Электронно-лучевая обработка

     При обработке важна также точность воспроизведения заданной конфигурации отверстия или реза. Установлено, что при небольших глубинах обработки диаметр получаемого отверстия на 10% больше диаметра электронного пучка. При глубинах обработки, достигающих стократной величины диаметра отверстия и более, диаметр луча должен быть в два—четыре раза меньше отверстия. В настоящее время промышленность не выпускает установок, способных обеспечить постоянный минимальный диаметр луча на большом его отрезке. Поэтому, как правило, обработка отверстия ведется с изменением фокусного расстояния магнитной линзы по мере углубления отверстия.

     Точность  электроннолучевой обработки в  большинстве случаев не оценивается, так как более важную роль играют иные факторы; ориентировочно она составляет 5—20% минимального диаметра отверстия или ширины реза. На чистоту получаемых кромок влияют следующие параметры: диаметр пучка, длительность импульсов, мощность пучка и теплофизические свойства обрабатываемого вещества. Увеличение мощности по сравнению с оптимальной сопровождается увеличением неровностей, возникающих на получаемой поверхности, так как в процессе обработки выбрасываются крупные частицы материала, а не испаряются атомы или молекулы. Основная масса удаляется за первые несколько секунд, составляющих 10—20% всего времени обработки. Остальное время затрачивается на придание поверхности требуемой формы и заданных размеров. Это время предусматривается при отработке технологического процесса. У большинства металлов наблюдается оседание капелек на стенках отверстия, вследствие чего сокращение времени обработки ведет к увеличению неровностей поверхности. Разбрызгивание веществ при образовании отверстия вызвано тем, что электроны глубоко проникают в материал. Максимальная энергия выделяется под обрабатываемой поверхностью, и при неправильно выбранном режиме интенсивное вскипание материала под поверхностью расплава приводит к выбрасыванию жидкости из поверхностных слоев обрабатываемого участка.

     По  характеру протекания процесса обработка  диэлектриков электронным лучом  отличается от обработки металлов. Низкая теплопроводность диэлектриков и высокие удельные мощности в луче приводят к образованию предельно высоких градиентов температуры в веществе. Так как диэлектрические материалы, как правило, хрупки, то в зоне обработки появляются при остывании материала :остаточные термические напряжения, ведущие к растрескиванию даже таких материалов как плавленый кварц, обладающий низким коэффициентом термического расширения. Для устранения растрескивания производят обработку деталей с предварительным и сопутствующим подогревом, а также с последующим отжигом в вакуумной печи для полного снятия напряжений.

     При обработке диэлектриков на поверхности  изделия возникает отрицательный заряд, наличие которого существенно отличает этот процесс от обработки металлов. Кроме перераспределения мощности электронного, луча между образцом и стенками камеры образование отрицательного заряда на поверхности приводит к следующим явлениям. Энергия электронов пучка при подходе их к обрабатываемой поверхности становится в несколько раз ниже той, которую они приобретают в излучателе, поэтому начинает сказываться действие объемного заряда и диаметр пучка увеличивается. Кроме этого, Наблюдается расфокусировка и искажение формы пучка за счет потенциального рельефа на поверхности диэлектрика. Такая расфокусировка пучка над заряженной поверхностью диэлектрика приводит к тому, что разогревается участок диэлектрика, много больший по диаметру, чем в случае облучения металла.

     При обработке электронным лучом  тонких пленок, наносимых на изолирующую  подложку, необходимо учитывать глубину  проникновения электронов как в материал пленки, так и в материал подложки. Такая технология широко применяется в микрорадиоэлектронике для обработки различных напыленных слоев с целью получения резисторов, индуктивностей и т. п. Для уменьшения диаметра обрабатывающего луча до 10—50 мкм и меньше необходимо увеличивать анодное напряжение до 100—150 кв. Но при этом глубина проникновения электронов становится значительно больше толщины обрабатываемой пленки. Основная доля энергии выделяется в подложке, разрушая ее и вместе с ней нанесенную пленку. Резы получаются неровными, перегреваемый материал подложки растрескивается, в него внедряется материал обрабатываемой пленки. Основным направлением усовершенствования установок для обработки тонких пленок является максимальное снижение анодного напряжения, питающего электронную пушку, без увеличения диаметра пучка и снижение удельной мощности в пучке. Это достигается в первую очередь усовершенствованием электронно-оптических систем установок и систем юстировки пучка.

     Электроннолучевые установки применяются для получения  отверстий фигурной или цилиндрической формы в машиностроительных деталях повышенной точности из твердых материалов типа опорных подшипников в точных приборах или фильер для вытягивания нитей из различных материалов. Как правило, этот процесс применяется там, где нет возможности использовать традиционные методы — сверление, ультразвуковую или электроискровую или электрохимическую обработку. В этих процессах важное значение имеет также общая мощность в луче, так как обработка идет на сравнительно большую глубину, достигающую 1 мм и больше.

     При размерной обработке материалов на большие глубины, если это позволяют  их теплофизические свойства, необходимая  общая мощность в луче становится настолько большой, что для получения  отверстий и резов больших  глубин приходится применять обычные сварочные установки. При этом, естественно, минимально возможные поперечные размеры отверстия увеличиваются, так как в таких установках больше диаметр луча.

     Наиболее  известна электроннолучевая установка  для размерной обработки типа ЭЛУРО, которая также может применяться и для прецизионной сварки и пайки. Благодаря возможности регулировать общую и удельную мощность в широких пределах как в импульсном, так и в статическом режимах установка имеет универсальное применение.

Основные  технические данные установки типа ЭЛУРО

Анодное напряжение в кв  До 100

Ток в  луче в ма    . .....» 10

Диаметр луча на изделии в мкм .…………10

Параметры импульсного режима:

частота следования в кгц  1—3,3

длительность  импульсов в мсек  2—14

Максимальное  перемещение стола в горизонтальной плоскости по каждой оси в мм   150—200

Точность  установки стола в мкм  3—5

Диаметр зонда при работе в режиме сканирующего

микроскопа  в мкм  1

Размер  обрабатываемой поверхности при  работе луча в режиме сканирования в мм ........................................4X4

Рабочее давление в камере в мм рт. cm  ………5-Ю"⁵

Время достижения рабочего давления в мин…10—15

Диффузионные  насосы (2 шт.)     Н-5-С

Форвакуумный  насос      ВН-2

     Рабочая камера установки выполнена из толстолистовой нержавеющей стали, что в совокупности с использованием для смотровых окон свинцовых стекол необходимо для защиты персонала от рентгеновского излучения.

     Обрабатываемые  детали размещают на координатном столе, который перемещается внутри вакуумной  камеры на расстоянии 150—200 мм по каждому из двух взаимно перпендикулярных направлений.

     Приводы к столу выведены из камеры через  подвижные вакуумные уплотнения и имеют отсчетные лимбы с ценой деления 1 мкм для контроля положения стола. Ходовые винты стола вращаются приводными двигателями.

     Использование специальной камеры позволяет не только перемещать детали в горизонтальном направлении, но и вращать их. Это применяется при обработке и сварке изделий цилиндрической формы, например специальных корпусов или сильфонов малых размеров.

     Последние модели установки позволяют проводить  сварку довольно массивных деталей  толщиной до 15 мм, прошивать отверстия диаметром менее 5 мкм в вольфрамовых пластинах толщиной до 2 мм, кварце толщиной до 10 мм, керамике, алмазах и других материалах. При «фрезеровании» ширина паза может составить 10 мкм.

     Во  всех Случаях размерной электронной  обработки обеспечивается 8—7-й классы чистоты поверхности при 3—4-м классах точности. Как правило, рез или отверстие имеет конусность, зависящую от местоположения фокуса луча относительно поверхности обрабатываемого изделия и в оптимальном случае не превышающую 1—3°.

     Другая  установка для размерной обработки  разработана в НИИ электронной  техники. Основным отличием этой установки от ЭЛУРО является применение двухлинзовой системы фокусировки луча, что позволяет увеличить расстояние от пушки до поверхности изделия и получить луч с очень малым углом сходимости. Такую установку наиболее целесообразно применять для обработки материалов на большую глубину или глубоких полостей.

Основные  технические данные установки

Анодное, напряжение в кв ………..До 100

Анодный ток в ма ……» 5

Минимальный диаметр луча в мкм       5

Расстояние  линза—фокус луча в мм ……….80-150

Рабочее давление в камере в мм рт. Cm…..5*10^-5

     На  основе каскадной электроннолучевой  пушки с анодным напряжением до 200 кв в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана установка для микросварки и микрообработки с энергией электронов до 200 кэв. Она рассчитана на обработку различных материалов толщиной от 0,05 до 2 мм с программным управлением (от ЭЦВМ) перемещением стола в вакуумной камере, отклонением электронного пучка и его параметрами.

     Микросварка и обработка материалов может  выполняться в непрерывном и импульсном режимах. Электроннолучевая установка создана в двух вариантах: с одной или двумя магнитными линзами, а также с универсальным программным управлением от ЭЦВМ или программным управлением на ограниченное, число операций.

     Разработанная высоковольтная электроннолучевая  установка 
отличается компактностью и надежностью в работе при высоких 
энергиях электронного пучка. 

2 Применение  электронно-лучевой обработки

     2.1 Области  применения термической обработки

     Техническому  применению размерной термической  обработки изделий электронными пучками посвящалось большое число исследований. В табл. 4 представлен обзор возможных применений без оценки их технической значимости.

     Производительность  и выбор параметров обработки  различных материалов в основном зависят от необходимого для обработки удельного расхода энергии.

     Параметры обработки по-разному влияют на ее результаты. При выполнении каналов  их глубина определяется в основном длительностью импульсов, а диаметр — током импульса. На профиль же канала влияют распределение удельной поверхностной мощности и в особенности положение фокуса пучка относительно поверхности заготовки и его изменение в течение времени действия импульса, разумеется, если такое изменение имеет место.

     Достижимое  качество обработки, т. е. выдерживание размеров, степень шероховатости поверхности и т. п., зависит от задачи обработки, рода материала, параметров обработки и от характеристик электронной пушки, в особенности от уровня и распределения удельной поверхностной мощности в сечении пучка. Современное состояние технических средств позволяет получать способами, основанными на уносе материала, поверхности с шероховатостью около 5 мкм и допусками ±5 мкм.

     Поле  поглощаемой энергии и в особенности то обстоятельство, что удельная поглощаемая мощность монотонно спадает от максимума к нулю, убеждают в том, что даже при процессах, основанных на уносе материала, часть энергии, сообщенной материалу, остается в нем. Высокие абсолютные значения температуры и температурные градиенты, достигающие 16^б К/см и выше, могут вести к пластическим деформациям материала, а после выравнивания температуры иметь следствием остаточные механические напряжения в окрестности зоны обработки. У хрупких материалов эти напряжения могут превзойти предел прочности и привести к появлению трещин. Эти последствия весьма вероятны при обработке листового стекла, рубинов, керамических материалов и таких хрупких металлов, как монокристаллический кремний или вольфрам. Избежать этой опасности можно, выбирая оптимальные значения параметров, например низкие ускоряющие напряжения, а в некоторых случаях, прогревая заготовку перед обработкой.