高能束流加工技术的应用与发展高能束流(High Energy Density Beam)加工是利用高能量密度的束流(激光束、电子束、等离子束)作为热源,对材料或构件进行特种加工的技术. 20世纪以来，航空科学技术迅速发展，为保证在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作可靠性，在飞机、发动机和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件，这就使产品的制造性日趋恶化，对制造技术不断提出新的挑战。

鉴于对有特殊要求的零件用传统机械加工方法很难完成，难于达到经济性要求。

现在，工艺师们独辟蹊径，借助各种能量形式，探寻新的工艺途径，各种异于传统切削加工方法的新型特种加工方法应运而生，如高能束流加工、电火花加工、电解加工、化学加工、物料切蚀加工以及复合加工。

目前，特种加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支，在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。

1.现代特种加工技术的特点及发展趋势1.1特种加工技术的特点现代特种加工（SP,Special Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。

与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。

① 以柔克刚。

因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。

② 用简单运动加工复杂型面。

特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。

特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。

③ 不受材料硬度限制。

因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。

它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。

其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此， 特别适用于航空产品结构材料的加工。

④ 可以获得优异的表面质量。

由于在特种加工过程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。

热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小。

⑤ 各种加工方法可以任意复合，扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。

由于特种加工技术具有其它常规加工技术无法比拟的优点，在现代加工技术中，占有越来越重要的地位。

许多现代技术装备，特别是航空航天高技术产品的一些结构件，如工程陶瓷、涡轮叶片、燃烧室的三维型腔、型孔的加工和航空陀螺、传感器等精细表面尺寸精度达0.001微米或纳米级精度，表面粗糙度Ra<0.01微米的超精密表面的加工，非采用特种加工技术不可。

如今，特种加工技术的应用已遍及到各个加工领域。

1.2现代特种加工技术的发展趋势随着现代航空技术的发展，对特种加工技术的技术水平、经济性和自动化程度提出了更高的要求， 从而促进了特种加工技术的发展，国外特种加工技术的总体发展趋势主要有以下几个方面：①广泛采用自动化技术。

充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。

用简单工具电极加工复杂的三维曲面，这是电解加工和电火花加工的重要发展方向。

目前已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。

随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标，英国Rolls-Royce公司已建立叶片电加工柔性制造系统。

②开发应用复合工艺和新工艺方法。

为适应航空产品的高技术性能要求和新型材料的加工要求， 需要不断开发应用新型特种加工和现有特种加工技术的复合工艺，目前，电解电火花加工（ECDM)、电解电弧加工（ECAM)、电弧尺寸加工（ADM)、电火花机械复合加工等复合工艺将成为航空工业和机械制造业着力发展的加工技术。

由于复合工艺可以扬长避短，取得明显的技术经济效果，因此特别受到先进工业国家的工业部门的普遍关注。

例如，电解电弧复合工艺（ECAM)是电解加工与放电加工迭加而成的工艺过程，与电解加工相比，单位材料去除率可提高300%。

③着力开展精密化研究。

高技术的发展促使高技术产品在向超精密化和小型化方向发展，对产品零件的精度和表面粗糙度提出更加严格的要求。

例如，飞机惯性仪表中许多零件要求达到微米级以上。

气浮陀螺和静电陀螺的内外支承面的球度为0.5-0.05微米，尺寸精度为0.6微米，粗糙度为0.025-0.012微米；激光陀螺的平面反射镜平面度为0.03-0.06微米，粗糙度为0.012微米以上。

飞机控制系统由上千个零件组成，其中23%。

的零件精度达到微米级以上。

随着高技术时代的到来，超精密加工技术的发展更加迅猛，正向亚微米级迈进。

为适应这一趋势的需要，特种加工的精化研究引起工业界人士的高度重视。

因此，大力开发用于超精加工的特种加工技术是今后重要的发展方向。

2高能束流加工技术世界上各工业发达国家把高能束流（HEB，High Energy Beam）誉为“21世纪加工技术”，它是当今科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿领域和重要方向，也是航空工业中必不可少的特种加工技术。

高能束流加工是高能量密度束流(激光束、电子束、离子束、微波束）实现对材料和构件加工的新型特种加工方法，可以用于焊接、切割、打孔、喷涂、刻蚀、表面改性处理。

高能束流加工技术正朝着高精度、大功率、高速度及自动控制与组合化加工方向发展。

2.1电子束加工(EBM)电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦，形成高能量大密度(106-109W/cm2)的极细束流，以极高的速度轰击工件被加工部位。

由于其能量大部分转换为热能而导致该部位的材料在极短的时间〔几分之一微妙〕内达到几千摄氏度以上的高温，从而引起该处的材料熔化或蒸发；或者利用能量密度较低的电子束轰击高分子材料，使它的分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化进行加工的方法。

现在，电子束加工技术在国外航空产品制造中心已成为广泛应用的关键制造技术之一，实现了常规加工技术难以达到的特殊要求。

在航空发动机制造中，电子束可以钻制深径比10:1至20:1的微孔，与其他微孔加工方法相比，其打孔效率最高，而且可以钻斜孔或弯孔；在航空机载电子设备制造中利用扫描电子束曝化蚀刻技术制作线宽小于0.5微米，集成度达256k以上超大规模集成电路；可以对精微零件进行局部的、能量分布可控的热处理；不仅能焊接金属和非金属，特别在焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了极大的优越性。

电子束焊接已用于飞机主承力框、起落架和发动机鼓筒轴、各类机匣， 发展前景广阔。

电子束加工技术的应用改变了原有的设计思想。

原来航空产品中很多对精度要求很高、型面复杂或大型零件，加工难度大，甚至无法整体加工。

现在可以将其分成若干易加工的单元，完成精加工甚至热处理后，用电子束将其焊接成整体零件，目前，国外飞机和发动机制造公司生产线配套配置有大、中、小型电子束焊机用于飞机和发动机关键承力构件的焊接，如承力接头、机翼梁、转子叶片、机匣等。

2.2激光加工（LBM）激光加工是一种重要的高能束流加工方法，具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，因此在理论上可聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上。

焦点处的功率密度可达107-1011W/cm2，温度高达万度以上。

激光加工就是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化， 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的去除。

目前，激光加工已受到相当重视，几乎对所有金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、高熔点材料、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金和复合材料都可以加工。

激光加工最早用在孔的加工，能加工直径为0.05-8mm的孔，它还特别适用于切割陶瓷材料和复合材料，具有切缝窄(0.1-0.2mm)，切割厚度大和切割速度高的特点。

激光还可以用于同种金属或异种金属之间的焊接，其焊接质量和效率远远高于传统的焊接方法。

激光热处理是利用大功率连续激光器对材料表面进行激光扫描，使金属表层产生相变甚至熔化，随后快速冷却使表面硬化，从而提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，激光表面处理技术可的寿命和可靠性。

迄今为止，激光束仍是发动机零件冷却孔系加工的首选工艺。

今后，激光加工技术将重点研究优化激光工作参数，建立加工作业标准和相应的数据库，发展激光多工位分时综合加工和研究大功率、高寿命和小型化的激光装置。

2.3微波加工（MWM)微波加工是利用波导管中微波电磁能加工无机材料的一种高功率密度的加工方法。

微波加工的材料主要是绝缘材料， 如玻璃、石英晶体、红宝石、陶瓷、金刚石等，但对硅、锗等半导体材料也能加工。

微波加工在德国、日本等国已有实际应用。

2.4离子束加工（IBM）利用离子源产生的离子，在真空中经加速聚焦而形成高速高能的束状离子流，使之打击到工件表面上，从而对工件进行加工的方法称为离子束加工。

离子束加工与电子束加工所不同的是:在离子束加工时，加速的物质是带正电的离子而不是电子，离子束比电子束具有更大的撞击能量;其次，电子束加工主要是靠热效应进行加工，而离子束加工主要是通过离子撞击工件材料时起的破坏、分离或直接将离子注入加工表面等机械作用进行加工。

离子束加工方法主要有离子蚀刻、溅射镀膜、离子镀和离子注入；前两种属于成形加工，后两种属于特殊表面层制备。

离子束（能量密度达105W/cm2)加工是一项微细加工技术，也是航空电子设备和精密机载设备的关键加工技术，工业发达国家十分重视这项技术的发展与应用。

离子束加工技术在航空电子设备和精密机载设备制造中主要用于成形加工和制备特殊表面层。

最近，美国学者Wilsm等人用Ar+、Kr+离子束对石英玻璃、微晶玻璃等进行了表面精加工，在直径为0.3m的工件上得到了面形精度为170nm，表面粗糙度RMS值为0.6mm的超光滑表面。

荷兰学者Podzlmek也曾用被他称为"离子铣"〔lon milling)的方法加工出单晶锗红外非球面透镜。

离子束加工方法的特点是表面质量好，适用于修整局部表面，校正大波长误差和改善表层材料微观结构、消除工件表面污染等。

但是这种加工方法需要有一套复杂的离子束产生设备，价格昂贵，而且仍然存着生产率低，加工过程不易控制，溅射的工件残渣在已加工表面产生堆积等问题，因此还有待于进一步研究解决。

3电加工技术3.1电火花加工（EDM)电火花加工（也叫放电加工)是一种电加热加工过程。