Obrada elektronskim snopom

Izvor: Wikipedija
Prijeđi na navigaciju Prijeđi na pretraživanje
Question copyright.svg
Postoji mogućnost da je tekst ili veliki dio teksta prepisan s ove stranice. Ako postoji dopusnica za uporabu teksta, to bi trebalo biti istaknuto na stranici za razgovor. Ako dopusnica ne postoji, tekst je potrebno obrisati!

Rok za isticanje potrebnih dopusnica je 14. veljače 2021., nakon čega će tekst biti obrisan. Vidi upute za dobivanje dopusnice.

Izvedba stroja za obradu elektronskim snopom.
Razni oblici zone topljenja na obratku.
Magnetna leća.
Električne zavojnice za ispravljanje (lijevo) i skretanje (desno) elektronskog snopa.
Primjer obrade elektronskim snopom.
Glava komore za sagorijevanje kod helikoptera čiji su otvori izrađeni fokusiranim elektronskim snopom. Njen promjer iznosi 317 mm te na sebi ima 3730 kosih otvora promjera 0,9 mm. Otvori se nalaze pod kutem od 90° i 25° u odnosu na površinu obratka. Tolerancija međusobnog položaja otvora iznosi ± 0,1 mm.
Primjer obrade elektronskim snopom.
Primjer dvojnog zupčanika izrađenog zavarivanjem fokusiranim snopom elektrona.

Obrada elektronskim snopom ili obrada snopom elektrona (eng. Electron Beam Machining ili EBM) je nekonvencionalni postupak obrade materijala. Spada u skupinu elektrotoplinskih postupaka obrade, a prvi prototip takvog uređaja izrađen je 1947., a za to je zaslužan K. H. Steigerwald. Izradio je prototip uređaja za taljenje metala u vakuumu bombardiranjem pomoću snopa elektrona. Prvi industrijski uređaj za rezanje i zavarivanje pomoću snopa elektrona izradila je njemačka tvrtka Carl Zeiss 1958. Nakon toga obrada snopom elektrona se počela koristiti i u drugim industrijama kao što su nuklearna i svemirska industrija. Koristi se u svrhu zavarivanja, bušenja i rezanja vrlo sitnih provrta (oko 25 μm) i šupljina u obratcima skupih i kvalitetnih materijala. Slična tehnologija se koristi i za zavarivanje pomoću elektronskog snopa, no kod ovakvo izvedene konstrukcije nema taljenja dodatnog materijala. Tako dobiven rez je vrlo precizan i zadovoljava visoke mjerne tolerancije. [1]

Način rada[uredi | uredi kôd]

Temelj ovog postupka je visokoenergetski snop elektrona. Elektroni se stvaraju na katodi koja je zagrijana električnim putem na temperaturu od oko 2500 do 3000 °C. Katoda je izrađena od volframa ili tantala. Struja elektrona koja izlazi iz katode regulira se i oblikuje pomoću Wehneltove elektrode koja ima oblik čaše. Djelovanjem vrlo snažnog električnog polja između katode i anode, elektroni se ubrzavaju te se tako ubrzani u snopu kreću prema obratku. Nakon što napuste anodu elektroni mogu doseći brzinu od čak 50 do 80% brzine svjetlosti. Ispod anode se nalaze magnetne leće koje imaju ulogu refokusiranja snopa elektrona i smanjenja njegove divergencije (razilaženja). Na ovaj način se povećava kvaliteta snopa i zadržava smjer njegovog kretanja prema obratku. Nakon toga snop elektrona prolazi kroz magnetne leće za skretanje. One pomiču snop za vrlu malu vrijednost i usmjeravaju ga u točno određenu točku na obratku gdje je potrebno izvršiti određenu operaciju. Najčešće se radi o rezanju materijala ili zavarivanju. Također, suvremeni strojevi imaju ugrađene i teleskopske i svjetlosne sustave za točnije poravnanje snopa s obratkom. Tijekom procesa, i snop elektrona i obradak trebaju biti smješteni u vakuumu. Time se sprječava rasipanje energije elektrona i usporava se trošenje katode.

U trenutku udara fokusiranog snopa ubrzanih elektrona u površinu obratka dolazi do pretvaranja njegove kinetičke energije u toplinsku. Snop elektrona udara u obradak u točki promjera 10 – 100 μm. Razvijena toplina izaziva čitav niz popratnih procesa kao što su: zagrijavanje, topljenje, isparavanje i sagorijevanje materijala uz pojavu eksplozivnog izbacivanja rastopljenog dijela i čestica materijala obratka.

Utjecajni parametri koji utječu na postupak obrade su: električni napon i jakost električne struje elektronskog snopa, kontinuirani ili impulsni način rada, trajanje pulsa, energija pulsa, promjer i gustoća snopa te brzina kretanja snopa po površini obratka. Za razliku od zavarivanja snopom elektrona gdje se koristi stalni (kontinuirani) način rada, za rezanje i izradu šupljina, provrta i gravura prikladniji je impulsni mod. Jakost struje snopa se obično kreće u intervalu od 200 μA do 1 A, a električni napon ubrzanja snopa od 50 do 150 kV. Jakost struje je direktno povezana s brojem elektrona koji se emitiraju iz katode. Kako se povećava jakost struje snopa tako raste i količina energije pulsa koja prilikom udara prelazi na materijal obratka. Energija pulsa je također proporcionalna i s njegovim vremenskim trajanjem. Pulsevi mogu trajati od 50 μs do 15 ms. Pulsevi s velikom količinom energije (oko 100 J/pulsu) se uglavnom koriste za izradu većih provrta i šupljina na debljim obratcima. Gustoća energije snopa ovisi o vremenskom trajanju pulsa i promjeru snopa. Veća gustoća energije elektronskog snopa podrazumijeva manji promjer snopa i dulje trajanje pulsa. U takvim situacijama se postiže brža i preciznija obrada. Promjer snopa se određuje stupnjem njegovog fokusiranja pomoću magnetnih leća.

Fokusirani elektronski snop kao energetski vrlo snažan i precizan alat za obradu materijala ima sljedeća svojstva:

  • postojan je za vrijeme obrade, nema trošenja alata ni drugih promjena koje bi utjecale na točnost obrade;
  • precizan je i vrlo malih veličina te se kao takav može koristiti za izradu sitnih provrta i složenih kontura s oštrim bridovima i malim prijelaznim polumjerima;
  • nema uobičajenih priprema i izmjena alata tijekom obrade pa se bez ikakvih promjena može koristiti za bušenje provrta, glodanje gravura, rezanje, zavarivanje i slično;
  • djeluje bez dodira, pa se prema tome ne stvara nikakav pritisak (sila) i deformacije na obratku što je vrlo važno kod obrade osjetljivih dijelova;
  • moguće je bezinercijsko (bez tromosti) pomicanje snopa elektrona pomoću magnetnih leća za skretanje u krugu od nekoliko centimetara, što omogućuje vrlo visoke brzine obrade.

Točnost obrade snopom elektrona ovisi o energetskim parametrima snopa i njegovoj stabilnosti, sustavu za fokusiranje i upravljanje impulsima te točnosti mehaničkih uređaja za pomak. Ona se obično kreće u granicama od 2 do 4 μm. Kvaliteta hrapavosti površine koja se postiže spada u područje srednje fine obrade i kreće se u rasponu od N7 do N9.

Primjena[uredi | uredi kôd]

Obrada elektronskim snopom se može koristiti za vrlo precizno rezanje ili bušenje širokog spektra metala i ostalih materijala niske toplinske vodljivosti i visoke temperature taljenja. Obrada elektronskim snopom je postupak kojim se materijal uklanja isparavanjem. Tehnologija obrade fokusiranim snopom elektrona se primjenjuje u sljedećim operacijama:

Može se koristiti za obradu svih vrsta materijala, metalnih i nemetalnih, bez obzira na njihova mehanička svojstva i kemijski sastav. Kod rezanja materijala ovim postupkom moguće je postići brzinu i do 50 m/s, ovisno o snazi snopa, vrsti materijala i debljini te uređaju i sustavu za fokusiranje. Također, prednost ovog postupka je vrlo mala širina reza (oko 25 μm) što je posebno bitno kod rezanja skupih i kvalitetnih materijala. Kada se govori o bušenju otvora fokusiranim elektronskim snopom potrebno je razlikovati klasično bušenje i perforiranje. Ako je odnos dubina otvora/promjer veći, onda se radi o klasičnom bušenju i ono se izvodi s više impulsa koji slijede jedan za drugim. Međutim, ako je odnos dubina otvora/promjer manji (tanki limovi) i uz to broj otvora velik, onda se radi o perforiranju i tada se jedan otvor izrađuje jednim impulsom.

Prednosti i nedostaci[uredi | uredi kôd]

Glavna prednost ovog postupka u odnosu na ostale konvencionalne i nekonvencionalne postupke obrade je mogućnost bušenja izuzetno malih otvora promjera čak 10 μm. Kod perforiranja ovim postupkom moguće je postići otvore promjera od 50 μm do 1 mm na materijalima debljine od 50 μm do 5 mm. Najveća dubina otvora koju je moguće postići bušenjem ovim postupkom iznosi od 20 do 30 mm.

Fokusirani elektronski snop se uspješno može koristi i za zavarivanje. Tijekom tog procesa dolazi do topljenja materijala i spajanja dijelova bez primjene dodatnog materijala. Ovime je omogućeno spajanje materijala koji se inače ne mogu zavarivati drugim postupcima, na primjer keramika-keramika, metal-keramika i slično. Za razliku od klasičnog zavarivanja gdje se ostvaruju relativno plitki i široki zavari, kod zavarivanja snopom elektrona se vrši dubinsko zavarivanje što znači da nastaje uska i duboka zona topljenja materijala te se oblikuju uski i duboki zavari. Ovime se postižu vrlo visoke točnosti te je moguće spajati gotove dijelove bez njihove prethodne pripreme.

Glavna prednost ovog postupka između ostalog bitno je i uska zona utjecaja topline koja nastaje tijekom obrade (20 – 30 μm). Ostale prednosti su:

  • mogu se obrađivati rupe različitih veličina i oblika;
  • nema mehaničkog dodira između alata i obratka;
  • tvrđi materijali se mogu obraditi brže od uobičajene obrade.
  • ovaj se postupak može lako automatizirati.
  • mogu se obrađivati lomljivi i krhki materijali. [2]

Nedostatak obrade fokusiranim snopom elektrona su vrlo visoki troškovi ulaganja (investicije) i troškovi održavanja opreme, velika potrošnja energije, visoki troškovi obuke radnika, brzina odvajanja materijala je reda veličine svega nekoliko mg/s, nije prikladan za velike izratke, na mjestu gdje elektronska zraka udara u materijal - na površini se može pojaviti mala količina preoblikovanja i prskanja metala (nakon toga se mora ukloniti abrazivnim čišćenjem), mogućnost obrade samo u vakuumu te postojanje vremenskog razdoblja kada nije moguća obrada zbog potrebe održavanja vakumske atmosfere. Zbog ovoga je ovaj postupak obrade zastupljen samo kod rijetkih tvrtki koje obimom ugovorenih poslova mogu osigurati isplativost primijenjene tehnologije, kao što je na primjer auto industrija.

Izvori[uredi | uredi kôd]

  1. Ivan Peko: "Pregled termoelektričnih postupaka obrade metala s naglaskom na rezanje plazmenim mlazom", [1] kvalifikacijski rad, Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu, www.data.fesb.unist.hr, 2017.
  2. Matej Gudelj, Tomislav Bernardić, Ema Marić: "Obrada snopom elektrona", seminarski rad, Tehničko Veleučilište u Zagrebu, www.tvz.hr, 2021.