Электронно-лучевая обработка

Метод основан на воздействии на материал заготовки сфокусированного и ускоренного потока электронов, кинетическая энергия которых, преобразуясь в рабочей зоне в другие виды (преимущественно в теплоту), вызывает нагрев, плавление и испарение обрабатываемого материала, что в итоге и обеспечивает размерную обработку заготовок. Принципиальная схема обработки показана на рис. 12.12.

Рис. 12.12. Принципиальная схема устройства для электронно-лучевой обработки материалов:

I – заготовка; 2 – плавление материала; 3 – электронный пучок; 1 – анод; 5 – катод; 6 – эммитер; 7 – вакуумная камера; 8 – электронная пушка; 9 – магнитная линза; 10 – отклоняющие магнитные катушки; 11 – пары и капли вещества; 12 – нагретый материал

Материал с заготовки 1 удаляется сфокусированным пучком электронов 3, с большой скоростью налетающих на обрабатываемый участок. При этом их кинетическая энергия конвертируется в теплоту, которой достаточно для быстрого нагрева, плавления и испарения материала. Для уменьшения рассеяния пучка электронов обработку проводят в высоковакуумной камере (остаточное давление 10-5 мм рт. ст. или меньше). Электроны эмитируются электронной пушкой 8 и ускоряются до скоростей около 75% от скорости света в вакууме напряжением вплоть до 50 кВ между анодом 4 и катодом 5. Магнитная линза 9 фокусирует электронный пучок 3 на обрабатываемый участок, при этом плотность мощности достигает 10й Вт/см2, что достаточно для плавления и испарения любого материала. Стигматор придает лучу круглую форму, а его перемещение по поверхности заготовки осуществляется отклоняющей системой 10, которой можно управлять через пульт программного управления. Он также управляет продольными и поперечными перемещениями стола, на котором закреплена заготовка, продолжительностью импульсов и интервалами между ними.

При размерной обработке установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. В зоне обработки температура достигает 6000 К, а на расстоянии 1 мкм от кромки луча она не превышает 300°С. Продолжительность импульса и интервалы между ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом, а теплота не успела бы распространиться на всю заготовку. Длительность импульсов составляет 10-4–10-6 с, частота импульсов – 50-6000 Гц, диаметр сфокусированного электронного луча – несколько микрометров.

Электронно-лучевой метод наиболее эффективен при обработке отверстий диаметром от 1 мм до 10 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги и т.д. Обработке подвергают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов (тантала, вольфрама, циркония, нержавеющих сталей), а также неметаллических материалов: рубинов, керамики, кварца. Высокая плотность пучковой мощности позволяет выполнять отверстия с большим отношением глубины к диаметру, часто вплоть до 15:1. Например, отверстия диаметром 0,1–1,4 мм могут быть просверлены в материале толщиной до 10 мм. Поскольку к заготовке не приложены никакие механические силы, хрупкие и ломкие материалы могут быть обработаны без разрушения. Отверстия могут формироваться под углом до 20° к обрабатываемой поверхности. Обычно минимальное расстояние между ними равно двум диаметрам, однако даже с этим ограничением можно делать до 3000 отверстий на квадратном сантиметре поверхности. Производительность процесса невысокая: на черновых режимах 20 мм3/мии, на чистовых 1 мм3/мин; точность обработки 5–20 мкм; параметр шероховатости поверхности Rа= 3,2÷0,8 мкм.

Метод имеет следующие преимущества, обусловливающие целесообразность его применения:

• создание локальной концентрации высокой энергии;

• широкое регулирование и управление тепловыми процессами.

Повышенная чистота окружающей среды позволяет обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов. Электронный луч обеспечивает нанесение покрытий на поверхности заготовок в виде пленок толщиной от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра.

Недостатки этой обработки следующие: необходимость защиты от рентгеновского излучения; относительно высокая стоимость и сложность оборудования (установок); применение глубокого вакуума. Классификация применяемых на практике технологических процессов приведена на рис. 12.13.

Рис. 12.13. Классификация методов ЭЛО