eng
Выпуск #2/2016
В.Башков, Ю.Миронов, Ю.Панфилов, А.Миронова, Н.Седых, Л.Колесник, С.Маринич, А.Селезнев
Установка для электронно-лучевой плавки, сварки и размерной обработки электровакуумного стекла
Установка для электронно-лучевой плавки, сварки и размерной обработки электровакуумного стекла
Просмотры: 4385
Рассмотрена конструкция установки для электронно-лучевой плавки, сварки и размерной обработки электровакуумного стекла.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.64.2.66.72
DOI:10.22184/1993-8578.2016.64.2.66.72
Теги: electron beam processing electro-vacuum glass vacuum equipment вакуумное оборудование электровакуумное стекло электронно-лучевая обработка
Использование электронно-лучевого нагрева при резке и сварке деталей из электровакуумного стекла обеспечивает неизменный химический состав материала в зоне сварочного соединения. При плавке стекла электронно-лучевой нагрев позволяет исключить влияние окружающей среды на состав и структуру материала и делает возможным более точное управление его свойствами. Электронно-лучевая полировка стекла создает дополнительные возможности модификации поверхности при существенном снижении шероховатости поверхности детали. Генерирование электронного пучка в диапазоне давлений от 5 до 20 Па приводит к образованию в зоне обработки плазмы, которая обеспечивает стекание заряда с обрабатываемого диэлектрического объекта.
Электронно-лучевая технология плавки, сварки и размерной обработки может найти применение в электронной, оптической промышленности и приборостроении при изготовлении деталей и узлов электронных и оптических приборов из электровакуумного и оптического стекла.
Основные требования к базовой технологии обработки изделий из электровакуумного стекла электронно-лучевым методом и к электронно-лучевой установке приведены в табл.1 и 2.
В состав технологической установки входят вакуумная камера со средствами откачки и управления, внутрикамерная оснастка для закрепления, вращения и перемещения обрабатываемых изделий, электронный источник (пушка) и блок управления электронным источником. Вакуумная система оснащена безмасляными средствами откачки и обеспечивает предельное давление в камере 5,0.10–4 Па.
Электронно-лучевая пушка "ЭЛТА-60" производства компании "Текарте" представлена на рис.1. Источник электронов 1 предназначен для создания и формирования электронного луча. В промежуточном корпусе 2, являющемся связующим звеном между источником электронов и фокусирующе-отклоняющей системой, установлен механизм шлюзования 4, который служит для отсечения объема источника электронов от остального объема пушки. Фокусирующе-отклоняющая система 3 предназначена для фокусировки и отклонения электронного пучка при сварке. Вакуумная система предназначена для дифференциальной откачки пушки, она состоит из углового вакуумпровода с фланцем для подключения турбомолекулярного насоса (ТМН) 5. Система охлаждения пушки соединяется последовательно с системой охлаждения ТМН. Вакуумная система обеспечивает в источнике электронов давление не более 10–2 Па.
Эмитированные нагревателем электроны ускоряются напряжением порядка 1кВ и бомбардируют катод, разогревая его. В качестве источника электронов используется таблетка из гексаборида лантана.
Регулировка и стабилизация тока электронного луча производятся изменением напряжения смещения на управляющем электроде. Для фокусировки и отклонения электронного луча служат фокусирующая линза и отклоняющая система двойного преломления. Источник электронов располагается вертикально на верхней плите камеры, электронный луч направлен вниз. Характеристики электронной пушки приведены в табл.3.
Электронно-лучевая установка (рис.2) состоит из следующих узлов: вакуумная камера; шкаф с механическим приводом; рама; патрубок переходной; патрубок равнопроходной; насос Edwards XDS35i; насос Edwards EH250; насос Edwards STPXA4503C ISO320F; затвор VAT Series 14 DN320 (14050-PE44); четыре клапана VAT Series 26 DN63 (26436-QE41); три клапана VAT Series 26 DN25 (26428-КE41); датчик давления широкодиапазонный EdwardsWRG-S; датчик давления термопарный Edwards APG-100; шкаф управления. Технические характеристики установки приведены в табл.4.
Вакуумная камера имеет систему водяного охлаждения стенок, верхней и нижней плиты. На верхней плите рабочей камеры располагается фланец для установки электронно-лучевой пушки и устройства ее вертикального перемещения. Дверь камеры имеет систему водяного охлаждения. На двери камеры расположено окно диаметром 200 мм, выполненное из материалов, которые обеспечивают защиту от ионизирующих излучений.
В модуле управления расположены элементы контроля: система пуска вакуумных насосов, система управления и регулирования клапанов. Основной частью модуля управления является специализированный промышленный контроллер, обеспечивающий передачу данных по стандарту Ethernet между сервером и блоками управления исполняющих механизмов.
Электрооборудование установки состоит из систем управления откачкой, измерения давлений в характерных точках установки, питания и управления электронно-лучевым источником, напуска технологических газов в объем вакуумной камеры, позиционирования заготовок/изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника, видеонаблюдения за технологическим процессом, а также централизованного контроля и визуализации параметров работы установки.
Одним из преимуществ плазменных источников электронных пучков является возможность их эксплуатации в условиях среднего вакуума, однако разрабатываемая технология не предполагает изменения химического состава электровакуумного стекла в зоне обработки. Исходя из этого, возникает необходимость не просто откачки рабочего объема до необходимого давления, но и обеспечения замещения состава остаточной атмосферы в рабочей камере инертным газом. С этой целью в конструкции изделия предусмотрена система подачи газа с регуляторами расхода.
Система напуска газов в объем вакуумной камеры состоит из двух идентичных каналов. В состав канала газонапуска входят отсечной клапан и регулятор массового расхода газа типа РРГ-10 (MFC, Brooks). Обеспечиваются следующие режимы работы:
• два независимых канала подачи газа, каждый из которых поддерживает заданный для него расход газа;
• один канал работает в режиме фиксированного расхода газа, другой – в режиме стабилизации давления в камере;
• оба канала работают в режиме стабилизации давления в камере, поддерживая заданное соотношение между массовыми расходами по каналам.
Обрабатываемое изделие помещается на водоохлаждаемый столик (рис.3), установленный внутри камеры на ее нижней плите. Столик оборудован устройствами шагового электропривода 1, 2 и обеспечивает перемещение обрабатываемого образца на 200 мм в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, если же образец закреплен во вращающихся планшайбах 3, то обеспечивается его вращение вокруг оси, параллельной одной из осей горизонтального перемещения. Для фокусировки электронного луча на обрабатываемой поверхности предусмотрено вертикальное перемещение электронно-лучевой пушки на 100 мм. Выбранное решение позволяет проводить электронно-лучевую обработку как плоских, так и цилиндрических поверхностей изделий.
Система позиционирования служит для изменения положения заготовок/изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника и включает двухкоординатный стол, шпиндель для вращения детали и привод перемещения электронно-лучевого источника относительно детали в вертикальной оси с целью фокусировки электронного луча.
Система позиционирования состоит из четырех шаговых двигателей типа FL57STH, четырех драйверов шагового двигателя типа SMD-4.2, источников питания драйверов и четырех модулей расширения типа EM253 в управляющем контроллере, который задает необходимые скорости движения, время разгона и торможения, проводит поиск референтных меток, отслеживает состояния датчиков крайних положений. Связь между контроллером и драйверами шаговых двигателей осуществляется по интерфейсу "Шаг/Направление".
Работа выполнена в рамках государственного контракта № 13411.1006899.11.063 при финансовой поддержке Министерства промышленности и торговли РФ.
Электронно-лучевая технология плавки, сварки и размерной обработки может найти применение в электронной, оптической промышленности и приборостроении при изготовлении деталей и узлов электронных и оптических приборов из электровакуумного и оптического стекла.
Основные требования к базовой технологии обработки изделий из электровакуумного стекла электронно-лучевым методом и к электронно-лучевой установке приведены в табл.1 и 2.
В состав технологической установки входят вакуумная камера со средствами откачки и управления, внутрикамерная оснастка для закрепления, вращения и перемещения обрабатываемых изделий, электронный источник (пушка) и блок управления электронным источником. Вакуумная система оснащена безмасляными средствами откачки и обеспечивает предельное давление в камере 5,0.10–4 Па.
Электронно-лучевая пушка "ЭЛТА-60" производства компании "Текарте" представлена на рис.1. Источник электронов 1 предназначен для создания и формирования электронного луча. В промежуточном корпусе 2, являющемся связующим звеном между источником электронов и фокусирующе-отклоняющей системой, установлен механизм шлюзования 4, который служит для отсечения объема источника электронов от остального объема пушки. Фокусирующе-отклоняющая система 3 предназначена для фокусировки и отклонения электронного пучка при сварке. Вакуумная система предназначена для дифференциальной откачки пушки, она состоит из углового вакуумпровода с фланцем для подключения турбомолекулярного насоса (ТМН) 5. Система охлаждения пушки соединяется последовательно с системой охлаждения ТМН. Вакуумная система обеспечивает в источнике электронов давление не более 10–2 Па.
Эмитированные нагревателем электроны ускоряются напряжением порядка 1кВ и бомбардируют катод, разогревая его. В качестве источника электронов используется таблетка из гексаборида лантана.
Регулировка и стабилизация тока электронного луча производятся изменением напряжения смещения на управляющем электроде. Для фокусировки и отклонения электронного луча служат фокусирующая линза и отклоняющая система двойного преломления. Источник электронов располагается вертикально на верхней плите камеры, электронный луч направлен вниз. Характеристики электронной пушки приведены в табл.3.
Электронно-лучевая установка (рис.2) состоит из следующих узлов: вакуумная камера; шкаф с механическим приводом; рама; патрубок переходной; патрубок равнопроходной; насос Edwards XDS35i; насос Edwards EH250; насос Edwards STPXA4503C ISO320F; затвор VAT Series 14 DN320 (14050-PE44); четыре клапана VAT Series 26 DN63 (26436-QE41); три клапана VAT Series 26 DN25 (26428-КE41); датчик давления широкодиапазонный EdwardsWRG-S; датчик давления термопарный Edwards APG-100; шкаф управления. Технические характеристики установки приведены в табл.4.
Вакуумная камера имеет систему водяного охлаждения стенок, верхней и нижней плиты. На верхней плите рабочей камеры располагается фланец для установки электронно-лучевой пушки и устройства ее вертикального перемещения. Дверь камеры имеет систему водяного охлаждения. На двери камеры расположено окно диаметром 200 мм, выполненное из материалов, которые обеспечивают защиту от ионизирующих излучений.
В модуле управления расположены элементы контроля: система пуска вакуумных насосов, система управления и регулирования клапанов. Основной частью модуля управления является специализированный промышленный контроллер, обеспечивающий передачу данных по стандарту Ethernet между сервером и блоками управления исполняющих механизмов.
Электрооборудование установки состоит из систем управления откачкой, измерения давлений в характерных точках установки, питания и управления электронно-лучевым источником, напуска технологических газов в объем вакуумной камеры, позиционирования заготовок/изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника, видеонаблюдения за технологическим процессом, а также централизованного контроля и визуализации параметров работы установки.
Одним из преимуществ плазменных источников электронных пучков является возможность их эксплуатации в условиях среднего вакуума, однако разрабатываемая технология не предполагает изменения химического состава электровакуумного стекла в зоне обработки. Исходя из этого, возникает необходимость не просто откачки рабочего объема до необходимого давления, но и обеспечения замещения состава остаточной атмосферы в рабочей камере инертным газом. С этой целью в конструкции изделия предусмотрена система подачи газа с регуляторами расхода.
Система напуска газов в объем вакуумной камеры состоит из двух идентичных каналов. В состав канала газонапуска входят отсечной клапан и регулятор массового расхода газа типа РРГ-10 (MFC, Brooks). Обеспечиваются следующие режимы работы:
• два независимых канала подачи газа, каждый из которых поддерживает заданный для него расход газа;
• один канал работает в режиме фиксированного расхода газа, другой – в режиме стабилизации давления в камере;
• оба канала работают в режиме стабилизации давления в камере, поддерживая заданное соотношение между массовыми расходами по каналам.
Обрабатываемое изделие помещается на водоохлаждаемый столик (рис.3), установленный внутри камеры на ее нижней плите. Столик оборудован устройствами шагового электропривода 1, 2 и обеспечивает перемещение обрабатываемого образца на 200 мм в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, если же образец закреплен во вращающихся планшайбах 3, то обеспечивается его вращение вокруг оси, параллельной одной из осей горизонтального перемещения. Для фокусировки электронного луча на обрабатываемой поверхности предусмотрено вертикальное перемещение электронно-лучевой пушки на 100 мм. Выбранное решение позволяет проводить электронно-лучевую обработку как плоских, так и цилиндрических поверхностей изделий.
Система позиционирования служит для изменения положения заготовок/изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника и включает двухкоординатный стол, шпиндель для вращения детали и привод перемещения электронно-лучевого источника относительно детали в вертикальной оси с целью фокусировки электронного луча.
Система позиционирования состоит из четырех шаговых двигателей типа FL57STH, четырех драйверов шагового двигателя типа SMD-4.2, источников питания драйверов и четырех модулей расширения типа EM253 в управляющем контроллере, который задает необходимые скорости движения, время разгона и торможения, проводит поиск референтных меток, отслеживает состояния датчиков крайних положений. Связь между контроллером и драйверами шаговых двигателей осуществляется по интерфейсу "Шаг/Направление".
Работа выполнена в рамках государственного контракта № 13411.1006899.11.063 при финансовой поддержке Министерства промышленности и торговли РФ.
Отзывы читателей
