Projekt "Podpora
výuky v cizích jazycích na SPŠT"
Obrábění paprskem elektronů
STTA2
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
OBRÁBĚNÍ PAPRSKEM ELEKTRONŮ Obrábění elektronovým paprskem je založeno na využití kinetické energie proudu urychlených elektronů.
Obr. 1. Princip metody obrábění elektronovým paprskem [1]
a) vnik elektronů do materiálu, b) erupční odpařování materiálu, c) opětný vnik elektronů do materiálu 1 – elektronový paprsek, 2 – páry odpařeného kovu
Princip metody V místě dopadu paprsku elektronů se jejich kinetická energie mění v energii tepelnou. Materiál obrobku se taví a následně odpařuje. Paprsek vniká do materiálu do určité hloubky, kde se pohyb elektronů zastaví. Vzniklá tepelná energie koncentrovaná pod povrchem způsobuje erupční odpařování materiálu. Částečky vypařujícího se materiálu se pohybují značnou rychlostí z otvoru. Vzniklé páry odpařeného materiálu jsou zionizovány a způsobí nové zaostření paprsku v pracovním místě. Opakováním tohoto procesu dojde k úběru materiálu. Pracovní režim může být: •
pulzní – používá se nejčastěji při aplikacích vrtání elektronovým paprskem. Odpařování materiálu probíhá v podobě postupných erupcí, přičemž se dosáhne přesného opracování materiálu (doba pulzu je od 2 µs do 0,01 s, při frekvenci pulzů 500 až 10 000 Hz);
•
kontinuální (nepřetržitý) – odpařování materiálu probíhá plynule.
2
CUTTING WITH ELECTRON RAYS Cutting with an elctron ray is based on using of kinetic energy of the stream of sped electrons.
The picture n. 1. The procedure of the method of cutting with an electron ray [1] a) the penetration of electrons into material b) eruption evaporation of material c) repeat penetration into material 1 – an electron ray
2 – steam of evaporated material
The procedure of the method
Kinetic energy of incident electron rays is being changed to thermal energy at the place of the impact. The material of a workpiece is melted and consequently evaporated. The ray penetrates into the particular depth of material where the motion of rays stops. Created thermal energy concentrated underneath surface causes the eruption evaporation of material. The parts of evaporating material move very fast out of a vent. Created steam evaporated material is ionized and caused the new focalisaton of a ray in working place. Repetition of the process makes reduction of material.
Working process might be: •
strobelike – it is the most often used working process during the drill application with an electron ray. Evaporating of material proceeds in gradual eruptions whereas the accurate cutting of material is achieved (the time of pulse is from 2 µs do 0,001 s, pulse frequnce from 500 to 10 000 Hz);
•
continual (uninterrupted) – evaporation of material proceeds continuously 3
Z technologického hlediska lze elektronový paprsek použít pro: termické procesy – svařování, pájení, vrtání dlouhých děr malých průměrů, řezání a tepelné zpracování materiálů; netermické procesy – elektronový paprsek slouží k vyvolání chemické reakce. Týká se především oblasti litografických technologií, které se používají v elektrotechnice při výrobě čipů. Je možné vytvořit na čipu až 200 000 strukturálních detailů, čehož nelze jinými technologiemi dosáhnout.
Obr. 2. Schéma zařízení pro obrábění paprskem elektronů [1]
1 – wolframový drát, 2 – elektronové dělo, 3 – izolátor, 4 – elektronový paprsek, 5 – elektromagnetické čočky, 6 – průzor, 7 – obrobek, 8 – pracovní stůl, 9 – elektrostatické vychylování elektronového paprsku, 10 – vývěvy, 11 – napájecí zdroj
4
In terms of technological point of view is possible an electron ray used these ways: thermal process – welding, to solder, to drill long holes with small diameters, cutting and thermal processing of any kinds of material; nonthermal prpcess – an electron ray serves to invoke a chemical reaction. It is mostly refered to litographic technologies that are used in electrotechnology for producing chips. It is possible to create as far as 200 000 structural details on one chip whereof it can be done by other technologies.
Picture 2. The scheme of the device for cutting with an electron ray [1]
1- a wolfram wire, 2 – an electron cannon, 3 – isolator, 4 – an electron ray, 5 – electromagnetic lens, 6 – visor, 7 – workpiece, 8 – working desk, 9- the electrostatic deflexion of an electron ray, 10 air ejectors, 11 – power supply
5
Zařízení pro obrábění materiálů paprskem elektronů Zařízení je tvořeno těmito hlavními skupinami (obr. 2): •
elektronové dělo (2) – slouží ke generaci, urychlení a zaostření svazku elektronů. Je tvořeno žhavenou wolframovou katodou a anodou. Elektrony uvolněné z katody jsou anodou urychleny na rychlost rovnající se asi dvěma třetinám rychlosti světla;
•
elektromagnetické
čočky
(5)
-
vzniklý
elektronový
paprsek
je
pomocí
elektromagnetického zaostřovacího systému zaostřován na velmi malou plochu, čímž se dosáhne vysoké plošné hustoty energie (asi 108 W.cm-2). Aby bylo dosaženo vysoké účinnosti využití energie elektronů (až 95 %), probíhá pracovní cyklus většinou ve vakuu; •
systém pro vychylování paprsku (9) – pracuje na elektromagnetickém principu;
•
napájecí zdroj (11) – může být nízkonapěťový (do 60 kV) s výkonem záření 3 až 10 kW nebo vysokonapěťový (do 150 kV) s výkonem záření 8 až 100 kW;
•
pracovní komora – mívá objem 0,03 až 17 m3. V zařízeních, u nichž probíhá pracovní cyklus ve vakuu, je součástí pracovní komory systém vakuových pump, který umožňuje vytvořit v pracovní komoře vakuum až 10-3Pa.
•
číslicový řídicí systém – je navržen podobně jako u obráběcích strojů s tím rozdílem, že je zde řízen také výstupní výkon elektronového děla, šířka elektronového paprsku, jeho zaostření a vychylování. Do výchozí pracovní polohy může být elektronový paprsek naváděn ručně pomocí televizní obrazovky nebo automaticky číslicovým řídicím systémem.
Obrobitelnost materiálů Obrobitelnost materiálů elektronovým paprskem je dána jejich fyzikálními vlastnostmi a nezávisí na mechanických vlastnostech.
6
The device is made from theser major groups, vide pic. 2. •
electron cannon (2) – it serves to generation, speed-upa and focusing of the bond of electrons. It is made from heated wolfram cathod and anode. Electrons released from a cathode are speeded up by an anode to the speed that is equal from two thirds of light velocity;
•
electromagnetic lenses (5) – created electron ray is by means of an electromagnetic focusing system concentrated on a very small surface whereby it is reached high areal density of energy (cca 10 na 8 W – cm-2). The working cycle is taken place in vacuum in order to be reached high effectivity of usage of electrons (95 %);
•
the system for a ray deflexion (9) – it works on electromagnetic principle;
•
power supply (11) – It is either low-voltage (to 60 kV) with the power of radiation 3 – 10 kW or hich-voltage (to 150 kV) with the power of radiation 8 – 100 kW;
•
working chamber – It has usually capacity 0,03 to 17 m3. In devices where is working process in vacuum the system of vacuum pumps are the parts of a working chamber. The pumps are able to create vacuum under the pressure 10-3 Pa in working chamber.
•
digital control system – It is designed like machine tool except that there is controlled the outgoing power of an electron cannon, the width of an electron ray and its focusing and deflexion. An electron ray can be set into the initial working position either manually through a TV screen or automatically by a digital control system.
Usage
The workability of material with an electron ray is given by its physical nature and it does not depend on mechanical nature of material.
7
Elektronový paprsek lze použít u těžkoobrobitelných materiálů: žáropevných ocelí, austenitických ocelí používaných při stavbě jaderných reaktorů, slitin zinku s niobem, hliníkových a titanových slitin, křemíku, drahokamů, tantalu, wolframu speciálních slitin používaných v letectví a kosmonautice. Elektronovým paprskem se hůře obrábí: mosaz, bronz, zinek, hořčík a slinované kovy.
Literatura:
[1] Časopis MM spektrum 2008/6, 11. června 2008v rubrice / inovace/, str.58, obráběcí stroje a technologie
8
An electron ray is able to use at hardly workable kinds of material:
creep steel austenitic steel using at building nuclear reactors the alloy with zinc adn niob the alloy with aluminum and titanium gemstone tantalum wolrfam special alloys using in aviation and cosmonautic
With an electron ray is worse workable:
brass bronze zinc magnesium sintering metal
Literature:
[1]
Časopis MM 2008/6, 11. června 2008v rubrice / inovace/, str.58, obráběcí stroje a
technologie
9
