專利名稱：可控變形電子束精整加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)金屬零件的精整加工和表面改性方法，主要用于模具和工件表面的拋光；具體涉及一種新的可控變形電子束精整加工方法。
背景技術(shù)：
切屑加工、電火花加工早已被廣泛用于模具以及零件加工。由于加工精度、顯微裂紋和白層等表面缺陷問題，模具和零件表面還需要最終拋光和表面精整處理后才能使用。
常見的材料表面精整加工方法包括磨床拋光、電解拋光、超聲波拋光和手工拋光等。對(duì)于形狀較為簡(jiǎn)單的模具也有使用機(jī)器人進(jìn)行拋光的[1]。手工拋光以其操作簡(jiǎn)單、成本低、可以拋光細(xì)小輪廓等優(yōu)點(diǎn)成為主要手段，但手工拋光工序需要依靠熟練操作者的技能，表面質(zhì)量不穩(wěn)定，加工效率不高。電解拋光生產(chǎn)效率高，但拋光質(zhì)量受原材料表面狀態(tài)影響較大，拋光質(zhì)量難以控制。超聲波拋光比手工拋光效率高十多倍，且能拋光狹縫、深槽、不規(guī)則的圓弧及棱角等，但超聲波拋光會(huì)產(chǎn)生“桔皮”狀缺陷，模具形狀越復(fù)雜，這一現(xiàn)象也越嚴(yán)重[2，3]。
近十幾年來(lái)，利用脈沖高能密束(電子束、離子束、激光束)進(jìn)行金屬材料表面精整加工和改性得到了迅速發(fā)展。當(dāng)高能量密度的射束作用到材料表面時(shí)，大量的能量會(huì)在短時(shí)間里沉積在材料表面的薄層中，被加熱層的溫度迅速升高，導(dǎo)致局部熔化、汽化等現(xiàn)象。當(dāng)輸入能量結(jié)束時(shí)，工件表面會(huì)急速冷卻。經(jīng)過這幾個(gè)過程的綜合作用，材料表面層的性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯地變化。這樣就可以使材料表面具有用常規(guī)方法難以達(dá)到的物理、化學(xué)或力學(xué)性質(zhì)[4，5]。
國(guó)內(nèi)外利用電子束加工的技術(shù)主要包括①用電子束對(duì)模具實(shí)施高速拋光。日本沙迪克公司研制的電子束拋光裝置是將電子束不聚焦而作成極粗狀。通過放粗后，利用降低的單位面積電能使表面極淺層部分瞬間熔化。雖然表面層被瞬間熔化，但主體部分仍處于低溫，所以熔化部分將被迅速冷卻下來(lái)。其結(jié)果表面將被非晶化即非定形化，所形成的非定形化表面難以產(chǎn)生氧化，即不易生銹[6，7，8]。
②利用電子束進(jìn)行材料表面熱改性處理。大連理工大學(xué)三束材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用電子束能量瞬間沉積在材料次表層很小的區(qū)域內(nèi)，從而使材料極快速地升溫到相變溫度或熔化溫度以上，然后靠基體導(dǎo)熱達(dá)到超高速冷卻，使材料表層發(fā)生淬火效應(yīng)，提高表面硬度及耐磨性等[9]。
利用上述加工方法和表面改性技術(shù)，能夠獲得傳統(tǒng)加工所不能達(dá)到的加工質(zhì)量和材料表面性能。但其采用的圓形截面電子束加工，束斑重疊區(qū)域能量分布不均勻，材料表面應(yīng)力集中，加工效率相對(duì)較低。此外，由于大面積照射的方式采用工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式，勢(shì)必造成在相同尺寸加工能力的條件下，加工裝置真空室的平面面積增加數(shù)倍，造成了不必要的浪費(fèi)。所以需要尋找一種適合金屬零件的電子束精整加工方法[10]。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有電子束加工技術(shù)存在上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)效率高、表面精整加工精度高，且表面應(yīng)力分布均勻的可控變形電子束精整加工方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的可控變形電子束精整加工方法由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以及與該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接的電子束發(fā)生裝置、電磁線圈、偏轉(zhuǎn)線圈和工作臺(tái)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生電子束的能量密度、照射次數(shù)和照射位置等工藝參數(shù)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行如下步驟1)電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生的電子束，經(jīng)過電磁線圈的作用匯聚成直徑不小于50mm的電子束；2)根據(jù)工件的表面加工要求，改變偏轉(zhuǎn)線圈的磁場(chǎng)大小，控制變形后的電子束的偏轉(zhuǎn)量；3)根據(jù)工件的零件特征和加工要求確定電子束的照射位置、能量密度和照射次數(shù)，使模具或工件表面在電子束能量照射下局部熔化，保證電子束掃描過后，金屬表面在整個(gè)基體的帶動(dòng)下迅速冷卻，從而獲得粗糙度低、表面應(yīng)力均勻、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良的表面質(zhì)量；4)在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，仍超出偏轉(zhuǎn)電子束照射范圍時(shí)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)償。
進(jìn)一步的發(fā)明在于所述電子束經(jīng)過具有一定截面形狀的中空鉬光闌，在出口形成具有相應(yīng)截面形狀的變形電子束；變形電子束的截面形狀可為矩形、圓、橢圓或其它多邊形，根據(jù)被加工模具或工件的表面形狀和加工要求來(lái)確定。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、根據(jù)零件的表面狀況、加工區(qū)域和加工要求，利用計(jì)算機(jī)控制獲得加工路線、電子束偏轉(zhuǎn)角度和照射次數(shù)等優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)加工智能化；2、利用偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)電子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)控制，在一定范圍內(nèi)不需驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行表面精整加工，加工效率高；3、利用鉬光闌獲得所需的變形截面電子束，電子束截面形狀可控，照射能量分布均勻，零件的表面應(yīng)力低；
4、加工后工件的表面粗糙度有較大程度降低，材料表面光滑，耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良。
圖1是本發(fā)明方法的方框流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明可控變形電子束精整加工方法，是基于電子束加工方法，通過計(jì)算機(jī)控制電子束的變形和偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。
如圖1所示，本發(fā)明方法將加工任務(wù)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制與之相連的電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生電子束、經(jīng)電磁線圈匯聚后變形，變形的束斑單元根據(jù)加工任務(wù)的照射次數(shù)、能量密度、照射位置等工藝參數(shù)進(jìn)行處理；同時(shí)，指揮可控工作臺(tái)移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償；最后結(jié)束任務(wù)。圖中，實(shí)線表示流程，虛線表示硬件的連接關(guān)系(特別是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和整個(gè)流程的關(guān)系)。
具體方法如下1、電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生電子束，電子束經(jīng)過電磁線圈的作用匯聚成直徑不小于50mm的電子束；2、電子束經(jīng)過具有一定截面形狀的中空鉬光闌，在出口形成具有相應(yīng)截面形狀的變形電子束；變形電子束的截面形狀可為矩形、圓、橢圓或其它多邊形，根據(jù)被加工模具或工件的表面形狀和加工要求來(lái)確定。
3、根據(jù)工件的表面加工要求，控制偏轉(zhuǎn)線圈的磁場(chǎng)，控制變形后的電子束的偏轉(zhuǎn)量；4、根據(jù)工件的零件特征和加工要求確定電子束照射位置、能量密度和照射次數(shù)，使模具或工件表面在電子束能量照射下局部熔化，電子束掃描過后，金屬表面在整個(gè)基體的帶動(dòng)下迅速冷卻，從而獲得粗糙度低、表面應(yīng)力均勻、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良的表面質(zhì)量；5、在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，仍超出偏轉(zhuǎn)電子束照射范圍時(shí)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)償。
參考文獻(xiàn)[1]宇野羲幸，岡田晃，藪下法康等，大面積脈沖電子束對(duì)模具的精整與表面改性.制造技術(shù)與機(jī)床，2004年第五期；[2]趙建華，模具型腔的拋光，機(jī)械制造，1998年第7期；[3]楊雪松，楊明，朱數(shù)敏，模具型腔復(fù)合拋光工藝規(guī)律研究，現(xiàn)代制造工程，2002(10)；[4]郝勝智，鐘溥，董闖.強(qiáng)流脈沖電子束材料表面改性技術(shù)，真空與低溫，2001年9月第7卷第2期；[5]Proskurovsky DI，Rotshtein VP，Ozur GE.Surface and Coatings Technology，1997，92[6]巖波徹.現(xiàn)代金屬加工技術(shù)，制造技術(shù)與機(jī)床，2004年第10期；[7]大面積脈沖電子束對(duì)模具的精整與表面改性，日本電器加工技術(shù)，200年27卷(86期)；[8]大面積電子束的模具競(jìng)價(jià)工技術(shù)，機(jī)械工人，2004(11)；[9]Proskurovsky DI.J Vac Sci Technol A，1998，16(4)；[10]王躍德，郭吉安，可控變形電子束材料表面精整加工方法及裝置，科技查新報(bào)告，重慶大學(xué)教育部科技查新工作站，編號(hào)200523權(quán)利要求
1.可控變形電子束精整加工方法，其特征在于，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以及與該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接的電子束發(fā)生裝置、電磁線圈、偏轉(zhuǎn)線圈和工作臺(tái)控制系統(tǒng)，計(jì)算和控制電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生電子束的能量密度、照射次數(shù)和照射位置等工藝參數(shù)；該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行如下步驟1)電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生的電子束，經(jīng)過電磁線圈的作用匯聚成直徑不小于50mm的電子束；2)根據(jù)工件的表面加工要求，改變偏轉(zhuǎn)線圈的磁場(chǎng)大小，控制電子束的偏轉(zhuǎn)量；3)根據(jù)工件的零件特征和加工要求確定電子束的照射位置、能量密度和照射次數(shù)，使模具或工件表面在電子束能量照射下局部熔化，保證電子束掃描過后，金屬表面在整個(gè)基體的帶動(dòng)下迅速冷卻，從而獲得粗糙度低、表面應(yīng)力均勻、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良的表面質(zhì)量；4)在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，仍超出偏轉(zhuǎn)電子束照射范圍時(shí)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述電子束經(jīng)過具有一定截面形狀的中空鉬光闌，在出口形成具有相應(yīng)截面形狀的變形電子束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在變形電子束的截面形狀可為矩形、圓、橢圓或其它多邊形，根據(jù)被加工模具或工件的表面形狀和加工要求來(lái)確定。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可控變形電子束精整加工方法，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以及與該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接的電子束發(fā)生裝置、電磁線圈、偏轉(zhuǎn)線圈和工作臺(tái)控制系統(tǒng)，計(jì)算和控制電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生電子束的能量密度、照射次數(shù)和照射位置等工藝參數(shù)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制電子束發(fā)生裝置產(chǎn)生的電子束的偏轉(zhuǎn)量，根據(jù)工件的零件特征和加工要求確定電子束的照射位置、能量密度和照射次數(shù)；利用鉬光闌獲得所需的變形截面電子束，電子束截面形狀可控，照射能量分布均勻，零件的表面應(yīng)力低；還具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)；而且，加工后的模具和工件表面粗糙度有較大程度的降低，材料表面光滑，耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良。
文檔編號(hào)B24B1/00GK1792548SQ20061005401
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2006年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月11日
發(fā)明者許洪斌, 胡建軍, 陳元芳, 蔣鵬 申請(qǐng)人:重慶工學(xué)院