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1、电子束在模具表面精整加工中的应用摘要：介绍了电子束精整加工的原理、特点、工艺流程、装置结构以及影响精整加工效果的因素。为模具表面镜面加工提供技术指导。关键词：电子束模具精整加工模具的传统加工工序主要包括铣削加工、研磨及抛光。其中抛光是决定模具质量的重要工序,模具的形状精度及表面粗糙度直接影响着成形加工产品的质量。电火花加工早已被广泛用于模具以及零件加工,然而实际上,这些加工后的表面很少直接使用,为减小表面粗糙度值,去除显微裂纹和白层等表面缺陷,改善形状精度,也需要最终抛光和表面精整处理工序。常见的材料表面精整加工方法包括磨床抛光、电解抛光、超声波抛光和手工抛光等。
2、对于形状较为简单的模具也有使用机器人进行抛光的[1]。手工抛光以其操作简单、成本低、可以抛光细小轮廓等优点成为主要手段,但手工抛光工序需要依靠熟练操作者的技能,表面质量不稳定,加工效率不高。电解抛光生产效率高,但抛光质量受原材料表面状态影响较大,抛光质量难以控制。超声波抛光比手工抛光效率高十多倍,且能抛光狭缝、深槽、不规则的圆弧及棱角等,但超声波抛光会产生“桔皮”状缺陷,模具形状越复杂,这一现象也越严重[2-3]。近十几年来,利用脉冲高能束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面精整加工和改性得到了迅速发展。当高能量密度的射束作用到材料表面时,大量的能量会在短时
3、间里沉积在材料表面的薄层中,被加热层的温度迅速升高,导致局部熔化、汽化等现象。当输入能量结束时,工件表面会急速冷却。其结果,表面将被非晶化。若将这一过程沿着整个表面反复进行就能获得非常光滑的镜面。经过这几个过程的综合作用,材料表面层的性质会发生明显地变化,可以使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学或力学性质[4]。一、原理电子束是把电能通过聚焦用于穿孔等高速加工的一种加工技术。如果把这种思路反过来,将电子束不聚焦而做成极粗状(图1)。通过放粗后,利用降低的单位面积电能使表面极浅(2μm)层部分瞬间熔化。照射时间仅为2μs。虽然表面层被瞬间熔化,但主体部分仍处
4、于低温,所以熔化部分将被迅速冷却下来。其结果,表面将被非晶化即非定形化。若将这一过程沿着整个表面反复进行就能获得非常光滑的镜面。如同溶化后的黄油凝固时那样光滑的表面。而且,所形成的非定形化表面难以产生氧化,即不易生锈。这种方法也许已超出抛光范围,是一种划时代的加工技术。电子束流由布置在腔外部的电磁线圈产生磁场,火花源通电,然后在磁场强度达到最大的瞬间,对阳极施加脉冲电压而产生的。由彭宁(Penning)效应在阴极产生的电子便向阳极移动,与此同时,电子因受到洛伦兹(Lorentz)力的作用而进行螺旋运动。飞行中的电子不断与腔内的氩(Ar)原子发生冲撞而在阳极附近产生
5、等离子体(阳极等离子体)。当在该等离子区达到最大的瞬间给阴极施加脉冲电压时,就会在阴极附近形成等离子体(阴极等离子体),以及形成双电荷层,因而电场强度得到增强,使从阴极释放出来的电子被高压电场加速。阳极等离子体量与离子质量很大时,就能提高电子束的电流密度,而且阳极等离子体的存在还有延长电子束寿命的效果。一般来说,电子束因电子间产生的库伦斥力,电子有发生散射的倾向。但是利用使其通过阳极等离子体以屏蔽电子间的库伦力,就可以提高直线行进性。加速后的电子经过电磁线圈也就是电磁透镜组的作用,汇聚成为具有一定直径和能量密度的电子束流[5]。电子束（Ø60mm）的单位面积能量为
6、2～10J/cm2，每次照射的时间为2～3μs，作用深度为几个微米。高功率的脉冲电子束照射钢表面时，电子束90％能量转变为金属表面热能，受热区域的温度极迅速上升（约10e8K/s），达到熔点以上而熔化气化，从而实现金属表面的平整。停止照射后由于金属基体的导热，金属表面高速冷却（约10e8K/s），发生淬火反应形成致密的细小马氏体组织，提高了金属表面的硬度，耐磨性和耐腐蚀性。图2.大面积电子束照射金属表面示意图二、电子束表面加工的特点（1）加工后工件的表面粗糙度有较大程度降低,材料表面光滑,材料表面形成非晶体组织,耐磨和耐腐蚀性能优良。（2）利用电子束直接对模具加工
7、表面进行照射抛光,加工效率高。（3）利用电子束产生的能量进行照射,对材料具有热处理作用,模具型腔表面应力低,模具寿命长。三、工艺流程电子束加工的控制采用以计算机为中心的控制系统,电子束加工流程如图3所示,其中虚线表示计算机对加工流程的控制关系,实线表示加工流程。图3.电子束加工工艺流程图加工任务输入计算机,由计算机控制系统控制与之相连的电子束发生装置产生电子束,计算机根据加工任务将整个加工区域分成若干照射单元,并确定每个单元的照射次数、能量密度等工艺参数;根据加工任务的完成情况协调工作台运动,直至加工任务结束[6]。四、电子束抛光装置结构方框模具型腔的电子束加工装
8、置结构方框
