Лекція №9 Електронно - променева обробка

Виникла в середині 60-х років. Електронно - променева обробка основана на використанні кінетичної енергії електронів, які летять з високою швидкістю і на поверхні заготовки віддають цю енергію, яка перетворюється в теплову енергію. За допомогою теплової енергії йде процес розплавлення і випаровування матеріалу.

Виходячі з будови матеріалів, вони складаються з ядра і електронів, що обертаються навколо цього ядра. Якщо придати електрону додаткову енергію за допомогою нагрівання, то вони віддаляться від ядра на більш віддалену орбіту, а при подальшому нагріванні вони можуть втратити зв’язок з ядром. Тобто тверді тіла при нагріванні випромінюють так звані термоелектрони. Процес виходу термоелектронів з поверхні нагрітих твердих тіл називається термоелектронною емісією.

Рисунок 35 – Схема термоелектронної емісії

1 -молекули металу ; 2 – іони; 3 – промінь; 4 -рентгенівське випромінювання; 5 - відбиті і вторинні термоелектрони

6 - теплове випромінювання

Твердими тілами, з поверхні яких виходять електрони, можуть бути вольфрам і тантал. Нагрів цих матеріалів здійснюється за допомогою струму. Кінематична енергія електронів, які виходять з поверхні твердих тіл, невелика. Для збільшення кінетичної енергії термоелектронів на них діють електричним полем з високою різницею потенціалів на катоді і аноді. Швидкість термоелектронів визначається:

,

де U - різниця потенціалів між катодом і анодом

Елекрони, які рухалися з великою швидкість проникають в матеріал. Глибина їх проникнення залежить як від матеріалу, який обробляється так і від напруги U. Товщина шару речовини, в якій термоелектрони повність втрачають свою швидкість, називається пробігом електронів :

,

де - щільність оброблюваного матеріалу.

Значення величини пробігу електронів може бути таким в залежності

від U:

Таблиця 11 - Значення величини пробігу електронів в залежності від U

Матеріал	, г/см3	Глибина проникнення при U, кВ
		10	50	100
Алюміній	27	0,76	19,4	77,5
Вольфрам	19,3	0,1	2,7	10,9
Сталь	7,7	0,27	6,8	27,1
Титан	4,5	0,45	11,7	46,0

Графік залежності глибини проникнення електроніввід різниці

потенціалів U:

Рисунок 36 - Графік залежності глибини проникнення електронів

від різниці потенціалів U

Аналізуючи таблицю і графічну залежність, можна сказати, що глибина залежить від матеріалу, який обробляється, і від U.

Формування електронного променя складається з таких стадій:

1. одержання вільних електронів

2. прискорення електронів електростатичним магнітним полем, при цьому формується електронний промінь

3. зміна поперечного перерізу електронного променя та його фокусування

4. відхилення променя з метою його зустрічі з поверхнею заготовки

Для одержання електронного променя і управління ним використовуються установки, які називаються електронними пушками.

Схема електронної пушки:

Рисунок 37 - Схема електронної пушки

1 - катод ; 2 - прикатодний електрод; 3 - прискорюючий електрод;

4 - магнітна лінза; 5 - магнітна відхиляюча система; 6 – виріб;

7 - джерело постійного струму

Електрони одержують на катоді 2. Електрони переміщуються на анод з великою швидкістю, цю швидкість забезпечує напруга U = 30-200 кВ. Для фокусування потоку електронів служить магнітна лінза 4. яка виконана у вигляді соленоїда. Для відхилення променя по поверхні заготовки служить магнітовідхиляюча система 5.

Для нормальної роботи електронної пушки необхідно забезпечити високий вакуум, щоб молекули газів, що знаходяться в просторі не перешкоджали вільному проходженні термоелектронів.

Тиск повинен бути в межах 10^-3-10^-4 Па. Якщо тиск буде більший, то може бути пробій між катодом і анодом.

Вакуум одержують відкачуванням повітря спеціальним насосом.

Технологічні характеристики електронно-променевої обробки

Продуктивність процесу:

Залежить від:

• потужності променю;

• розміру ділянки фокусування;

• скважності;

• імпульсної подачі променю;

• тривалості імпульсу.

Скважність процесу складає 100-200. Тривалість імпульсу – 10^-7-10^-8 секунд.

Продуктивність обробки також залежить теплофізичних характеристик обробляємого матеріалу і його товщини .

В загальному випадку швидкість зйому матеріалу електронним променем – 20 - 30 мм³/хв., а для високоточної обробки – 1 мм³/хв. Із збільшенням числа імпульсів глибина обробки зростає по логарифмічній залежності:

де к – коефіцієнт який залежить від властивостей матеріалу, що

оброблюється;

 - тривалість імпульсів.

Діаметр отвору також залежить від кількості імпульсів. При звичайному процесі обробки глибина 15-20 мм. При розмірній обробці отворів на вході і виході променя буде округлення кромок і утворення конусності отвору. Причому величина конусності 1⁰ може складати при глибині отвору до 5 мм.

Рисунок 38 – Утворення конусності при обробці отвору

Точність розмірів і якість поверхні

Якщо оброблюються отвори, то їх можна одержати діаметром 5–10 мкм

і такої ж ширини можна одержати пази при розрізанні.

Точність обробки залежить від:

• матеріалу;

• виду обробки;

• енергетичних параметрів електронного променя;

• стабільності системи фокусування променя;

Точність обробки = 0,1% від номіналу. Точність в 10 разів вище ніж при лазерній обробці. Точність розмірів 0,5 мкм. Шорсткість поверхонь в основному становить Ra =5 мкм.

Оброблюваність

Таблиця 12 - Залежність оброблюваності від властивостей матеріалу

Матеріал	Відносна оброблюваність
Мідь	1
Алюміній	0,7
Залізо	6
Вольфрам	0,09
Молібден	0,08
Титан	10
Кварц	20
Скло	35