PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG CHÙM ĐIỆN TỬ

PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG CHÙM ĐIỆN TỬ(Electron Beam machining –EBM)

1.1 khái niệm

Gia công tia điện tử (Electric Beam Machining - EBM) là quá trình gia công nhiệt. Mục đích của công nghệ gia công tia điện tử là biến đổi động năng của điện tử thành nhiệt năng với tỉ lệ cao hơn và nhờ vậy bằng cách làm nóng cục bộ mà ta có thể tiến hành nhiều phương pháp gia công nhiệt khác nhau. Với nguyên lý gia công này ta có thể gia công những chi tiết khó nếu gia công bằng phương pháp gia công truyền thống. Khả năng phương pháp gia công này không chỉ trong lĩnh vực gia công bằng cách lấy đi phần vật liệu cần gia công mà còn có thể hàn các chi tiết lại với nhau, đây là lĩnh vực mới của phương pháp gia công tia điện tử. Phương pháp này tỏ ra siêu việt khi gia công những vật liệu cứng, chịu lửa và vật liệu gốm khác. Phương pháp gia công bằng chùm tia điện tử dùng năng lượng của chùm tia điện tử hội tụ tại bề mặt gia công làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lý

1.2 Nguyên lý Gia công

Chùm tia điện tử được phát ra từ catốt 1 của đầu phát tia . Catốt 1 làm băng : W hoạc Ta được nung nóng đến 2.5000°c .Các điện tử chuyển động rất cao và hội tủ lại nhờ thấu kính điện từ 5 thành vệt rất nhỏ lên bề mặt gia công 8 .Chi tiết gia công được đặt trên bàn máy trên bàn máy trong buồng chân không (khoảng 10-3 ,10-6 mmhg ).Tốc độ của chùm tia đạt đến 50-80% tốc độ ánh sáng .Thời gian cảu xung từ 0,05-100ms .Các điện tử va đập vào bề mặt gia công và chuyển động thành nhiệt năng nung nóng,làm chảy hoạc bốc hơi bất kỳ vật liệu nào .Hốc tạo thành có đường kính rất nhỏ và sâu ,hiệu suất biến đổi năng lượng cao ,khoảng 65%.vì chùm tia điện tử cí thể điều chỉnh hướng tùi ý bởi cuộn dây 6 nên có thể gia công được các hình dáng phức tạp với chất lượng cao.

1

- Trong hình 5.61, noùi raát roõ veà sô ñoà gia coâng chuøm tia

ñieäntöû. Baûn chaát cuûa phöông phaùp gia coâng baèng chuøm tia ñieän töûnhö sau: chi tieát gia coâng 4 ñöôïc ñaët trong moät buoàng chaânkhoâng 3, moät chuøm tia ñieän töû coù toác ñoä vaø ñoäng lôùn ñöôïc taäptrung höôùng vaøo beà maët cuûa chi tieát gia coâng, nung noùng noù vàlaøm boác hôi vaät lieäu gia coâng. Nguoàn sinh ra ñieän töû töï dothoâng thöôøng laø moät sôïi daây voânphram 1 (cöïc aâm). Naêng löôïngcao cuûa caùc ñieän töû ñaït ñöôïc nhôø ñieän theá cao ñöôïc taïo ra baèng

2

cöïc döông 8. Caùc ñieän töû chuyeån ñoäng (taäp trung thaønh chuømtia) höôùng tôùi chi tieát gia coâng vôùi toác ñoä gaàn baèng toác ñoä cuûaaùnh saùng. Ñöôøng kính cuûa chuøm tia sau khi ñi qua heä thoáng taäptrung 2 vaø thaáu kính töø 6 coù theå ñaït tôùi phaàn traêm hoaëc phaànnghìn mm, coøn maät ñoä coâng suaát coù theå ñaït tôùi vaøi nghìn kWtreân 1mm2. Naêng löôïng taùc ñoäng ñöôïc ño baèng caùc xung coùthôøi gian 10-3÷10-4 giaây. Khi gaëp beà maët gia coâng, naêng löôïngcuûa chuøm tia ñieän töû chuyeån thaønh nhieät naêng vaø nung noùngcuïc boä lôùp beà maët gia coâng. Neáu ôû vuøng tieáp xuùc tröïc tieáp cuûachuøm tia vôùi chi tieát gia coâng nhieät ñoä leân ñeán 300-4000oC ôûcaùch ñoù khoaûng 1m nhieät ñoä khoâng vöôït quaù 300oC. Caùchtruyeàn nhieät nhö vaäy cho pheùp gia coâng baát kyø vaät lieäu naøo maøkhoâng aûnh höôûng ñeán caáu truùc cuûa vaät lieäu ôû vuøng ngoaøi giacoâng. Ñeå quan saùt quaù trình gia coâng ngöôøi ta laép theâm heäthoáng quang hoïc 7. Heä thoáng 5 coù taùc duïng ñaùnh nghieângchuøm tia ñi moät goùc mong muoán.- Caàn nhôù raèng ñoái vôùi nhieàu loaïi vaät lieäu chieàu saâu thaâmnhaäp cuûa chuøm tia ñieän töû (chieàu saâu gia coâng) coù theå lôùn gaáp

3

100 laàn ñöôøng kính. Nhö vaäy, chuøm tia taäp trung coù ñöôøng kính0,01 mm cho pheùp caét ñöùt taám daøy 1 mm. Baèng chuøm tia ñieäntöû coù theå gia coâng loã neáu duøng heä thoáng ñaùnh nghieâng chuømtia 5 treân hình 5.61 (xem heä thoáng 1 treân hình 5.62) hoaëc côcaáu dòch chuyeån phoâi töông ñoái so vôùi chuøm tia (baøn chöõ thaäp)ñoàng thôøi coù theå caét ñöùt vaø phay caùc maët ñònh hình trong cuõngnhö ngoaøi hoaëc caét bieân daïng treân phoâi taám 2 ( hình 5.62).- Chu kyø gia coâng chi tieác treân maùy coù söû duïng chuøm tiañieän töû coù theå ñöôïc töï ñoäng hoaù hoaëc ñieàu khieån theo chöôngtrình soá.

4

Hình 2 : sơ đồ gia công bằng chùm tia điện tử1. cực âm2. hệ thống tập trung chùm tia3. Buồng chân không4. chi tiết gia công5. hệ thống đánh nghiêng chùm tia 6. Thấu kính từ7. Hệ thống Quang học8. Cực dương

Hình 1.2 sơ đồ căt biên dạng bằng chùm tia điện tử

1. hệ thống đánh nghiêng chùm tia 2. phôi tấm

5

1.3 .Cơ sở lý thuyết :- Neáu nhöõng tia coù naêng löôïng cöïc lôùn ñöôïc phoùng leân kimloaïi hoaëc moät vaät lieäu trong suoát khaùc thì naêng löôïng ñaâmthuûng vôùi ñoä saâu nhoû vaøo vaät lieäu, ñoàng thôøi phaàn lôùn naênglöôïng ñöôïc bieán thaønh nhieät naêng.- Neáu maät ñoä naêng löôïng cuûa chuøm tia ñuû lôùn thì beà maët coùtheå noùng chaûy vaø boác hôi cuïc boä.- Khi nhieät sinh ra ñi vaøo vaät chaát baèng con ñöôøng truyeàndaãn. Caùch taïo ra chuøm tia coù naêng löôïng lôùn töông töï nhö caùchtaïo chuøm tia saùng baèng heä thoáng quang hoïc.

Hình 1.3 :Heä thoáng quang vaø heä thoáng tia ñieän töûA. Heä thoáng kính quang hoïcB. Heä thoáng quang ñieän töû.

6

- Trong heä thoáng quang hoïc chuøm tia aùnh saùng ñi töø nguoànsaùng S taäp trung bieán thaønh chuøm tia song song maø tieâu cöïñöôïc ñieàu chænh baèng laêng kính thöù hai (laêng kính thöù nhaát coùtieâu cöï ôû nguoàn saùng S). Baèng caùch töông töï nhö theá, nhöõngñieän töû phoùng ra töø moät daây kim loaïi nung noùng ñöôïc chuaån

tröïc do taùc duïng ñieän tröôøng cuûa taám ñieän cöïc thöù nhaát vaø sauñoù do taùc duïng hieäu theá giöõa hai taám ñieän cöïc ñöôïc gia toác.Suùng ñieän töû ñöôïc ñaët trong chaân khoâng naøy phoùng ra chuøm tiañieän töû ñöôïc hoäi tuï nhôø moät cuoän daây ñieän töø (laêng kính). Neáuthieát kyõ nguoàn phoùng ñieän töû vaø heä thoáng hoäi tuï, thì ôû tieâu cöïcoù theå coù moät chuøm tia raát nhoû. Maät ñoä naêng löôïng cuûa tiañieän töû nhö theá coù theå vöôït quaù 108 w/cm2. Taùc duïng cuûa tiadieãn ra trong thôøi gian raát ngaén, neân chæ coù theå xaûy ra söï nungnoùng cuïc boä phuï thuoäc vaøo khaû naêng daãn nhieät.- Coù theå ñieàu khieån nhanh choùng tia ñieän töû, nhö vaäy trong10-6 giaây coù theå phoùng ra ñieän töû vaø coù theå ñieàu chænh chínhxaùc coâng suaát.- Trong quaù trình gia coâng (ví duï phay) duïng cuï (tia löûañieän) phaûi chuyeån ñoäng. Vôùi ñieän tröôøng hoaëc töø

7

tröôøng ngoaøi,tia ñieän töû coù theå phoùng vôùi toác ñoä100 m/giaây. Ví duï khi giacoâng baùn daãn quaù trình gia coâng coù theå ñieàu khieån theo chöôngtrình vaø do vaäy seõ ñaït ñöôïc hieäu quaû raát cao.- Chæ coù theå söû duïng tia ñieän töû trong chaân khoâng vaø ngöôøita coù theå taïo ra chaân khoâng nhôø coù maùy bôm chaân khoâng coângsuaát lôùn vaø buoàng chaân khoâng lôùn.

1.4.Dụng cụ và thiết Bị đo:- Caùc loaïi maùy söû duïng tia ñieän töû chuû yeáu laø maùy khoan,phay vaø caét. Trong thieát khoan vaø phay ñöôøng kính cuûa tiañieän töû thoâng thöôøng nhoû hôn 10m vaø töø ñoù dao ñoâng cuûañieän aùp cho pheùp toái ña baèng 1/103-1/104 cuûa ñieän aùp ñònhmöùc, yeâu caàu naøy ñöôïc giaûi quyeát nhôø coù heä dao ñoäng coù taànsoá töø 30 ñeán 100 khz vaø boä khuyeách ñaïi ñieän aùp, caùch naøy coùlôïi vì noäi trôû cuûa nguoàn dao ñoäng vôùi cöôøng ñoä doøng ñieän phuïtaûi ñaõ cho sfx taêng theo haøm muõ. Tröôøng hôïp coù söï coá thì seõkhoâng coù doøng ñieän ngaén maïch keùo daøi maø coù theå laøm hö thieátbò hoaëc gaây tai naïn cheát ngöôøi.- Nhöõng yeâu caàu kyõ thuaät ñoái vôùi thieát bò gia coâng baèng tiañieän töû laø:

8

+ Maät ñoä coâng suaát taäp trung cao treân moät dieän tích nhoû.+ Vieäc cung caáp naêng löôïng lieân tuïc chæ keùo daøi trong thôøigian ngaén.+ Phoái hôïp khoaûng caùch taùc duïng cuûa tia ñieän töû vôùi ñieänaùp laøm gia toác ñieän töû.+ Baûo ñaûm ñieàu khieån vaø daãn tia ñieän töû theo yeâu caàu gia coâng.- Thieát bò khoan baèng chuøm tia ñieän töû :+ Maùy khoan tia ñieän töû duøng ñeå khoan caùc loã nhoû (coùñöôøng kính khoaûng 10m) ôû nhöõng choã khoù gia coâng nhö caùnhturbin, buoàng ñoát cuûa turbin maùy bay tröïc thaêng, ñaëc bieätnhöõng loã leäch vôùi maët phaúng (coù theå leäch ñeán 20o), coù bieândaïng phöùc taïp vaø nhieàu.+ Ví duï buoàng ñoát cuûa turbin maùy tröïc thaêng coù hôn 3700loã vôùi nhieàu ñöôøng kính khaùc nhau, ñaët sai leäch nhau vôùi dungsai khoâng quaù 0,1 mm, coù nhieàu loã leäch so vôùi maët phaúng.Toaøn boä chu trình gia coâng ñieàu khieån baèng CNC chæ toán 40phuùt, bao goàm thôøi gian thay phoâi, gaù ñaët, ñònh vò, taïo chaânkhoâng buoàng laøm vieäc.+ Maùy coù theå laøm leäch tia neáu duøng moät laêng kính vaø haicuoän daây laøm leäch tia. Chuøm tia coù theå chuyeån ñoäng vôùi vaän

9

toác v≥ 106÷107 m/s. Tæ leä giöõa chieàu saâu vaø ñöôøng loã coù theåñaït L/d = 2÷20 vôùi d = 10÷30m.+ Nguoàn ñieän aùp toái ña 150 kV. Coâng suaát caàn thieát ñeåkhoan laø 20-60 kW. Dung sai ñoä leäch cuûa ñieåm ñieän töû phoùngquyeát ñònh söï dao ñoäng cho pheùp vaø söï oån ñònh baét buoäc cuûañieän aùp nguoàn.+ Muoán khoan thì phaûi taäp trung tia vaøo moät ñieåm, muoánxeû raõnh hoaëc phay maët phaúng thì di ñoäng tia. Neáu ñöôøng kínhcuûa tia taêng leân ôû choã phoùng leân maët phaúng, thì coù theå giacoâng loå hoaëc raõnh to hôn. Ñeå khoan ngöôøi ta thöôøng duøng baøntoaï ñoä ñaët trong chaân khoâng. Nhôø vaäy coù theå ñaët nhieàu vaät giacoâng ôû nhöõng khoaûng caùch nhaát ñònh. Coù theå laøm leäch tia ñieäntöû khi khoan caùc loã caùch nhau, nhöng ñöôøng taâm cuûa loã seõkhoâng thaúng goùc vôùi maët phaúng. Khi phay raõnh ñaëc bieät raõnhkhoâng saâu, thì cho tia chieáu leäch vaø ñaït keát quaû theo yeâu caàu.+ Phay bằng chùm tia điện tử có thể phay rãnh rộng từ 10 -20 µm

- Caét ñöùt baèng chuøm tia ñieän töû : caùc loaïi maøng moûng trongcô khí chính xaùc, trong coâng ngheä vi ñieän töû. Caét ñöùt, cuõng nhökhoan, phay caùc vaät lieäu raát cöùng nhö theùp, wolfram,

10

platin,titan, molipden, silic, kim cöông, thuyû tinh .v.v

1.Hình 1.4:

Thieát bò khoan baèng chuøm tia ñieän töû.a. Catodb. Laêng kính Wehneltc. Anod;d. Heä thoáng ñieàu chænhe. Taám ngaên coù kínhbaèng Vonframf. Kính hieån vi Stereo

11

g. Kính baûo veäh. Laêng kính töø tröôøngi. Cuoän daây ñieän tröôøng ñeå leäch tiaj. Tia ñieän töûk. Vaät gia coâng

1.5.Các thông số công Nghệ :- Ñeå gia coâng baèng tia ñieän töû caàn coù thieát bò chuyeân duøngñeå taïo ra chuøm tia ñieän töû vaø laøm chuùng chuyeån ñoäng vôi toácñoä raát cao :v≥ 106-107(m/s), vaän toác caùc ñieän töû ñöôïc xaùc ñònhbaèng coâng thöùc : v 5,93.107 U g hay v 600 7 U g km/s

Trong ñoù:Ug – Ñieän theá gia toác (Volt).- Coâng suaát cuûa chuøm tia ñieän töû ñöôïc truyeàn ñi (khoâng keåsöï tieâu hao do phaûn xaï vaø böùc xaï) tính theo coâng thöùc :Wch = I . UgTrong ñoù: I – Cöôøng ñoä doøng ñieän cuûa chuøm tia ñieän töû(Ampe).- Ñoäng naêng cuûa moät ñieän töû trong ñieän tröôøng laø :Wñ = m . v2/2 = e . UgTrong ñoù:m – Khoái löôïng cuûa moät ñieän töû, m = 9,1.10-29 (gam);V – Vaän toác chuyeån ñoäng cuûa ñieän töûe – Ñieän tích cuûa ñieän töû, e = 1,6.10-19 (Coulomb)U – Hieäu ñieän theá cuûa moâi tröôøng ñieän töû ñi qua (V)- Khi hoäi tuï chuøm tia treân beà maët gia coâng, caùc ñieän töû vañaäp leân ñoù, toaøn boä ñoäng naêng cuûa chuùng seõ bieán thaønh nhieät

12

naêng thì coâng suaát cuûa naêng löôïng ñoù ñöôïc xaùc ñònh gaàn ñuùngtheo coâng thöùc sau :P = I . Ug vaø I = n . e/tTrong ñoù:I - Cöôøng ñoä doøng ñieän cuûa chuøm tia (Ampe)n - Soá löôïng ñieän töû trong chuøm tiat - thôøi gian (s)Ug - ñieän theá gia toác (Volt).- Ñoä chính xaùc gia coâng : Höôùng vaø cöôøng ñoä cuûa tia ñieän töûcoù theå ñieàu khieån ñöôïc,vì vaäy coù theå ñaûm baûo gia coâng chínhxaùc. Coù theå phay nhöõng raõng roäng 10-20 :m, caùch nhau 10-20:m, coù caïnh goùc thaúng vaø hoaøn toaøn song song vôùi nhau. Coùtheå kieåm tra ñoä chính xaùc baèng kính hieåm vi. Ñoä saâu phay coùtheå thöïc hieän ñöôïc baèng caùch ñieàu chænh naêng löôïng vaø cöôøngñoä cuûa tia ñieän töû. Coù theå khoan loã vôùi ñoä chính xaùc cao.Nhöng caàn löu yù raèng khi khoan loã saâu (L/d=2-20) thì ôû giaiñoaïn bò thaét laïi ñoä oâ van ôû loã coù ñöôøng kính 10-30 :m ñeán1/1000 :m. Ñoä oâ van naøy khoâng ñaùng keå so vôùi ñöôøng kính loã.Ñöôøng kính loã lôùn hôn ñöôøng kính cuûa tia ñieän töû. Beà maët giaÑöôøng kính loã lôùn hôn ñöôøng kính cuûa tia ñieän töû. Beà maët giacoâng ñöôïc trôn boùng khi khoan cuõng nhö phay. Khi thöïc hieän

13

coâng ñöôïc trôn boùng khi khoan cuõng nhö phay. Khi thöïc hieäncaùc nguyeân coâng khaùc nhau nhö haøn, nung chaûy, gia coâng ñaïtkích thöôùc v.v… chuøm tia ñieän töû caàn phaûi coù maät ñoä naêng

löôïng caàn thieát, xaùc ñònh theo coâng thöùc :

Wmd =3.47.L.TC. 1/(de.lg(de/d0))

Trong ñoù:Wmd - Maät ñoä naêng löôïng taïo neân söï chaùy loûng trongvuøng coù ñöôøng kính baèng chieàu daøy cuûa kim loaïi (W/cm2)Tc – Nhieät ñoä chaùy cuûa kim loaïi (oC)8 - Heä soá daãn nhieät cuûa kim loaïi (W/cm2. oC)do – Ñöôøng kính phaân nöûa treân vieàn ngoaøi cuûa noù coùnhieät ñoä To = 0 vaø khoâng thay ñoåi (mm).Trong baûng 5.5 coù trò soá cuûa maät ñoächaûy moät soá kim loaïi trong ñieàu kieän do = 2mm, do = 10 de, h =de

Baûng 5.9 :Trò soá maät ñoä naêng löôïng ñeå laøm chaûy moät soá kim loaïi

Kim loaïi 2W/cm oTc, C Wmñ,2W/cm

Toác ñoä chaûy

14

VonframDoàngBaïcMolipdenVaøngNhoâmBerilliTantanSaétManheNikenTheùp khoâng ræKeõmUranTitanzirconium

4940400038903730325027902745209312301090600520440378315296

337710879602577106365912842994153965014551425420113016721859

8657006806536584884803672151911059177665552

-51,36.10-73,97.10-74,12.10-77,86.10-85,80.10-112,57.10-67,14.10-64,95.10-63,90.10-21,36.10-66,04.10-66,04.10-41,23.10-111,28.10-60,42.10-81,85.10

1.6. Phạm vi ứng dụng và phương hướng phát triển :- Phaïm vi öùng duïng : Baèng tia ñieän töû, noùi chung ngöôøi tacoù theå gia coâng caùc vaät lieäu coù caáu truùc nhö theùp, wolfram,platin, tantal, moâlipden, silic, germani, grafit, kim cöông, hoàngngoïc, oxit nhoâm, söù, thuyû tinh, thaïch anh vaø caùc hôïp kim cöùngkhaùc do coù phaïm vi söû duïng raát roäng raûi vaø ña daïng trong lónhvöïc cô khí chính xaùc vaø trong nhöõng lænh vöïc khaùc. Ngöôøi tacuõng thöôøng söû duïng ñeå gia coâng nhöõng profin phöùc taïp, phayraõnh, khoan loã tinh vi, vaø gia coâng nhöõng kích thöôùc nhoû, khaéchoaëc naáu chaûy. Ñaëc bieät duøng raát hieäu quaû ñeå khoan vaø phay

15

nhöõng loã raõnh coù kích thöôùc töø 0,01 ñeán 1 mm, keå caû treân hôïpkim cöùng. Coù theå gia coâng nhöõng loã trong phaïm vi 5÷15 mmvôùi coâng suaát trung bình töø 1 ñeán 10 W. Tæ leä giöõa ñöôøng kínhvaø chieàu saâu laø 1:10 ñeán 1:20. Ngoaøi kim loaïi, coøn coù theå giacoâng coù hieäu quaû treân nhöõng vaät lieäu daãn ñieän keùm, treân kính,goám v.v…Trong quaù trình gia coâng, giaõn nôû nhieät raát lôùn, do ñoùtraùnh ñöôïc raïng nöùt neân nung noùng tröôùc vaät gia coâng.- Phöông höôùng phaùt trieån : Trong vaøi naêm gaàn ñaây ngöôøita môùi bieát ñeán vieäc söû duïng tia ñieän töû nhö laø moät duïng cuï ñeågia coâng vaät lieäu, moät phaàn ñeå thöïc hieän caùc nhieäm vuï nghieâncöùu, maët khaùc ñeå thöïc hieän nhöõng vaán ñeà coâng ngheä cuï theå(nhö cheá taïo nhöõng truïc kim cöông nhoû, nhöõng vaønh xuyeánbaèng nhöïa, gia coâng nhöõng loã raõnh trong vaät lieäu cöùng khaùcnhau). Trong lónh vöïc cô khí chính xaùc coù nhieàu lôïi theá trongvieäc trieån khai caùc öùng duïng cuûa phöông phaùp naøy. Ñaây laø moätcoâng ngheä coøn non treû, khoù maø ñoaùn ñöôïc taàm quan troïng cuûanoù trong töông lai xa. Nhöng coù theå khaúng ñònh raèng coù theåöùng duïng vaøo vieäc gia coâng nhöõng vaät lieäu caàn thieát cho cheá

16

taïo maùy, ñoù laø vaät lieäu khoù hoaëc hoaøn toaøn khoâng gia coângñöôïc (söù, thuyû tinh, kim loaïi raát cöùng …) vaø vì leõ ñoù cho pheùpchuùng ta hy voïng coâng ngheä naøy seõ ñöôïc söû duïng roäng raõitrong ngaønh coâng nghieäp cheá taïo maùy.1.7. ưu – nhược điểm :- Öu ñieåm :+ Coù theå gia coâng baát kyø loaïi vaät lieäu naøo.+ Maät ñoä coâng suaát lôùn (MW/cm 2 ).+ Gia coâng chính xaùc do khaû naêng töï haõm cuûa ñieän töûtrong moät lôùp moûng cuûa vaät lieäu.+ Coù theå ñieàu chænh töùc thôøi cöôøng ñoä vaø vò trí cuûa tiañieän töû.+ Baûo ñaûm saïch veà maët hoaù hoïc nhôø coù buoàng chaânkhoâng.

- Nhöôïc ñieåm :+ Chæ coù theå gia coâng trong buoàng chaân khoâng.+ Giaù thaønh gia coâng töông ñoái cao.+ Coù nguy hieåm veà phoùng xaï Rônghen.

1.8 KẾT LUẬN

17