Obróbka Elektronowa

Ogólna charakterystyka obróbki elektronowej

Obróbka elektronowa (ESE) jest to obróbka przez odparowanie za pomocą strumienia elektronów emitowanych przez odpowiednio podgrzana elektrodę – katodę w warunkach próżni. Za pomocą pola elektrycznego można emitować elektrony skupiać i kierować nimi. Dzięki temu duża energia kinetyczna strumienia elektronów w zetknięciu się z przeszkoda, która jest materiał obrabiany, zmienia się w miejscu styku w ciepło. Proces napromieniowywania strumienia elektronów odbywa się na bardzo małym wycinku powierzchni. Na skutek tego powstaje w krótkim czasie miejscowy wzrost temperatury, znacznie powyżej temperatury wrzenia ( a niektórych przypadkach sublimacji), nawet najtrudniej topliwych materiałów. W wyniku tych procesów w miejscu napromieniowania strumieniem elektronów materiał gwałtownie odparowuje, czyli zgodnie z umowna definicja erozji – występują objawy erozji przez odparowanie. Strumień elektronów może być traktowany jako narzędzie cieplne.

Zasada działania obrabiarki elektronowej

Pierwsze urządzenie techniczne, stanowiące prototyp obrabiarek elektronowych, zostało zaprojektowane przez Steigerwalda w roku 1949. Dotąd budowane obrabiarki elektronowe są oparte na tej samej zasadzie, którą objaśnia rys 1.
Katoda 1 jest podgrzana do temperatury 2500 3000 oC, przy której zaczyna emitować elektrony. Dzięki tzw. Pierścieniowi Wehnelta 2 i przyłożonemu napięciu Uo pomiędzy katoda i anoda 3, strumień wypromieniowanych elektronów zostaje rozpędzony i wydostaje się poza anodę. system justacyjny 4 pozwala ustawić główna os strumienia tak, aby przez blendę 5 przechodziła tylko centralna wiązka strumienia. System skupiający, tzw. soczewka magnetyczna 6, skupia ponownie rozproszony częściowo strumień 7, który zostaje następnie skierowany przez system sterujący 8 na odpowiednie miejsce materiału obrabianego 9. Całość urządzenia znajduje się w próżni rzędu 10-5 Tr. W celu kontroli ustawienia strumienia na właściwym miejscu, w urządzenie stereoskopowe jest wbudowany mikroskop 10.
Rysunek 1
Małe wychylenie strumienia, rzędu 4 mm na powierzchni obrabianej, osiąga się bezpośrednio za pomocą systemu sterującego. W przypadku potrzeby wykonywania większych ruchów strumienia względem obrabianego przedmiotu stosuje się stół z napędem w trzech kierunkach wzajemnie prostopadłych.

Podstawowe pojęcia i zależności obróbki elektronowej

Napięcie przyśpieszające Uo jest to napięcie pomiędzy katoda i anoda. Napięcie to jest stosowane w granicach do 150 kV. Wysokie napięcia powodują tak znaczne przyspieszenie elektronów, ze bombardowanie nimi obrabianego materiału może powodować promieniowanie rentgenowskie. W związku z tym, przy stosowaniu napiec powyżej 30 kV, konieczne jest stosowanie ochronnych osłon ołowiowych. Przy napięciach mniejszych od 30 kV promieniowanie jest na tyle miękkie i o małym natężeniu, ze nie wymaga ochronnych osłon.
Natężenie prądu emisji Ie nazywa się natężenie strumienia elektronów emitowanych przez katode. Natężenie prądu emisji zależy od zdolności emisyjnej katody, a wiec od rodzaju materiału katody, napięcia przyśpieszającego i od temperatury podgrzania. W granicach stosowanych napięć oraz temperatur podgrzania, natężenie prądu emisji ma wartość rzędu miliamperów. Zależność pomiędzy natężeniem prądu emisji a napięciem przyśpieszającym, przy rożnych temperaturach podgrzania katody wolframowej, podano na rysunku nr.2

Rysunek 2
Gęstość prądu emisji je obrazuje stopień koncentracji strumienia i wyraża się stosunkiem

gdzie Fe – powierzchnia przekroju poprzecznego strumienia.
Gęstość prądu emisji podaje się zazwyczaj w A/mm2 lub A/cm2.
Ładunek impulsu I Li określa się jako iloczyn natężenia emisji prądu i czasu trwania impulsu, czyli
Li = Ieti

Ze względu na wytrzymałość urządzenia oraz w celu zmniejszenia temperatury materiału obrabianego w okolicy obróbki (na skutek ciepła przewodzenia), stosuje się napromieniowywanie krótkimi, powtarzającymi się impulsami.
Energia jednego impulsu Ei może być obliczona według wzór
Ei = UoIeti

Gdzie Ti – czas trwania jednego impulsu

W strefie penetracji elektronów następuje przemiana energii elektronów na energie cieplna. W tej strefie koncentracji ciepła następuje podgrzewanie, topnienia i odparowanie materiału, a także z tej strefy ciepło jest przewodzone w głąb materiału, tworząc pole temperatur o wysokim gradiencie.
W czasie trwania impulsu strumień elektronów eroduje pewną masę materiału na głębokość ge. Na rysunku nr 3 przedstawiono przekrój podłużny wgłębienia po jednym impulsie w stali chromowo – molibdenowej.
Jeśli otwór jest okrągły, to średnica otworu wykonanego dB jest

dB = de + 2b

gdzie de – średnica strumienia elektronów w miejscu styku z powierzchnia obrabiana, b – błąd tzw. rozbicia otworu, spowodowanego porywaniem przez protuberancje gazowe pewnej warstwy nadtopionych ścianek.
Rysunek 3

Rysunek ten przedstawia przekrój podłużny wgłębienia wykonanego 1 impulsem elektronowym w stali chromowo – molibdenowej.
Wykonany otwór otacza warstwa o średniej grubości, z, która powstała głownie z zakrzepnięcia tej części nadtopionych ścianek otworu, które nie została wyerodowana. przybliżona średnica tej warstwy dR jest równa

dR = dB + 2z = de + 2b + 2z
Str 244
Wykorzystanie plazmy jako źródła elektronów

Plazma jest przewodzący elektrycznie, rozrzedzony, zjonizowany gaz, dostatecznie dużej koncentracji cząstek naładowanych, w którym istnieje w zadzie taka sama liczba elektronów i jonów dodatnich. Jest mieszanina quasiobojętna. Każda substancja może przejść w stan plazmy w wyniku jonizacji termicznej zachodzącej w odpowiednio wysokiej temperaturze; dlatego czasem i dziś plazmę nazywa się czwartym stanem materii (ze wzrostem temperatury następują przejścia: ciało stale – ciecz – gaz – plazma). Plazma powstaje również podczas wyładowań elektrycznych w rozrzedzonych gazach przy dużych napięciach. Właściwości elektryczne plazmy przypominają właściwości metali.
Str 246
Sterowanie wiązką elektronową

Zmieniając wartość napięcia przyśpieszającego U, czyli różnice potencjałów miedzy katoda i anoda, można zgodnie ze wzorem FE = -eE [N] (gdzie Fe – siła pola elektrycznego oddziałująca na elektron, E – natężenie pola elektrycznego V/m), wpływać na wartość siły odzialującej na elektron. Siła ta nie jest jednak jedyna siła mogąca oddziaływać i w rzeczywistości oddziałująca, na elektron. Oprócz niej na elektron mogą oddziaływać siły dodatkowe, wywołane dodatkowymi polami elektrycznymi i o innej orientacji przestrzennej niż pole o natężeniu E, dodatkowe pola elektryczne w elektronowych urządzeniach grzejnych tworzą specjalne układy elektronooptyczne, m.in. układy elektrod zwane soczewkami elektronowymi. W wyniku ich działania elektron będzie poruszał się po torze, wynikającym z łącznego działania wszystkich sil od pól elektrycznych w każdym punkcie toru, wiązka elektronów zaś może być ogniskowana lub rozogniskowana, zakrzywiona, przyspieszona lub opóźniana , a także przerywana. Elektryczne układy odchylajace cechują się jednak mała czułością, czyli stosunkiem przemieszczenia wiązki do napięcia odchylającego.
Oprócz pola elektrycznego na elektron oddziałuje również pole magnetyczne. Siła tego oddzilywania nosi nazwę siły Lorentza i wyraża się wzorem



W zależności od kata j, pod którym elektron wchodzi do pola magnetycznego, może poruszać się on po okręgu ( dla j = 90 o ) lub po linii śrubowej (gdy j = 0o ) ( rys. 4).
Układy magnetyczne w postaci elektronowych soczewek magnetycznych są praktycznie szeroko stosowane do ogniskowania i sterowania przemieszczaniem wiązki ze względu na duża czułość i małą zależność od energii elektronów

Rysunek 4


Odchylanie wiązki elektronowej w polu magnetycznym: 1) odchylona wiązka elektronowa; l – skuteczna długość cewkiodchylajacej; L – odległość przedmiotu od końca obszaru odchylania; g - kat odchylania toru elektronu; R – promień krzywizny toru elektronu; Y – przemieszczenie plamki na przedmiocie.

Wytworzenie w osi wiązki pole magnetyczne o symetrii obrotowej pozwala na skupienie elektronów teoretycznie w jednym punkcie – ognisku, praktycznie zaś na niewielkim obszarze, zwanym plamka elektronowa. Zmieniając położenie plamki wzdłuż linii prostopadłej do obrabianej powierzchni, czyli ogniskując wiązkę elektronów nad , na lub pod obrabiana powierzchnia ( rys 5 ) można zmieniać koncentracje energii lub gęstość mocy doprowadzonej do obrabianego wsadu.

Rysunek 5
Rysunek ten przedstawia sposoby ogniskowania wiązki elektronowej: a) ogniskowanie pod powierzchnia materiału; b) ogniskowanie na powierzchni materiału; c) ogniskowanie nad powierzchnia materiału; 1 – wiązka elektronowa; 2 – ognisko wiązki; 3 – plamka elektronowa; 4 – powierzchnia materiału obrabianego
Wykorzystując pole magnetyczne można wiązkę elektronowa przemieszczać po obrabianej powierzchni. Do tego celu służy czterobiegunowy układ odchylający ze skrzyżowanymi poprzecznymi polami magnetycznymi. Jest to jarzmo pierścieniowe wykonane z materiału magnetycznie miękkiego z czterema nabiegunnikami, na których nawinięte są uzwojenia. Zmieniając prąd płynący przez uzwojenia zmienia się potencjał magnetyczny nabiegunników i w wyniku zmiany indukcji magnetycznej powoduje się odchylanie wiązki w dwóch kierunkach X i Y na płaszczyźnie obróbki.

Próżnia w urządzeniach elektronowych str 248

Elektrony przy zderzeniach z cząstkami gazów oddają im swoją energię i wiązka elektronów rozprasza się. Według teorii gazokinetycznej średnią długość drogi swobodnego przebiegu elektronu w gazie określa zależność.



gdzie: λ – droga swobodnego przebiegu elektronu w gazie, m: n – koncentracja (stężenie) molowa gazu, σ – przekrój czynny atomu (cząsteczki) gazu na jonizację przez przelatujący elektron; wielkość σ zależy od energii elektronu i przyjmuje wartość maksymalną dla zakresu energii elektronu 5+200 eV.

Koncentracja molowa gazu zależy od ciśnienia – im mniejsze ciśnienie, tym mniejsza koncentracja molowa gazu i w konsekwencji większa droga swobodna elektronu. W powietrzu o temperaturze pokojowej przy ciśnieniu p=133 Pa, λ=0,266 mm, natomiast przy ciśnieniu p=10-2 Pa, λ=2,66 m .
Z powyższego wynika, że chcąc odpowiednio przyspieszyć uzyskany w wyniku termoemisji lub wyładowania jarzeniowego elektron, należy mu stworzyć warunki zapewniające maksymalną drogę swobodną. Im większa droga swobodna elektronu, tym większa energia może mu być dana.
Próżnia jest zatem nieodzownym elementem funkcjonalnym urządzeń elektronowych. Minimalna próżnia (maksymalne ciśnienie) w urządzeniach elektronowych wynosi kilka Pa. Łatwiejsza do uzyskania i utrzymania próżnia niska (do 133 Pa) wpływa ujemnie na trwałość urządzenia i może prowadzić do przebicia przestrzeni międzyelektrodowej ze względu na występującą jonizację gazów resztkowych. Dlatego w urządzeniach elektronowych przeważnie stosuje się próżnię wysoką – zwykle wynosi ona ok. 10-3 : 10-6 Pa [7].
Tylko wyjątkowo silnie skupioną wiązkę elektronów o dużej mocy można wyprowadzić z komory próżniowej do atmosfery, w celu wykonania określonych zadań technologicznych. Bieg elektronów wiązki w powietrzu zwykle nie przekracza kilkunastu milimetrów.


NAGRZEWNICE ELEKTRONOWE

Wyrzutnie elektronowe

Wytworzenie wiązki elektronów wymaga dwóch źródeł energii elektrycznej. Pierwsze źródło służy do emisji elektronów z emitera (katody), drugie – do ich rozpędzenia. Obydwie funkcje są realizowane w urządzeniach zwanych wyrzutniami elektronowymi lub działami elektronowymi. Wyrzutnie elektronowe stanowią podstawowy element funkcjonalny nagrzewnic elektronowych.
W zależności od rodzaju emitera rozróżnia się dwa typy wyrzutni elektronowych [10 : 14]:
termoemisyjne z termokatodą metalową lub niemetalową
plazmoemisyjne z katodą plazmową lub zimną katodą metalową


Wyrzutnie termoemisyjne

Wyrzutnia termoemisyjna stanowi najstarszy i najczęściej używany typ wyrzutni. Składa się z katody termoemisyjnej (termokatody), elektrody sterującej i anody (rys. 2.3a). Źródłem elektronów (emiterem) jest znajdująca się w próżni termokatoda, zbudowana z materiału o dużej emisyjności i wysokiej temperaturze topnienia (1600 - 2900 K). Najczęściej termokatoda metalowa jest wykonana z wolframu lub tantalu, termokatoda niemetalowa – zwykle z sześcioborku lantanu LaB6 (czasem z domieszką sześcioborku baru BaB6). Temperatura pracy pierwszej zawiera się w zakresie 2300 - 2900 K, drugiej – 1700-2000 K. Termokatody mogą być bądź żarzone bezpośrednio (przy wykorzystaniu grzania oporowego) bądź pośrednio przez bombardowanie elektronami emitowanymi z dodatkowej termokatody i przyspieszanymi polem elektrycznym. Żarzone bezpośrednio są termokatody metalowe, pośrednio – metalowa i niemetalowe. Przyłożonym między katodą i anodą napięciem (30-150 kV) emitowane z termokatody elektrony są wstępnie formowane w wiązkę i przyspieszane do prędkości dochodzącej do 2/3 prędkości światła. Następnie przechodzą przez otwór w anodzie i w układzie elektronooptycznym zawierającym jedną lub rzadziej dwie soczewki magnetyczne są ostatecznie formowane w wiązkę o kącie zbieżności 10-3 – 10-1 rad. Za pomocą dodatkowych układów wiązka może być odchylana w dowolnym kierunku, bądź w dwóch prostopadłych kierunkach, z określoną częstotliwością. Przeciętna moc termokatod wynosi od kilku do ponad 100 kW, ekstremalne wartości mogą być kilkakrotnie większe.

Rysunek 6

Wyrzutnie plazmoemisyjne

Wyrzutnia plaznmoemisyjna powstała w połowie lat 60-tych, pracuje przy niższych niż termoemisyjna temperatura i przy mniejszej próżni, jest bardziej odporna na wpływ atmosfery procesu technologicznego i odznacza się dużą trwałością (do 5500 h), niezawodnością i powtarzalnością parametrów wiązki. Emiterem elektronów jest bezpośrednio lub pośrednio plazma wyładowania jarzeniowego.
W wyrzutniach z katodą plazmową bezpośrednim emiterem jest plazma wyładowania jarzeniowego w azocie, argonie, helu, wodorze, metanie – elektrony opuszczają obszar plazmy wskutek ruchów termicznych. Dalej elektrony są formowane w wiązkę, podobnie jak w wyrzutniach termoemisyjnych. Ze względu na brak bariery potencjału na granicy plazmy rozrzut prędkości początkowych ekstrahowanych elektronów jest znacznie większy niż w przypadku termoemisji, co prowadzi do wad odwzorowania przez układ ogniskujący. Prąd wiązki reguluje się zmieniając parametry plazmy. Ciśnienie robocze pracy katody plazmowej wynosi od 10-3 do 10-1 Pa. Napięcie przyspieszające do 60 kV, moc – do 10 kW. Wyrzutnie z katoda plazmową stosuje się technologiach nie wymagających dużej precyzji obróbki, osiąganej przy użyciu termokatod.
W wyrzutniach z zimną katodą plazma o ciśnieniu 0,1 do 10 Pa jest pośrednim emiterem elektronów i źródłem jonów dodatnich, natomiast emisja wtórna elektronów zachodzi z zimnej metalowej katody pod wpływem bombardowania jej przez jony i szybkie cząstki neutralne, powstające w wyniku zderzeń jonów z cząstkami gazów. Najczęściej zimna katoda jest wykonywana z aluminium, ze względu na wysoki współczynnik emisji wtórnej tego materiału. Gazem roboczym jest powietrze. Moc katod zimnych jest zbliżona do katod plazmowych, napięcie przyspieszające jest 10-20% niższe. Wyrzutnie z zimną katodą szczególnie nadają się jako katody płaskie i są stosowane do procesów nie wymagających dużej precyzji obróbki.


Budowa nagrzewnic elektronowych

Nagrzewnica elektronowa składa się z 4 podstawowych układów funkcjonalnych:
Wytwarzania wiązki (z wyrzutnią elektronową)
Formowanie wiązki (ogniskowanie, przyspieszanie)
Sterowanie wiązką (odchylanie wiązki)
Wykorzystania wiązki (stół obrotowy i/lub przesuwny z wsadem)


Rysunek 7

Układy te są odpowiednio zasilane elektrycznie. Należy podkreślić, że układ wykorzystania wiązki zwykle znajduje się w komorze roboczej, gdzie panuje o 1 do 2 rzędy wielkości wyższe ciśnienie niż w komorze wytwarzania wiązki.
W nagrzewnicy elektronowej pobierającej z sieci moc 40 kW – 50% mocy zostaje wykorzystane w postaci mocy wiązki elektronowej, zaś pozostałe 50% mocy zostaje zużyte następująco: ok. 38% system pomp próżniowych, ok. 5% generacja wiązki, ok. 3,5% system kontroli i ok. 5% układ chłodzenia.
Nagrzewnice elektronowe stosowane do modyfikacji właściwości warstw wierzchnich i powłok zwykle pracują impulsowo, a ich moc zawiera się w przedziale 103 – 105 W. Napięcie przyspieszające elektrony wiązki jest rożne i mieści się w granicach 0,1 do 23 MV.

Rodzaje wiązek i rastrów

Wiązka elektronowa może być wytwarzana i doprowadzona do materiału obrabianego w sposób ciągły lub w postaci krótkotrwałych impulsów o rożnym czasie trwania. Zwykle długość impulsu wynosi 10-9 – 10-4 s.
Wiązki elektronowe pod względem geometrycznym, a ściślej pod względem geometrii odwzorowanego jednocześnie na nagrzewanej powierzchni krztaltu poprzecznego wiązki, można podzielić na :
Punktowe: minimalna średnica na której skupiona wiązka zwana plamką ogniskową może dochodzić do 0,5 nm; wiązki punktowe są ciągle lub impulsowe
Liniowe: minimalna szerokość linii może być zbliżona do średnicy wiązki punktowej, długość wiązki może dochodzić do kilkudziesięciu i więcej milimetrów; zwykle wiązki liniowe są ciągłe.



Rysunek 8
Pierścieniowe: średnica i grubość pierścienia są zależne od procesu technologicznego; zwykle wiązki pierścieniowe są impulsowe
Powierzchniowe: w postaci koła lub prostokąta o wymiarach kilkudziesięciu i więcej milimetrów; są to wiązki impulsowe o czasie trwania impulsu rzędu nanosekund
Do celów dydaktycznych wykorzystuje się połączone oddziaływanie ruchu wiązki i przesuwu lub obrotu przedmiotu obrabianego. To połączone dzianie tworzy tzw. raster, będący odwzorowaniem przebiegu wiązki po obrabianej powierzchni ( tzw. ścieżka elektronowa ) lub mapa miejsc nagrzanych. Rozróżnia sie pięć podstawowych rodzajów rastru będących wynikiem przyjętych metod nagrzewania lub skanowania:

1. sekwencyjny ( Scanned Electron Beam – SEB: skanująca wiązka elektronów) – punktowa wiązka elektronowa ciągła lub impulsowa omiata obrabiana powierzchnie na zasadzie skanowania z określona częstotliwością ( najczęściej powyżej 1 kHz ) w kierunku poprzecznym do kierunku przesuwu lub obrotu wsadu, a amplituda skanowania jest stała – patrz rys.8 a)
2. Paskowy ( Swept Line Electron Beam – SLEB: rozciągnięta wiązka elektronów ) – liniowa wiązka elektronowa ciągła o stałej lub regulowanej szerokości, skierowana na wsad przesuwny w kierunku poprzecznym do wiązki liniowej, nagrzewa pas powierzchni ( rys 8b i 9a ). Raster pseudopaskowy można uzyskać odchylając wiązkę punktowa jak w rastrze sekwencyjnym przy bardzo dużym zagęszczeniu przebiegów skanujących wiązki
3. Punktowy ( Pulsed Electron Beam – PEB: impulsowa wiązka elektronów ) – punktowa impulsowa wiązka elektronów o stałej lub zmiennej średnicy plamki ogniskowej nagrzewa kolejne punkty wsadu, zmieniając skokowo swoje położenie ( np. przy czasie skoku 10 ms ) i pozostając nieruchoma w każdym kolejnym punkcie ( np przez 20 ms ). Odległość miedzy kolejnymi punktami może być regulowana w zakresie dziesiętnych części milimetra. Gdy zachodzi potrzeba obróbki powierzchni o wymiarach przekraczających kilka cm2, stosuje się dodatkowo ruch przedmiotu obrabianego.
4. wyspowy ( wyspowo powierzchniowe ) – powierzchniowa lub pierścieniowa wiązka elektronowa impulsowa, przy stałych lub zmiennych wymiarach plamki ogniskowej od kilku do kilkudziesięciu milimetrów nagrzewa bądź kolejne miejsca wsadu ( rys 9 b ) bądź od razu cały nieruchomy wsad ( rys 8d ).
5. dowolnie programowany – punktowa wiązka elektronowa ciągła lub impulsowa omiata powierzchnie obrabianego przedmiotu w sposób zależny od jego wielkości, parametrów wiązki i wymagań procesu technologicznego (rys. 8e, f, rys 10 ).
Rysunek 9






Rysunek 10

Mechanizm oddziaływania wiązki elektronowej na materiał

Niezależnie od rodzaju wiązki i sposobu skanowania charakter oddziaływania wiązki na materiał jest jednakowy. Elektrony wiązki ulęgają odbiciu ( rozproszeniu ), pochłonięciu lub przepuszczeniu. Mogą przy tym wywołać wtórną emisje elektronów z bombardowanego przez nie materiału, powodować wzbudzenie atomów i jonizacje. Mogą również wywołać emisje promieniowania rentgenowskiego i gamma. Proporcje miedzy skala zachodzących zjawisk zależą głownie od energii elektronów oraz od natury bombardowanego przez nie materiału.
Rozpędzone elektrony osiągają powierzchnie materiału obrabianego wnikają weń. Wnikając zaś – są gwałtownie hamowane. Pojedynczy elektron oddziaływuje zarówno na siec krystaliczna materiału, jak również na oddzielne atomy, cząsteczki i elektrony tej sieci. W wyniku oddziaływania zostają zakłócone pola elektryczne makrocząsteczek, co powoduje przemieszczanie atomów i cząstek oraz wzrost amplitudy ich drgań. Objawia się to wyraźnym wzrostem temperatury – obrabiany materiał w miejscu padania wiązki elektronowej nagrzewa się.

Rysunek 11
Nagrzewanie materiału następuje w wyniku pochłaniania energii wiązki elektronowej na skutek niesprężystych i sprężystych zderzeń elektronów z siecią krystaliczna materiału. Obszar wymiany energii w trakcie pochłaniania znajduje się na powierzchni i tuz pod powierzchnia bombardowanego materiału. Wielkość tego obszaru zależy od warunków rozpraszania elektronów w materiale. Duża początkowo energia elektronów wiązki w wyniku zderzeń maleje. Na początkowym odcinku drogi wnika rozpraszanie wiązki jest niewielkie. Rozpraszanie zwiększa się w miarę zmniejszania się energii elektronów wiązki i osiąga wartość maksymalna na głębokość.

Rysunek 12


Dla przypadku wiązki o plamce elektronowej dążącej do punktu – elektrony wiązki całkowicie wytrącają swą energie nadmiarowa w stosunku do elektronów materiału w obszarze strefy o średnicy zr (rys. 12a); powierzchnia ta teoretycznie ogranicza obszar oddziaływania wiązki elektronów na materiał. Powierzchnia ta ma nieco inna postać dla przypadku wiązki elektronowej o skończonych wymiarach – o stosunkowo dużej plamce elektronowej (rys. 12b).

Rysunek 13
Głębokość wnikania elektronów w materiał rośnie ze wzrostem napięcia przyśpieszającego (rys.13) i maleje ze wzrostem gęstości materiału. Przy U=10 kV dla stali zr,st=0,3 mm i dla aluminium zr,Al=0,8 mm, natomiast przy U =50 kV odpowiednie wartości wynoszą zr,st= 7 mm i zr,Al = 10 mm (20). Przy najczęściej stosowanych napięciach przyśpieszających U = 30-150 kV głębokość wnikania elektronów w stopy żelaza wynosi od kilku do ponad 40 mm. Przy napięciach większych występuje możliwość znaczenia głębszego wnikania elektronów lub ich przechodzenia przez rozgrzany lub roztopiony materiał na głębokość kilku i więcej milimetrów.

TECHNICZNO – EKONOMICZNE WSKAŹNIKI OBRÓBKI ELEKTRONOWEJ

Parametry i wskaźniki obróbki elektronowej

Podobnie jak w innych sposobach obróbki, wyróżniamy w zakresie obróbki elektronowej parametry procesu związane:
z materiałem obrabianym, a przede wszystkim tymi jego własnościami cieplnymi, które wchodzą w bilans energetyczny impulsów, jak gęstość, ciepło właściwe, temperatury przemian fazowych oraz przewodność cieplna; poza tym pewne znaczenie mają także własności elektryczne materiału;
z emitującą katodą, tj. rodzajem materiału katody, jej zdolnością emisyjną w zależności od temperatury (natężenie prądu emisji), kształtem i wymiarami katody oraz jej odpornością na zużycie;
z układem elektrycznym, charakteryzowanym przez napięcie przyśpieszające, skuteczność blendowania i skupiania strumienia elektronów (co wyraża się w gęstości prądu i mocy emisji oraz ładunku impulsu), głębokość penetracji elektronów, a ponadto także czas trwania impulsu;
z warunkami obróbki, tj. położeniem przedmiotu obrabianego i stopniem próżni.
Wskaźniki techniczno – ekonomiczne obróbki elektronowej są analogiczne, jak dla obróbki elektroerozyjnej.

Wydajność obróbki
Jako miarę wydajności obróbki przyjęto brać nie bezwzględne wartości wyerodowanego materiału w jednostce czasu, a liczbę impulsów potrzebną do wyparowania określonej objętości lub masy materiału. Umowa taka jest wygodna w praktycznym stosowaniu obróbki elektronowej, gdyż obserwacja licznika elektronowego, pokazującego liczbę impulsów, ułatwia regulowanie czasu trwania obróbki. W związku z tym wyróżnia się liczbę potrzebnych impulsów:
objętościową lub wagową


liniową



gdzie: V – objętość wyerodowanego materiału, gE – głębokość drążenia jednym impulsem, a inne oznaczenia – jak poprzednio.


Wskaźnik objętościowy potrzebnej liczby impulsów stosuje się w przypadku przecięć i wcięć, rowków, itp. Wskaźnik liniowy potrzebnej liczby impulsów używany jest przede wszystkim przy drążeniu otworów.
Badania obrabialności różnych metali wykazują, że zależy ona w dużym stopniu od rodzaju materiału. Na rys.7 przedstawiono wyniki pomiarów dla wyerodowania tej samej objętości Cd, Zn, Fe, Ti, Ta, Ni, Cu i W. Przyjęto liczbę impulsów dla wydrążenia ustalonej objętości kadmu za 1, a następnie obliczono liczby obrabialności NM, jako:


gdzie: neM – potrzebna liczba impulsów dla danego materiału, neCd – potrzebna liczba impulsów dla kadmu.


Rysunek 14

Kolejność ułożenia liczby obrabialności może być wyjaśniona za pomocą analizy własności materiału, które wpływają na proces obróbki elektronowej. Wśród nich decydującą rolę odgrywają dwie wielkości, a mianowicie temperatura wrzenia oraz przewodność cieplna. Na rys.8 przedstawiono zależność temperatury topnienia i wrzenia oraz ciepła właściwego i współczynnika przewodności cieplnej od liczby potrzebnych impulsów. Kolejność ułożenia neV zbadanych metali odpowiada kolejności liczby obrabialności. Natomiast krzywa zależności poszczególnych własności cieplnych od neV nie są monotoniczne. To samo dotyczy również zależności gęstości materiałów od neV.

Rysunek 15
Z tego widać, że na liczbę obrabialności mają łączny wpływ wszystkie własności cieplne, a także inne własności materiału, jak gęstość i przewodność elektryczna. Należy przy tym mieć na uwadze zmienność tych własności w zależności od temperatury. Dopiero sumaryczne oddziaływanie wszystkich wymienionych własności mogłoby umożliwić ilościowe ujęcie związków pomiędzy rodzajem materiału, a liczbą potrzebnych impulsów.


Rysunek 16

Badania wpływu napięcia przyśpieszającego na wydajność potwierdzały teoretyczne przewidywania, interpretowane graficznie na rys.9. Krzywe doświadczalne zależności neV od U0, pokazane na rys. 10 mają taki sam przebieg jak lewa część krzywej na rys. 9. Z wykresu rys. 10 widać, że zwiększanie napięcia przyspieszającego ponad 120 kV jest już bardzo mało skuteczne (przy danych parametrach konstrukcyjnych obrabiarki i w danych warunkach obróbki). Tym się tłumaczy to, że budowane dotąd obrabiarki elektronowe pracują przy napięciach nie większych niż 150kV.

Rysunek 17
Z wykresu na rys. 10 można także zauważyć, że zwiększanie głębokości drążenia g powoduje więcej niż proporcjonalne powiększenie liczby impulsów. Jest to spowodowane głównie zwiększeniem się strat cieplnych przez przewodzenie i nadtapianie najbliższej warstwy materiału.
Zwiększenie czasu trwania impulsów, które powoduje zwiększenie energii impulsu EI, prowadzi do zmniejszenia liczby potrzebnych impulsów. Przy tym zmniejszanie liczby potrzebnych impulsów następuje według zależności typu hyperbolicznego. Wyniki badań tej zależności podaje rys. 11


Rysunek 18

Bardzo duże znaczenie dla wydajności procesu erozji elektronowej ma położenie ogniskowej strumienia elektronów względem głębokości drążonego materiału. Z doświadczeń wynika, że istnieje tylko jedna odległość, która pozwoli na uzyskanie najmniejszej liczby potrzebnych impulsów ne. Odległość tę nazywamy optymalną odległością roboczą (stanowi pewną analogię do obróbki strumieniowo- ściernej).

Rysunek 19

Na rys. 12 przedstawiono według badań Pahlitscha i Vissera uproszczony wykres zależności liczby potrzebnych impulsów od położenia górnej powierzchni obrabianego materiału w stosunku do ogniskowej. Grubość obrabianego materiału wynosiła w danym przypadku 2 mm. Z wykresu widać, że położenie ogniskowej nieco poniżej powierzchni górnej było w danym przypadku najkorzystniejsze.


Dokładność obróbki

Szczególnie duże znaczenie dla techniczno – ekonomicznej oceny obróbki elektronowej ma dokładność wykonania otworów, wgłębień i wycięć. Dokładność obróbki elektronowej jest oceniania na podstawie:
ostrości albo szczerbatości krawędzi przedmiotu obrabianego lub jego chropowatości powierzchni; ostrość lub szczerbatość krawędzi oznaczamy literą S,
rozbicia kątów zewnętrznych (Kz) oraz wewnętrznych (Kw), co określa się także na drodze mikrofotograficznej przez porównanie z wzorcem, mierząc przesunięcie krawędzi w mikrometrach,
zbieżność wgłębień i otworów (stożkowatość) oraz rozbicie rowków i otworów.
Badania ostrości lub szczerbatości krawędzi wykazały, że zależą one w dużym stopniu od rodzaju obrabianego materiału. Tłumaczy się to tym, że szczerbatość powstaje głównie w wyniku miejscowych nadtopień materiału, a to zależy – przy stałych innych warunkach – od własności cieplnych materiału. Poza tym, zgodnie z teoretycznymi przewidywaniami, wpływ na ostrość i szczerbatość krawędzi wywiera ładunek impulsu (proporcjonalny do wielkości energii impulsu).




Rysunek 20
Na rys. 13 przedstawiono zależność szczerbatości krawędzie przedmiotów obrabianych wykonanych z kilku materiałów (C, W, Ag, Ti, Ni), od ładunku impulsu [30/4]. Ze wzrostem ładunku zwiększa się także szczerbatość, co jest wynikiem zwiększania energii impulsów.

Rysunek 21

Rozbicie kątów zależy również od rodzaju materiału, przy czym wielkość rozbicia zależy w analogiczny sposób od własności cieplnych materiału jak liczby obrabialności. Poza tym rozbicie kątów staje się tym większe, im mniejszy jest wykonywany kąt. Wynika to stąd, że przy obróbce ostrych naroży występuje większa koncentracja ciepła.
Na rys. 14 przedstawiono przykładowo wyniki badań tych dwóch parametrów na wielkość rozbicia kątów zewnętrznych oraz wewnętrznych. W przypadku wolframu i niklu – przy wykonywaniu naroży wewnętrznych )linia przerywana) błędy wykonania są większe niż przy wykonywaniu naroży zewnętrznych (linia ciągła). Natomiast tytan wykazał zależność odwrotną, co przypisuje się innym własnościom cieplnym i warunkom, które powstają w czasie obróbki.

Rysunek 22
Rozbicie szerokości wycinanych rowków i przycięć zależy w pierwszym rzędzie od materiału obrabianego oraz od energii impulsu, czyli od ładunku impulsu, gdy napięcie przyspieszające jest stałe. Przykład tego rodzaju zależności otrzymanych na podstawie badań podano na rys.15


Rysunek 23

Średnica otworów lub wgłębień uzyskiwana w wyniku impulsów jest zależna od materiału obrabianego i od energii impulsu, czyli od ładunku Li (rys. 23 ) Doświadczenia wykazują, że w praktycznie stosowanych warunkach najczęściej otrzymuje się średnice wgłębień w granicach 35 : 40 μm. Dla tego zakresu zmienności średnic wgłębień lub otworów błędy kołowatości wahają się – w ponad 60% zbadanych przypadków – w przedziale 3 do 6 μm.



Własność warstwy wierzchniej

Specyficzne warunki cieplne w czasie trwania impulsów muszą oddziaływać na własności warstwy wierzchniej. Na rys. 17 przedstawiono mikrofotografię zgładu metalograficznego stali chromowo – molibdenowej w przekroju prostopadłym do kierunku drążenia elektronowego. Na fotografii widać biały pierścień metalu, o zmienionych własnościach (dR), który otacza otwór o średnicy dB. Badania białego pierścienia warstwy wierzchniej wykazały, że nie miało miejsca odwęglenie stali, a natomiast węgiel przeszedł w stały roztwór, który nie daje się trawić. Jest charakterystyczne, że przy stałym czasie trwania impulsu szerokość białego pierścienia nie ulega zmianie.

Rysunek 24
Wskazują na to wyniki badań przykładowo zilustrowane na rys. (16b i rys. 18b). W obu tych przypadkach czas trwania impulsu był stały, a w przypadku badań ilustrowanych na rys. 30-16b – stałe było także natężenie prądu emisji.

Rysunek 25
Wyraźny wpływ czasu trwania impulsu potwierdza wykres na rys. 18a, gdzie przedstawiono wyniki badań zależności dB i dR. Jak widać z tego wykresu, zarówno średnica otworu, jak i średnica warstwy zmienionej zwiększa się, gdy powiększamy czas trwania impulsów. Wskazuje to, że zarówno do odparowania materiału, jak i dla powstania zmian mikrostrukturalnych w warstwie wierzchniej, potrzebny jest odpowiedni czas. Pozostaje to w zgodności z wynikami przedstawionymi na rys. 11.
Zakres zastosowania obróbki elektronowej

Właściwości obróbki elektronowej wskazują, że powinna ona być przeznaczona do precyzyjnej obróbki bardzo trudno obrabialnych materiałów. Dotąd znalazła obróbka elektronowa praktyczne zastosowanie do drążenia oraz do elektronowego frezowania wycięć i profilów.
W przypadku wiercenia najczęściej dotąd wykonuje się otwory w granicach 50 : 200 μm. Częstotliwość impulsów dobiera się tak, aby z jednej strony pracować z dostateczną wydajnością, a z drugiej strony nie dopuścić do zmian zachodzących w warstwie wierzchniej. W praktyce częstotliwości impulsów nie przekraczają 104 Hz.
Szczególnie cenne zastosowania znalazła obróbka elektronowa w przemyśle precyzyjnym oraz w przemyśle elektrotechnicznym i zwłaszcza elektronicznym. Jednym z przykładów zastosowań obróbki elektronowej jest wycinanie obwodów w półprzewodnikowych warstwach przewodzących, nanoszonych na mikroelementy z warstw izolacyjnych.

Technologie elektronowe

Zależnie od kombinacji parametrów: gęstości mocy q i czasu nagrzewania t można materiał nagrzać ,przetopić, doprowadzić do stanu wrzenia lub odparować. Na rys. 2.15 pokazano schemat oddziaływania wiązki elektronowej na materiał metalowy np. stal.
Przy niższych parametrach energetycznych nagrzewania w obrabianych materiałach występują przemiany w stanie stałym ( bez zmiany stanu skupienia materiału ), przy wyższych – materiał podlega szybkiemu topnieniu i krzepnięciu, przy najwyższych - gwałtownemu wrzeniu i odparowaniu. Poniższa tabela opisuje te zjawiska
Tabela 1

Technologie bezprzetopieniowe
Wyżarzanie i odpuszczanie

Wyżarzanie i odpuszczanie polegające na grzaniu do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z szybkością pozwalającą na otrzymanie struktury bardziej zbliżonej do stanu równowagi niż struktura wyjściowa, są realizowane przy najniższych parametrach energetycznych nagrzewania i raczej długich czasach ekspozycji. Wyżarzanie jest stosowane w trakcie procesu technologicznego produkcji taśm metalowych w celu ujednorodnienia i poprawy struktury, usunięcia naprężeń własnych oraz odgazowania materiału. Źródłem elektronów są wyrzutnie termo emisyjne pojedyncze, ciągłe, liniowe lub wielokrotne punktowe, oscylujące poprzecznie do kierunku przesuwu taśmy, lub wyrzutnie plazmo emisyjne. Moc pojedynczej wyrzutni może dochodzić do kilkuset kilowatów. W jednej z metalurgicznych wygrzewarek elektronowych do podgrzewania do 1000oC taśmy o grubości 1mm, przesuwającej się z prędkością 75 m/s, stosuje się 12 wyrzutni termo emisyjnych o mocy 500 kw. Próbuje się również stosować wyrzutnie plazmo emisyjne do wyżarzania taśm spiekanych z proszków stali nierdzewnych. Wyrzutnie plazmo emisyjne zaczyna się stosować przemysłowo do procesów dyfuzyjnej obróbki cieplnej np. nawęglanie elektronowe. Do zalet technologii elektronowego wyżarzania taśm należy przede wszystkim zaliczyć dobre odgazowanie materiału taśmy i brak utleniania powierzchniowego(próżnia 10-4 hPa) przy dużej wydajności procesu.
Odpuszczanie elektronowe jest stosowane najczęściej po hartowaniu elektronowym oraz po spawaniu elektronowym złącz.


Hartowanie bezprzetopieniowe

Hartowanie bezprzetopieniowe jest pierwszym chronologicznie sposobem umacniania elektronowego warstwy wierzchniej i polega na krótkotrwałym (od ok. 1ms do ok. 1s) nagrzaniu, z szybkością 103 – 3*103 K/s, warstwy powierzchniowej do temperatury wyższej od temperatury przemiany martenzytycznej, lecz niższej od temperatury topnienia, zwykle przy gęstości mocy około kilku kW/m2. w wyniku intensywnego samochłodzenia z szybkością od 104 do ponad 105 K/s, uzyskuje się bardzo drobno krystaliczna strukturę o twardości o kilka stopni ROCKWELLA wyższej od twardości uzyskiwanej metodami konwencjonalnymi.
Najczęściej stosowane jest hartowanie jednowarstwowe tzn. hartowanie w wyniku jednokrotnego przejścia wiązką tego samego obszaru obrabianego przedmiotu, w rezultacie czego uzyskuje się profil rozkładu twardości z maksimum w pobliżu lub na powierzchni obrabianego przedmiotu.
Rzadziej stosowane jest hartowanie wielowarstwowe, zwykle dwuwarstwowe, realizowane w wyniku wielokrotnego przejścia wiązką tego samego obszaru z tym jednak, że najpierw hartuje się na mniejszą twardość warstwy – wewnętrzne, później – na większą twardość – zewnętrzne. Następne przejścia wiązki różnią się od pierwszego parametrami nagrzewania.
Wiązką elektronową można hartować stale konstrukcyjne niskowęglowe i stopowe, łożyskowe, narzędziowe, żeliwa szare i białe.
Zalety hartowania elektronowego sprawiają, iż jest ono najszerzej stosowanym procesem elektronowego umacniania powierzchni. Koszt hartowania 1 cm2 powierzchni wynosi 0,001-0,01$.


Technologie przetopieniowe
Nadtapianie

Nadtapianie jest rozwinięciem hartowania powierzchniowego. Realizowane jest przy większych niż hartowanie gęstościach mocy i szybkościach nagrzewania do 104 K/s. Polega na gwałtownym przetopieniu bardzo cienkiej warstwy wierzchniej materiału podłoża lub naniesionej na nie powłoki i równie gwałtownie po nim następującej krystalizacji. Nadtapianie dzieli się na 4 grupy: hartowanie przetopieniowe, szkliwienie, zagęszczanie oraz rafinacja i usuwanie defektów.
Hartowanie przetopieniowe może być realizowane przy różnych parametrach energetycznych wiązki elektronowej. Rozróżnia się:
podtapianie – na powierzchni nadtopionej występują liczne małe kratery będące węzłami granic ziarn dendrytów krystalizujących ze stopionej pod powierzchnią warstwy metalu
przetapianie - w wyniku którego uzyskuje się zmienioną strukturę stereometryczną powierzchni, z wyraźnie widocznymi granicami dendrytów
intensywne przetapianie – uzyskuje się wyraźnie pogorszoną strukturę stereometryczną powierzchni powstającą zwłaszcza w wyniku tworzących się nacieków stopionego metalu
bardzo intensywne przetapianie – patrz wyżej, z wyraźnie widocznymi ścieżkami elektronowymi
Hartowanie przetopieniowe powoduje pogorszenie chropowatości powierzchni w stosunku do powierzchni wyjściowej. Umożliwia natomiast uzyskanie lepszych niż przy hartowaniu bezprzetopieniowym właściwości eksploatacyjnych. Wytrzymałość zmęczeniowa stali 38 HMJ może być wyższa o około 40%, zużycie tribologiczne może być niższe o 70%, zużycie korozyjne o 65-80%.

Szkliwienie -w przypadku przetapiania bardzo cienkich warstewek niektórych stopów metali lub bardzo cienkich powłok i ich równie intensywnego chłodzenia możliwe jest uzyskiwanie struktur amorficznych – szkieł metalowych o składzie chemicznym wyjściowej warstwy wierzchniej lub powłoki, lecz o nowych właściwościach elektrycznych, magnetycznych, mechanicznych lub chemicznych. Szkliwieniu poddaje się stopy na bazie niklu i żelaza. Grubości warstw wynoszą 10-40 μm.

Zagęszczanie – polega na przetopieniu na pewną głębokość warstwy wierzchniej albo na całkowitym lub częściowym przetopieniu powłoki, w celu uzyskania bardziej szczelnej, o większej gęstości, warstwy lub powłoki.

Rafinacja i usuwanie defektów – polega na krótkotrwałym przetrzymaniu powierzchni metalu lub stopu w stanie płynnym w celu odgazowania próżniowego i usunięcie domieszek oraz wtrąceń niemetalicznych i tym samym poprawienie właściwości fizycznych i mechanicznych.


Zastosowanie nagrzewania elektronowego w inżynierii powierzchni

Nagrzewanie elektronowe służy do poprawy właściwości tribologicznych, korozyjnych i wytrzymałościowych powierzchni. Na rys. 236 pokazano usytuowanie hartowania elektronowego w procesie technologicznym wytwarzania części. Obróbce elektronowej impulsowej lub ciągłej mogą podlegać części o różnej chropowatości i o różnym kształcie oraz różne fragmenty części. Chropowatość nie powinna przekraczać 40 μm. Kształt części powinien być taki, aby obrabiana powierzchnia była możliwie prostopadła do wiązki elektronowej.
Zwykle hartuje się fragmenty części samochodowych, maszyn rolniczych, obrabiarek lub narzędzi, np. bieżnia łożysk tocznych w tym wielkogabarytowych, pierścienie tłokowe, przeguby kulowe, koła zębate, wały korbowe, wałki rozrządu, wałki walcowane, krzywki, tuleje, popychacze, pierścienie, łopatki turbin, ostrza pił, krawędzie tnące matryc, frezów, noży tokarskich, wierteł i in.
Zaletą obróbek elektronowych jest: możliwość obrabiania powierzchni nieobrabialnych w sposób konwencjonalny, czystość obróbki, wyeliminowanie odkształceń i zmian wymiarowych wsadu, możliwość precyzyjnego komputerowego sterowania wiązką, dokładna kontrola parametrów nagrzewania, możliwość obrabiania fragmentów powierzchni obrobionego w zasadzie na gotowo wsadu o skomplikowanych kształtach, duża powtarzalność wyników, łatwość automatyzacji, możliwość uzyskania dużej precyzji obróbki (tolerancje rzędu mikrometrów), duża wydajność, bardzo mała energochłonność (sprawność energetyczna dochodzi do 80-90%), wyeliminowanie ośrodków chłodzących.
Natomiast do wad należą: duży koszt nagrzewnic elektronowych, zastosowanie ograniczone do wybranych kształtów i niezbyt dużych wsadów zwykle nie przekraczających długości kilku metrów, konieczność stosowania próżni oraz ochrona przed promieniowaniem rentgenowskim.
Pod względem jakości obróbki technologie elektronowe są porównywalne z technologiami laserowymi.