1. Введение.
В связи с развитием электроники, ракетостроения, атомной энергетики интенсивные поиски новых эффективных способов нагрева материалов привели к широкому использованию нового источника нагрева – электронного луча, который по своей удельной энергетической мощности, легкости управления, эффективности и локальности нагрева превосходит все известные источники. Благодаря этому он получил применение в металлургии, машиностроении, электронике, приборостроении для плавки, сварки, сверления, фрезеровки, пайки и др.
Основным узлом любой электронно-лучевой установки является электронно-оптическая система, которая обеспечивает получение, ускорение, фокусировку и отклонение пучка электронов. В общем случае электронно-оптическая система должна удовлетворять следующим требованиям:
1) Система должна формировать пучок с заданными геометрическими и электрическими параметрами;
2) Система должна обеспечивать плавное управление параметрами пучка;
3) Система должна быть простой, экономичной, долговечной, удобной в наладке и эксплуатации;
Структура электронно-оптической системы зависит от требований к параметрам пучка и от назначения установки, в которой будет использоваться система.
В данном курсовом проекте разработана электронно-оптическая система, которая формирует сходящийся пучок электронов для размерной обработки материалов, в данном случае алмаза.
2. Электронно–оптическая система для размерной обработки.
Размерная обработка материалов электронным лучом осуществляется при плотности тепловой энергии выше 106-109 Вт/см2. Материал в зоне попадания электронов при столь высокой концентрации энергии вскипает и испаряется, образуя на детали углубление-отверстие, а при перемещении луча - рез. Поскольку удельная энергия сфокусированного луча значительно превосходит удельную энергию других источников энергии, это обеспечивает высокую степень локализации нагрева.[1]
Электронный луч проникает в обрабатываемый материал на глубину, в сотни раз большую его диаметра, что позволяет получить глубокие полости и отверстия, изготовление которых невозможно другими способами. Обрабатываемость материалов электронным лучом определяется только их теплофизическими свойствами и не зависит от механических свойств. Поэтому самые твердые материалы - кварц, керамика, твердые сплавы и драгоценные камни, а также металлы (тантал, титан, вольфрам и др.) легко обрабатываются электронным лучом.[2]
При получении отверстий и прорезей с большим отношением глубины к диаметру или ширине особенно важное значение для качества имеет строгое ограничение термического действие луча непосредственно на обрабатываемую точку. Этого можно достигнуть только импульсным управлением работой электронной пушки, например, путем подачи на запирающий электрод электрических импульсов, определяющих время прохождения электронов с катода к аноду и далее в камеру на изделие. Мгновенное превращение кинетической энергии плотностью порядка мегаватт на квадратный сантиметр в тепло позволяет точно контролировать съем вещества в желаемом месте при минимальном тепловом влиянии на окружающий материал, так как при этих удельных мощностях основную долю тепла уносят испаряемые атомы и молекулы.
Обычно для
электронно-лучевой размерной обработки
применяются установки с анодным
напряжением 50-150 кВ при токе в пучке в
пределах 0,3-20 мА. Вакуумные системы
установок обеспечивают достижение
требуемого вакуума в течение 10-20 минут.
Управление лучом с помощью электрических
систем отклонения осуществляется в
пределах небольшой площади, до 10
10
мм. Отклонение луча за указанные пределы
приводит к сильной расфокусировке его
на краю обрабатываемой площади. При
необходимости обработки деталей больших
размеров используется устройство типа
координатных или поворотных столов для
соответствующего перемещения и поворота
изделия. Для увеличения точности
перемещения и поворота применяются
шаговые двигатели.
При обработке важна точность воспроизведения заданной конфигурации отверстия или реза. Установлено, что при небольших глубинах обработки диаметр получаемого отверстия на 10% больше диаметра электронного пучка. При глубинах обработки, достигающих стократной величины диаметра отверстия и более, диаметр луча должен быть в два – четыре раза меньше отверстия.
Точность электронно-лучевой обработки в большинстве случаев не оценивается. Ориентировочно она составляет 5-20% минимального диаметра отверстия или ширины реза. На частоту получаемых кромок влияют следующие параметры: диаметр пучка, длительность импульсов, мощность пучка и теплофизические свойства обрабатываемого вещества. Увеличение мощности по сравнению с оптимальной сопровождается увеличением неровностей, возникающих на получаемой поверхности, так как в процессе обработки выбираются крупные частицы материала, а не испаряются атомы или молекулы. У большинства металлов наблюдается оседание капелек на стенках отверстия, вследствие чего сокращение времени обработки ведет к увеличению неровности поверхности. Разбрызгивание вещества при образовании отверстия вызвано тем, что электроны глубоко проникают в материал. Максимальная энергия выделяется под обрабатываемой поверхностью, и при неправильно выбранном режиме интенсивное вскипание материала под поверхностью расплава приводит к выбрасыванию жидкости из поверхностных слоев обрабатываемого участка [3].
Электронно-оптическая система для размерной обработки состоит из электронной пушки, магнитной фокусирующей системы и электромагнитной системы отклонения. На рисунке 2.1 показана электронно-оптическая система установки для размерной обработки материалов.
1 - катод; 2 - модулятор; 3 - анод; 4 - конденсаторная линза; 5 - диафрагма; 6 - проекционная линза; 7 - отклоняющая система; 8 - ускоряющий электрод; 9 - мишень.
Рис. 2.1.- Электронно-оптическая система