精密加工高能束加工

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。

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。

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(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。

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。

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。