專利名稱：一種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法,屬于電子束表面加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的表面處理方法大多局限于毛化技術(shù)領(lǐng)域，目前主要利用噴丸、電火花、激光等不同的加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但毛化技術(shù)只能對(duì)材料表面進(jìn)行粗糙化處理，產(chǎn)生凹坑和不規(guī)則突起等表面形貌，其中噴丸和電火花毛化技術(shù)所產(chǎn)生的形貌均勻性較差，形貌尺寸不可控，高度和密度也不可控，難以實(shí)現(xiàn)均勻的、規(guī)則的表面形貌制備，且加工效率較低、有粉塵污染，不利于環(huán)保。激光毛化技術(shù)所產(chǎn)生的表面形貌最大高度小于10微米，加工過程中可能導(dǎo)致表面形貌被環(huán)境氣體污染。傳統(tǒng)的電子束加工技術(shù)也可應(yīng)用于表面加工領(lǐng)域，但其對(duì)電子束功率和掃描控制要求不高，加工精度不高，無法實(shí)現(xiàn)高效、均勻性較好的表面微造型制備。目前已有針對(duì)傳統(tǒng)表面處理方法的不足而開發(fā)的新型電子束表面微造型方法，是利用電子束的掃描，實(shí)現(xiàn)金屬材料的表面形貌制備，然而，由于電子束偏轉(zhuǎn)角度具有一定的限制，該方法無法實(shí)現(xiàn)大面積的表面形貌制備。如利用該方法通過拼接的方式實(shí)現(xiàn)大面積的表面處理，則表面均勻性和連續(xù)性較差，加工效率相對(duì)較低，無法滿足加工要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計(jì)提供一種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，其目的是將電子束的高速掃描與工作臺(tái)移動(dòng)相結(jié)合，通過電子束掃描速度與工作臺(tái)移動(dòng)速度的匹配，實(shí)現(xiàn)金屬材料的大面積表面形貌的制備，具有加工面積不受電子束偏轉(zhuǎn)角度限制、加工表面均勻性好、連續(xù)性好、加工效率高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:該種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，該方法是利用小功率、高品質(zhì)電子束，通過電磁場(chǎng)控制進(jìn)行掃描，按一定的掃描軌跡(I)作用于金屬表面，產(chǎn)生幾微米到幾百微米的微小突起，所述掃描軌跡(I)的排列方式為常規(guī)陣列或交錯(cuò)陣列，常規(guī)陣列是矩陣陣列的排列方式，相鄰兩行掃描軌跡(I)之間的行間距相等，相鄰兩列掃描軌跡(I)之間的列間距相等；交錯(cuò)陣列是在常規(guī)陣列基礎(chǔ)上，插入掃描軌跡(I)，插入的每一個(gè)掃描軌跡(I)位于常規(guī)陣列相鄰兩行和相鄰兩列掃描軌跡(I)中間，其特征在于:該方法依據(jù)掃描軌跡(I)的兩種排列方式分別如下:1.1當(dāng)掃描軌跡(I)的排列方式為常規(guī)陣列時(shí)，該方法的步驟為:1.1.1準(zhǔn)備電子束加工設(shè)備，該設(shè)備需滿足:電子束功率為10 1000W，束流直徑為0.3 0.7mm,電子束的掃描速度為0.1 5m/s,工作臺(tái)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng),移動(dòng)精度為0.lmm/s，將工件放置于工作臺(tái)上；1.1.2用繪圖軟件編輯常規(guī)陣列，選取常規(guī)陣列的首列為常規(guī)掃描單元(2)，將常規(guī)掃描單元(2)上傳到電子束加工設(shè)備的控制系統(tǒng)中；1.1.3啟動(dòng)電子束加工設(shè)備，按常規(guī)掃描單元(2)的軌跡在工件表面待加工區(qū)的一端開始掃描，同時(shí)工作臺(tái)橫向移動(dòng)，使電子束的掃描移向工件表面待加工區(qū)的另一端，電子束掃描速度u和工作臺(tái)移動(dòng)速度V應(yīng)滿足以下關(guān)系式u/v=L/X其中:L為常規(guī)掃描單元(2)的長(zhǎng)度，X為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離；1.2當(dāng)掃描軌跡(I)的排列方式為交錯(cuò)陣列時(shí)，該方法的步驟為:1.2.1準(zhǔn)備電子束加工設(shè)備，該設(shè)備需滿足:電子束功率為10 1000W，束流直徑為0.3 0.7mm,電子束的掃描速度為0.1 5m/s,工作臺(tái)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng),移動(dòng)精度為0.lmm/s，將工件放置于工作臺(tái)上；1.2.2用繪圖軟件編輯交錯(cuò)陣列，該交錯(cuò)陣列相鄰兩列之間的距離d應(yīng)滿足以下關(guān)系式d<0.5x其中:X為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離；1.2.3選取交錯(cuò)陣列前端N列為交錯(cuò)掃描單元(3)，其中，N>1, N的取值為可通過平移復(fù)制形成該交錯(cuò)陣列的列數(shù)的最小值，將交錯(cuò)掃描單元(3)上傳到電子束加工設(shè)備的控制系統(tǒng)中；1.2.4啟動(dòng)電子束加工設(shè)備，按交錯(cuò)掃描單元(3)的軌跡在工件表面待加工區(qū)的一端開始掃描，同時(shí)工作臺(tái)橫向移動(dòng)，使電子束的掃描移向工件表面待加工區(qū)的另一端，電子束掃描速度u和工作臺(tái)移動(dòng)速度V應(yīng)滿足以下關(guān)系式u/v=L/X式中:L為交錯(cuò)掃描單元(3)每一列的長(zhǎng)度，X為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離。所述掃描軌跡(I)是等長(zhǎng)線段的組合，該等長(zhǎng)線段向中心匯集。所述掃描軌跡(I)是阿基米德螺線、三角函數(shù)曲線或同心圓曲線中的一種或幾種組合而成。本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了大面積金屬材料的表面形貌制備。表面形貌均勻性較好、突起密度高度可控，由于可自動(dòng)化控制，所以加工效率高，且避免粉塵危害，綠色環(huán)保，


圖1為掃描軌跡的排列方式為常規(guī)陣列的示意2為掃描軌跡的排列方式為交錯(cuò)陣列的示意3為掃描軌跡是等長(zhǎng)線段的組合的示意4為掃描軌跡是阿基米德螺線的示意5為掃描軌跡是三角函數(shù)曲線的示意6為掃描軌跡是同心圓曲線的示意圖
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述:參見附圖1 2所示，該種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，該方法是利用小功率、高品質(zhì)電子束，通過電磁場(chǎng)控制進(jìn)行掃描，按一定的掃描軌跡(I)作用于金屬表面，產(chǎn)生幾微米到幾百微米的微小突起，所述掃描軌跡(I)的排列方式為常規(guī)陣列或交錯(cuò)陣列，常規(guī)陣列是矩陣陣列的排列方式，相鄰兩行掃描軌跡(I)之間的行間距相等，相鄰兩列掃描軌跡(I)之間的列間距相等；交錯(cuò)陣列是在常規(guī)陣列基礎(chǔ)上，插入掃描軌跡(1)，插入的每一個(gè)掃描軌跡(I)位于常規(guī)陣列相鄰兩行和相鄰兩列掃描軌跡(I)中間，其特征在于:該方法依據(jù)掃描軌跡(I)的兩種排列方式分別如下:1.1當(dāng)掃描軌跡(I)的排列方式為常規(guī)陣列時(shí)，該方法的步驟為:1.1.1準(zhǔn)備電子束加工設(shè)備，該設(shè)備需滿足:電子束功率為10 1000W，束流直徑為0.3 0.7mm,電子束的掃描速度為0.1 5m/s，位于電子束加工設(shè)備真空室中的工作臺(tái)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，移動(dòng)精度為0.lmm/s，將TC4鈦合金薄板放置于工作臺(tái)上，然后對(duì)真空室抽真空；1.1.2用繪圖軟件編輯常規(guī)陣列，選取常規(guī)陣列的首列為常規(guī)掃描單元(2)，將常規(guī)掃描單元(2)上傳到電子束加工設(shè)備的控制系統(tǒng)中；1.1.3啟動(dòng)電子束加工設(shè)備，設(shè)定加速電壓為150kV，加熱陰極燈絲，調(diào)整聚焦電流為表面聚焦?fàn)顟B(tài)(約2100mA)，設(shè)定束流為2mA，電子束掃描速度為1000mm/S ；1.1.4設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度，電子束掃描速度u和工作臺(tái)移動(dòng)速度V應(yīng)滿足以下關(guān)系式u/v=L/X其中:L為常規(guī)掃描單元(2)的長(zhǎng)度，等于50mm，x為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離，等于Imm,據(jù)此設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度為20mm/s ；1.1.5工作臺(tái)按照設(shè)定的速度橫向移動(dòng)，打開束流開關(guān)，從CCD觀察系統(tǒng)觀察掃描過程；1.1.6掃描完成后，關(guān)斷束流，關(guān)閉掃描功能；1.1.7真空室放氣，將試板拿出，通過檢測(cè)，表面均勻性很好。1.2當(dāng)掃描軌跡(I)的排列方式為交錯(cuò)陣列時(shí)，該方法的步驟為:1.2.1準(zhǔn)備電子束加工設(shè)備，該設(shè)備需滿足:電子束功率為10 1000W，束流直徑為0.3 0.7mm,電子束的掃描速度為0.1 5m/s，位于電子束加工設(shè)備真空室中的工作臺(tái)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，移動(dòng)精度為0.lmm/s，將TC4鈦合金薄板放置于工作臺(tái)上，然后對(duì)真空室抽真空；1.2.2用繪圖軟件編輯交錯(cuò)陣列，該交錯(cuò)陣列相鄰兩列之間的距離d應(yīng)滿足以下關(guān)系式d〈0.5x其中:x為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離，等于0.5mm，據(jù)此設(shè)定交錯(cuò)陣列相鄰兩列之間的距離d等于0.1mm ；1.2.3選取交錯(cuò)陣列前端N列為交錯(cuò)掃描單元(3)，其中，N>1, N的取值為可通過平移復(fù)制形成該交錯(cuò)陣列的列數(shù)的最小值，將交錯(cuò)掃描單元(3)上傳到電子束加工設(shè)備的控制系統(tǒng)中；1.2.4啟動(dòng)電子束加工設(shè)備，設(shè)定加速電壓為150kV，加熱陰極燈絲，調(diào)整聚焦電流為表面聚焦?fàn)顟B(tài)(約2100mA)，設(shè)定束流為2mA，電子束掃描速度為1000mm/S ；1.2.5設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度，電子束掃描速度u和工作臺(tái)移動(dòng)速度V應(yīng)滿足以下關(guān)系式u/v=L/X式中:L為交錯(cuò)掃描單元(3)每一列的長(zhǎng)度，等于50mm，x為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離，等于0.5mm,據(jù)此設(shè)定工作臺(tái)移動(dòng)速度為10mm/s ；1.2.6工作臺(tái)按照設(shè)定的速度橫向移動(dòng)，打開束流開關(guān)，從CCD觀察系統(tǒng)觀察掃描過程；1.2.7掃描完成后，關(guān)斷束流，關(guān)閉掃描功能；1.2.8真空室放氣，將試板拿出，通過檢測(cè)，表面均勻性很好。參見附圖3 6所示，所述掃描軌跡(I)可以是等長(zhǎng)線段的組合，該等長(zhǎng)線段向中心匯集。所述掃描軌跡(I)可以是阿基米德螺線、三角函數(shù)曲線或同心圓曲線中的一種或幾種組合而成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了大面積金屬材料的表面形貌制備。表面形貌均勻性較好、突起密度高度可控，由于可自動(dòng)化控制，所以加工效率高，且避免粉塵危害，綠色環(huán)保。
權(quán)利要求
1.一種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，該方法是利用小功率、高品質(zhì)電子束，通過電磁場(chǎng)控制進(jìn)行掃描，按一定的掃描軌跡(I)作用于金屬表面，產(chǎn)生幾微米到幾百微米的微小突起，所述掃描軌跡(I)的排列方式為常規(guī)陣列或交錯(cuò)陣列，常規(guī)陣列是矩陣陣列的排列方式，相鄰兩行掃描軌跡(I)之間的行間距相等，相鄰兩列掃描軌跡(I)之間的列間距相等；交錯(cuò)陣列是在常規(guī)陣列基礎(chǔ)上，插入掃描軌跡(I)，插入的每一個(gè)掃描軌跡(I)位于常規(guī)陣列相鄰兩行和相鄰兩列掃描軌跡(I)中間，其特征在于:該方法依據(jù)掃描軌跡(I)的兩種排列方式分別如下: 1.1當(dāng)掃描軌跡(I)的排列方式為常規(guī)陣列時(shí)，該方法的步驟為: 1.1.1準(zhǔn)備電子束加工設(shè)備，該設(shè)備需滿足:電子束功率為10 1000W，束流直徑為0.3 0.7mm,電子束的掃描速度為0.1 5m/s，工作臺(tái)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，移動(dòng)精度為0.lmm/s，將工件放置于工作臺(tái)上； 1.1.2用繪圖軟件編輯常規(guī)陣列，選取常規(guī)陣列的首列為常規(guī)掃描單元(2)，將常規(guī)掃描單元(2)上傳到電子束加工設(shè)備的控制系統(tǒng)中； 1.1.3啟動(dòng)電子束加工設(shè)備，按常規(guī)掃描單元(2)的軌跡在工件表面待加工區(qū)的一端開始掃描，同時(shí)工作臺(tái)橫向移動(dòng)，使電子束的掃描移向工件表面待加工區(qū)的另一端，電子束掃描速度u和工作臺(tái)移動(dòng)速度V應(yīng)滿足以下關(guān)系式u/v=L/X 其中:L為常規(guī)掃描單元(2)的長(zhǎng)度，X為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距 離； 1.2當(dāng)掃描軌跡(I)的排列方式為交錯(cuò)陣列時(shí)，該方法的步驟為: 1.2.1準(zhǔn)備電子束加工設(shè)備，該設(shè)備需滿足:電子束功率為10 1000W，束流直徑為0.3 0.7mm,電子束的掃描速度為0.1 5m/s，工作臺(tái)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，移動(dòng)精度為0.lmm/s，將工件放置于工作臺(tái)上； 1.2.2用繪圖軟件編輯交錯(cuò)陣列，該交錯(cuò)陣列相鄰兩列之間的距離d應(yīng)滿足以下關(guān)系式 d〈0.5x 其中:x為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離； 1.2.3選取交錯(cuò)陣列前端N列為交錯(cuò)掃描單元(3)，其中，N>1，N的取值為可通過平移復(fù)制形成該交錯(cuò)陣列的列數(shù)的最小值，將交錯(cuò)掃描單元(3)上傳到電子束加工設(shè)備的控制系統(tǒng)中； 1.2.4啟動(dòng)電子束加工設(shè)備，按交錯(cuò)掃描單元(3)的軌跡在工件表面待加工區(qū)的一端開始掃描，同時(shí)工作臺(tái)橫向移動(dòng)，使電子束的掃描移向工件表面待加工區(qū)的另一端，電子束掃描速度u和工作臺(tái)移動(dòng)速度V應(yīng)滿足以下關(guān)系式u/v=L/X 式中:L為交錯(cuò)掃描單元(3)每一列的長(zhǎng)度，X為工件表面加工后相鄰兩列微小突起之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，其特征在于:所述掃描軌跡(I)是等長(zhǎng)線段的組合，該等長(zhǎng)線段向中心匯集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，其特征在于:所述掃描軌跡(I)是阿基米 德螺線、三角函數(shù)曲線或同心圓曲線中的一種或幾種組合而成。
全文摘要
本發(fā)明是一種電子束表面微造型的動(dòng)態(tài)加工方法，該方法是將電子束的高速掃描與工作臺(tái)移動(dòng)相結(jié)合，通過電子束掃描速度與工作臺(tái)移動(dòng)速度的匹配，實(shí)現(xiàn)金屬材料的大面積表面形貌的制備，具有加工面積不受電子束偏轉(zhuǎn)角度限制、加工表面均勻性好、連續(xù)性好、加工效率高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K15/06GK103084726SQ201310041090
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者王西昌, 鞏水利, 許恒棟, 毛智勇, 左從進(jìn) 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所