Лучевое резание металла: электроннолучевая обработка

Опубликовано admin Июн 19, 2012 в Резка металлов

Лучевые методы обработки (ЛМО) основаны на снятии обрабатываемого материала под воздействием фокусированных лучей, имеющих чрезвычайно высокую плотность энергии; в этом случае удаление материала осуществляется преобразованием лучевой энергии непосредственно в зоне резания в тепло. К лучевым методам обработки относится резание электронным, ионным, световым и плазменным лучами; при этих методах обработки луч установки является идеально отточенным, безинерционным и безизиосным «инструментом».

Электроннолучевая обработка (ЭЛО) выполняется фокусированным пучком электронов, испаряющим металл в точке соприкосновения луча с металлом. Электровакуумное устройство, в котором происходит получение, ускорение и фокусировка электронного пучка, называется электроннооптической трубкой или электронной пушкой. Катод электронной пушки излучает электроны, которые затем ускоряются электрическим полем (до скоростей порядка 15 км/сек) и фокусируются электромагнитной линией на очень малой площади обрабатываемой заготовки, диаметр которой составляет сотые доли мм. Все эти три процесса совершаются в высокой вакууме. Удаление обрабатываемого материала происходит в результате высокой концентрации энергии, вызывающей интенсивное тепловое разрушение; оно обусловлено торможением электронов при встрече с поверхностью заготовки и превращением кинематической энергии движения электронов в тепловую. Необходимое (до нескольких десятков тысяч вольт) ускоряющее напряжение прикладывается между катодом и анодом.

Управление электронным лучом производится практически без инерционно; частоту следования и ширину импульсов можно изменять в весьма широких пределах: от импульсов порядка 0,1 мк/сек до непрерывного воздействия луча. Кроме того, электронный луч при использовании электронного программного управления под воздействием электронно-магнитного поля может перемещаться по обрабатываемой поверхности со скоростями до 100 м/сек. Все это позволяет изменять в широком диапазоне режимы обработки, а также автоматизировать эти операции.

Режимы резания электронным лучом определяются током в луче, величиной ускоряющего напряжения, плотностью тока в фокальном пятне на заготовке, скоростью перемещения уча по заготовке; при обработке модулированным лучом добавляется также частота повторения и длительность импульсов.

Режимы работы электроннолучевой установки регулируются изменением силы тока, зависящей от напряжения смещения, т. е. напряжения на управляющем электроде относительно катода. Импульсную работу обеспечивают подачей на управляющий электрод, имеющий предварительное отрицательное запирающее напряжение, прямоугольных положительных импульсов, амплитуда которых определяется необходимым для резания луча.

Основные технические данные описанной установки: ускоряющее напряжение 25М50 кв, максимальная длительная мощность 100 вт, плотность энергии до 104 кет/мм2, Максимальный ток луча в импульсе 15—20 ма, частота-импульсов 50—50 000 гц, длительность импульсов i0~6 сек, диаметр фокального пятна 23 мкм, стабильность ускоряющего напряжения 0,170,01%. Перемещение электронного луча происходит под действием двух пар отклоняющих катушек, расположенных взаимно перпендикулярно. Автоматическая система реле подает от генераторов импульсы тока, необходимые для заданной формы обработки (прямоугольная, пилообразная, круглая и т. д.). Например, для движения луча по окружности катушки питаются синусоидальным током со сдвигом фаз 90°.

Установки для электроннолучевого резания используют ток высокого положительного напряжения относительно земли. Помимо этого, при встрече электронного луча с материалом обрабатываемой заготовки от 1 до 3% кинетической энергии электронов превращается в рентгеновское излучение. Поэтому при эксплуатации электроннолучевых установок должна быть обеспечена защита обслуживающего персонала от высокого напряжения, рентгеновского, ультрафиолетового и интенсивного видимого излучений.

Достоинствами ЭЛО являются возможность обработки сверхпрочных материалов, получение сквозных и глухих отверстий крайне малых диаметров, пазов сложной формы по заданному контуру, а также изготовление прецизионных деталей, характерных для радиоэлектронной промышленности. Наиболее широко этот способ применяют для получения отверстий диаметром до 5М0 мкм в драгоценных камнях, служащих подшипниками в приборах, в впрыскивающих соплах и других деталях; при косом, направлении луча образуются конические поверхности. Для образования отверстий в корундовых часовых подшипниках используют два луча: для нагрева — менее концентрированный и непрерывный, нагревающий заготовку за 1 сек до 1500° С, и прошивающий — тонко сфокусированный, пульсирующий с большой плотностью энергии (до 5103 кет/мм2), который за 2 — 3 сек образует почти круглое отверстие. После этого для снижения внутренних, напряжений в заготовке вновь работает подогревающий луч. Этот метод применяют также для получения отверстий в вольфраме, тантале, молибдене, ниобии. Отверстие прямоугольного профиля 0, -X0,05 мм длиной 0,5И,5 мм с точностью ±3 мкм в фильере из легированной стали повышенной прочности образуется за 1020 сек, при ускоряющем напряжении 100 кв, длительности импульсов 10~5 сек, частоте 3 кгц. Стальные листы толщиной до 1 мм режут электронным лучом малой мощности со скоростью 1200 мм/мин. Увеличение мощности позволяет резать листы толщиной до 30ч40 мм.

Предполагают, что метод электроннолучевого резания найдет широкое применение при монтаже и ремонте летательных аппаратов в условиях космического пространства. В США разработана переносная электронная пушка мощностью 1,5 кет весом 5 кг; она размещена в оболочке диаметром 125 мм и высотой 250 мм. С ее помощью космонавты смогут ремонтировать повреждения корабля при длительных полетах. Она соединена специальным кабелем с бортовым источником питания.

Недостатками ЭЛО являются сложность и высокая стоимость оборудования, большие затраты времени на создание вакуума, ограничение габаритов обрабатываемых деталей размерами рабочих камер.

Учитывая это, в настоящее время создаются методы ЭЛО лучом, выведенным из электронной пушки, где поддерживается глубокий вакуум, в атмосферу. Такие электроннолучевые установки созданы, например, фирмой «Юнайтэд Рэфт». Фирмой «Гамильтон Стэндэд» разработаны установки, работающие в среднем вакууме 1013Ю1 мм рт. ст. Однако в этом случае необходима защита оператора от воздействия жестких рентгеновских лучей, возникающих при торможении электронов.