3. Електронно-променеве випарювання
Випарювання у вакуумі матеріалів при нагріванні їх електронним променем широко використовують для одержання тонких плівок покрить. На відміну від інших способів випарювання, де енергія підводиться до поверхні, що випаровується, через стінку тигеля або високотемпературний нагрівальний елемент, при електроннопроменевому випарюванні здійснюється пряме нагрівання поверхні матеріалу, що випаровується. Це дозволяє випаровувати матеріали з водоохолоджуємих тигелів, що особливо важливо при роботі з хімічно активними і тугоплавкими матеріалами. Випарювання матеріалу з охолоджуваного тигеля дає можливість одержувати покриття високої чистоти, оскільки при цьому майже цілком виключається реакція матеріалу, що випаровується, з матеріалом тигеля, а матеріал тигеля і продукти реакцій практично не випаровуються.
Важливо відзначити, що при електроннопроменевому випарюванні вдається керувати електронним пучком у просторі і в часі, регулюючи тим самим інтенсивність введення енергії в речовину, що випаровується, а отже, швидкість випарювання і розподіл густини потоків пару.
При випарюванні матеріалів наявність вакуума забезпечує отримання чистих по складу плівок.
4. Розмірна обробка електронним променем
В результаті, розмірної обробки електронним променем у заготовці одержують глухі або наскрізні отвори заданих розмірів і заданий контур на заготовці з визначеними допусками на його розміри.
Розмірна обробка електронним променем основана на тім, що при досить великій питомій поверхневій потужності швидкість випарювання оброблюваного матеріалу і тиск пари зростають настільки, що весь рідкий метал з потоком пари викидається із зони обробки.
Використання електронного променя для розмірної обробки накладає цілий ряд обмежень на його параметри. Електронний промінь є постійно діючим джерелом теплоти для поверхні, на яку він попадає. При утворенні на заготовці контуру, що вирізується, погіршується точність його розмірів через оплавлення країв. Отже, необхідно забезпечити строге дозування енергії електронного променя в місці його контакта з поверхнею заготовки. Здійснити цю вимогу при розмірній обробці можна, ввівши або імпульсну дію електронного променя на поверхню, або забезпечивши переміщення променя по поверхні заготовки із строго заданою швидкістю.
Таким чином можна визначити три режими розмірної електроннопроменевої обробки.
1. Моноімпульсний режим, коли обробка ведеться одиничним імпульсом, тобто отвір одержують за час дії тільки одного імпульсу.
2. Багатоімпульсний режим, коли отвір одержують за допомогою декількох імпульсів.
3. Режим обробки з переміщенням електронного променя по заготовці з заданою швидкістю. Останній режим реально здійснимо в основному для прямолінійних профілів одержуваних деталей.
Параметри електроннопроменевої розмірної обробки пов'язані з фізичними характеристиками матеріалу заготовки (температурою плавлення, теплоємністю, питомою теплотою випару,) і не залежать від його механічних властивостей (міцності, твердості, пластичності), що звичайно впливають на оброблюваність матеріалів при обробці різанням. У зв'язку з цим електронний промінь знайшов застосування в першу чергу для розмірної обробки твердих матеріалів – алмазів, кварцу, кераміки, кристалів кремнію і германію.
Обробку порожнин за допомогою електроннопроменевої розмірної обробки ведуть у багатоімпульсному режимі
Час імпульсу t = 10-7…10-3 c., скважність q = 100 ... 200. В періоди пауз між імпульсами матеріал у зоні обробки встигає охолонути до температури, близької до початкової температури заготовки, і загальне нагрівання заготовки невелике. Із збільшенням числа імпульсів глибина оброблюваної порожнини зростає по логарифмічній залежності. При дуже великому числі імпульсів швидкість обробки різко зменшується, тому на практиці розмірну електроннопроменеву обробку звичайно ведуть на глибину не більш 15...20 мм.
Діаметр одержуваного отвору і тривалість імпульсу електронного променя зв'язані емпіричною залежністю:
dотв = K*ln*τі
де К – коефіцієнт, що залежить від властивостей оброблюваного матеріалу. Діаметр dотв залежить також від числа імпульсів.
Форма поздовжнього перетину наскрізного отвору при розмірній обробці електронним променем показана на рис.1.
Рисунок 1. Форма повздовжнього перетину отвору
Краї отвору мають плавне скруглення, а діаметр по глибині зменшується. У ряді випадків така форма отвору сприятлива для роботи конструкції (алмазні волочильні фільєри, годинникові камені). У кращих оброблених зразків при глибині обробки до 5 мм одержували нахил стінок α< 10.
Сфокусований електронний промінь може мати діаметр менший 1 мкм – знімання металу проводиться в досить малих кількостях і на малих площах, що важко здійснити традиційними способами обробки. Мінімальна ширина розрізування при електроннопроменевій розмірній обробці може досягати 5...10 мкм, можна отримувати отвори такого ж діаметру.
Малі розміри перетину електронного променя як технологічного інструмента визначили його застосування насамперед у мікроелектроніці для виготовлення, наприклад, мікросхем з високою щільністю монтажу, масок і трафаретів.
Важливою особливістю процесу електроннопроменевої розмірної обробки є можливість переміщення електронного променя за допомогою відхиляючої системи. В сполученні з модуляцією потужності променя це дозволяє обробляти отвори складних профілів, отримувати на поверхні заготовок канавки різної форми, виготовляти отвори в скляних і металевих пластинках, гравірувати кліше для глибокого друку. При цьому траєкторія переміщення променя задається у виді електричних сигналів, що надходять на відхиляючу систему. Зона переміщень променя при цьому обмежена розмірами 10х10 мм. При необхідності обробки більшої поверхні використовують додаткові механічні переміщення заготовки.
Особливим різновидом розмірної електроннопроменевої обробки є перфорація – одержання дрібних наскрізних отворів у різних матеріалах. Перфорацією виготовляють металічні і керамічні елементи фільтрів, пористий матеріал для охолодження камер спалювання і лопаток турбін. Електронним променем перфорують штучну шкіру, щоб забезпечити її повітряну проникливість. Продуктивність перфорації залежить від потужності променя і товщини заготовки і може досягати 105 отворів в секунду.
Точність розмірів і якість поверхні при розмірній обробці залежить від матеріала, виду обробки, параметрів процесу і характеристик електронної гармати. Похибка розмірів при цьому не перевищує 5 мкм., а шорсткість поверхні Rz = 5 мкм.