Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Nekonvenční metody obrábění - 6. díl
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Nekonvenční metody obrábění - 6. díl

Další díl seriálu, který je připravován ve spolupráci s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, se zabývá metodami obrábění elektronovým paprskem.

6 Obrábění paprskem elektronů

Obrábění elektronovým paprskem je založeno na využití kinetické energie proudu urychlených elektronů.

Anotace
Obr. 6.1. Princip metody obrábění elektronovým paprskem:

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

1 – elektronový paprsek, 2 – páry odpařeného kovu

6.1 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.
Z technologického hlediska lze elektronový paprsek použít pro: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.

Anotace
Obr. 6.2. Schéma zařízení pro obrábění paprskem elektronů:

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

6.2 Zařízení pro obrábění materiálů paprskem elektronů

Zařízení je tvořeno těmito hlavními skupinami (obr. 6.2):

  • 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;
  • takto vzniklý elektronový paprsek je pomocí elektromagnetického zaostřovacího systému – elektromagnetické čočky (5) – 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.

Anotace
Obr. 6.3. Zařízení pro svařování paprskem elektronů

Anotace
Příklad výrobku (svařování elektronovým paprskem)

6.3 Obrobitelnost materiálů

Obrobitelnost materiálů elektronovým paprskem je dána jejich fyzikálními vlastnostmi a nezávisí na mechanických vlastnostech. Elektronový paprsek lze použít pro opracování především 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. Elektronovým paprskem se hůře obrábí mosaz, bronz, zinek, hořčík a slinované kovy.

Anotace
Obr. 6.5. Druhy paprsku

a) klasické svařování, b) svařování elektronovým paprskem, c) kalení elektronovým paprskem

6.4 Vrtání malých děr paprskem elektronů

Elektronový paprsek se používá pro vrtání děr malých průměrů. Lze vrtat díry již od průměru 0,015 mm, a to rychlostí až 4 000 děr za sekundu. Při vrtání hlubokých děr, s poměrem délky k průměru díry až 100, musí být průměr paprsku 2x až 4x menší, než je požadovaný průměr vrtané díry. Tolerance vyvrtané díry je 5 až 20 % jejího průměru.

6.5 Svařování paprskem elektronů

Elektronový paprsek je vhodný pro svařování obtížně svařitelných nebo vůbec nesvařitelných materiálů. Svary jsou bez trhlinek, málo porézní a metalurgicky čisté. Je možno svařovat jak tenké výrobky o tloušťce 1 mm, tak provádět i svary hluboké až 40 mm.

Anotace

Anotace

Anotace
Obr. 6.6. Principy svařování elektronovým paprskem:

a) svařování pod vysokým vakuem, b) svařování pod částečným vakuem, c) svařování bez vakua

6.6 Řezání paprskem elektronů

V tab. 6.2 jsou uvedeny pracovní parametry pro řezání elektronovým paprskem. V současné době je řezání elektronovým paprskem nahrazováno řezáním laserem.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

z.Kerecaninova@rcmt.cvut.cz

Chybějící tabulky naleznete v tištěné verzi časopisu.

Další články

Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: