机械制造工艺第6章 习题与思考题+参考答案 中职 高三 工信版

第6章 习题与思考题参考答案 6-1试述电子束加工的原理、加工装置、特点及其应用。 答：电子束可以聚焦到直径为1~2µm，因此有很高的能量密度，可达109 W/cm2。高速、高能量密度的电子束冲击到工件材料上时，在几分之一微秒的瞬时，入射电子与原子相互作用（碰撞），在发生能量变换的同时，有些电子向材料内部深入，有些电子发生弹性碰撞被反射出去，成为反射电子，占用了一部分能量，但可以认为几乎所有的能量都变成了热能。由于电子束的能量密度高、作用时间短，所产生的热能来不及传导扩散就将工件被冲击部分局部熔化、气化、蒸发成为雾状粒子而飞散，这是电子束的热效应。电子束加工就是靠电子束的热效应现象。 电子束加工装置，主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等组成。 电子束加工的特点及应用 ①束径小，能量密度高 电子束能够极其微细的聚焦，束径可达100～0.01µm范围。同时，最小束径的电子束长度可达其束径的几十倍，故能适于深孔加工。 ②被加工对象范围广 电子束加工是靠热效应和化学效应，热影响范围可以很小，又是在真空中进行，加工处化学纯度高，故适于加工各种硬、脆、韧性金属和非金属材料、热敏材料、易氧化金属及合金、高纯度半导体材料等。 ③加工精度高，表面质量好。电子束加工是一种非接触式热能加工，主要靠瞬时蒸发去除材料，加工部位的热影响区很小，工件很少产生受力变形，而且不存在工具损耗问题。 ④加工速度快、效率高。电子束能量密度很高，每秒可在2.5mm厚的钢板上加工50个直径0.4mm的孔。 ⑤控制性能好，易于实现自动化。可通过磁场或电场对电子束的强度、束径、位置进行迅速准确地控制，且自动化程度高。 ⑥电子束加工是在真空中进行，因此污染少，加工表面在高温时也不易氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。 ⑦电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，设备价格较贵，加工成本高。 6-2试述离子束加工的原理、加工装置、特点及其应用。 答：在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体，通过离子源电离形成带有10keV数量级动能的惰性气体离子，并形成离子束，在电场中加速，经集束、聚焦后，以其较大动能射到被加工表面上，对加工表面进行轰击，这种方法称之为“溅射”。由于离子本身质量较大，因此比电子束有更大的能量，当冲击工件材料时，有三种情况，其一是如果能量较大，会从被加工表面分离出原子和分子，这就是离子束溅射去除加工；其二是如果用被加速了的离子从靶材上打出原子和分子，并将它们附着到工件表面上形成镀膜，则为离子束溅射镀膜加工（见图6－38）；其三是用数十万电子伏特的高能量离子轰击工件表面，离子将打入工件表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间原子，留于工件表层内，从而改变了工件表层的材料成分和性能，这就是离子束溅射注入加工。 离子束加工装置由离子源系统、真空系统、控制系统和电源组成。 离子束加工的特点及应用范围： 离子束加工被认为是最有前途的原子、分子级超精密加工和微细加工方法，其应用范围很广。 ①加工精度和表面质量高 离子束加工是靠微观力效应，被加工表面层不产生热量，不引起机械应力和损伤。离子束束径可达1µm以内，加工精度可达纳米级。 ②加工材料广泛 可对各种材料进行加工。由于加工原理是力效应，故对脆性、半导体、高分子等材料都可加工。由于加工是在真空下进行，故适于加工易于氧化的金属、合金和半导体材料等。 ③加工方法丰富 离子束加工可进行去除、镀膜、注入等加工，利用这些加工原理出现了多种多样的具体方法，如成形、刻蚀、减薄、曝光等，在集成电路制作中占有极其重要的地位。 1 控制性能好，易于实现自动化。 应用范围广泛 可根据加工要求选择离子束的束径和能量密度，直径小、能量密度大的离子束用于去除加工，离子束去除加工可用于非球面透镜的成形、金刚石刀具和压头的刃磨、集成电路芯片图形的曝光和刻蚀；直径大、能量密度较低时适于镀膜、刻蚀，离子束镀膜加工是一种干式镀，比蒸镀有较高的附着力，效率也高；而直径大、能量强的离子束适于注入加工，可用于半导体材料掺杂、高速钢或硬质合金刀具材料切削刃表面改性等。 6-3为什么说离子束加工是最有前途的精密和超精密加工方法？ 6-4试述激光束加工的原理、加工装置、特点及其应用。 答：激光加工是一种重要的高能束加工方法。当高功率密度的激光束照射到工件上时，会将光能转化为热能，使材料发生温度升高、加热、熔化、气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除的。 激光加工装置，主要由CO2激光发生器、反射镜、聚焦透镜和程序控制的X、Y方向工作台构成。 激光加工的特点是： ①加工精度高。激光束能聚焦成极小的光点（达微米数量级），适合于微细加工（如微孔和窄缝等）； ②适应性强。激光加