Brevet FR2171405A1 — publié le 19730921

La présente invention concerne un dispositif pour la protection du trajet et de l'environnement immédiat du faisceau à haute énergie d'une machine d'usinage, avec un diaphragme recueillant les vapeurs et particules de matériau libérées au point d'usinage, réalisé sous forme de bande mobile, coupant le trajet du faisceau suivant une direction sensiblement perpendiculaire à ce dernier et que le faisceau à haute énergie traverse ou perce en formant des ouvertures étroitement délimitées. Au cours des usinages, et notamment de ceux avec enlèvement de matière par un faisceau à haute énergie, tel que faisceau laser ou de porteurs de charge, la matière est instantanément soit fondue, soit vaporisée au point d'impact du faisceau constituant l'outil thermique sur la surface d'une pièce, et l'expérience montre qu'en fonction de la densité de puissance surfacique de la section du faisceau incident et de la nature du matériau, il se forme généralement une tension de vapeur relativement élevée, qui entrain une projection explosive du matériau fondu dansla zone d'usinage, Dans un angle solide déterminé, juste au-dessus du point d'impact d'un faisceau à haute énergie d'usinage, les particules de matériau arrachées à ce point d'impact et les atomes vaporisés sont projetés dans des directions quelconques, à une vitesse plus ou moins élevée, et risquent par suite de se manifester sous forme d'impuretés très gênantes dans la machine d'usinage, notamment quand les directions de telles particules sont pratiquement opposées à celles du faisceau. On a par exemple constaté que les particules libérées aux points d'impact par le faisceau d'électrons, au cours de l'usinage du matériau, atteignent facilement le voisinage de la source, pénètrent dans le champ accélérateur, entre l'électrode de commande et l'anode du canon à électrons, ou directement dans la cathode, par l'ouverture de ce canon, et produisent enfin un encrassement plus ou moins intense de la source, ce qui risque dans certaines conditions de produire des perturbations notables du fonctionnement, telles que des instabilités du courant du faisceau, voire des coupures complètes du faisceau d'électrons par suite de claquages haute tension. Les suggestions et essais n'ont pas manqué jusqu'à présent en vue d'éviter ce type de dérangements au maximum. On a par exemple prévu pour le faisceau à haute énergie d'une machine d'usinage un diaphragme qui comporte une ouverture centrale, correspondant à la section du faisceau à une certaine hauteur par rapport à la zone d'usinage, et peut ainsi retenir les particules de matériau et autres éléments libérés par cette zone et projetés dans les régions périphériques du faisceau, mais ne peut pas arrêter toutes les particules d'impuretés projetées directement sur le trajet du faisceau. Diverses autres dispositions connues visent à interdire la pénétra- tion d'impuretés dans le trajet du faisceau, et notamment dans la source et son environnement. Il faut notamment citer une méthode connue pour la protection de la source d'électrons d'une machine d'usinage contre les impuretés, dans laquelle le faisceau est dirigé à travers des diaphragmes axialement décalés, au moyen de dispositifs de déviation spéciaux. Il en résulte toutefois des défauts de déviation du faisceau d'électrons, qui doivent être compensés par un appareillage approprié, afin de ne pas nuire aux propriétés du spot sur la surface de la pièce. D'autres mesures connues pour éviter les dérangements précités résident dans l'emploi de distances d'accélération prismatiques, au moyen par exemple de champs électrostatiques à axe de rotation cintré ou basculé, ou de lentilles électrostatiques à symétrie de rotation, qui éliminent par filtrage le flux d'impuretés dans le faisceau d'électrons d'usinage. De tels montages présentent toutefois aussi des inconvénients notables. Des champs d'accélération prismatiques protègent certes la cathode, mais n'interdisent pas la pénétration d'impuretés sur le trajet d'accélération. Des lentilles électrostatiques n'agissent que sur les particules chargées et la plupart des particules neutres ne sont pas éliminées, car le degré d'ionisation est relativement faible, par suite de la vitesse des électrons très élevée dans les machines d'usinage par faisceau d'électrons. On connaît par ailleurs un montage pour la protection contre les impuretés du trajet du faisceau d'électrons d'une machine d'usinage, avec un dispositif d'ionisation agissant au voisinage du trajet du faisceau et un dispositif de déviation produisant au voisinage du trajet du faisceau un champ de déviation des particules chargées électriquement. Le dispositif d'ionisation est réalisé de f#ça# à ioniser des particules atomiques ou plus grosses ^ [ e UL~2 probabilité suprrieure à celle du faisceau d'usinage et le dispositif de déviation de façon à exercer sur des particules chargées électriquement, se déplaçant d#ns le domaine des vitesses thermiques, une déviation suffisante pour éloigner ces particules du trajet du faisceau d'usinage, sans influencer pratiquement le faisceau d'électrons.Dans ce montage connu, l'emploi d'un dispositif à vitesse d'ionisation élevée assure donc l'ionisation d'une grande partie des particules d'impuretés initialement non chargées. Ces particules ionisées peuvent ensuite, grace à leur vitesse relativement faible et pratiquement thermique, etre déviées efficacement hors du trajet du faisceau d'usinage, par des dispositifs relativement faibles qui ne dévient pratiquement pas les électrons plus rapides du faisceau d'usinage, puis être arrêtées par un ou plusieurs diaphragmes. Les particules d'impuretés ionisées peuvent certes ainsi être éloignées du trajet du faisceau, mais doivent ensuite être recueillies soit par les électrodes du dispositif de déviation, soit par des diaphragmes supplémentaires, disposés à l'extérieur du trajet du faisceau. Les électrodes de déviation ou les diaphragmes se recouvrent ainsi après un certain temps de service de la machine d'usinage par faisceau d'électrons de couches de particules ionisées, qui se déposent progressivement et risquent aussi de produire des dérangements, de sorte que ces éléments de la machine doivent être démontés et nettoyés ou remplacés, ce qui impose toutefois une interruption de service de temps à autres. On connait par ailleurs un canon à corpuscules, qui produit un faisceau creux cunéiforme, que des dispositifs d'optique électronique appropriés permettent de focaliser sur une zone d'usinage linéaire à la surface de la pièce. Un diaphragme réalisé sous forme de bande mobile est prévu pour recueillir les#particules d'impuretés; cette bande peut passer continflment ou par intermittence à travers les flancs ouverts du faisceau creux cunéiforme et perpendiculairement au trajet du faisceau. Il est ainsi possible de sortir continûment les particules d'impuretés recueillies par le diaphragme en bande du trajet du faisceau et par suite de la zone d'usinage. La production d'un tel faisceau creux cunéiforme et les dispositifs d'optique électronique correspondants exigent toutefois un appareillage relativement important. On connatt par ailleurs un dispositif pour l'usinage par un faisceau de porteurs de charge, dans lequel le faisceau doit passer d'une chambre à basse pression contenant le canon dans une chambre d'usinage à pression plus élevée, avec un minimum de perte de puissance du faisceau et sans diffusion du faisceau. Une mince bande métallique est déplacée pour ce faire en dessous et en contact avec l'orifice de sortie du faisceau, de façon à assurer l'étanchéité entre les deux chambres à pression de gaz différente, le faisceau de porteurs de charge perçant la bande métallique quand la machine est en fonctionnement.L'action du faisceau de porteurs de charge sur la bande métallique produit une vapeur métallique très condensable et non volatile, qui pénètre dans les deux chambres à pression différente sous forme de deux jets de vapeur opposés; le gaz sous pression plus élevée contenu dans la chambre d'usinage est ainsi refoulé au voisinage de l'orifice de sortie du faisceau et ne peut pas pénétrer dans la chambre basse pression. Le jet de vapeur métallique se propageant vers le haut, dans la chambre contenant le canon, risque toutefois de produire des actions secondaires gênantes, par exemple quand la vapeur se dépose sur des pièces du canon. L'invention a pour objet de créer un dispositif amélioré du type précité, et notamment de le réaliser de façon à garantir une protection pratiquement parfaite du trajet du faisceau et de son environnement immédiat contre la pénétration de matière gênante et l'éloignement simultané de toutes les particules d'impuretés recueillies hors de la zone d'usinage, même en cas de service prolongé et ininterrompu d'une machine d'usinage par faisceau à haute énergie. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le diaphragme en bande du dispositif précédemment décrit, coupant directement le trajet du faisceau, est disposé à une distance relativement faible audessus de la surface d'une pièce à usine, située dans une chambre de travail sous vide, et constitué par un film de matériau qui se décompose très facilement, pratiquement à l'instant de l'action du faisceau à haute énergie, et ne peut plus se condenser. Les seules fonctions du diaphragme du dispositif selon l'invention sont celles de protection du trajet du faisceau et de son environnement immédiat contre la matière gênante et de l'évacuation des particules et vapeurs recueillies hors de la zone d'usinage. Il est ainsi possible d'utiliser pour le diaphragme un matériau en film très mince, disponible par exemple sous forme d'un film plastique peu coûteux ou de papier. Sous l'action d'un faisceau à haute énergie traversant la bande, un tel matériau se décompose très facilement, avec une faible consommation d'énergie, en constituants volatils, gazeux et non condensables, qui sont évacués constamment par la mise sous vide de la chambre de travail, nécessaire par ailleurs sur les machines d'usinage par faisceau d'électrons par exemple. Les quantités de gaz produites sont en outre très faibles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente schématiquement l'opération d'usinage habituelle par un faisceau à haute énergie, dirigé sur la surface d'une pièce; la figure 2 représente schématiquement une machine d'usinage par faisceau dtélectrons, comportant un dispositif selon l'invention, et la figure 3 représente un autre exemple d'un dispositif selon l'invention et son application à la perforation d'un matériau plastique. La figure 1 montre qu'un faisceau à haute énergie 2 focalisé, provenant d'un générateur non représenté, un faisceau d'électrons par exemple, est dirigé sur la surface d'une pièce 1 afin de la percer par enlèvement du matériau dans une zone 5 de la pièce. Dans l'hypothèse d'un faisceau d'électrons,il ilconvient d'effectuer l'usinage dans une chambre sous vide, telle que celle représentée schématiquement sur la figure 2. Le faisceau d'usinage 2 pénètre dans la surface et la pièce, avec fusion et vaporisation partielles du matériau dans la zone d'usinage, de sorte que la matière 4 quitte la zone d'usinage, sous forme d'atomes vaporisés, ions et autres particules, avec une vitesse relativement élevée dans un cône d'angle d'ouverture maximal d'environ 900. Les directions de ces particules sont indiquées par des flèches. Lorsqu'un diaphragme 3 classique, fixe et comportant une ouverture centrale pour le passage du faisceau, est disposé à une certaine distance au-dessous de la pièce 1, la matière 4 se dépose progressivement sur sa surface et forme une couche 6 qui se prolonge partiellement jusque sur la surface interne de l'ouverture. Les particules de matière se déplaçant directement dans le faisceau peuvent aussi traverser l'ouverture du diaphragme, atteindre la source et s'y manifester de façon gênante. Les particules d'impuretés se déposant sur la face interne de l'ouverture du diaphragme 3 risquent par ailleurs de réduire cette dernière après un certain temps de fonctionnement et de produire ainsi des perturbations du cycle d'usinage. La figure 2 représente schématiquement une machine d'usinage par faisceau d'électrons, dont la chambre d'usinage 22 sous vide contient un dispositif selon l'invention, qui permet de protéger le trajet du faisceau et son environnement contre la matière gênante. Le faisceau d'électrons 26 est produit par un canon 21, disposé au-dessus de la chambre 22, puis pénètre par l'orifice 25 de sortie du canon 21 dans la chambre 22 qui contient la pièce à usiner 28 sur une table mobile 27, tandis qu'un diaphragme en bande 29, constitué par un film plastique, est déplacé à une distance relativement faible au-dessus de la surface de la pièce 28, parallèlement à cette dernière, et coupe le trajet du faisceau, de sorte que le faisceau d'électrons 26, impulsionnel par exemple, perce le diaphragme 29 pendant l'usinage. Des rouleaux de guidage et de renvoi 31, 32, 34 et 35 sont prévus pour produire l'avance nécessaire du diaphragme en bande 29, ainsi que des rouleaux 30 et 33 pour le déroulement et l'enroulement de la bande. Ces groupes de rouleaux sont disposés de préférence dans des préchambres 23 et 24 où la pression gazeuse peut être supérieure à celle dans la chambre d'usinage 22. Le diaphragme 29 pénètre dans la chambre d'usinage 22 et en sort, continûment ou par intermittence, par des ouvertures 36 et 37. Dans le cas de exemple de réalisation selon la figure 2, une surface toujours propre et nette du diaphragme 29 passe du sas gauche 23 dans la chambre d'usinage 22 et la surface du diaphragme pol luée par les vapeurs et particules de matériau libérées par le point d'usinage 38 sort de la chambre 22 pour entrer dans le sas droit 24. Dans l'exemple de réalisation selon figure 3, il s'agit de la perforation d'un simili-cuir par faisceau d'électrons; un faisceau 7 à haute énergie et grande section est d'abord dirigé sur un outil auxi liaire 8, qui comporte de façon connue un nombre prédéterminé d'ouvertures libres 11, correspondant è la densité superficielle désirée des perforations et à travers lesquelles peuvent passer les divers faisceaux d'usinage, dont le trajet est désigné par 12. Un diaphragme 9, constitué par une bande de papier par exemple, est disposé sans contact dans l'espace compris entre l'outil auxiliaire 8 et le simili-cuir 10, en aval dans la direction du faisceau, et peut le traverser grace à des mécanismes d'avance non repr Le diaphragme 9 et la pièce 10 sont de préférence mobiles dans les mêmes directions et avec les mêmes vitesses par rapport à la zone d'action de l'énergie des faisceaux et peuvent balayer l'ensemble des faisceaux d'usinage 12 parallèles. Il peut être avantageux d'accoupler rigidement le diaphragme 9 à la pièce 10, en respectant avec précision la distance minimale prédéterminée d, de façon à obtenir un mouvement d'avance commun et à faire passer contintment dans la zone d'usinage, définie par l'ensemble des faisceaux 12, du simili-cuir neuf à perforer et des surfaces propres et nettes de diaphragme, pour recueillir et évacuer la matière enlevée. Dans certains cas, il peut également être avantageux de faire passer le diaphragme 9 de façon intermittente dans la zone d'action des faisceaux à haute énergie, dans le même sens, mais avec une vitesse d'avance plus faible que la pièce 10, de façon qu'une ouverture produite par une impulsion du faisceau d'usinage sur le diaphragme 9 permette plusieurs passages successifs du faisceau et par suite plusieurs perforations dans la pièce 10. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'entre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Dispositif pour la protection contre la matière gênante du trajet et de l'environnement immédiat du faisceau à haute énergie d'une machine d'usinage, avec un diaphragme recueillant les vapeurs et particules de matériau libérées au point d'usinage, réalisé sous forme de bande mobile, coupant le trajet du faisceau suivant une direction sensiblement perpendiculaire à ce dernier et que le faisceau à haute énergie traverse ou perce en formant des ouvertures étroitement délimitées, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le diaphragme en bande est disposé à une distance relativement faible au-dessus de la surface de la pièce à usiner, située dans une chambre de travail sous vide, et constitué par un film d'un matériau qui se décompose très facilement, pratiquement à l'instant de l'action du faisceau à haute énergie, et ne se condense pas. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme est disposé sans contact dans l'espace compris entre un outil auxiliaire connu, comportant un nombre prédéterminé d'ouvertures pour le passage du faisceau, et une pièce à usiner située en aval dans la direction du faisceau, et peut traverser cet espace. 3. Dispositif selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans le cas d'un mouvement d'avance de la pièce par rapport à la zone d'action du faisceau à haute énergie, le diaphragme est accouplé rigidement à la pièce, en respectant une distance minimale prédéterminée, et peut ainsi traverser cette zone d'action dans le même sens et avec la meme vitesse d'avance que la pièce. 4. Dispositif selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans le cas d'un mouvement d'avance de la pièce par rapport à la zone d'action du faisceau à haute énergie, le diaphragme peut traverser cette zone d'action, par intermittence de préférence, dans le même sens, mais avec une vitesse d'avance plus faible que la pièce. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diaphragme est réalisé en matière plastique. 6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diaphragme est réalisé en papier.