第4章-超精密特种加工技术课件.ppt

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1、超精密特种加工技术超精密特种加工技术烟台大学 机电汽车工程学院机械制造学科组精密机械制造工程精密机械制造工程超精密特种加工技术超精密特种加工技术超精密特种加工技术超精密特种加工技术超精密特种加工技术超精密特种加工技术 1.刀具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；刀具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；2.利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工，加工利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工，加工过程中的机械力不明显，工件很少产生机械变形和热变形，有助过程中的机械力不明显，工件很少产生机械变形和热变形，有助于提高工件的加工精度和表面质量。于提高工件的加工精度和表面质量。3

2、.各种加工方法可有选择地复合成新的工艺方法各种加工方法可有选择地复合成新的工艺方法 4.几乎每产生一种新的能源，就有可能产生一种新的精密、超精密几乎每产生一种新的能源，就有可能产生一种新的精密、超精密特种加工方法。特种加工方法。4.1 概述概述 超精密特种加工是将电、词、声、光、热等物理能量及超精密特种加工是将电、词、声、光、热等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能结合直接施加在被加工化学能量或其组合乃至与机械能结合直接施加在被加工的部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等的非的部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等的非传统超精密加工方法。传统超精密加工方法。4.1.1 4.1.1 超

3、精密特种加工技术特点超精密特种加工技术特点超精密特种加工技术超精密特种加工技术4.1.2 4.1.2 超精密特种加工的适用范围超精密特种加工的适用范围 1.各种难切削材料的超精密加工，如耐热钢、不锈钢、各种难切削材料的超精密加工，如耐热钢、不锈钢、超级合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等超级合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等以及锗和硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以以及锗和硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工；及高纯度的金属和非金属的加工；2.各种复杂的、有特殊要求的零件表面的超精密加工，各种复杂的、有特殊要求的零件表面的超精密加工，如热

4、锻模、冲裁模和冷拔模等高精度模具模腔和型孔、如热锻模、冲裁模和冷拔模等高精度模具模腔和型孔、喷气涡轮机叶片、喷油嘴和喷丝头的微小异形孔的加工喷气涡轮机叶片、喷油嘴和喷丝头的微小异形孔的加工以及航空航天、国防工业中高精度要求的陀螺仪、伺服以及航空航天、国防工业中高精度要求的陀螺仪、伺服阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工超精密特种加工技术超精密特种加工技术4.1.3 4.1.3 超精密特种加工技术的内容超精密特种加工技术的内容 超精密特种加工技术主要包括有高能束加工，单一能超精密特种加工技术主要包括有高能束加工，单一能量加工（如电火花加工、

5、超声波加工等），复合加工以量加工（如电火花加工、超声波加工等），复合加工以及制作集成电路的一些微细加工技术。及制作集成电路的一些微细加工技术。高能束超精密加工技术是利用高能量密度的束流（激高能束超精密加工技术是利用高能量密度的束流（激光束、电子束、离子束）作为能源，对材料或构件进行光束、电子束、离子束）作为能源，对材料或构件进行加工的特种加工技术。加工的特种加工技术。复合加工是指多种能量组合进行材料去除或改性的工复合加工是指多种能量组合进行材料去除或改性的工艺方法。艺方法。微细加工技术是在半导体集成电路制造技术的基础上微细加工技术是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展起来的，是大规模集成

6、电路和计算机技术的形成并发展起来的，是大规模集成电路和计算机技术的基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键基基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键基础技术之一。础技术之一。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 4.2.1 激光加工的原理激光加工的原理激激光光是是一一种种强强度度高高、方方向向性性好好、单单色色性性好好的的相相干干光光。由由于于激激光光的的发发散散角角小小和和单单色色性性好好，理理论论上上可可以以聚聚焦焦到到尺尺寸寸与与光光的的波波长长相相近近的的(微微米米甚甚至至亚亚微微米米)小小斑斑点点上上，加加上上它它本本身身强强度度高高，故故可可以以使使其其焦焦点点处处的的

7、功功率率密密度度达达到到1071011 W/cm2，温温度度可可达达10 000以以上上。在在这这样样的的高高温温下下，任任何何材材料料都都将将瞬瞬时时急急剧剧熔熔化化和和汽汽化化，并并爆爆炸炸性性地地高高速速喷喷射射出出来来，同同时时产产生生方方向向性性很很强强的的冲冲击击。因因此此，激激光光加加工工(如如图图1所所示示)是是工工件件在在光光热热效效应应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。4.2 激光加工激光加工超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图1 激光加工示意图激光加工示意图超精密特种加工技术超精密特种加工技术4.2.2 激光加工的特点激光加

8、工的特点(1)加加工工材材料料范范围围广广。几几乎乎对对所所有有的的金金属属和和非非金金属属材材料料都都可可以进行激光加工。以进行激光加工。(2)加加工工精精度度高高。激激光光能能聚聚焦焦成成极极小小的的光光斑斑，可可进进行行微微细细和和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。(3)加加工工性性能能好好。加加工工时时不不需需用用刀刀具具，属属于于非非接接触触加加工工，无无机机械械加加工工变变形形。无无需需加加工工工工具具和和特特殊殊环环境境，便便于于自自动动控控制制连连续续加加工工，加加工工效效率率高高，加加工工变变形形和和热热变变形形小小。可可用用反反射射镜镜

9、将将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。(4)加工速度快、效率高。加工速度快、效率高。超精密特种加工技术超精密特种加工技术4.2.3 激光加工基本设备及其组成部分激光加工基本设备及其组成部分激激光光加加工工的的基基本本设设备备由由激激光光器器、导导光光聚聚焦焦系系统统和和加加工工机机(激光加工系统激光加工系统)三部分组成。三部分组成。1)激光器激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变电能转变成光能成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固，产生所需要的激光束。按工作物质的

10、种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于由于He-Ne(氦氦氖氖)气体激光器气体激光器所产生的激光不仅容易控制，所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。等固体激光

11、器。超精密特种加工技术超精密特种加工技术2)导光聚焦系统导光聚焦系统根根据据被被加加工工工工件件的的性性能能要要求求，光光束束经经放放大大、整整形形、聚聚焦焦后后作作用用于于加加工工部部位位，这这种种从从激激光光器器输输出出窗窗口口到到被被加加工工工工件之间的装置称为导光聚焦系统。件之间的装置称为导光聚焦系统。3)激光加工系统激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实许多激光加工系统已

12、采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。现激光加工的连续工作。超精密特种加工技术超精密特种加工技术4.2.4 激光微细加工技术与应用实例激光微细加工技术与应用实例1)激光打孔激光打孔随随着着近近代代工工业业技技术术的的发发展展，硬硬度度大大、熔熔点点高高的的材材料料应应用用越越来来越越多多，并并且且常常常常要要求求在在这这些些材材料料上上打打出出又又小小又又深深的的孔孔，例例如如，钟钟表表或或仪仪表表的的宝宝石石轴轴承承，钻钻石石拉拉丝丝模模具具，化化学学纤纤维维的的喷喷丝丝头头以以及及火火箭箭或或柴柴油油发发动动机机中中的的燃燃料料喷喷嘴嘴等等。这这类类加加工工任任务务，用用常

13、常规规的的机机械械加加工工方方法法很很困困难难，有有的的甚甚至至是是不不可可能能的的，而而用用激激光光打打孔孔，则则能比较好地完成任务。能比较好地完成任务。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 激激光光打打孔孔中中，要要详详细细了了解解打打孔孔的的材材料料及及打打孔孔要要求求。从从理理论论上上讲讲，激激光光可可以以在在任任何何材材料料的的不不同同位位置置，打打出出浅浅至至几几微微米米，深深至至二二十十几几毫毫米米以以上上的的小小孔孔，但但具具体体到到某某一一台台打打孔孔机机，它它的的打打孔孔范范围围是是有有限限的的。所所以以，在在打打孔孔之之前前，最最好好要要对对现现有有的的激激光光器器的的打

14、打孔孔范范围围进进行行充充分分的的了了解解，以以确确定定能能否否打孔。打孔。激激光光打打孔孔的的质质量量主主要要与与激激光光器器输输出出功功率率和和照照射射时时间间、焦焦距距与与发发散散角角、焦焦点点位位置置、光光斑斑内内能能量量分分布布、照照射射次次数数及及工工件件材材料料等等因因素素有有关关。在在实实际际加加工工中中应应合合理理选选择择这这些些工工艺艺参数。参数。超精密特种加工技术超精密特种加工技术2)激光切割激光切割激激光光切切割割(如如图图2所所示示)的的原原理理与与激激光光打打孔孔相相似似，但但工工件件与与激激光光束束要要相相对对移移动动。在在实实际际加加工工中中，采采用用工工作作台

15、台数数控技术，可以实现激光数控切割。控技术，可以实现激光数控切割。激激光光切切割割大大多多采采用用大大功功率率的的CO2激激光光器器，对对于于精精细细切切割，也可采用割，也可采用YAG激光器。激光器。激激光光可可以以切切割割金金属属，也也可可以以切切割割非非金金属属。在在激激光光切切割割过过程程中中，由由于于激激光光对对被被切切割割材材料料不不产产生生机机械械冲冲击击和和压压力力，再再加加上上激激光光切切割割切切缝缝小小，便便于于自自动动控控制制，故故在在实实际际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图

16、2 CO2气体激光器切割钛合金示意图气体激光器切割钛合金示意图超精密特种加工技术超精密特种加工技术3)激光打标激光打标激激光光打打标标是是指指利利用用高高能能量量的的激激光光束束照照射射在在工工件件表表面面，光光能能瞬瞬时时变变成成热热能能，使使工工件件表表面面迅迅速速产产生生蒸蒸发发，从从而而在在工工件件表表面面刻刻出出任任意意所所需需要要的的文文字字和和图图形形，以以作作为永久防伪标志为永久防伪标志(如图如图3所示所示)。超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图3 振镜式激光打标原理振镜式激光打标原理超精密特种加工技术超精密特种加工技术激激光光打打标标的的特特点点是是非非接接触触加加工工，

17、可可在在任任何何异异型型表表面面标标刻刻，工工件件不不会会变变形形和和产产生生内内应应力力，适适于于金金属属、塑塑料料、玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、木木材材、皮皮革革等等各各种种材材料料；标标记记清清晰晰、永永久久、美美观观，并并能能有有效效防防伪伪；标标刻刻速速度度快快，运运行行成成本本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。激激光光打打标标广广泛泛应应用用于于电电子子元元器器件件、汽汽(摩摩托托)车车配配件件、医医疗疗器器械械、通通讯讯器器材材、计计算算机机外外围围设设备备、钟钟表表等等产品和烟酒食品防伪等行业。产品和烟酒食品防伪等行业。超精密特种加工技术超

18、精密特种加工技术4)激光焊接激光焊接当当激激光光的的功功率率密密度度为为105107 W/cm2，照照射射时时间间约约为为1/100 s左左右右时时，可可进进行行激激光光焊焊接接。激激光光焊焊接接一一般般无无需需焊焊料料和和焊焊剂剂，只只需需将将工工件件的的加加工工区区域域“热热熔熔”在在一一起起即即可可，如如图图4所所示。示。激激光光焊焊接接速速度度快快，热热影影响响区区小小，焊焊接接质质量量高高，既既可可焊焊接接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图4 激光焊接过程示意图激光焊接过程示意图

19、超精密特种加工技术超精密特种加工技术 5)激光表面处理激光表面处理 当当激激光光的的功功率率密密度度约约为为103105 W/cm2时时，便便可可实实现现对对铸铸铁铁、中中碳碳钢钢，甚甚至至低低碳碳钢钢等等材材料料进进行行激激光光表表面面淬淬火火。淬淬火火层层深深度度一一般般为为0.71.1 mm，淬淬火火层层硬硬度度比比常常规规淬淬火火约约高高20%。激激光光淬淬火火变变形形小小，还还能能解解决决低低碳碳钢钢的的表表面淬火强化问题。图面淬火强化问题。图5为激光表面淬火处理应用实例。为激光表面淬火处理应用实例。超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图5 激光表面强化处理应用实例激光表面强化处理

20、应用实例超精密特种加工技术超精密特种加工技术6)激光存储激光存储是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机信息等的存取。激光电视唱片的制作可分为原版录制信息等的存取。激光电视唱片的制作可分为原版录制和复制两个过程。在原版录制时，是将镀有薄金属膜和复制两个过程。在原版录制时，是将镀有薄金属膜的玻璃圆盘旋转，经调制的激光束相应地沿着玻璃圆的玻璃圆盘旋转，经调制的激光束相应地沿着玻璃圆盘的半径方向缓慢地由内向外移动，激光束便相应地盘的半径方向缓慢地由内向外移动，激光束便相应地熔化金属层，使图像与声音记录下来。加工机理是用熔化金属层，使图像与声音记录下来。加工

21、机理是用激光热效应，是激光去除加工。激光热效应，是激光去除加工。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 激光加工已广泛用于机关打孔、切割、焊接、电阻微调、激光加工已广泛用于机关打孔、切割、焊接、电阻微调、表面处理、存储等。表面处理、存储等。（1）飞秒激光加工）飞秒激光加工 飞秒激光加工技术是一种以多光子吸收为基础，能够实现无飞秒激光加工技术是一种以多光子吸收为基础，能够实现无热影响的精密加工的新型激光加工技术。热影响的精密加工的新型激光加工技术。1）原理与特点）原理与特点 飞秒激光器的飞秒是指时间单位，飞秒激光器的飞秒是指时间单位，1秒的秒的100兆分之一是飞兆分之一是飞秒（秒（fs）。假设脉冲

22、频率为）。假设脉冲频率为100fs，脉冲能量为，脉冲能量为1mJ，则峰值，则峰值功率达到功率达到10GM。一旦将这种光聚焦在小范围内就有可能无。一旦将这种光聚焦在小范围内就有可能无热影响地照射材料直接电离，从而产生强大的电场和磁场。热影响地照射材料直接电离，从而产生强大的电场和磁场。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 飞秒激光加工是通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，飞秒激光加工是通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，从而实现在材料内部的加工。从而实现在材料内部的加工。2）在超精密加工中的应用）在超精密加工中的应用n在透明材料中的应用在透明材料中的应用n在半导体材料中的应用在半导体材料中的应用

23、n在金属加工及其他领域中的应用在金属加工及其他领域中的应用n进行快速三维微细加工进行快速三维微细加工 超精密特种加工技术超精密特种加工技术 2）双光子三维微细加工实例）双光子三维微细加工实例 一次性直接写入成形，且整个加工过程中不需要牺牲层；一次性直接写入成形，且整个加工过程中不需要牺牲层；柔性好，加工的模型可以通过柔性好，加工的模型可以通过CAD软件直接生成；实现了软件直接生成；实现了真正的三维立体加工。真正的三维立体加工。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 （2）准分子激光微细加工）准分子激光微细加工 1）准分子激光加工原理）准分子激光加工原理 所谓准分子，是指在激发态结合为分子、基态离

24、解为原子的不稳定缔所谓准分子，是指在激发态结合为分子、基态离解为原子的不稳定缔合物主要靠激光剥离加工材料。即由于准分子激光能量比材料分子、合物主要靠激光剥离加工材料。即由于准分子激光能量比材料分子、原子连接键能量大，材料吸收后，光子能量耦合于连接键，就破坏了原子连接键能量大，材料吸收后，光子能量耦合于连接键，就破坏了原有的键连接而形成微小碎片，碎片材料自行脱落，每个脉冲可去除原有的键连接而形成微小碎片，碎片材料自行脱落，每个脉冲可去除亚微米深的材料，如此逐层剥离材料，达到加工目的。亚微米深的材料，如此逐层剥离材料，达到加工目的。2）准分子激光加工特点）准分子激光加工特点（1）加工质量好）加工质

25、量好（2）分辨率高、精度高）分辨率高、精度高（3）采用掩模系统，宽光束进行面加工，加工形状可自由设定。）采用掩模系统，宽光束进行面加工，加工形状可自由设定。（4）加工应用范围广。）加工应用范围广。超精密特种加工技术超精密特种加工技术（3）激光制备薄模技术）激光制备薄模技术1）激光照射靶体，靶体表）激光照射靶体，靶体表面被加热、熔化、蒸发、电面被加热、熔化、蒸发、电离，产生等离子体。离，产生等离子体。2）靶材物质以蒸气和等离）靶材物质以蒸气和等离子体形式垂直飞向对面的基子体形式垂直飞向对面的基片。片。3）等离子体与基片相互作）等离子体与基片相互作用。用。4）靶材物质在基片上凝聚，）靶材物质在基片

26、上凝聚，形成薄膜。形成薄膜。超精密特种加工技术超精密特种加工技术特点：特点：1）工艺简单、膜层厚度可控制）工艺简单、膜层厚度可控制2）制膜速度快、膜层具有很好的保成分性）制膜速度快、膜层具有很好的保成分性3）制膜范围宽）制膜范围宽激光制膜工艺方法及实例：激光制膜工艺方法及实例：1）激光制膜（或称镀膜、沉积薄膜），根据膜层性质可）激光制膜（或称镀膜、沉积薄膜），根据膜层性质可分为激光制备结构膜和功能薄膜。分为激光制备结构膜和功能薄膜。2）根据激光制备薄膜过程中的动力学特征可分为激光熔）根据激光制备薄膜过程中的动力学特征可分为激光熔化和蒸发镀膜以及激光等离子体制膜等化和蒸发镀膜以及激光等离子体制膜

27、等3）根据激光制备薄膜所采用的工艺分为激光物理气相沉）根据激光制备薄膜所采用的工艺分为激光物理气相沉积薄膜和激光化学气相沉积薄膜。积薄膜和激光化学气相沉积薄膜。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 4.3.1 加工原理加工原理电电子子束束加加工工是是利利用用高高速速电电子子的的冲冲击击动动能能来来加加工工工工件件的的，如如图图1所所示示。在在真真空空条条件件下下，将将具具有有很很高高速速度度和和能能量量的的电电子子束束聚聚焦焦到到被被加加工工材材料料上上，电电子子的的动动能能绝绝大大部部分分转转变变为为热热能能，使使材材料料局局部部瞬瞬时时熔熔融融、汽汽化化蒸蒸发发而而去除。去除。4.3 电子

28、束微细加工电子束微细加工超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图1 电子束加工原理电子束加工原理超精密特种加工技术超精密特种加工技术控控制制电电子子束束能能量量密密度度的的大大小小和和能能量量注注入入时时间间，就就可可以以达达到到不不同同的的加加工工目目的的。如如只只使使材材料料局局部部加加热热就就可可进进行行电电子子束束热热处处理理；使使材材料料局局部部熔熔化化就就可可以以进进行行电电子子束束焊焊接接；提提高高电电子子束束能能量量密密度度，使使材材料料熔熔化化和和汽汽化化，就就可可进进行行打打孔孔、切切割割等等加加工工；利利用用较较低低能能量量密密度度的的电电子子束束轰轰击击高高分分子子材材

29、料料时时产产生生化化学学变变化化的的原原理理，即即可可进进行电子束光刻加工。行电子束光刻加工。4.3.2 特点与应用特点与应用电子束加工的特点如下：电子束加工的特点如下：(1)射射束束直直径径小小。电电子子束束能能够够极极其其微微细细地地聚聚焦焦(可可达达l0.1 m)，故可进行微细加工。，故可进行微细加工。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 (2)能量密度高。电子束的能量密度高，加工效率很高。能量密度高。电子束的能量密度高，加工效率很高。(3)工工件件变变形形小小。由由于于电电子子束束能能量量密密度度高高，可可使使任任何何材材料料瞬瞬时时熔熔化化、汽汽化化且且机机械械力力的的作作用用极极小

30、小，不不易易产产生生变变形形和和应应力力，故故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(4)控控制制性性能能好好。可可通通过过磁磁场场或或电电场场对对电电子子束束的的强强度度、位位置置、聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。(5)杂杂质质污污染染少少。加加工工在在真真空空中中进进行行，污污染染少少，加加工工表表面面不不易易被氧化。被氧化。(6)有有一一定定局局限限性性。电电子子束束加加工工需需要要整整套套的的专专用用设设备备和和真真空空系系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。统

31、，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。超精密特种加工技术超精密特种加工技术3电子束加工的应用电子束加工的应用1）高速打孔）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达目前电子束打孔的最小直径可达0.003mm左右。左右。例如例如喷喷气气发动发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用在人造革、塑料上用电电子束打大量微孔，可使其具有子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那如真皮革那样样的透气性。的透气性。电电子束打孔子束打孔还还能加工小深孔，能加工小深孔，如在叶片上打深度如在叶片上打深度5mm、直径、直径0.4mm的孔，孔的深的孔，孔的深径比大于径比大于1

32、0：1。超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图2 电子束加工的异形孔电子束加工的异形孔2）加工型孔及特殊表面）加工型孔及特殊表面 超精密特种加工技术超精密特种加工技术图图3 电子束加工曲面、穿孔电子束加工曲面、穿孔超精密特种加工技术超精密特种加工技术3）焊接）焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊成一个被熔融金属环

33、绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。的整个接缝形成一条焊缝。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。超精密特种加工技术超精密特种加工技术4）热处理）热处理 电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金

34、属表面加热而不熔化，达制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速到热处理的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达热处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.30.8mm。超精密特种加工技术超精密特种加工技术5）电子束刻蚀）电子束刻蚀 在微电子器

35、件生产中，为了制造多层固体组件，在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔。如在硅片上刻出宽和孔。如在硅片上刻出宽2.5m，深，深0.25m的的细细槽，槽，在混合在混合电电路路电电阻的金属阻的金属镀层镀层上刻出上刻出40m宽宽的的线线条。条。电电子束刻子束刻蚀还蚀还可用于刻板，在可用于刻板，在铜铜制印刷制印刷滚滚筒上按色筒上按色调调深深浅刻出浅刻出许许多大小与深浅不一多大小与深浅不一样样的沟槽或凹坑，其直径的沟槽或凹坑，其直径为为70120m，深度，深度为为540m，小坑代表浅色，大，小坑代表浅色，

36、大坑代表深色。坑代表深色。超精密特种加工技术超精密特种加工技术6）电子束光刻）电子束光刻 电子束光刻是利用电子束的化学效应进行加工的，电子束光刻是利用电子束的化学效应进行加工的，即用低功率密度的电子束照射工件表面虽不能引起表即用低功率密度的电子束照射工件表面虽不能引起表面的温升，但入射电子与高分子材料的碰撞，会导致面的温升，但入射电子与高分子材料的碰撞，会导致它们的分子链的切断或重新聚合，从而使高分子材料它们的分子链的切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化。这种现象也称电子束的化学性质和分子量产生变化。这种现象也称电子束曝光。曝光。超精密特种加工技术超精密特种加工技术电子束

37、扫描曝光电子束扫描曝光超精密特种加工技术超精密特种加工技术1.原版（掩膜）制作原版（掩膜）制作 （1）绘制原图）绘制原图 （2）缩版、殖版制作）缩版、殖版制作 （3）工作原版或）工作原版或 工作掩膜制作工作掩膜制作电子束投影曝光（电子束复印）电子束投影曝光（电子束复印）超精密特种加工技术超精密特种加工技术2.光刻光刻 （1）涂胶）涂胶 （2）曝光）曝光 （3）显影与烘片）显影与烘片 （4）刻蚀）刻蚀 （5）剥模与检查）剥模与检查超精密特种加工技术超精密特种加工技术7）电子束诱导表面沉积技术）电子束诱导表面沉积技术 将作为源气体的物质引入到真空样品室并接近电将作为源气体的物质引入到真空样品室并接

38、近电子探针，在探针与基片之间一个小区域内，聚焦电子子探针，在探针与基片之间一个小区域内，聚焦电子产生的高电场发射电子高速运动，使气体分子解离，产生的高电场发射电子高速运动，使气体分子解离，建立微区等离子区，分解析出的金属原子沉积在基片建立微区等离子区，分解析出的金属原子沉积在基片表面而形成纳米尺度图形。表面而形成纳米尺度图形。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 4.4.1 加工原理加工原理离离子子束束加加工工也也是是一一种种新新兴兴的的特特种种加加工工，它它的的加加工工原原理理与与电电子子束束加加工工原原理理基基本本类类似似，也也是是在在真真空空条条件件下下，将将离离子子源源产产生生的的离离

39、子子束束经经过过加加速速、聚聚焦焦后后投投射射到到工工件件表表面面的的加加工工部部位位以以实实现现加加工工的的。所所不不同同的的是是离离子子带带正正电电荷荷，其其质质量量比比电电子子大大数数千千倍倍乃乃至至数数万万倍倍，故故在在电电场场中中加加速速较较慢慢，但但一一旦旦加加至至较较高高速速度度，就就比比电电子子束束具具有有更更大大的的撞撞击击动动能能。离离子子束束加工是靠微观机械撞击能量进行的。加工是靠微观机械撞击能量进行的。4.4 离子束微细加工离子束微细加工超精密特种加工技术超精密特种加工技术离离子子束束加加工工的的物物理理基基础础是是离离子子束束射射到到材材料料表表面面时时所所发发生生的

40、撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。1)离子刻蚀离子刻蚀 离离子子轰轰击击工工件件，将将工工件件表表面面的的原原子子逐逐个个剥剥离离，又又称称离离子子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。超精密特种加工技术超精密特种加工技术2)离子溅射沉积离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。工件上，使工件表面镀上一层薄膜。超精密特种加工技术超精密特种加工技术3)离子镀离子镀(又称离子溅射辅助沉积又称离子

41、溅射辅助沉积)离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。工件基材之间的结合力。超精密特种加工技术超精密特种加工技术4)离子注入离子注入离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。超精密特种加工技术超精密特种加工技术2特点及应用特点及应用离子束加工有如下特点：离

42、子束加工有如下特点：(1)离离子子束束加加工工是是目目前前特特种种加加工工中中最最精精密密、最最微微细细的的加加工工。离离子子刻刻蚀蚀可可达达纳纳米米级级精精度度，离离子子镀镀膜膜可可控控制制在在亚亚微微米米级级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。(2)离离子子束束加加工工在在高高真真空空中中进进行行，污污染染少少，特特别别适适宜宜于于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。(3)离离子子束束加加工工是是靠靠离离子子轰轰击击材材料料表表面面的的原原子子来来实实现现的的，是是一一种种微微观观作作用用，所所

43、以以加加工工应应力力和和变变形形极极小小，适适宜宜于于对对各各种种材料和低刚件零件进行加工。材料和低刚件零件进行加工。超精密特种加工技术超精密特种加工技术在在目目前前的的工工业业生生产产中中，离离子子束束加加工工主主要要应应用用于于刻刻蚀蚀加加工工(如如加加工工空空气气轴轴承承的的沟沟槽槽，加加工工极极薄薄材材料料等等)、镀镀膜膜加加工工(如如在在金金属属或或非非金金属属材材料料上上镀镀制制金金属属或或非非金金属属材材料料)、注入加工、注入加工(如某些特殊的半导体器件如某些特殊的半导体器件)等。等。超精密特种加工技术超精密特种加工技术1)离子刻蚀加工离子刻蚀加工 离子刻蚀是从工件上去除材料，是

44、一个撞击溅射离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束刻的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束刻蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电路

45、、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图路、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。形。超精密特种加工技术超精密特种加工技术2)离子镀膜加工离子镀膜加工 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会

46、与工件周围气氛中的原子和射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，使膜

47、层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。使膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。超精密特种加工技术超精密特种加工技术 离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料等。成材料、半导体材料、高熔点材料等。离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。用离子镀方法在切削工具表膜、装饰膜和电气膜等。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用面镀氮化

48、钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。度。超精密特种加工技术超精密特种加工技术3)溅射镀膜溅射镀膜 溅射镀膜是在真空室中，利用具有一定能量的粒溅射镀膜是在真空室中，利用具有一定能量的粒子轰击物质表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上制子轰击物质表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上制取各种薄膜的技术。取各种薄膜的技术。可方便镀制各种金属、合金、氧化物、氮化物及碳可方便镀制各种金属、合金、氧化物、氮化物及碳化物等，此外还可镀多层复合镀层；对绝缘材料基本化物等，此外还可镀多层复合镀层；对绝缘材料基本上也能稳定镀膜；镀层纯度高、致密，对环境无污染；上也能稳定镀膜；镀层纯度高、致密，对环境无污染；能方便地

49、控制膜厚和膜层质量，膜层和基体的结合力能方便地控制膜厚和膜层质量，膜层和基体的结合力好；在大面积基片上，能获得均匀的薄膜；靶的寿命好；在大面积基片上，能获得均匀的薄膜；靶的寿命长，因此制作的薄膜稳定，在重复性好。长，因此制作的薄膜稳定，在重复性好。超精密特种加工技术超精密特种加工技术4)离子注入加工离子注入加工 离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入表层内，其电荷被中

50、和，成为置换原子或晶格间的填表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、性能产生变化。性能产生变化。离子注入可提高材料的耐腐离子注入可提高材料的耐腐蚀蚀性能，改善金属材性能，改善金属材料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料的的润润滑性能等。滑性能等。超精密特种加工技术超精密特种加工技术5)离子辅助沉积离子辅助沉积 先用蒸发、溅射或离子镀等方法沉积膜层，然后先用蒸发、溅射或离子镀等方法沉积膜层，然后再用离子注入的方法来改善膜层的性能。也可使沉积再用离