Obrábění elektronovým paprskem

Tato technologie využívá kinetické energie proudu urychlených elektronů.

Podstata metody

V místě dopadu paprsku elektronů se jejich kinetická energie mění v tepelnou energii, materiál obrobku taje a odpařuje se. Paprsek vniká do materiálu a to do určité hloubky, kde se pohyb elektronů zastaví, vzniklá tepelná energie se koncentruje pod povrchem a způsobuje erupční odpařování materiálu. Páry odpařeného materiálu jsou zionizovány a způsobí nové zaostření paprsku v pracovním místě.

Pracovní režim, to je styk paprsku elektronů s materiálem obrobku, může být nepřetržitý, tzv. kontinuální pracovní režim, nebo přerušovaný po určitých intervalech, tzv. pulzní pracovní režim. Přesné opracování se dosáhne při pulzním pracovním režimu, doba pulzu od 2 μs do 0,01 s, při frekvenci pulzů 500 – 10 000 Hz.

Obr. 1: Princip obrábění elektronovým paprskem

a) vnik elektronů do materiálu obrobku, b) erupční odpařování materiálu, c) opětný vnik elektronů do materiálu obrobku

1 – elektronový paprsek, 2 – páry odpařeného kovu

 

Výrobní zařízení se skládá z:

• elektronového děla

• elektromagnetického zaostřovacího systému

• systému pro vychylování paprsku

• napájecího generátoru

• pracovní komory

• číslicového řídícího systému.

Elektronové dělo

Je tvořeno žhavenou wolframovou katodou a anodou. Elektrony uvolněné z katody jsou vhodně řešenou anodou urychleny na rychlost rovnající se asi dvěma třetinám rychlosti světla.

Elektromagnetický zaostřovací systém

Vzniklý elektronový paprsek se pomocí elektromagnetických čoček zaostřuje na velmi malou plochu, čímž se dosáhne vysoké plošné hustoty energie (asi 10⁸ W.cm-²). Aby bylo dosaženo vysoké účinnosti využití energie elektronů (dosahuje se až 95 %), probíhá pracovní cyklus většinou ve vakuu.

Systém pro vychylování paprsku

Pracuje na elektromagnetickém principu.

Napájecí generátory

Jsou buď nízkonapěťové, to je do 60 kV s výkonem záření 3–10 kW, nebo vysokonapěťové do 150 kV s výkonem záření 8–100 kW.

Pracovní komory

Je v nich umístěn pracovní stůl s obrobkem, jsou konstruovány o objemu 0,03–17 m³. Jejich uspořádání se řídí podle opracovávaných obrobků a používané technologie. V zařízeních, u nichž probíhá pracovní cyklus ve vakuu, je součástí pracovní komory systém vakuových pump, které umožňují vytvořit v pracovní komoře vakuum až 10^-3 Pa.

Číslicové řídicí systémy

Jsou koncipovány obdobně 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.

Obr. 2: Zařízení pro obrábění elektronovým paprskem

a) schéma, b) zdroj elektronů (elektronové dělo)

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

 

Elektronový paprsek lze použít:

• Termické procesy (svařování, vrtání dlouhých děr malých průměrů, řezání a tepelné zpracování materiálů).

• Netermické procesy (vyvolané chemickými reakcemi) používají se v litografických technologiích, elektrotechnice při výrobě čipů.

Ve strojírenské praxi se elektronový paprsek používá především pro svařování, popřípadě pájení a vrtání dlouhých děr malých průměrů. Řezání a tepelné zpracování materiálu je nahrazeno laserem.

Obecně je obrobitelnost materiálů elektronovým paprskem dána jejich fyzikálními vlastnostmi a nezávisí na mechanických vlastnostech. Elektronový paprsek lze použít pro opracování těžkoobrobitelných materiálů, jako žáropevných ocelí, austenitických ocelí používaných při stavbě jaderných reaktorů, slitin zinku s niobem, hliníkových a titanových slitin, křemíku, drahokamů, tantalu, wolframu a speciálních slitin používaných v letectví a kosmonautice.

Elektronový paprsek hůře obrábí mosaz, bronz, zinek, hořčík a slinované kovy.

Svařování

Elektronovým paprskem lze kvalitně svařovat i materiály jinými způsoby obtížně nebo vůbec nesvařitelné. Svary jsou bez trhlinek, málo porézní a metalurgicky čisté. Je možné svařovat tenké výrobky o síle stěn 1 mm, ale také provádět sváry hluboké až 40 mm. Při svařování dvou rotačních součástí lze dosáhnout vzájemné radiální házení pouze 0,05 mm.

Obr. 3: Příklad svaru provedeneho elektronovým paprskem

 

Vrtání

Elektronový paprsek se používá pro vrtání dlouhých děr malých průměrů. Lze vrtat díry od průměru 0,015 mm, a to rychlostí až 4000 děr za sekundu. Při vrtání hlubokých děr, tzn. poměr délky k průměru díry je až 100, musí být průměr paprsku 2 – 4 krát menší než je požadovaný průměr vrtané díry. Tolerance vyvrtané díry je 5 - 20 % jejího průměru.

Zdroje

• ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3 - 2. díl. 2. vyd. Praha: Scientia, 2005, 221 s. ISBN 80-718-3336-3.

Obrázky:

• Obr. 1, 2, 3: ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3 - 2. díl. 2. vyd. Praha: Scientia, 2005, 221 s. ISBN 80-718-3336-3.
• Obr. 4: AUTOR NEUVEDEN. www.finn-ley.cz [online]. [cit. 23.1.2015]. Dostupný na WWW: http://www.finn-ley.cz/img/product/Sv%C3%A1%C5%99en%C3%AD%20elektronov%C3%BDm%20paprskem.jpg
• Obr. 5: AUTOR NEUVEDEN. www.trade2cn.com [online]. [cit. 23.1.2015]. Dostupný na WWW: http://www.trade2cn.com/upload/2010/1011dsjpro/HBWH50030.jpg
• Obr. 6: AUTOR NEUVEDEN. www.ecosond.cz [online]. [cit. 23.1.2015]. Dostupný na WWW: http://www.ecosond.cz/img/pro-beam_spoj_3.jpg