6. Електронно-променева Розмірна обробка (епро)

Електронно-променевими методами обробки матеріалів (різкі, прошивки, зварки і ін.) називаються методи, в яких для технологічних цілей використовується теплова енергія, що виділяється при зіткненні быстродвижущихся електронів з оброблюваним матеріалом.

Підвищуючи швидкість руху електронів і їх кінетичну енергію, а також збільшуючи число електронів в пучку (т.е. збільшуючи щільність пучка), можна створити надзвичайно високу концентрація теплової енергії в зоні гальмування електронного пучка.

Розмірна обробка матеріалів електронним променем здійснюється при щільності теплової енергії вище 106-109 Вт/см2 . Матеріал при такій щільності скипає і випаровується, утворюючи на деталі поглиблення (отвір), а при переміщенні світивши - крізний або глухий паз. У зоні обробки температура може досягати 6000 °С, а на відстані всього лише 1 мкм від останньої - 280-300 °С - звідси висока локалізація процесу.

ЭДРО має ряд істотних достоїнств, що обумовлюють доцільність її практичного застосування, а саме; можливість широкого регулювання режимів і тонкого управління тепловими процесами; придатність для обробки металевих і неметалічних матеріалів; підвищена чистота середовища при обробці; високий ККД (до 98%); можливість автоматизації процесу. Недоліки процесу: необхідність захисту від рентгенівського випромінювання, що виникає при роботі на напрузі понад 20 кВ; відносно висока вартість і складність устаткування; необхідність високого вакууму; трудність безпосереднього спостереження за процесом.

Для здійснення процесу обробки електронним променем потрібне застосування спеціальних пристроїв, які називаються електронно-променевими (ЭЛ) гарматами, випромінюючих в достатній кількості і про необхідною швидкістю вільні електрони.

Схема ЭЛ гармати для розмірної обробки представлена на мал. 6.1.

Основним елементом пупки є катод, що нагрівається, II, що випускає електрони, які формуються полем прикатодного фокусуючого електроду 10, а потім прискорюються під дією різниці потенціалів (прискорюючої напруги) між катодом і анодом 9, після чого електронний промінь фокусується за допомогою системи 2 і прямує на оброблюваний виріб.

Для отримання променя малого діаметру (від одиниць до сотень мкм) застосовують V -образный або шпильковий катод (II) (див. мал. 6.1 би). Прікатодний фокусуючий електрод (циліндр Венельта) (10) на який подається негативна напруга зсуву щодо катода, фокусує електрони в пучок, створюючи на деякій відстані від катода ділянка з мінімальним радіусом rs, який грає роль фіктивного катода, що визначає величину мінімально можливого перетину світивши на виробі.

Прискорені і сфокусовані електрони проходять крізь отвори в аноді (9) і рухаються далі з постійною швидкістю.

Мал. 6.1. Схема електронно-променевої гармати для розмірної обробки (а), випромінювача електронів (б) і профіль отвору, отриманого при обробці (в) :

1- випромінювача електронів, 2- фокусуюча система, 3- столу з деталлю, 4- мікроскопа, 5- длиннофокусная магнітна лінза, 6- котушки, що коректують, 7- діафрагм, 8- короткофокусна магнітна лінза, 9- анода, 10- фокусуючий електрод, 11- катода, 12- відхиляюча лінза, 13- робоча камера.

Короткофокусна магнітна лінза (8) ( F= 2-3 мм) встановлюється нижче за анод і може зменшити електронний промінь 0,5 мкм. Проте найменший перетин плями лежить близько до центру лінзи і використовувати його для технологічних цілей дуже важко. Тому встановлюється друга - длиннофокусная лінза (5) ( F=30-180 мм), яка переносить промінь на деталь без зміни його поперечного перетину і одночасно збільшує відстань між лінзою і площиною робочого столу (до 160 мм), що дозволяє обробляти дно великогабаритних деталей і розташувати контрольні прилади або пристрою для розгортки електронного променя в просторі між лінзою і деталлю.

Встановлені на шляху електронного променя діафрагми (7) пропускають тільки центральну частину, обрізаючи краєві розсіяні електрони. Стігматор (котушки, що коректують) (б) дозволяють виправляти поперечний перетин світивши до правильного круга в тих випадках, коли виникає спотворення форми із-за дефектів виготовлення полюсних наконечників магнітних лінз. Відхиляюча система (Т2) дозволяє переміщати промінь у взаємно перпендикулярних напрямах і отримувати будь-яке положення його на площині, а також плавно переміщати із заданою швидкістю на площі 10 х 10 мм» При необхідності більшого зсуву світивши, що порушує гостроту фокусування, застосовують пристрої типу координатних або поворотних столів.

Оскільки електрони пучка в робочій камері (13) повинні доходити до деталі без втрат енергії і без розсіяння світивши, то необхідно у весь час технологічного процесу підтримувати в камері тиск не більше 1,3(10-2-10-3) Па, що досягається застосуванням дифузійних насосів у поєднанні з механічними.

Основні енергетичні параметри електронного променя наступні.

1. Електрони в електричному полі набувають енергії:

(6.1) We=mV2/2=eU

де m і e - маса і заряд електрона, V- швидкість електронів, U- пройдена електроном різниця потенціалів.

2. Швидкість електронів при попаданні на оброблювану поверхню:

(6.2) V=(2eUп/m)^1/2

де Uп - різниця потенціалів між катодом випромінювача і оброблюваною поверхнею. Енергія електронів, що покидають випромінювач складає 100 кэВ, а їх швидкість 106-107 м/с і вище.

3. Потужність електронного променя

(6.3) q= IлUп

де Iл - струм в промені.

4. Питома потужність в промені

(6.4)

де dл - діаметр світивши на оброблюваній поверхні.

Сфокусований потік електронів, падаючи на поверхню матеріалу, здійснює розігрівання речовини в зоні обмеженою діаметром світивши і глибиною пробігу електронів . Максимальна глибина - зазвичай визначається по Формулі Шонланда:

(6.5)

де - щільність матеріалу.

При розмірній обробці найбільш доцільним є імпульсний режим дії світивши на матеріал. Час паузи режиму вибирається з розрахунку того, щоб продукти викиду встигали евакуюватися із зони обробки і промінь не розсівався на стінки освіченого каналу» Застосування такого режиму дозволяє в зразках з коррозионностойкой стали повзати отвори завглибшки до 60 мм і діаметром до 2 мм.

Тривалість імпульсу вибирають з умови:

(6.6)

де L _исп - питома енергія вибухового скипання даного матеріалу, чисельно рівна питомій теплоті випаровування.

Оптимальні значення шпаруватості (G) імпульсного режиму знаходяться

у межах

де а- коефіцієнт температуропроводности металу.

На практиці використовують тривалість імпульсів від 1 мкс до 0,01 з при частоті повторення від одиниць до 104 Гц. Зазвичай для ЭЛРО застосовують установки з анодною напругою 80-150 кВ при струмі в промені в межах 0,3-20 мА і діаметру світивши 0,5-500 мкм.

Найбільше розповсюдження має ЭЛРО тонких матеріалів, глибина обробки яких не перевищує 0,5-1,0 мм для металів і 2-5 мм для діелектриків. Слід зазначити, що процес обробки діелектриків істотно відрізняється від обробки металів. Однією з причин цього є виникнення на поверхні виробу негативного заряду, що знижує енергію електронів пучка, зухвалого расфокусировку і спотворення форми, а також збільшення діаметру пучка. В результаті на діелектриці розігрівається ділянка багато більший по діаметру, чим в случав опромінювання металу.

Окрім цього низька теплопровідність діелектриків і високі питомі потужності в промені приводять до утворення високих температурних перепадів, які викликають значну залишкову термічну напругу, що приводить до розтріскування виробів. Для усунення розтріскування обробку діелектриків проводять з попереднім або супутнім підігрівом заготовок, а також з подальшим відпалом їх для повного зняття напруги.

Розмірна обробка електронним променем застосовується для отримання отворів фігурної або циліндрової форми малих діаметрів (2-500 мкм), тонких пазів, щілин, прорізів розмірами від декількох десятків мікрометрів в матеріалах малої товщини (плівки, фольга), а також для розрізання матеріалів (напівпровідників, феритів, надчистих матеріалів і ін.), особливо коли до поверхонь реза пред'являються особливі вимоги.

Профіль отвору, отриманого ЭЛРО, представлений на рис.6.1 в. При невеликих глибинах (Н) обробки діаметр отвору ( d ) на 10 % більше діаметру електронного пучка dл, а при H/d >= 100 діаметр променя повинен бути в два - чотири рази менше отвору. В даний час промисловість не випускає установок, здатних забезпечити постійний мінімальний діаметр світивши на великому його відрізку. Тому, як правило, обробка отвору ведеться із зміною фокусної відстані магнітної лінзи у міру поглиблення отвору.

Точність ЭЛРО знаходиться в межах 8-11 квалитета, а шорсткість отримуваної поверхні складає Rz=20-3 мкм і залежить від діаметру пучка, тривалості імпульсів, потужності пучка і теплофизических властивостей оброблюваного матеріалу. Прошиті отвори мають конусность, величина якої залежить від розташування фокусу світивши щодо поверхні заготовки і складає 1-5о. (мал. 6.1в).

У промисловості ЭЛРО застосовується для виготовлення деталей з числом отворів від декількох тисяч до декількох мільйонів, для отримання окремих отворів в кварцових пластинах, для обробки микроминиатюрных електронних схем, резки феритів для «пам'яті» ЕОМ і т.д.

Для виконання вищеперелічених операцій найбільше застосування отримала електронно-променева установка ЭЛУРО, на якій також можна здійснювати розмітку, локальне легування, прецизійне паяння, зварку і інші операції. Таке універсальне застосування вона має завдяки можливості регулювання в широких межах загальної і цілісної потужності. В процесі обробки може бути використаний програмний пристрій для управління переміщеннями деталей і електронного .пуча. Останніми роками створені установки, в яких програмне управління переміщеннями здійснюється від ЕОМ.