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。

④ 可以获得优异的表面质量。由于在特种加工过程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小。

⑤ 各种加工方法可以任意复合，扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。

由于特种加工技术具有其它常规加工技术无法比拟的优点，在现代加工技术中，占有越来越重要的地位。许多现代技术装备，特别是航空航天高技术产品的一些结构件，如工程陶瓷、涡轮叶片、燃烧室的三维型腔、型孔的加工和航空陀螺、传感器等精细表面尺寸精度达0.001微米或纳米级精度，表面粗糙度Ra<0.01

微米的超精密表面的加工，非采用特种加工技术不可。如今，特种加工技术的应用已遍及到各个加工领域。

1.2现代特种加工技术的发展趋势

随着现代航空技术的发展，对特种加工技术的技术水平、经济性和自动化程度提出了更高的要求， 从而促进了特种加工技术的发展，国外特种加工技术的总体发展趋势主要有以下几个方面：

①广泛采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。用简单工具电极加工复杂的三维曲面，这是电解加工和电火花加工的重要发展方向。目前已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标，英国Rolls-Royce公司已建立叶片电加工柔性制造系统。

②开发应用复合工艺和新工艺方法。为适应航空产品的高技术性能要求和新型材料的加工要求， 需要不断开发应用新型特种加工和现有特种加工技术的复合工艺，目前，电解电火花加工（ECDM)、电解电弧加工（ECAM)、电弧尺寸加工（ADM)、电火花机械复合加工等复合工艺将成为航空工业和机械制造业着力发展的加工技术。由于复合工艺可以扬长避短，取得明显的技术经济效果，因此特别受到先进工业国家的工业部门的普遍关注。例如，电解电弧复合工艺（ECAM)是电解加工与放电加工迭加而成的工艺过程，与电解加工相比，单位材料去除率可提高300%。

③着力开展精密化研究。高技术的发展促使高技术产品在向超精密化和小型化方向发展，对产品零件的精度和表面粗糙度提出更加严格的要求。例如，飞机惯性仪表中许多零件要求达到微米级以上。气浮陀螺和静电陀螺的内外支承面的球度为0.5-0.05微米，尺寸精度为0.6微米，粗糙度为0.025-0.012微米；激光陀螺的平面反射镜平面度为0.03-0.06微米，粗糙度为0.012微米以上。飞机控制系统由上千个零件组成，其中23%。的零件精度达到微米级以上。随着高技术时代的到来，超精密加工技术的发展更加迅猛，正向亚微米级迈进。为适应这一趋势的需要，特种加工的精化研究引起工业界人士的高度重视。因此，大力开发用于超精加工的特种加工技术是今后重要的发展方向。

2高能束流加工技术

世界上各工业发达国家把高能束流（HEB，High Energy Beam）誉为“21世纪加工技术”，它是当今科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿领域和重要方向，也是航空工业中必不可少的特种加工技术。高能束流加工是高能量密度束流(激光束、电子束、离子束、微波束）实现对材料和构件加工的新型特种加工方法，可以用于焊接、切割、打孔、喷涂、刻蚀、表面改性处理。高能束流加工技术正朝着高精度、大功率、高速度及自动控制与组合化加工方向发展。

2.1电子束加工(EBM)

电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦，形成高能量大密度(106-109W/cm2)的极细束流，以极高的速度轰击工件被加工部位。由于其能量大部分转换为热能而导致该部位的材料在极短的时间〔几分之一微