型材料。
高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域，是当今世界高科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿。
它具有常规加工方法无可比拟的优点。
①能量密度极高，可以实现厚板的深穿透加工、焊接和切割，一次可焊透300mm厚的钢板。
②可聚焦成极细的束流，达到微米级的焦点，用于制造微孔结构和精密刻蚀。
③可超高速扫描(速度达900m／s)，实现超高速加热和超高速冷却(冷却速度达104℃/S)，可以进行材料表面改性和非晶态化，实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属基复合材料的制备。
④能量密度可在很大范围内进行调节，束流受控偏转柔性好，可进行全方位加工。
⑤适合于金属、非金属材料加工，可实现高质量、高精度、高效率和高经济性加工。
随着航空航天、微电子、汽车、轻工、医疗以及核工业等的迅猛发展，对产品零件的材料性能、结构形状、加工精度和表面完整性要求越来越高，传统的机械加工方法在高技术制造领域所占比重日益减少，高能束加工方法得到了广泛的应用。
例如，把高能束加工技术的深穿透特点用于重型装备厚壁结构、压力容器、运载工具、飞行器的焊接；把精密控制的微焦点高能量密度的热源用于微电子和精密器件的制造，高质量、高效率地实现超大规模集成元件、航空航天航海仪表、陀螺、膜盒的制造和核动力装置燃料棒的封装；利用高能束加工技术的可控高速扫描，实现航宇动力装置上气膜冷却小孔层板结构的高效率、高质量制造；利用高能束加工技术可在真空、高压条件下全方位加工的特点，实现在太空条件下的加工作业；利用高能束加工技术高速加热和高速冷却的特点，对金属材料表面改性和非晶态化，制备特殊功能的涂层和新型材料。
第五讲 高能束加工
精密与特种加工
离子镀：
膜层在沉积的同时又受到高能粒子束的轰 击，可改变膜层与基体的附着力、膜层状态、密 度及内应力等。 应用：1、耐磨功能膜（刀具、模具等）。 2、润滑功能膜（发动机的转动部件等）。 3、抗蚀功能膜。 4、耐热功能膜。 5、装饰功能膜（手表带、表壳、装饰品等）。
HIGH EDUCATION PRESS
HIGH EDUCATION PRESS
精密与特种加工
靶可以倾斜和旋转。靶的倾斜是为了改变离子束轰击基 片的角度，以控制刻蚀图形侧壁的倾斜角度和改变刻蚀速率。 靶的旋转则可以改善刻蚀的均匀性。在离子束刻蚀机中，决 定刻蚀特性的主要参量是离子束的电流密度，离子能量和离 子束轰击基片的角度。
HIGH EDUCATION PRESS
HIGH EDUCATION PRESS
精密与特种加工
◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）
电子束 氧化膜
光致抗蚀剂
掩膜
窗口
1. 涂胶 基片 （光致抗蚀剂） 离子束
2. 曝光 （投影或扫描）
3. 显影、烘片 （形成窗口）
4. 刻蚀 （形成沟槽）
5. 沉积 （形成电路）
6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）
精密与特种加工
HIGH EDUCATION PRESS
精密与特种加工
HIGH EDUCATION PRESS
精密与特种加工
离子束注入： 将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十 至几百千伏的电压下，把所需元元素的离子注入 工件表面。 应用：1、半导体方面：制造特殊要求的半导体 器件。 2、表面改性：抗蚀、抗疲劳、润滑、耐 磨等。
HIGH EDUCATION PRESS
精密与特种加工
高能束流加工技术的课程改革与实践
高能束流加工技术的课程改革与实践高能束流加工技术是一种先进的加工技术，通过利用高能粒子束对材料进行加工，具有加工速度快、精度高、对材料影响小等优点。
随着科技的发展和工业的需求，高能束流加工技术的应用越来越广泛，因此对高能束流加工技术的课程改革与实践显得尤为重要。
高能束流加工技术的课程改革主要包括以下几个方面：1. 课程内容更新：随着高能束流加工技术的不断发展，其相关知识也在不断更新。
课程内容应及时更新，加入最新的研究成果和应用案例，以满足学生学习的需求。
2. 实践环节强化：高能束流加工技术是一门实践性很强的学科，因此在课程改革中应加强实践环节的设置。
可以通过实验课、实习等形式，让学生深入了解高能束流加工技术的原理和应用，并掌握相关的操作技能。
3. 职业导向强化：在课程改革中，应该注重培养学生的职业能力。
可以设置相关的专业课程，如高能束流加工技术的应用与发展、高能束流加工技术在工业中的应用等，以帮助学生更好地了解行业需求，为未来的就业做好准备。
4. 跨学科融合：高能束流加工技术涉及多个学科领域，如物理学、材料科学、工程技术等。
在课程改革中可以将相关学科知识进行融合，使学生能够全面、系统地了解高能束流加工技术。
1. 核心实验课程：设立一些核心的实验课程，如高能束流发生器的搭建、高能束流加工技术的实际操作等，让学生通过实际操作掌握相关的技能和知识。
2. 实习环节设置：安排学生到相关企业或科研机构进行实习，让他们亲身感受高能束流加工技术在实际工作中的应用，培养学生的实际操作能力和团队合作精神。
3. 学术交流与竞赛：组织学生参加相关的学术交流会和竞赛活动，让他们与业界的专业人士和同行进行交流，增强学生的学术素养和实践能力。
4. 项目研究与创新设计：鼓励学生开展相关的科研项目研究和创新设计，培养他们独立思考和解决问题的能力，提高他们的创新意识和实践能力。
三、高能束流加工技术的课程实践案例在高能束流加工技术的未来发展中，课程改革与实践将扮演着至关重要的角色。
高能束及复合加工技术
第三章高能束及复合加工技术一、概述1)高能束加工技术：①利用高能量密度的束流作为热源，对材料或构件进展加工的先进的特种加工技术。
包括焊接、切割、打孔、喷涂、外表改性、刻蚀和精细加工等各类工艺方法，并已扩展到新型材料制备领域。
②高能束加工技术利用高能束热源、高能量密度、可精细控制微焦点和高速扫描的技术特性，实现对材料和构件的深穿透、高速加热和高速冷却的全方位加工。
③高能束加工技术正朝着高精度、大功率、高速度和自动控制的方向开展。
二．激光加工三．电子束和离子束加工四．磨料水射流加工五．超声波复合加工一、概述1、常用的高能密度束流加工方法:激光加工、电子束加工、离子束加工等。
2、技术背景高新技术产品要求：高比强度，高精度、工作速度、功率，小型化，恶劣环境下可靠工作；传统机械加工难以胜任构造形状的复杂性、材料的可加工性、加工精度及外表完整性方面的要求。
3、HEBM加工技术的应用广泛应用于焊接、切割、打孔和涂覆加工在外表改性、微细加工和新材料制备领域开拓和应用。
4、复合加工及其应用1〕复合加工应用机械、化学、光学、电力、磁力、流体力学和声波等多种能量，在加工过程中同时运用两种或者多种加工方法，通过不同的作用原理对加工部位进展改性和去除的加工技术。
2〕提高了加工效率，生产率一般大大高于单独用各种加工方法的生产率之和。
3〕在提高加工效率的同时，又兼顾了加工精度、加工外表质量和工具损耗等。
二、激光加工1、激光：受激辐射的光放大电子只有在最靠近原子核的轨道上转动时才是稳定的，称为"基态〞。
光照射或用高温或高压电厂激发原子，最外层电子激发到高能阶，称为"激发态〞。
原子从高能阶落到低能阶的过程称为"跃迁〞。
2、激光的特性①方向性好：光束几乎在一条直线上传播,发散角几毫弧度②单色性好: He-Ne激光的谱线宽度约2X10-9 nm③相干性好：He-Ne的相干长度200Km，而普通光源中最好的氪灯为0.78m④高亮度：普通激光的亮度比太阳高100亿倍⑤可调谐：通过改变腔长可改变波长⑥可调制：振幅、偏振方向及频率等参数可以调制〔光通信采用〕⑦能量可压缩：激光脉冲的持续时间可以短到皮秒、飞秒、阿秒。
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5.1 离子束加工
4.离子束加工的分类和应用
可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米
至纳米级精度的加工，可将材料的原子一层层地铣
削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近
乎极限。可以较好地实现材料的表面改性处理，使
用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离 子镀膜加工。 一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于 蚀刻、熔化、热处理、焊接等。
预加工
终加工
预加工
终加工
a) 金刚石压头
b) 金刚石刀具
图 离子束加工金刚石制品
◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。
5.1 离子束加工
离子蚀刻加工
• 当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子 轰击工件表面时，此入射离子的动量传递到工件表面的原子， 传递能量超过了工件表面原子（或分子）间的镀合力时，材 料表面的原子（或分子）就从工件表面撞击逐个溅射出来， 以达到刻蚀加工目的。 • 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为 离子铣削。
使其加速射向工件或者靶
材。
等离子体：多种离子的集合
体。
5.1 离子束加工
•
•
3.离子束加工的特点
⑴是一种精密微细的加工方法。可控性好，是所 有现代加工方法中最精密、最微细的加工方法。 • ⑵在高真空中进行，污染少，尤其适宜对易氧化 的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。材 料加工表面不氧化. • ⑶非接触式加工，不会产生应力和变形,宏观压力 小，加工中产生应力、变形也小，不但加工工件表 面质量高，而且对材料适应性强。 • (4)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统， 设备成本高，加工效率低，应用范围受限。
5.1 离子束加工
在离子源中，惰性气体氩（压 强为1～10帕）被电离而形成 等离子体，引出加速系统是一 组具有不同电位的多孔栅极， 用来抑制电子并引出离子束。 在引出加速系统和靶面之间有 一个热灯丝中和器，它发射电 子使离子束中和，从而避免正 离子轰击绝缘体表面产生电荷 积累，减小正离子空间电荷的 发散作用，使离子束的均匀性 得到改善。
5.2 离子束加工
5.2 离子束加 工加工
5.1 离子束加工
• 1.离子束加工的基本原理 • 在真空条件下，将惰性气体由离子经过 电场加速, 获得具有一定速度的离子束在 经过聚束和聚焦投射到材料表面 , 以其动 能轰击工件表面，产生撞击效应、溅射 和注入效应 , 这就是离子束加工的物理基 础.
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 离子束加工
5.1 离子束加工
4.2离子束工加工的应用：
离子束溅射去除加工
◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加工表 面上。被加工表面受 “轰击”后，打出原子 或分子，实现分子级去 除加工。 ◎加工装置见右图。三 坐标工作台可实现三坐 标直线运动，摆动装置 可实现绕水平轴的摆动 和绕垂直轴的转动。
阴极
阳极 惰性气体入口
5.1 离子束加工
• 4.1离子束加工的分类 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子
溅射沉积和离子注入等。
离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。 蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。 离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为 溅散蚀刻。
产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料
进行蚀刻为离子蚀刻。
5.1 离子束加工
2. 加工设备
离子束加工设备主要有： 离子源（离子枪）、真空系 统、控制系统和电源系统。
离子源的工作原理：气体被 注入到电离室、然后使其放 电，电子与气体原子发生碰 撞使其电离，从而得到等离 子体。
5.1 离子束加工
采用一个相对等离子体为
负电位的电极，将正离子
由等离子体中引出，而后
一次溅射原子 二次溅射原子 Ar离子
被排斥Ar离子 回弹溅射原子 真空 Ar离子
工件表面 工件 位移原子
格点间停留离子
格点置换离子
位移原子
离子碰撞过程模型图
5.1 离子束加工
碰撞效果 离子束加工与经过聚焦加速后，靠离子打 击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来 (撞击 效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表 面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打 入工件表层之内 ( 注入效应 ) 。可实现对材料的 “毫微米级”或“原子级加工”。
物理过程 离子碰撞过程：当入射离子碰到工件表面时，
撞击原子、分子发生能量交换。离子失去的部分
能量传给工件表面的原子、分子，当能量足够大
时，使它们从基体材料中分离出来，由此产生工
件材料的溅射。剩余的能量转变为材料晶格的振
动。同时入射离子与原子、分子进行能量交换，
可以是一次或者多次碰撞。
5.1 离子束加工
第5章
• 激光加工
高能束加工
基本内容
激光加工的原理和特点； 激光加工的基本设备; 加工工艺及应用. 电子束加工的基本原理; 设备及其应用. 加工的基本原理; 设备及应用
• 电子束加工 • 离子束加工
5.1 概述
激 光 加 工 （ Laser Beam Machining ， 简 称 LBM）、离子束加工（Ion Beam Machining，简称 IBM）、电子束加工（Electron Beam Machining， 简称EBM）是新兴发展起来的特种加工技术。1949 年德国首次在0.5mm不锈钢板上加工出0.2mm的小 孔； 1957 年法国研究出第一台电子束加工设备； 1960年美国第一台固体激光器。1961年我国在长春 研究成功红宝石激光器。
中间电极 电磁线圈 控制电极
绝缘子 引出电极 离子束 聚焦装置
工件
摆动装置 三坐标 工作台 图 离子束去除加工装置
5.1 离子束加工
◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标 运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（见下图），大规模集成 电路芯片刻蚀等。
离子束 离子束 r = 0.01μm 离子束 离子束 r = 0.01μm
5.1 离子束加工
靶可以倾斜和旋转。靶的
倾斜是为了改变离子束轰击基 片的角度，以控制刻蚀图形侧 壁的倾斜角度和改变刻蚀速率。 靶的旋转则可以改善刻蚀的均 匀性。在离子束刻蚀机中，决 定刻蚀特性的主要参量是离子
束的电流密度，离子能量和离
子束轰击基片的角度。
5.1 离子束加工
• 该种方法是一种微细加工，可完成多种加工。 如加工致薄材料镍箔，可加工出直径为20的孔；在厚 度为0.04-0.3的钽、铜、金、铝、铬、银等薄膜上加工直 径为30- 10d的孔。 离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟 槽、加工极薄材料及超高精度非球面透镜。分辨率高，精 度、重复一致性好。 离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如 集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。太阳 能电池表面具有非反射纹理表面。 离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微 镜试片。