《机械制造技术》课件第7章.pptVIP

5.离子束加工1)离子束溅射加工原理在真空条件下，将氩（Ar）、氪（Kr）、氖（Xe）等惰性气体，通过离子源电离形成带有10keV数量级动能的惰性气体离子，并形成离子束，在电场中加速，经集束、聚焦后，射到被加工表面上。对加工表面进行轰击，这种方法称之为“溅射”。由于离子本身质量较大，因此比电子束有更大的能量，当冲击工件材料时，如果能量大，会从被加工表面分离出原子和分子，这就是离子束溅射去除加工；如果用被加速了的离子从靶材上打出原子或分子，并将它们附着到工件表面上形成镀膜，则为离子束溅射镀膜加工（如图7-20所示）；用数十万电子伏特的高能离子轰击工件表面，离子将打入工件表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间原子，留于工件表层中，从而改变了工件表层的材料成分和性能，这就是离子束溅射注入加工。图7-20离子束溅射镀膜加工原理离子束加工与电子束加工不同，离子束加工时，离子质量比电子质量大千倍甚至万倍，但速度较低，因此主要通过力效应进行加工。而电子束加工时，由于电子质量小，速度高，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、汽化，因此主要是通过热效应进行加工。2)离子束加工装置离子束加工装置由离子源系统、真空系统、控制系统和电源组成，如图7-21所示。离子源又称离子枪，其工作原理是将气态原子注入离子室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击等方法被电离成等离子体，并在电场作用下使离子从离子源出口孔引出而成为离子束。如图7-21所示为双等离子体离子束加工的基本原理图，首先利用阴极与阳极之间的低气压直流电弧放电，将氩、氪、氖等惰性气体在阳极小孔以上的低真空（1.3Pa）中离子化。中间电极的电位一般比阳极低些，两者都由软铁制成，和电磁线圈形成很强的轴向磁场，由于中间电极和这个强磁场的作用，使电弧放电局限在其中间，在阳极小孔附近产生高密度强聚焦的等离子体。经过控制电极和引出电极，将正离子引出到阳极小孔以下的高真空区（1.3×10－5Pa），再通过静电透镜所构成的聚焦装置形成高密度离子束，轰击工件表面，工件装夹在工作台上，工作台可作双坐标移动及绕立轴转动。图7-21双等离子体离子束加工的基本原理图3)离子束加工的应用范围离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工方法，其应用范围很广。可根据加工要求选择离子束斑直径和功率密度。如去除加工时，离子束斑直径较小而功率密度较大；注入加工时，离子束斑直径较大而功率密度较小。离子束去除加工可用于非球面透镜的成形、金刚石刀具和压头的刃磨、集成电路芯片图形的曝光和刻蚀。离子束镀膜加工是一种干式镀，比蒸镀有较高的附着力，效率也高。离子束注入加工可用于半导体材料掺杂、高速钢或硬质合金刀具材料切削刃表面改性等。6.激光加工1)激光加工的机理激光是一种通过受激辐射而得到放大的光。原子由原子核和电子组成，电子绕原子核转动，具有动能；电子被核吸引，具有势能，两种能量总称为原子的内能。原子因内能大小而有低能级、高能级不同能级之分，高能级的原子不稳定，总是力图回到低能级去，称之为跃迁，原子从低能级到高能级的过程，称为激发，在原子集团中，低能级的原子占多数。氦原子、氖原子、氪原子、钛离子和二氧化碳分子等在外来能量的激发下，有可能使处于高能级的原子数大于低能级的原子数，这种状态称为粒子数的反转。这时，在外来光子的刺激下，导致原子的跃迁，将能量差以光的形式辐射出来，产生原子发光，称为受激辐射发光，这些光子通过共振腔的作用产生共振，受激辐射越来越强，光束密度不断得到放大，形成了激光。由于激光是以受激辐射为主的，故具有不同于普通光的一些基本特性：(1）强度高、亮度大。(2）单色性好，波长和频率确定。(3）相干性好，相干长度长。(4）方向性好，发散角可达0.1mrad，光束可聚到0.001mm。当能量密度极高的激光束照射在加工表面上时，光能被加工表面吸收，转换成热能，使照射斑点的局部区域温度迅速升高、熔化、汽化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围的金属熔化，小坑中的金属蒸汽迅速膨胀，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，这样就在被加工表面上打出一个上大下小的孔，因此激光加工的机理是热效应。2)激光加工设备激光加工设备主要由激光器、电源、光学系统和机械系统等组成。激光器的作用是把电能转变为光能，产生所需要的激光束。激光器分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。固体激光器由工作物质、光泵、玻璃套管、滤光液、冷却水、聚