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【摘 要】微小深孔、特别是硬质合金、耐热合金等特殊材料的微小深孔，用传统的机械加工方法加工，非常困难。而电子束加工是利用高能量密度的电子束对材料进行工艺加工，实验证明，它可用于各种难加工材料的微小深孔和各种异型孔的加工，合理利用并正确选择加工参数，可使小孔零件获得较高的加工效率和加工精度。
【关键词】电子束加工；微小深孔加工；高能量密度
文章编号：ISSN1006—656X（2014）011-0097-02
引言
利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工，是近年来发展起来的一种特种加工方法，是一种完全不同于传统机械加工的先进制造技术。已被广泛地用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔。
一、电子束加工的原理
电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流，属于高能密度束流（HEDB），真空电子束的功率密度大于106W/cm2，极限功率为300kw。
（一）电子束热加工
电子束热加工是通过聚焦的高速电子流使工件上的受冲击点熔化和汽化，从而达到去除材料的目的，其中包括：1）电子束精微加工；2）电子束焊接；3）电子束镀膜；4）电子束熔炼；5）电子束热处理。
高能量密度电子束由电子枪产生，其加工示意如图1所示。为了避免电子束与气体分子接触而产生散射，加工应在真空室9中进行。电子从三极管电子枪中2发射，并在阳极处加速到光速的3/4。电子流5与工件10碰撞后，其动能立即转变为热能。低惯性的电子束很容易被磁场所控制，磁透镜把电子束聚集到工件上，在直径为0.025mm的焦点上能达到可使任何材料熔化和汽化的高能量密度（1.55×108W/cm2）。电子束的反应动作极快，这有利于用电子计算机实现对电子束的偏转、找正焦点、对强度和工件的移动进行三维空间的控制。观察窗口12和光学观察系统13用于帮助电子束或工件导向。偏转线圈7对电子束在很小的面积上（约6.4mm2）按任何图形进行磁控和编程。
（二）电子束非热加工
电子束非热加工是基于电子束非热效应，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对材料进行加工。其应用领域主要是电子束曝光。其中包括：1）扫描电子束曝光；2）投影电子束曝光；3）软X射线曝光等。
二、电子束加工的特点
根据电子束流的产生原理，电子束加工具有如下特点：1）电子束发射器发射的电子束流束斑极小并可控制，是一种精密微细加工工艺；2）电子束能量密度很高，足以使被轰击的任何材料迅速熔化或汽化，易于对钨、钼或其它难熔金属及其合金进行加工。3）电子束能量密度高，因而加工生产率很高；4）电子束加工速度快，加工点向基体散失的热量少；5）电子束能量和能量密度的调节很容易通过调节加速电压、电子束流和电子束的汇聚状态来完成；6）电子束加工是在真空条件下进行的，既不产生粉尘，也不排放有害气体和废液；7）电子束可将90%以上的电能转换成热能，且其能量集中，损失较小，8）电子束加工需要整套专用设备和真空系统，价格较贵。
三、 电子束加工技术的应用特别是在微小孔加工中的应用
（一） 电子束加工技术的应用
电子束加工技术应用广泛，利用电子束焊接具有焊缝深宽比大，焊接速度快，工件热变形小，焊缝物理性能好，工艺适应性强等优点。电子束物理气相沉积（EB-PVD）是利用高速运动的电子轰击沉积材料表面，使材料升温变成蒸汽而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进行表面改性，如电子束表面淬火、电子束表面熔凝、电子束表面合金化、电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有高硬度、强度及优良的耐腐蚀和耐磨性能。本文重点讨论电子束在微小孔加工中的应用。
电子束能加工各种孔，包括异型孔、斜孔、锥孔和弯孔，生产效率高，加工材料范围广，加工质量好，无毛剌和再铸层等缺陷。因此电子束打孔在国外已被广泛应用于航空、核工业以及电子、化学等工业。
用电子束打孔时，要求电子束的能量密度大于108W/cm2，每个电子束脉冲打一个孔，脉冲宽度一般只有几毫秒，脉冲速率快，打孔的速度可达到每秒几个到3000个孔。这种方法可在0.025mm的金属箔上每25mm2加工40000个直径为φ2μm的微孔，或在6.4mm厚的材料上加工直径为φ0.5mm的孔，其钻孔速度比电火花加工和电解加工快许多倍，因此特别适合于拉丝模孔、喷丝头孔和测流孔的加工。
（二）电子束加工的加工参数
1）加速电压：50～150kv；束电流：100～1000μA；功率：0.5～60kw。 2）脉冲时间：4～64000μs；脉冲频率：0.1～16000Hz；真空度：0.013～1.33Pa。3）电子束最小斑点尺寸：0.013～0.025mm；电子束偏转范围：6.4 mm2；电子束强度：1.55×105～1.55×109W/cm2。4）切削深度：可达6.4mm；最窄切缝：0.025mm（金属厚度）。5）孔径范围：0.025（厚度为0.02mm时）～1（厚度为5mm时）mm；孔的锥度：一般1°～2°；孔对表面倾斜：20°～90°。6）穿孔速度：对不同材料及不同孔径孔深的穿孔速度实例，见表1。
表1 电子束穿孔的速度及加工参数
资料来源：美国可切削性数据中心，机械加工切削数据手册，第2卷，第3版
7）材料去除速度：取决于工件材料的热特性和电子束加工装置的功率大小，最高可达40mm3/s。
（三）加工精度
加工尺寸精度：一般是±0.025mm；精度最高（下转第104页上接第97页）可达±0.005mm。加工表面质量：小孔和切割表面的粗糙度Ra约为1μm。短脉冲电子束可减小热切影响区的大小，但在切割表面常有厚度约0.25mm的一薄层熔铸层或热影响的产物。这种物资有可能对高应力零件的整体结构带来某种损害，因此应设法将其去除或加以改变，对加工过程所产生的一切由飞溅出来的的熔化物资凝固而成的小圆珠或粉未，必须不断予以清除以保持工件和工作面清洁。
四、结束语
电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术，是高能束流加工的重要组成部分，电子束能加工各种材料的各种孔，特别是可高速对大量微孔进行加工。并在金属材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、材料表面改性、光刻和抛光等方面应用广泛，可以预见，该技术在工业应用中有着极为广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 王世清.深孔加工技术[M] .西安：西北工业大学出版社， 2003.
[2] 王峻. 现代深孔加工技术[M] .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2005.
[3] 陈元芳. 电子束加工技术及应用[J] . 现代制造工程， 2009（8）
[4] 张文峰. 电子束加工技术及其在表面工程中的应用[J] .新技术新工艺，2003（8）
[5] 胡凤兰、魏华. 利用激光进行微小深孔的特种加工[J] . 煤矿机械 ， 2009（2）.
[6] 胡凤兰、魏华.利用磁化切削提高深孔零件的加工质量 [J] . 煤矿机械 ， 2010（9）.[7] 胡凤兰、魏华.深孔钻削中的孔轴线偏斜机理与控制方法 [J] .现代制造工程 ，2011 （7）.
[8] 胡凤兰. 双向供油深孔加工探讨[J] . 轻工机械 ， 2007（3）.
[9] 胡凤兰. 电火花加工微小深孔[J] . 轻工机械 ， 2010（1）.
[10] 胡凤兰 .利用强力珩磨工艺进行深孔的精密加工[J] . 煤矿机械 ， 2009（4）.
[11] 魏华. 机械设计基础[M]. 吉林大学出版社 ， 2008（2）.
【关键词】电子束加工；微小深孔加工；高能量密度
文章编号：ISSN1006—656X（2014）011-0097-02
引言
利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工，是近年来发展起来的一种特种加工方法，是一种完全不同于传统机械加工的先进制造技术。已被广泛地用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔。
一、电子束加工的原理
电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流，属于高能密度束流（HEDB），真空电子束的功率密度大于106W/cm2，极限功率为300kw。
（一）电子束热加工
电子束热加工是通过聚焦的高速电子流使工件上的受冲击点熔化和汽化，从而达到去除材料的目的，其中包括：1）电子束精微加工；2）电子束焊接；3）电子束镀膜；4）电子束熔炼；5）电子束热处理。
高能量密度电子束由电子枪产生，其加工示意如图1所示。为了避免电子束与气体分子接触而产生散射，加工应在真空室9中进行。电子从三极管电子枪中2发射，并在阳极处加速到光速的3/4。电子流5与工件10碰撞后，其动能立即转变为热能。低惯性的电子束很容易被磁场所控制，磁透镜把电子束聚集到工件上，在直径为0.025mm的焦点上能达到可使任何材料熔化和汽化的高能量密度（1.55×108W/cm2）。电子束的反应动作极快，这有利于用电子计算机实现对电子束的偏转、找正焦点、对强度和工件的移动进行三维空间的控制。观察窗口12和光学观察系统13用于帮助电子束或工件导向。偏转线圈7对电子束在很小的面积上（约6.4mm2）按任何图形进行磁控和编程。
（二）电子束非热加工
电子束非热加工是基于电子束非热效应，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对材料进行加工。其应用领域主要是电子束曝光。其中包括：1）扫描电子束曝光；2）投影电子束曝光；3）软X射线曝光等。
二、电子束加工的特点
根据电子束流的产生原理，电子束加工具有如下特点：1）电子束发射器发射的电子束流束斑极小并可控制，是一种精密微细加工工艺；2）电子束能量密度很高，足以使被轰击的任何材料迅速熔化或汽化，易于对钨、钼或其它难熔金属及其合金进行加工。3）电子束能量密度高，因而加工生产率很高；4）电子束加工速度快，加工点向基体散失的热量少；5）电子束能量和能量密度的调节很容易通过调节加速电压、电子束流和电子束的汇聚状态来完成；6）电子束加工是在真空条件下进行的，既不产生粉尘，也不排放有害气体和废液；7）电子束可将90%以上的电能转换成热能，且其能量集中，损失较小，8）电子束加工需要整套专用设备和真空系统，价格较贵。
三、 电子束加工技术的应用特别是在微小孔加工中的应用
（一） 电子束加工技术的应用
电子束加工技术应用广泛，利用电子束焊接具有焊缝深宽比大，焊接速度快，工件热变形小，焊缝物理性能好，工艺适应性强等优点。电子束物理气相沉积（EB-PVD）是利用高速运动的电子轰击沉积材料表面，使材料升温变成蒸汽而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进行表面改性，如电子束表面淬火、电子束表面熔凝、电子束表面合金化、电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有高硬度、强度及优良的耐腐蚀和耐磨性能。本文重点讨论电子束在微小孔加工中的应用。
电子束能加工各种孔，包括异型孔、斜孔、锥孔和弯孔，生产效率高，加工材料范围广，加工质量好，无毛剌和再铸层等缺陷。因此电子束打孔在国外已被广泛应用于航空、核工业以及电子、化学等工业。
用电子束打孔时，要求电子束的能量密度大于108W/cm2，每个电子束脉冲打一个孔，脉冲宽度一般只有几毫秒，脉冲速率快，打孔的速度可达到每秒几个到3000个孔。这种方法可在0.025mm的金属箔上每25mm2加工40000个直径为φ2μm的微孔，或在6.4mm厚的材料上加工直径为φ0.5mm的孔，其钻孔速度比电火花加工和电解加工快许多倍，因此特别适合于拉丝模孔、喷丝头孔和测流孔的加工。
（二）电子束加工的加工参数
1）加速电压：50～150kv；束电流：100～1000μA；功率：0.5～60kw。 2）脉冲时间：4～64000μs；脉冲频率：0.1～16000Hz；真空度：0.013～1.33Pa。3）电子束最小斑点尺寸：0.013～0.025mm；电子束偏转范围：6.4 mm2；电子束强度：1.55×105～1.55×109W/cm2。4）切削深度：可达6.4mm；最窄切缝：0.025mm（金属厚度）。5）孔径范围：0.025（厚度为0.02mm时）～1（厚度为5mm时）mm；孔的锥度：一般1°～2°；孔对表面倾斜：20°～90°。6）穿孔速度：对不同材料及不同孔径孔深的穿孔速度实例，见表1。
表1 电子束穿孔的速度及加工参数
资料来源：美国可切削性数据中心，机械加工切削数据手册，第2卷，第3版
7）材料去除速度：取决于工件材料的热特性和电子束加工装置的功率大小，最高可达40mm3/s。
（三）加工精度
加工尺寸精度：一般是±0.025mm；精度最高（下转第104页上接第97页）可达±0.005mm。加工表面质量：小孔和切割表面的粗糙度Ra约为1μm。短脉冲电子束可减小热切影响区的大小，但在切割表面常有厚度约0.25mm的一薄层熔铸层或热影响的产物。这种物资有可能对高应力零件的整体结构带来某种损害，因此应设法将其去除或加以改变，对加工过程所产生的一切由飞溅出来的的熔化物资凝固而成的小圆珠或粉未，必须不断予以清除以保持工件和工作面清洁。
四、结束语
电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术，是高能束流加工的重要组成部分，电子束能加工各种材料的各种孔，特别是可高速对大量微孔进行加工。并在金属材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、材料表面改性、光刻和抛光等方面应用广泛，可以预见，该技术在工业应用中有着极为广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 王世清.深孔加工技术[M] .西安：西北工业大学出版社， 2003.
[2] 王峻. 现代深孔加工技术[M] .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2005.
[3] 陈元芳. 电子束加工技术及应用[J] . 现代制造工程， 2009（8）
[4] 张文峰. 电子束加工技术及其在表面工程中的应用[J] .新技术新工艺，2003（8）
[5] 胡凤兰、魏华. 利用激光进行微小深孔的特种加工[J] . 煤矿机械 ， 2009（2）.
[6] 胡凤兰、魏华.利用磁化切削提高深孔零件的加工质量 [J] . 煤矿机械 ， 2010（9）.[7] 胡凤兰、魏华.深孔钻削中的孔轴线偏斜机理与控制方法 [J] .现代制造工程 ，2011 （7）.
[8] 胡凤兰. 双向供油深孔加工探讨[J] . 轻工机械 ， 2007（3）.
[9] 胡凤兰. 电火花加工微小深孔[J] . 轻工机械 ， 2010（1）.
[10] 胡凤兰 .利用强力珩磨工艺进行深孔的精密加工[J] . 煤矿机械 ， 2009（4）.
[11] 魏华. 机械设计基础[M]. 吉林大学出版社 ， 2008（2）.