5. Лучевые методы обработки

К лучевым методам относится обработка:

• электронным лучом (ЭЛО);

• ионным лучом (плазменная обработка, ПО);

• световым лучом (лазерная обработка, ЛО).

5.1. Технология электронно-лучевой обработки

ЭЛО протекает в вакууме, т.к. направленный поток электронов не способен преодолеть сопротивление воздушной среды. Схема ЭЛО приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема установки для ЭЛО

1 – термоэмиссионный катод; 2 – анод; 3 – магнитная линза;

4 – отклоняющая система; 5 – рабочая камера; 6 – обрабатываемая заготовка; 7 – вакуумный насос; 8 – блок питания

ЭЛО используется в технике для размерного формообразования, термообработки, для плавки металлов, сварки.

При размерном формообразовании этим методом выполняют:

• фильтровальные сетки с отверстиями круглого, фасонного многогранного сечения в листах толщиной до 1 мм. Современные установки позволяют в тонких листах получать до 500 отверстий круглого сечения в минуту;

• перфорацию листового материала с образованием отверстий диаметром 5-10 мкм с погрешностью не более 5 мкм и шероховатости поверхности R_z5 мкм;

• вырезку по контуру;

• получение сквозных полостей и глухих отверстий в заготовках из любых материалов;

• знаки на валиках печатных машин глубиной 15-20 мкм.

Кроме того, ЭЛО дает хорошие результаты для напыления пленок, получения покрытий высокой чистоты. Процесс обеспечивает нанесение материала с производительностью от 1 г/час до 100 кг/час. Современные установки имеют мощность от 250 Вт до 200 кВт и позволяют достичь скорости испарения наносимого материала от 0,1 до 100 г/м²с.

Этим методом выполняют сварку, которая позволяет без разделки кромок получить качественные соединения из вольфрама, молибдена, титана, тантала, циркония. Наибольшая глубина проплава 300 мм.

В точном машиностроении ЭЛО позволяет выполнять операции микросварки. Примером может служить получение биметаллических изделий из материалов с различными свойствами, например отрезных пил (рис. 5.2), со скоростью сварки до 6 м/мин.

При микросварке можно обеспечить качественное соединение проводников диаметром от 10 до 300 мкм, конструкционных элементов сечением до 300 мкм.

Рис. 5.2. Изготовление пилы из мягкой ленты с приваренным твердым зубом

Плавление металлов в вакууме позволяет получить особо чистые сплавы с высокими механическими свойствами и пластичностью. Отсутствие в зоне обработки воздуха дает возможность плавить и локально переплавлять титановые сплавы, тугоплавкие материалы (вольфрам, молибден). При плавке получены слитки массой до 2010³ кг.

Нагрев материалов электронным лучом позволяет эффективно применять метод для локальной термообработки (скорость местного нагрева до 1000 градусов в секунду). При закалке повышается твердость, что увеличивает стойкость инструмента до 2-х раз, в результате отжига стабилизируются свойства материала, электронным лучом можно очищать изделия от загрязнений.

ЭЛО должна выполняться в вакууме, который просто обеспечивается в открытом космосе, т.к. на высоте около 200 км давление составляет примерно 10^-4 Па, т.е. соответствует режимам этого вида обработки.

Режимы размерного формообразования электронным лучом:

- напряжение между электродами (анодом и катодом) – 30…150 кВ;

- длительность импульса – 10^-7…10^-3 с;

- скважность – 100…200;

- плотность энергии – до 510¹² Вт/м²;

- вакуум – 10^-3…10^-4 Па.

Технологические показатели:

- предельная глубина обработки – 15…20 мм;

- диаметр отверстий при одноимпульсной обработке- от 10^-2 мм;

- вырезка с перемещением луча: ширина паза 5…10 мкм, уклон стенки менее 1, толщина заготовки до 5 мм.

Современное оборудование для ЭЛО имеет следующие характеристики:

• объем вакуумных камер до 200 м³, где толщина стенки достигает 25 мм, для защиты от излучения используют свинцовое стекло толщиной более 50 мм;

• вакуум с Па – 10^-110^-4;

• погрешность позиционирования заготовки и перемещения луча – 1-5 мкм;

• автоматизация процесса обеспечивается микропроцессорными и телевизионными системами.

Технология ЭЛО проектируется в следующей последовательности:

• обоснование целесообразности применения ЭЛО;

• расчет и выбор технологических режимов и средств технологического оснащения;

• обработка на электронно-лучевой установке по принятому технологическому режиму;

• контроль качества изделия после ЭЛО.