工学先进制造技术课件第3章课件

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1、第三章先进制造工艺技术 第三章 先进制造工艺技术 3.1 概述概述3.2 特种加工技术特种加工技术3.3 高速加工技术高速加工技术 3.4 超精密加工技术超精密加工技术3.5 快速原型制造技术快速原型制造技术 3.63.6微细加工技术微细加工技术第三章先进制造工艺技术 第三章先进制造工艺技术 第一节第一节 概述概述 3.1.1 机械制造工艺定义与内涵机械制造工艺定义与内涵 3.1.2 先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 3.1.3 先进制造工艺的特点及分类先进制造工艺的特点及分类第三章先进制造工艺技术 3.1.1 机械制造工艺定义与内涵原材料成品半成品机械制造工艺定义改变形状,尺

2、寸,性能,位置机床、工具机械制造工艺三阶段：零件毛坯的成形准备阶段 机械切削加工阶段 表面改性处理阶段机械制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何机械制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状、一定材料性能和精度要求的可用零件的形状、一定材料性能和精度要求的可用零件的一切过一切过程和方法的总称程和方法的总称3.1.2 先进制造工艺的产生和发展发展趋势主要体现在以下几个方面：发展趋势主要体现在以下几个方面：制造加工精度制造加工精度 18世纪，其加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪初，m级过渡；20世纪50年代末，实现了m级的加工精度（精密加工）目前达到10nm的精度水平。切

3、削加工速度切削加工速度 20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200C，10m/min；20世纪初，高速钢，500-600C，30-40m/min；20世纪30年代，硬质合金，800-1000C，数百米/min;目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000C以上，一千至数千米/min。第三章先进制造工艺技术 新型工程材料的应用新型工程材料的应用类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等对制造工艺贡献：改善刀具切削性能，改进加工设备；促进特种加工工艺发展。自动化和数字化工艺装备的发展自动化和数字化工艺装备的发展 单机自动化 系统自动化 刚性自动化 柔性自动化 综合自动化 第三章先进制造工艺技

4、术 毛坯成形技术在向少、无余量发展毛坯成形技术在向少、无余量发展 如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。表面工程技术的形成和发展表面工程技术的形成和发展表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。第三章先进制造工艺技术 先进制造工艺的特点先进制造工艺的特点1.优质优质2.高效高效3.低耗低耗4.洁净洁净5.灵活灵活第三章先进制造工艺技术 电子工艺电子工艺包括电子元件、部件和装置的包括电子元件、部

5、件和装置的制造工艺，其中最有代表性、特殊性，最有制造工艺，其中最有代表性、特殊性，最有前途的是：晶片制造工艺，超大规模集成电前途的是：晶片制造工艺，超大规模集成电路制造工艺，微电子器件工艺，光刻工艺，路制造工艺，微电子器件工艺，光刻工艺，离子注入工艺，镀膜工艺，电子束焊、激光离子注入工艺，镀膜工艺，电子束焊、激光焊、贵金属钎焊等。焊、贵金属钎焊等。第三章先进制造工艺技术 通用的机械制造工艺通用的机械制造工艺有离散工艺过程和连续有离散工艺过程和连续工艺过程。按对零件的作用效果可分为改变工艺过程。按对零件的作用效果可分为改变形态的工艺过程（如切削加工）、改变性能形态的工艺过程（如切削加工）、改变性

6、能的工艺过程（如热处理）和改变外观性能的的工艺过程（如热处理）和改变外观性能的工艺过程（如电镀）等；按零件的精密程度工艺过程（如电镀）等；按零件的精密程度可分为普通工艺过程、精密工艺过程以及超可分为普通工艺过程、精密工艺过程以及超精密工艺过程；按使用的工具及能量形式不精密工艺过程；按使用的工具及能量形式不同，又可分为常规工艺、特种工艺、复合工同，又可分为常规工艺、特种工艺、复合工艺以及快速制造工艺等。艺以及快速制造工艺等。由此可由此可见把制造工见把制造工艺方法按材艺方法按材料加工工艺料加工工艺的不同进行的不同进行分类，如右分类，如右图所示。图所示。第三章先进制造工艺技术 （1）成形工艺）成形工

7、艺 成形工艺主要指将不定形成形工艺主要指将不定形的原材料（块状、颗粒状、液态或固态）转的原材料（块状、颗粒状、液态或固态）转化成所需要形状的工艺，例如铸造、粉末冶化成所需要形状的工艺，例如铸造、粉末冶金、塑料成形工艺。金、塑料成形工艺。这类工艺主要用于获得这类工艺主要用于获得毛坯或不需再加工的制品，毛坯或不需再加工的制品，工艺过程中，微工艺过程中，微粒子之间互相聚集。成形工艺的过程包括将粒子之间互相聚集。成形工艺的过程包括将原材料加热使其变成液体，然后冷却固化成原材料加热使其变成液体，然后冷却固化成一定形状，或者使原材料的固体颗粒烧结、一定形状，或者使原材料的固体颗粒烧结、粘着在一起，由此而获

8、得工件（大多为毛粘着在一起，由此而获得工件（大多为毛坯）。坯）。第三章先进制造工艺技术 粉末冶金的定义粉末冶金的定义:将将各种金属各种金属和和非金属粉料非金属粉料均匀混合后压制成均匀混合后压制成形，再经形，再经高温烧结高温烧结和必要的和必要的后续处理后续处理来制取金属来制取金属材料及其制品的成形工艺方法。材料及其制品的成形工艺方法。第三章先进制造工艺技术 3.2.4 高分子材料注射成形高分子材料注射成形粉状塑料注入螺杆推进送进加热区通过分流梭喷嘴喷出注入模腔注射成形工艺过程注射成形工艺过程冷却成形第三章先进制造工艺技术 （2）变形工艺）变形工艺 变形工艺主要包括使工件的原变形工艺主要包括使工件

9、的原始几何形状从一种状态改变为另一种状态，如锻造、始几何形状从一种状态改变为另一种状态，如锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。冲压、轧制、挤压、拉拔等。锻造锻造是让加热到一定是让加热到一定温度的金属在冲击力或压力作用下产生较大塑性变温度的金属在冲击力或压力作用下产生较大塑性变形，形成所需要的工件形状；形，形成所需要的工件形状；冲压冲压则是利用模具使则是利用模具使材料在压力作用下产生变形或分离。变形工艺适用材料在压力作用下产生变形或分离。变形工艺适用于铁碳合金、不锈钢、耐热钢、轻有色金属、重有于铁碳合金、不锈钢、耐热钢、轻有色金属、重有色金属等。色金属等。锻造常用于一些重要毛坯（轴、齿轮等）锻造常用

10、于一些重要毛坯（轴、齿轮等）的生产，冲压制品在汽车、家用电器等行业有广泛的生产，冲压制品在汽车、家用电器等行业有广泛用途。用途。第三章先进制造工艺技术 （3）切削工艺切削工艺 机械制造系统中，机械制造系统中，切削切削和和磨削磨削是传统的机械加工方法，材料的切削是制造过程的是传统的机械加工方法，材料的切削是制造过程的主要内容，几乎占全部工艺劳动量的主要内容，几乎占全部工艺劳动量的1/3以上。以上。切切削与磨削加工是用刀具或砂轮在工件表层切去一层削与磨削加工是用刀具或砂轮在工件表层切去一层余量，使工件达到要求的尺寸精度、形状、位置精余量，使工件达到要求的尺寸精度、形状、位置精度和表面质量的加工方法

11、。度和表面质量的加工方法。由于生产效率高，加工由于生产效率高，加工成本低，能量消耗少，可以加工各种不同形状、尺成本低，能量消耗少，可以加工各种不同形状、尺寸和精度要求的工件。因此，寸和精度要求的工件。因此，切削和磨削一直是工切削和磨削一直是工件精加工和最后成形的最重要手段件精加工和最后成形的最重要手段。目前以至将来。目前以至将来相当长的时期，切削、磨削仍然是获得精密机械零相当长的时期，切削、磨削仍然是获得精密机械零件最主要的加工方法。件最主要的加工方法。第三章先进制造工艺技术 （4）联接工艺）联接工艺 联接工艺联接工艺主要指将单个工件联接成组主要指将单个工件联接成组件或最终产品，如机械联接、焊

12、接、粘接和装配等工艺。件或最终产品，如机械联接、焊接、粘接和装配等工艺。制造时先分别加工单个零件，然后用联接工艺将其结合成制造时先分别加工单个零件，然后用联接工艺将其结合成一个完整的产品。产品在使用、维护和修理时，经常需要一个完整的产品。产品在使用、维护和修理时，经常需要拆卸装配，同样离不开联接工艺。拆卸装配，同样离不开联接工艺。机械联接包括螺栓联接、铆接和压力联接机械联接包括螺栓联接、铆接和压力联接。螺栓联接是。螺栓联接是利用螺栓、螺母、螺纹、销等紧固件，形成可拆卸式机械利用螺栓、螺母、螺纹、销等紧固件，形成可拆卸式机械联接。铆接是一种永久或半永久性机械联接。压力联接一联接。铆接是一种永久或

13、半永久性机械联接。压力联接一般用过盈装配方式，如将内件（例如轴）压入加热后膨胀般用过盈装配方式，如将内件（例如轴）压入加热后膨胀状态下的套件（例如齿轮孔、套筒），冷却后套件收缩而状态下的套件（例如齿轮孔、套筒），冷却后套件收缩而紧紧包在内件上。利用材料一定范围内的弹性，将一个工紧紧包在内件上。利用材料一定范围内的弹性，将一个工件强行压入另一个工件内的压力联接工艺，可以获得较高件强行压入另一个工件内的压力联接工艺，可以获得较高的联接强度。的联接强度。第三章先进制造工艺技术 焊接焊接是在制造系统内应用极为广泛的一种联接是在制造系统内应用极为广泛的一种联接工艺，工艺，焊接是通过加热或加压或两者并用（

14、用或不焊接是通过加热或加压或两者并用（用或不用填充材料）使分离的两部分金属形成原子结合的用填充材料）使分离的两部分金属形成原子结合的一种永久性联接方法。一种永久性联接方法。与铆接比较，焊接具有节省与铆接比较，焊接具有节省材料，减轻重量，联接质量好，接头密封性好，可材料，减轻重量，联接质量好，接头密封性好，可承受高压，简化加工与装配工序，缩短生产周期，承受高压，简化加工与装配工序，缩短生产周期，易于实现机械化和自动化生产等易于实现机械化和自动化生产等优点优点。但其有不可。但其有不可拆卸，会产生焊接变形、裂纹等拆卸，会产生焊接变形、裂纹等缺陷缺陷。工业生产中。工业生产中应用的焊接方法很多，常用焊接

15、方法下如图所示。应用的焊接方法很多，常用焊接方法下如图所示。工业生产中应用的焊接方法很多，常用焊接方法如下：焊接在现代工业生产中具有十分重要的焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，广泛应用于机械制造中的毛坯生产和作用，广泛应用于机械制造中的毛坯生产和制造各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构制造各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构架、锅炉与压力容器、汽车车身、桥梁、矿架、锅炉与压力容器、汽车车身、桥梁、矿山机械、大型转子轴、缸体等。此外，焊接山机械、大型转子轴、缸体等。此外，焊接还用于零件的修复焊补等。还用于零件的修复焊补等。金属与非金属的联接或非金属异种材料金属与非金属的联接或非金属异种材料之间

16、的联接经常采用之间的联接经常采用粘接工艺粘接工艺实现。在被粘实现。在被粘接表面涂一层很薄的粘接剂，粘接剂固化后接表面涂一层很薄的粘接剂，粘接剂固化后即形成很强的粘接力。即形成很强的粘接力。第三章先进制造工艺技术 （5）材料改性工艺及表面处理工艺）材料改性工艺及表面处理工艺 是指是指不改变几何形状、仅改变工件材料性能，从不改变几何形状、仅改变工件材料性能，从而获得所希望指标的工艺，如材料热处理工而获得所希望指标的工艺，如材料热处理工艺等。上述介绍的各种工艺，都要改变工件艺等。上述介绍的各种工艺，都要改变工件的几何形状，使其能够具有一定的功能或能的几何形状，使其能够具有一定的功能或能承受一定的外载

17、荷。承受一定的外载荷。调整材料性能的工艺调整材料性能的工艺（主要指热处理）可以在不改变工件几何形（主要指热处理）可以在不改变工件几何形状的前提下人为改变材料的显微组织结构，状的前提下人为改变材料的显微组织结构，使工件具有所要求的物理机械性能使工件具有所要求的物理机械性能。常用调。常用调整材料性能的工艺如下图所示。整材料性能的工艺如下图所示。第三章先进制造工艺技术 （6）特种加工工艺）特种加工工艺 特种加工是利用化学、电特种加工是利用化学、电化学、物理（声、光、热、磁）等方法对材料进行化学、物理（声、光、热、磁）等方法对材料进行加工加工,特种加工工艺主要用于各种高硬难熔及具有特种加工工艺主要用于

18、各种高硬难熔及具有特殊物理机械性能的材料和精密细小、形状复杂、特殊物理机械性能的材料和精密细小、形状复杂、难以用传统切削加工工艺加工的零件。难以用传统切削加工工艺加工的零件。与机械加工与机械加工方法相比，它具有一系列特点，能解决大量普通机方法相比，它具有一系列特点，能解决大量普通机械加工方法难以解决甚至不能解决的问题。因而，械加工方法难以解决甚至不能解决的问题。因而，自其产生以来得到迅速发展，不断充实与扩展机械自其产生以来得到迅速发展，不断充实与扩展机械制造工艺，促进工艺水平的提高。随着新材料的大制造工艺，促进工艺水平的提高。随着新材料的大量涌现，特种加工工艺也在不断发展。量涌现，特种加工工艺

19、也在不断发展。第三章先进制造工艺技术 （7）快速成形工艺）快速成形工艺 是直接根据产品是直接根据产品CAD的三的三维实体模型数据，经计算机处理后，将三维模型转维实体模型数据，经计算机处理后，将三维模型转化为许多平面模型的迭加，再通过计算机控制、制化为许多平面模型的迭加，再通过计算机控制、制造一系列平面模型并加以联结，形成复杂的三维实造一系列平面模型并加以联结，形成复杂的三维实体零件。这样，产品的研制周期可以显著缩短，并体零件。这样，产品的研制周期可以显著缩短，并可节省研制费用。可节省研制费用。第三章先进制造工艺技术 第二节第二节 现代特种加工技术现代特种加工技术 3.2.1 3.2.1 概述概

20、述 3.2.2 3.2.2 激光加工激光加工 3.2.3 3.2.3 光刻蚀技术光刻蚀技术 3.2.4 3.2.4 电子束加工电子束加工 3.2.5 3.2.5 离子束加工离子束加工3.2.1概述概述一、特种加工的产生及发展一、特种加工的产生及发展1 尖端科学技术的发展方向尖端科学技术的发展方向 高精度高精度 高速度高速度 高温高温 高压高压 大功率大功率 小型化小型化2 对机械制造部门提出的新要求：对机械制造部门提出的新要求：（1）解决各种难切削材料的加工问题）解决各种难切削材料的加工问题（2）解决各种特殊复杂表面的加工问题）解决各种特殊复杂表面的加工问题（3）解决各种超精、光整或具有特殊要

21、求的零件的）解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题加工问题 要解决机械制造部门面临的一系列工艺问题，仅仅要解决机械制造部门面临的一系列工艺问题，仅仅依靠传统的切削依靠传统的切削 加工方法很难实现，甚至根本无法加工方法很难实现，甚至根本无法实现，人们相继探索研究新的加工方法，特种加工实现，人们相继探索研究新的加工方法，特种加工因此而产生。因此而产生。第三章先进制造工艺技术 切削加工的本质和特点切削加工的本质和特点：（1）靠刀具材料比工件更硬）靠刀具材料比工件更硬（2）靠机械能把工件上多余的材料切除）靠机械能把工件上多余的材料切除 特种加工技术特种加工技术是指区别于传统切削加工方法，是指

22、区别于传统切削加工方法，利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称。法的总称。超声波加工（超声波加工（USM）、激光加工（）、激光加工（LBM）、）、离子束加工（离子束加工（IBM）、电子束加工（）、电子束加工（EBM）等）等 第三章先进制造工艺技术 这些加工方法包括：化学加工（这些加工方法包括：化学加工（CHM）、电化学加工）、电化学加工（ECM）、电化学机械加工（）、电化学机械加工（ECMM）、电火花加）、电火花加工（工（EDM）、电接触加工（）、电接触加工（RHM

23、）、超声波加工）、超声波加工（USM）、激光加工（）、激光加工（LBM）、离子束加工（）、离子束加工（IBM）、）、电子束加工（电子束加工（EBM）、等离子体加工（）、等离子体加工（PAM）、电液）、电液加工（加工（EHM）、磨料流加工（）、磨料流加工（AFM）、磨料喷射加）、磨料喷射加工（工（AJM）、液体喷射加工（）、液体喷射加工（HDM）及各类复合加）及各类复合加工等。工等。第三章先进制造工艺技术 特种加工的特点：特种加工的特点：1）不用机械能，不用机械能，与加工对象的机械性能无关，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离有些加工方法，如激光加工、电火花加工、

24、等离子弧加工、电化学加工等，子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、是利用热能、化学能、电化学能等，电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。金属材料。第三章先进制造工艺技术 2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低

25、作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。元件及弹性元件得以加工。3）微细加工，工件表面质量高微细加工，工件表面质量高，有些特种加，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。第三章先进制造工艺技术 4）不存在加工中的机械应变或大面积的热应）不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应变，可获得较低的表面粗糙度，

26、其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。5）两种或两种以上的不同类型的能量可相互）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。便于推广使用。6）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。第三章先进制造工艺技术 1、激光加工、激光加工LBM 激光加工激光加工（Laser Beam Machining）是是20世纪世纪60年代发年代发展起来的一种新

27、兴技术，它是利用光能经过透镜聚展起来的一种新兴技术，它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。种材料。由于激光加工不需要加工工具、而且加工由于激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面变形小，可以加工各种材料，受到了速度快、表面变形小，可以加工各种材料，受到了人们极大重视，已广泛用于打孔、切割、焊接、电人们极大重视，已广泛用于打孔、切割、焊接、电子器件微调、热处理子器件微调、热处理 以及信息存贮等许多领域。以及信息存贮等许多领域。第三章先进制造工艺技术 原子的发光原子的发光 原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。原于

28、的内能就原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。原于的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。如果由于外界的作用，使电子与原子核的距离增大或缩小，则如果由于外界的作用，使电子与原子核的距离增大或缩小，则原子的内能也随之增大或缩小。只有电子在最靠近原子核的轨原子的内能也随之增大或缩小。只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的，人们把这时原子所处的能级状态称为道上运动才是最稳定的，人们把这时原子所处的能级状态称为基态。当外界传给原于一定的能量时基态。当外界传给原于一定的能量时(例如用光照射原子例如用光照射原子)，原子的内

29、能增，原子的内能增加，外层电子的轨道半径扩大，被激加，外层电子的轨道半径扩大，被激发到高能级，为激发态或高能态。图发到高能级，为激发态或高能态。图5-2是氢原子的能级，图中最低的能是氢原子的能级，图中最低的能级级E1称为基态其余称为基态其余E2、E3等都称为高等都称为高能态。能态。图5-2氢原子的能级第三章先进制造工艺技术 在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发状态的各种在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发状态的各种高能级的原于停留的时间高能级的原于停留的时间(称为寿命称为寿命)一般都较短，常在一般都较短，常在0.01m左右。但有些原于或离子的高能级或次高能级却有较长的寿命，左右。但有些

30、原于或离子的高能级或次高能级却有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级称为亚稳态能级。激光器中的氮原子、这种寿命较长的较高能级称为亚稳态能级。激光器中的氮原子、二氧化碳分子以及固体激光材料中的铬或钕离子等都具有亚稳态二氧化碳分子以及固体激光材料中的铬或钕离子等都具有亚稳态能级，能级，这些亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件这些亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件。当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常会以光子的当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常会以光子的形式辐射出光能量，所放出光的频率。与高能态形式辐射出光能量，所放出光的频率。与高能态En和低能态和低能态E1之之差有如下关系：差有如下

31、关系：式中：式中：h普朗克常数普朗克常数 hEEvn1 物质的发光，除自发辐射外，还存在一种受激辐射。当一物质的发光，除自发辐射外，还存在一种受激辐射。当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，若这束光的频率束光入射到具有大量激发态原子的系统中，若这束光的频率v与与 很接近，则处在激发能级上的原子，在这束光的刺很接近，则处在激发能级上的原子，在这束光的刺激下会跃迁回较低能级，同时发出一束光，这束光与入射光有激下会跃迁回较低能级，同时发出一束光，这束光与入射光有着完全相同的特性，它的频率，相位、传播方向、偏振方向都着完全相同的特性，它的频率，相位、传播方向、偏振方向都是完全一致的。因此可以认为它

32、们是一模一样的，相当于把入是完全一致的。因此可以认为它们是一模一样的，相当于把入射光放大了，这样的发光过程称为受激辐射。射光放大了，这样的发光过程称为受激辐射。（二）激光的产生（二）激光的产生 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级(亚稳态亚稳态)的原子的原子(或或粒子粒子)数目大于处于低能级数目大于处于低能级(基态基态)的原于数目，这种现象，称为的原于数目，这种现象，称为“粒子数反转粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如果有一束光于照射。在粒子数反转的状态

33、下，如果有一束光于照射该物体，而光于的能量恰好等于这两个能级相对应的能量差，该物体，而光于的能量恰好等于这两个能级相对应的能量差，这时就能产生受激辐射，输出大量的光能。这时就能产生受激辐射，输出大量的光能。hEEvn1激光加工的原理与特点激光加工的原理与特点 激光激光是一种经受激辐射产生的加强光。其光强度高，是一种经受激辐射产生的加强光。其光强度高，方向性、相干性和单色性好，通过光学系统可将激光方向性、相干性和单色性好，通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密度（获得极高的能量密度（10108 810101

34、010W/cmW/cm2 2）。）。当激光照当激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达光斑区域的温度可达1000010000以上，使材料熔化甚至以上，使材料熔化甚至汽化。随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属汽化。随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式的高速蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式的高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。激喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。激光加工就是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击光加工就是工件在光热效应下产生的高温熔

35、融和冲击 波的综合作用过程。波的综合作用过程。固体激光器加工原理示意图固体激光器加工原理示意图 1-全反射镜；2-激光工作物质；3-光泵（激励脉冲氙灯）；4-部分反射镜；5-透镜；6-工件 d0-光斑直径；f-透镜焦距；-发散角（一般为10-210-3rad）第三章先进制造工艺技术 当激光的工作物质当激光的工作物质(钇铝石榴石等钇铝石榴石等)受到光泵激受到光泵激发后，吸收具有特定波长的光，在一定条件下发后，吸收具有特定波长的光，在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数。此时一旦有少量激发粒子自发辐射发粒子数。此时一旦有少量激发粒子自发辐

36、射发出光子，即可感应所有其他激发粒子产生受激出光子，即可感应所有其他激发粒子产生受激幅射跃迁，实现光放大，并通过全反射镜和部幅射跃迁，实现光放大，并通过全反射镜和部分反分反 射镜组成的谐振腔的反馈作用产生振荡，射镜组成的谐振腔的反馈作用产生振荡，由部分反射镜的一端输出激光，通过透镜将激由部分反射镜的一端输出激光，通过透镜将激光束聚焦形成高能光束，照射到待加工工件的光束聚焦形成高能光束，照射到待加工工件的表面上，即可进行加工。表面上，即可进行加工。激光加工的特点激光加工的特点1 1）加工范围广加工范围广，几乎可加工任何金属与非金属材料，如耐热合，几乎可加工任何金属与非金属材料，如耐热合金、高熔点

37、材料、陶瓷、宝石、硬质合金和复合材料等；金、高熔点材料、陶瓷、宝石、硬质合金和复合材料等；2 2）它属于）它属于高能束流加工，不存在工具磨损和更换及切削力影响高能束流加工，不存在工具磨损和更换及切削力影响；3 3）加工时）加工时不产生振动和机械噪声，加工效率高不产生振动和机械噪声，加工效率高，可实现高速打，可实现高速打孔和高速切割。也易于实现加工过程自动化；孔和高速切割。也易于实现加工过程自动化；4 4）属）属非接触加工非接触加工，工件不受机械切削力，能加工易变形的薄板，工件不受机械切削力，能加工易变形的薄板和橡胶等弹性工件和橡胶等弹性工件；（加工精度高）机械变形小；（加工精度高）机械变形小5

38、 5）加工速度快，热影响区小加工速度快，热影响区小；（热变形小）；（热变形小）6 6）激光可）激光可透过玻璃、空气及惰性气体等透明介质进行加工透过玻璃、空气及惰性气体等透明介质进行加工，如，如可对隔离室或真空室内工件进行加工；可对隔离室或真空室内工件进行加工；7 7）激光可以通过聚焦，形成微米级的光斑，输出功率的大小又）激光可以通过聚焦，形成微米级的光斑，输出功率的大小又可以调节，因此可以调节，因此可用于精密微细加工可用于精密微细加工。激光加工的基本设备激光加工的基本设备1）激光器：激光器是激光加工的重要设备，它把电）激光器：激光器是激光加工的重要设备，它把电能转变成光能，产生激光束。目前常用

39、的激光器按能转变成光能，产生激光束。目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器。激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器。2）激光器电源：激光器电源为激光器提供所需要的）激光器电源：激光器电源为激光器提供所需要的能量及控制功能。能量及控制功能。3）光学系统：包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，）光学系统：包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。置显示在投影仪上。4）机械系统：主要包括床身、能在三坐标范围内移）机械系统：主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。

40、随着电子技术的发动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，目前已采用计算机来控制工作台的移动，实现展，目前已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的数控操作。激光加工的数控操作。1 1）激光打孔：）激光打孔：激光打孔是激光加工中应用最早和应用激光打孔是激光加工中应用最早和应用最广泛的一种加工方法。利用凸镜将激光在工件上聚最广泛的一种加工方法。利用凸镜将激光在工件上聚焦，焦点处的高温使材料瞬时熔化、汽化、蒸发，好焦，焦点处的高温使材料瞬时熔化、汽化、蒸发，好像一个微型爆炸。汽化物质以超音速喷射出来，它的像一个微型爆炸。汽化物质以超音速喷射出来，它的反冲击力在工件内部形成一个向后的冲击波

41、，在此作反冲击力在工件内部形成一个向后的冲击波，在此作用下将孔打出。激光打孔速度极快，效率极高。用下将孔打出。激光打孔速度极快，效率极高。几乎几乎可在任何材料上打微孔，目前已用于火箭发动机和柴可在任何材料上打微孔，目前已用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、钟表及仪表中宝石轴承打孔，油机的燃料喷嘴加工、钟表及仪表中宝石轴承打孔，激光打孔的直径可以小到激光打孔的直径可以小到0.01mm以下，深径比可达以下，深径比可达50：1。激光加工的应用激光加工的应用第三章先进制造工艺技术 2 2）激光切割：）激光切割：与激光打孔原理基本相同，也是将激与激光打孔原理基本相同，也是将激光能量聚集到很微小的范围内

42、把工件烧穿，但切割光能量聚集到很微小的范围内把工件烧穿，但切割时需移动工件或激光束（一般移动工件），沿切口时需移动工件或激光束（一般移动工件），沿切口连续打一排小孔即可把工件割开。连续打一排小孔即可把工件割开。可切割各种各样可切割各种各样的材料，既可切割无机物，也可以切割皮革之类的的材料，既可切割无机物，也可以切割皮革之类的有机物。它可以锯切木材，剪割布料、纸张，还能有机物。它可以锯切木材，剪割布料、纸张，还能切割无法进行机械接触的工件（如从电子管外部切切割无法进行机械接触的工件（如从电子管外部切断内部的灯丝）。断内部的灯丝）。激光对被切割材料几乎不产生机激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压

43、力，械冲击和压力，适于切割玻璃、陶瓷和半导体等既适于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料。再加上激光光斑小、切缝窄，且便硬又脆的材料。再加上激光光斑小、切缝窄，且便于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。切割。3 3）激光焊接。）激光焊接。激光焊接与激光打孔原理稍有不同，焊激光焊接与激光打孔原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蚀除，接时不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔，使其粘合在一起。因此而只要将工件的加工区烧熔，使其粘合在一起。因此所需能量密度较低，可用小功率激光器。与其他焊接所需能

44、量密度较低，可用小功率激光器。与其他焊接相比，具有焊接时间短、效率高、无喷渣、被焊材料相比，具有焊接时间短、效率高、无喷渣、被焊材料不易氧化、热影响区小、变形小等特点。不仅能焊接不易氧化、热影响区小、变形小等特点。不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同种类的材料，甚至可以同种材料，而且可以焊接不同种类的材料，甚至可以焊接金属与非金属材料。焊接金属与非金属材料。激光焊接一般无需焊料和焊激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域剂，只需将工件的加工区域“热熔热熔”在一起就可以。在一起就可以。4 4）激光表面处理。）激光表面处理。利用激光对金属工件表面进行扫描，利用激光对金属工件表面进行扫描，从

45、而引起工件表面金相组织发生变化进而对工件表面进从而引起工件表面金相组织发生变化进而对工件表面进行表面淬火、粉末粘合等。用激光进行表面淬火，工件行表面淬火、粉末粘合等。用激光进行表面淬火，工件表层的加热速度极快，内部受热极少，工件不产生热变表层的加热速度极快，内部受热极少，工件不产生热变形。形。特别适合于对齿轮、汽缸筒等形状复杂的零件进行特别适合于对齿轮、汽缸筒等形状复杂的零件进行表面淬火表面淬火。国外已应用于自动线上对齿轮进行表面淬火。国外已应用于自动线上对齿轮进行表面淬火。同时由于不必用加热炉，是开式的，故也适合于大型零同时由于不必用加热炉，是开式的，故也适合于大型零件的表面淬火。件的表面淬

46、火。粉末粘合是在工件表层上用激光加热后粉末粘合是在工件表层上用激光加热后熔入其他元素，可提高和改善工件的综合力学性能。熔入其他元素，可提高和改善工件的综合力学性能。此此外，还可以利用激光除锈、激光消除工件表面的沉积物外，还可以利用激光除锈、激光消除工件表面的沉积物等。等。激光打孔第三章先进制造工艺技术 激光切割激光切割第三章先进制造工艺技术（水晶内部）激光雕刻第三章先进制造工艺技术 光刻蚀技术光刻蚀技术 光刻蚀加工又称光刻加工或刻蚀加工，简称光刻蚀加工又称光刻加工或刻蚀加工，简称刻蚀。目前，光刻加工技术主要是针对集成电刻蚀。目前，光刻加工技术主要是针对集成电路制作中得到高精度微细线条所构成的高

47、密度路制作中得到高精度微细线条所构成的高密度微细复杂图形。微细复杂图形。是对薄膜表面及金属板表面进是对薄膜表面及金属板表面进行精密、微小和复杂图形加工的技术行精密、微小和复杂图形加工的技术，用它制，用它制造的零件有：刻线尺、微电机转子、电路印刷造的零件有：刻线尺、微电机转子、电路印刷板和细孔金属网板等。板和细孔金属网板等。第三章先进制造工艺技术 光刻原理光刻原理 所谓光刻蚀就是使用电磁波频谱中的光束所谓光刻蚀就是使用电磁波频谱中的光束或电子、或电子、X射线和离子等射线，将光致抗蚀剂射线和离子等射线，将光致抗蚀剂（光刻胶）形成规定图形的微细加工方法。（光刻胶）形成规定图形的微细加工方法。采用光束

48、作曝光光源的集成电路的精密光刻工采用光束作曝光光源的集成电路的精密光刻工艺的基本原理与照相制版原理相似，但它要求艺的基本原理与照相制版原理相似，但它要求高、工艺过程复杂。下图所示为集成电路一次高、工艺过程复杂。下图所示为集成电路一次光刻的工艺过程原理图。光刻的工艺过程原理图。2、光刻加工、光刻加工氧化氧化 硅晶片表面形成一层氧硅晶片表面形成一层氧化层；化层；涂胶涂胶 涂光致抗蚀剂；涂光致抗蚀剂；曝光曝光 通过掩模曝光；通过掩模曝光；显影显影 曝光部分溶解去除；曝光部分溶解去除；腐蚀腐蚀 未被覆盖部分腐蚀掉；未被覆盖部分腐蚀掉；去胶去胶 将光致抗蚀剂去除；将光致抗蚀剂去除；扩散扩散-向需要杂质的

49、部分扩向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工散杂质，以完成整个光刻加工过程。过程。光刻加工工艺示例 第三章先进制造工艺技术 集成电路光刻工艺的一般过程集成电路光刻工艺的一般过程 光刻工艺过程一般有两大工序，即掩膜制造和光光刻工艺过程一般有两大工序，即掩膜制造和光刻蚀加工。刻蚀加工。（1）掩膜制造。根据集成电路设计布局图，用绘）掩膜制造。根据集成电路设计布局图，用绘图机、精缩照像机，经放大绘制、分步重复缩小照像，图机、精缩照像机，经放大绘制、分步重复缩小照像，缩到和元件尺寸相同的掩膜（称之为母掩膜），母掩缩到和元件尺寸相同的掩膜（称之为母掩膜），母掩膜经翻拍复印成工作（光刻）掩膜，制作电路

50、时只用膜经翻拍复印成工作（光刻）掩膜，制作电路时只用工作掩膜。工作掩膜。（2）光刻蚀加工。光刻工艺过程包括以下几个步）光刻蚀加工。光刻工艺过程包括以下几个步骤：骤：1）涂胶。）涂胶。4）腐（刻）蚀。）腐（刻）蚀。2）曝光。）曝光。5）剥膜与检查。）剥膜与检查。3）显影与烘片。）显影与烘片。电子束加工电子束加工原理原理 电子束加工电子束加工EBM（Electron Beam Machining）：在真空条件下，利用：在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（聚焦后能量密度极高（106109W/cm2）的电子束，以极高的速度）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）

51、内，冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达统抽走。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。到不同的加工目的。如如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提 高电子束能量

52、密度，使高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工。利用较低能量密利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子束度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子束光刻加工。光刻加工。电子束加工电子束加工特点特点由于电子束能够极其微细地聚焦（可达由于电子束能够极其微细地聚焦（可达0.1m），可实现亚微米和），可实现亚微米和毫微米级的毫微米级的精密微细加工精密微细加工；电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气 化化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，

53、是一种非接触式加工，工件不温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工，工件不受机械力作用，因而不产生宏观应力和变形；受机械力作用，因而不产生宏观应力和变形；加工材料的范围广，对高强度、高硬度、高韧性的加工材料的范围广，对高强度、高硬度、高韧性的 材料以及导体、材料以及导体、半导体和非导体材料均可加工；半导体和非导体材料均可加工；电子束的能量密度高，如果配合自动控制加工过程，加工效率非电子束的能量密度高，如果配合自动控制加工过程，加工效率非常高。（通过磁场和电场对电子束强度、位置、聚焦等进行控制）常高。（通过磁场和电场对电子束强度、位置、聚焦等进行控制）如每秒可在如每秒可在0.1mm厚钢板

54、上加工出厚钢板上加工出3000个直径个直径0.2mm孔；孔；电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化，电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化，特别适合加工易氧化的金属及其合金材料，以及纯度要求极特别适合加工易氧化的金属及其合金材料，以及纯度要求极 高的高的半导体材料。半导体材料。电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。用有一定局限性。第三章先进制造工艺技术 电子束加工电子束加工装置装置1）电子枪电子枪。电子枪是获得电子束的装置，它包括电。电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射

55、阴极、控制栅和加速阳极等。子发射阴极、控制栅和加速阳极等。2）真空系统真空系统。是为了保证在电子束加工时维持。是为了保证在电子束加工时维持1.3310-2 1.3310-4Pa的真空度。只有在高真空的真空度。只有在高真空中，电子才能高速运动。中，电子才能高速运动。3）控制系统和电源控制系统和电源。电子束加工装置的控制系统包。电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。以及工作台位移控制等。第三章先进制造工艺技术 第三章先进制造工艺技术 第三章先进制造工艺技术 （1）电子枪）电子枪 电子枪是获得电子束的装置，

56、它包电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。如图所括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。如图所示，阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高示，阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经速飞向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束流。小的束流。第三章先进制造工艺技术 （2）真空系统）真空系统 真空系统是为了保证在电子束加工真空系统是为了保证在电子束加工时达到时达到1.3310-21.3310-4Pa的真空度。因为只的真空度。因为只有在

57、高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工有在高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射而使其产生不稳定现象，时的金属蒸气影响电子发射而使其产生不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。（3）控制系统和电源）控制系统和电源 电子束加工装置的控制系统电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等部分。以及工作台位移控制等部分。电子束加工电子束加工应用应用1）高速打孔。电子束打孔的孔径范围为）高速打孔。电子束打孔的孔径范围为0.020.003mm。

58、孔的深径比可以达到孔的深径比可以达到100:1，喷气发动机上的冷却孔和，喷气发动机上的冷却孔和机翼吸附屏的孔，孔径微小，孔数巨大，达数百万个，机翼吸附屏的孔，孔径微小，孔数巨大，达数百万个，最适宜用电子束打孔。此外，还可以利用电子束在人造最适宜用电子束打孔。此外，还可以利用电子束在人造革、塑料上高速打孔，以增强其透气性。革、塑料上高速打孔，以增强其透气性。2）加工弯孔和曲面。借助于偏转器磁场的变化，可以使）加工弯孔和曲面。借助于偏转器磁场的变化，可以使电子束在工件内部偏转方向，可加工曲面和弯孔。电子束在工件内部偏转方向，可加工曲面和弯孔。3）焊接。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接）焊接

59、。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电工艺。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。电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。4）热处理。电子束热处理与激光热处理类同，但电子束的电热）热处理。电子束热处理与激光热处理类同，但电子束的电热转换效率高，可达转换效率高，可达90%，而激光的转换效率只有，而激光

60、的转换效率只有7%10%。电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化区加入添加如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化区加入添加元素，使金属表面形成一层很薄的新的合金层，从而获得更元素，使金属表面形成一层很薄的新的合金层，从而获得更好的物理力学性能。铝、钛、镍的各种合金几乎全可进行添好的物理力学性能。铝、钛、镍的各种合金几乎全可进行添加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。5）电子束光刻）电子束光刻 用低功率密度的电子束照射工件表面虽不会引起表面的温升，用低功率密度的电子束

61、照射工件表面虽不会引起表面的温升，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，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，这种现象叫电子束的化学效应，利用这种效应进行加变化，这种现象叫电子束的化学效应，利用这种效应进行加工的方法叫电子束的光刻。工的方法叫电子束的光刻。第三章先进制造工艺技术 第三章先进制造工艺技术 离子束加工离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点离子束加工原理、分类和特点（1）离子束加工的原理）离子束加工的原理离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也离

62、子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过将离子源产生的离子束经过电场加速后，撞击在工件表面上，引起材料变电场加速后，撞击在工件表面上，引起材料变形、形、破坏和分离。由于离子带正电荷，其质破坏和分离。由于离子带正电荷，其质量是电子的千万倍，因此离子束加工主要靠高量是电子的千万倍，因此离子束加工主要靠高速离子束的微观机械撞击动能，而不是像电子速离子束的微观机械撞击动能，而不是像电子束加工主要靠热效应，加工时被加工表面不产束加工主要靠热效应，加工时被加工表面不产生热量。生热量。第三章先进制造工艺技术 离子束加工的物理基础离子束加工的物理基础 离子

63、束加工的物理基础是离子束射到材料表面时离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定具有一定动能的离子斜射到工件材料（靶材）表面时，可以将动能的离子斜射到工件材料（靶材）表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀（也称离子铣削）。如果将工件面就会受到离子刻蚀（也称离子铣削）。如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被放置在靶材附近

64、，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。离子的注入效应。第三章先进制造工艺技术 （2）离子束加工分类）离子束加工分类 1）离子刻蚀离子刻蚀 是用能量为是用能量为0.55keV的氩离的氩离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。其子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。其实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削。这就是

65、近代发展起来的毫微米加工工子铣削。这就是近代发展起来的毫微米加工工艺。艺。第三章先进制造工艺技术 2）离子溅射沉积离子溅射沉积 也是采用能量为也是采用能量为0.55keV的氩离子，轰击某种材料制成的靶，离的氩离子，轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，子将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，所以溅射沉积是一使工件表面镀上一层薄膜，所以溅射沉积是一种镀膜工艺。种镀膜工艺。第三章先进制造工艺技术 3）离子镀）离子镀 也称离子溅射辅助沉积，是用也称离子溅射辅助沉积，是用0.55keV的氩离子，在镀膜时，同时轰击靶的氩离子，在镀膜时，同时轰击靶材和

66、工件表面。目的是为了增强膜材与工件基材和工件表面。目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时材之间的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。进行离子镀。第三章先进制造工艺技术 4）离子注入）离子注入 是采用是采用5500keV能量的离子能量的离子束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层，工件表大，离子就钻进被加工材料的表面层，工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从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。根据不而改变了工件表面层的机械物理性能。根据不同的目的选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、同的目的选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、氮等。氮等。第三章先进制造工艺技术 （3）离子束加工的特点）离子束加工的特点 1）由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦）由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以度及离子能量可以精确控制精确控制，所以离子刻蚀可以达到