Brevet FR2568154A1 — publié le 19860131

La présente invention concerne le forage de trous utilisant 1' énergie de faisceaux d'électrons. Durant les deux dernières décennies, l'emploi commercial de machines à énergie de faisceaux d'électrons a considérablement augmenté. Un potentiel électrique élevé propulse avec forte puissance les électrons vers une pièce à usiner typiquement dans une chambre sous vide, afin de provoquer la fonte. Une des applications les plus utiles de l'énergie de faisceaux d'électrons fut le forage de trous dans des pièces à usiner. Le flot d'électrons, que l'on fait converger avec précision au-moyen de champs magnétiques, s'avère capable de forer rapidement des trous plutôt petits par combinaison de fonte et de vaporisatiowl. Grâce aux densités énergétiques 6 2 élevées, de l'ordre de 72 x 106 watts/cm , la pièce à usiner chauffe généralement très peu, pour autant qu'un trou typique soit créé dans la pièce à usiner en une fraction de seconde. Afin d'obtenir une utilité industrielle, les constructeurs des machines à faisceaux d'électrons devaient les rendre durables. Pour être durable, les filaments des machines produisant les électrons doivent avoir une longue durée de vie, et le contenu et la concentration d'énergie du faisceau doivent être constants. De tels buts n'ont pas été obtenus sans difficultés. L'environnement de la chambre dans laquelle. le forage a lieu se caractérise par des gouttes de métal fondu volantes et par de la vapeur du métal qui se condense. Le métal expulsé de la pièce à usiner a tendance à voler vers les composants du canon d'électrons qui crée et guide le faisceau d'électronsvers la pièce à usiner. C'est pourquoi plusieurs dispositifs de protection ont été développés pour les protéger. En général, ces dispositifs comprennent des pro tections métalliques typiquement en forme de disques rotatifs avec des racloirs attenant qui enlèvent les débris métalliques qui s'y posent. Les protections procurent un espace par lequel le faisceau d'électron peut s'échapper du canon et se heurter à la pièce à usiner. Bienque ce trou reste petit, il doit nécessairement être plus grand que le diamètre du faisceau pour de simples raisons mécaniques, ainsi que pour permettre la déflexion voulue du faisceau. Par conséquent, une quantité restreinte de débris a tendance à suivre la voie du faisceau vers l'intérieur du canon . Par anticipation à ceci, d'autres protections sont prévues à l'intérieur du canon pour capturer ce petit nombre de débris. Leur fonction est similaire à celle des premières protections. Le type de système précédent fonctionne bien pour des applications générales. Pour la plupart des forages de trous, la forme conique des expulsions métalliques est telle que sa masse se heurte aux premières protections. Cependant, lors du forage de trous de très petit diamètre et de grande profondeur relative, des quantités particulièrement grandes d'expulsion de métal des pièces à usiner se dirigent par l'ouverture de la première protection vers l'intérieur du canon conventionnel du faisceau d'électrons. On a trouvé que la plus grande quantité de métal déposée à l'intérieur du canon ne peut être accommodée par la protection interne, connue de l'état antérieur de la technique. Pour cette raison, il était nécessaire d'améliorer la conception de la machine de forage. Le but de l'invention est de procurer une protection pour un appareil de forage par faisceaux d'électrons permettant le forage continu d'un grand nombre de trous, lorsqu'unie quantité relativement élevée de matériel expulsé de la pièce à usiner a tendance à remonter le long de la voie du faisceau. Selon l'invention, une protection en forme de disque rotatif a une périphérie à étages afin de procurer un enfoncement à son bord. Le disque se trouve au-dessus de l'anneau de déflexion électro-magnétique, et à coté de la voie du faisceau d'électron. La trajectoire du métal expulsé est soigneusement contrôlée par ajustement précis de l'angle de déflexion du faisceau, de sorte que le métal expulsé de la pièce à usiner est déposé dans l'enfoncement à hauteur de la périphérie du disque. Dans une version préférée de l'invention, le disque a une attache fixée dans l'enfoncement, facilitant lten- lèvement continu d'une petite quantité de matière expulsée ne tombant pas dans l'enfoncement, mais déposée dans l'anneau électro-magnêtique avoisinant.Pour ce mode d'exécution, la technique conventionnelle, utilisant un racleur en contact continu pour enlever les débris déposés sur les protections en forme de disques rotatifs, ne peut être utilisée. C'est pourquoi, une brosse métallique, ou objet similaire, ayant de l'élasticité lorsqu'il est en contact avec l'attache, est placée en contact avec l'enfoncement du disque rotatif à un-endroit éloigné du faisceau d'électron. La brosse est en contact permanent avec la protection en forme de disque rotatif et enlève donc continuellement la matière déposée. Auparavant, le métal déposé à l'intérieur du canon diminuait la puissance du faisceau et conduisait à une pénétration incomplète du trou. Un début de déviation n'était pas facilement décelé tant qu'on n'avait pas enlevé une feuille de la machine à forer, ce qui signifie que des feuilles avec des trous complètement conformes et uniformes ne pouvaient pas être produites. L'invention permet, dès lors, de produire des panneaux ayant un grand nombre de trous à très petit diamètre et proches les uns des autres. Les caractéristiques de l'appareil de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un mode préféré d'exécution. Pour cette description, on se réfère aux figures annexées, pour lesquelles Figure 1 est une vue en élévation partiellement coupée d'une foreuse à faisceau d'électrons,montrant le faisceau en action durant lesforage d'une pièce à usiner. Figure 2 est une vue plus détaillée de l'appareil de la figure 1, et montre lapratique suivant l'état antérieur de la technique. Figure 3 est une vue verticale du haut de l'appareil montré à la figure 2, et illustre le modèle des premières protections de débris. Figure 4 montre une vue encore plus détaillée de l'appareil de l'état antérieur de la technique, mais illustre le problème découvert lors du forage de trous ayant un très petit diamètre. Figure 5 est une vue latérale détaillée de l'appareil, similaire à la figure 4, montrant une protection suivant l'invention avec un enfoncement à son bord. Figure 6 est une vue en perspective de la protection intérieure, montrée à la figure 5. Figure 7 illustre un autre mode d'exécution de l'in- vention, où une courroie à section transversale à angle est maintenue entre deux poulies. La figure 1 montre quelques composants essentiels d'une foreuse à faisceau d'électron, typiques à la foreuse à électrons Steigerwald Strahltechnik Model K6-G1OP-CNC (Steigerwald Strahltechnik, Messer Griesheim GmbH, Puchheim, Germany), employée dans l'invention. Un faisceau d'électrons 20 est produit dans un canon 22 et dirigé vers une feuille à usiner 24 montée sur un support 26 de pièce à usiner tournant en forme de tambour. Le support de la pièce à usiner se trouve dans une chambre sous vide 23, à laquelle le canon de faisceau d'électrons est également attaché.La plupart des parties essentielles du canon 22 produisant le faisceau d'électrons n'y figurent pas, car elles ne sont pas indispensables pour comprendre l'invention. (Pour raisons de cette application, nous considérons que le canon 22 comprend l'appareil entier situé au-dessus du plan des protections 38). Le faisceau d'électrons 20 est essentiellement un flot d'électrons émis à partir du filament 30 et accélérés vers la pièce à usiner par un potentiel électrique. Le faisceau est formé et guidé par un système de dispositifs électromagnétiques. Vers la fin de sa première course dans le pistolet, le faisceau d'électronstraverse une lentille électromagnétique 32 où il est concentré, afin d'avoir une densité bien déterminée et une distribution uniforme lorsqu'il se heurte à la pièce à usiner. Ensuite le faisceau traverse une bobine de déflexion 34. La fonction de la bobine de déflexion est de causer un changement de la direction axiale du faisceau, afin qu il doive se déplacer au long d'une voie secondaire B, se trouvant à un angle a, par rapport à l'axe z-z, que le faisceau a suivi précédemment quand il a été formé dans le pistolet. A partir de la bobine de déflexion, le faisceau traverse une petite ouverture 36 entre les premières protections 38 et ensuite il se heurte à la pièce à usiner~24. L'énergie du faisceau d'électrons est convertie en chaleur lors de son impact sur la pièce à usiner, causant ainsi la fonte et la vaporisation produisant un trou. Dans la figure, le support 26 de la pièce à usiner est un cylindre adapté pour tourner autour de l'axe 27 et pour être déplacé par translation (à l'intérieur et à l'extérieur du plan du dessin). En général, il bouge continuellement durant le forage. Le faisceau vibre en coordination avec le mouvement de la pièce à usiner, et produit donc ainsi une multitude de trous selon un modèle pré-déterminé. Les éléments décrits ci-dessus sont connus dans l'art antérieur de la technique. Toutefois la figure 1 montre également des éléments de l'invention, qui sont expliqués ciaprès, et qui agissent ensemble avec les éléments connus précédemment. On obtiendra une meilleure appréciation de l'invention par une description supplémentaire de l'appareil suivant l'état antérieur de la technique présenté aux figures 2 et 3. Tout proche de la pièce à usiner, il y a quatre disques 38, dont trois se trouvent dans les figures. Ces disques se chevauchent, comme le montre la figure 3 quand on les voit le long de la voie du faisceau, pour procurer une petite ouverture 36 par laquelle le faisceau passe. Lorsque, dans une pièce à usiner, on fore un trou plus grand et de moindre allongement que ceux décrits ici, l'expulsion se fait sous forme de jet conique 40. Ce jet se heurtera à la surface inférieure des disques 38 et y adhère souvent comme débris. Les disques tournent continuellement autour d'arbres 39 commandés par moteur pendant le fonctionnement de la machine.Chaque disque a un racleur 42, qui est en contact avec sa surface inférieure, se trouvant loin de l'ouverture 36; le racleur sert à enlever continuellement tous débris adhérant au disque Le faisceau est dévié expressément pour diminuer la quantité de matière qui pourrait circuler au long de la voie du faisceau et intercepter le filament. Néanmoins, certains débris passeront par l'ouverture suivant la voie du faisceau et entreront à l'intérieur du canon à faisceau d'électrons. C'est pourquoi, comme le montrent les figures 1 et 2, des disques supplémentaires sont placés au long de la voie du faisceau d'électrons, plus près du filament afin d'intercepter les débris. Ils tournent également tous les deux; et l'un d'eux est équipé de racleurs. La figure 2 montre qu'un disque 45 est situé juste au-dessus de l'anneau de déflexion, tandis qu'un autre disque 46 se trouve juste au-dessus de la lentille électromagnétique. Tous deux se trouvent du coté du faisceau en face de la pièce à usiner, et ont des surfaces plates opposées avec périphéries biseautées. Les débris circulant sur la voie du faisceau auront tendance à frapper le côté de la machine, où se situent les disques 44 et 46. La disposition, décrite plus haut, a tendance à fonctionner convenablement lors du forage de trous se trouvant normalement dans le champ d'une foreuse à faisceau d'électrons. Toutefois, quand on fore des trous ayant un diamètre d'environ 0,1 mm et un allongement élevé (rapport longueur - diamètre), on a trouvé que l'angle du cône d'expulsion est plus petit, comme l'illustre la figure 4. Dans de telles circonstances, les protections inférieures 38 sont moins efficaces pour bloquer l'expulsion. Comme l'ouverture 36, par laquelle le faisceau d'électrons passe pour se diriger vers la pièce à usiner, ne peut être suffisamment rétrécie, des quantités importantes de matériau de la pièce à usiner sont repoussées dans le canon . Elles se posent partiellement sur la protection intérieure 45, après quoi elles sont transportees et supprimées par le racleur.Toutefois, elle ont également tendance à se poser comme dépôts 50 sur la bobine de déflexion 34. Finalement, comme après le forage de 105 trous, les débris s'accumulent radialement vers l'interieur au point où ils commencent à s'interposer au faisceau 20 et empêchent un forage uniforme de trous. Lorsque les débris se libèrent de la bobine de déflexion, ils peuvent également tomber dans l'ouverture 36. Il est évident, que s'ils ne passent pas par l'ouverture, ceci constitue un problème. Cependant, même s'ils passent, ils interrompront momentanément la voie du faisceau. Normalement, les trous sont forés à une vitesse de plusieurs trous par seconde, et même le passage momentané d'un obstable au travers de la voie du faisceau ne permettra pas de produire la quantité de trous pour laquelle la machine est programmée. De la figure 4 il découle qu'un plus grand angle de déflexion ne facilitera pas la situation. Un plus petit angle de déflexion n'est pas plus efficace, car il a tendance à faire pénétrer l'expulsion plus à l'intérieur du canon où des problèmes analogues seront créés. La présente invention est indispensable pour façonner des pièces à usiner avec une grande quantité de petits trous (106 ou plus) qui doivent tous être essentiellement de la même dimension et avoir le même espacement. Pour réaliser ceci de manière économique, il est indispensable que les trous se fassent à grande vitesse et de façon continue. Bienque la réalisation de chaque trou sousentend l'enlèvement d'un volume relativement petit de matériau, l'effet global d'un~grand nombre de trous amène une quantité importante de matériau à devoir être expulsé et à retourner dans le système du pistolet à faisceau d'électron. Les figures 1, 5 et 6 montrent comment la protection située au-dessus de l'angle de déflexion est modifiée selon l'invention. La protection intérieure 44 est un disque avec une périphérie à étages, formant ainsi un enfoncement 54 autour du bord. Le diamètre cylindrique 56 de l'enfoncement s'aligne approximativement avec le diamètre intérieur 58 de la bobine de déflexion 34. La circonférence la plus à l'extérieur ou rebord 60 de la protection doit se trouver le plus près possible du faisceau. Le bord extérieur se trouve généralement dans la même position que le bord extérieur de la protection de l'état antérieur de la technique. Nous avons trouve qu'un disque de bronze d'une épaisseur de 7,6 mm ayant un diamètre extérieur de 27,6 cm et un diamètre à l'étage inférieur de 25,8 cm est efficace. L'enfoncement est d'environ -9 mm radialement et d'environ 3,8 mm axialement. Durant l'application, l'angle de déflexion se modifie très prudemment afin que l'expulsion tombe dans l'enfoncement 54. L'angle de déflexion standard a pour la machine est de 10 degrés + 30 secondes. Toutefois, de bons résultats ne s'obtiennent que lorsque l'angle de déflexion est défini de manière critique; dans le cas de la foreuse Modèle K6-GIOP-CNC, il est de 9,75 degrés lorsque la distance de référence D (dans la figure 4) de l'appareil est 20 mm. Il y a, évidemment, une certaine tolérance quant à l'angle; toutefois, elle doit se maintenir au-dessous de + 0,25 degré, pour que les dépôts se concentrent dans l'enfoncement. Un angle de déflexion quelque peu différent peut être utilisé pour le forage d'autres matériaux avec d'autres paramètres ou d'autres appareils; toutefois pour employer la présente invention, des essais raisonnables révéleront l'angle nécessaire pour obtenir que les débris se concentrent dans l'enfoncement de la protection intérieure.Une fois l'angle établi, il est important que la distance d'emplacement D de la pièce à usiner soit maintenue avec précision par rapport au plan de référence du canon à faisceau d'électrons. Durant l'utilisation de la présente invention, elle a été maintenue dans les limites de + 0,2 mm, ou environ 0,5 pourcent. La protection intérieure 45 se trouve avantageusement sur la même tige 39 que la première protection 38, 41; et elle tourne en continu à environ 4 tours par minute. Un racleur 66 s'engage dans l'enfoncement, sur le coté du disque éloigné du faisceau, afin d'enlever les débris. Malgré l'amé- lioration précédente, de petites quantités de matériau aboutiront toujours sur la bobine de déflexion 34 en un point 62 près de la protection et en direction opposée de celle de la déflexion du faisceau. Il faudra plus de temps aux débris pour s'accumuler et ils troubleront moins le faisceau que si la protection avec enfoncement n'y était pas, mais ils doivent être éliminés pour maintenir le forage. Par conséquent, au moins un arrêt 64 est attaché dans l'enfoncement à un point de la circonférence. La figure 6 montre cet arrêt plus en détail.Physiquement, l'arrêt déloge continuellement de petites accumulations de débris de la bobine de déflexion. D'autres protubérances que l'arrêt peuvent être utilisées, pour autant qu'elles touchent les débris attachés au point 62 de l'angle de déflexion à des moments déterminés. Plusieurs arrêts peuvent être employés, bienque ce ne soit pas nécessaire. Tandis que l'arrêt sur le disque de protection constitue le moyen le plus simple pour enlever les dépôts de manière continue, d'autres moyens mécaniques efficaces, pour racler le matériau de l'intérieur de l'électro-aimant près de la protection ou pour prévenir ces dépôts, seront utiles lorsqu'employés avec la protection. Bienque les débris tombent sur les protection inférieures le long de la voie du faisceau, et probablement par le trou 36, cet aspect ne s'avère pas causer de problèmes en pratique. La présence de l'arrêt signifie qu'un racleur conventionnel, tel une pièce en forme de couteau 42 employée pour d'autres disques 38, 45, 46, ne peut être employé. Comme le montrent les figures 1 et 6, on utilise donc une brosse métallique 66, montée sur un support 68. Les poils de la brosse mé gallique ont une résilience suffisante, de sorte qu'ils se plient lorsque l'arrêt les intercepte, puis retrouvent leur position initiale une fois l'arrêt passé. On peut employer des moyens autres que la brosse métallique pour enlever des dépôts de l'enfoncement à la périphérie du disque.On peut notamment utiliser toute pièce adaptée à plier sous l'action de l'arrêt, mais qui a toutefois assez de résistance et de force pour entrer en contact avec le disque et pour enlever les dépôts métalliques. On peut envisager d'autres modes d'exécution de la présente invention. La méthode générale et le principe fondamental de la présente invention est que l'expulsion vienne dans l'enfoncement d'une protection intérieure mobile. Pour obtenir ceci, il faut prévoir la protection avec l'enfoncement au-dessus de la bobine de déflexion, et l'angle de déflexion doit être ajusté afin de viser le matériau expulsé de la pièce à usiner. Un mécanicien de métier pourra envisager d'autres moyens pour réaliser cette invention. Comme exemple, la figure 7 montre une courroie 70 à coupe transversale angulaire, montée entre deux poulies 72, 74. La poulie 74 se trouve dans le pistolet du faisceau d'électrons au même emplacement que le disque 44, dans les figure 1 et 5. Il est critique d'ajuster l'angle de déflexion afin que le matériau expulsé se dépose dans l'enfoncement du cercle. Ce point est particulièrement important, car une grande quantité de matériau rejetée dans le pistolet signifie que même des fractions de matériau relativement petites, qui ne sont pas capturées au bord de la protection intérieure, peuvent causer des problèmes. Les protections mobiles avec des bords allongés ou enfoncés suivant la présente invention sont particulièrement utiles. Elles sont utiles, même si on effectue un forage de trous plus normal et que le contrôle de l'angle de déflexion n'est pas particulièrement critique. REVENDICATIONS 1. Appareil pour le forage par faisceau d'électrons d'une pièce à usiner comprenant une chambre pour placer et maintenir une pièce à usiner; un canon à faisceau d'électrons, attaché à la chambre, le canon contenant un filament pour émettre des électrons, un système d'électro-aimants pour ajuster et guider les électrons dans un faisceau parcourant une voie primaire dans le pistolet, la voie allant jusque dans la chambre; et des protections primaires se trouvant au bout du canon avoisinant la zone contenant la pièce à usiner dans la chambre, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte une protection intérieure mobile (44) montée parmi le système d'électro-aimants (32,54) et le long de la voie du faisceau (20) dans le canon (22), la protection ayant un enfoncement (54) à la périphérie pour contenir les débris sous forme de matériau expulsé de la pièce à usiner et se mouvant généralement sur la voie du faisceau, le déplacement de la protection transportant les débris de l'enfoncement à un endroit en dehors de la voie du faisceau; et des moyens (66) pour enlever les débris de l'enfoncement, situé au dit endroit. 2. Appareil selon la revendication l, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (66) enlevant continuellement les débris d'une pièce immobile du canon attenant à l'endroit où la protection réceptionne les débris, le dit moyen aidant la protection à éviter que des débris s'accumulant près de la voie du faisceau. 3. Appareil selon la revendication l, où le système d'électro-aimants du canon comprend un électro-aimant de déflexion immobile final situé à proximité des premières protections, pour causer une déflexion du faisceau de sa voie primaire lorsqu'il traverse les premières protections, caractérisé par une protection interne mobile (44) qui est un disque tournant ayant un bord extérieur allongé pour procurer un enfoncement (54), la protection se situant sur la voie du faisceau du côté du filament (30) de l'électro-aimant (34) de déflexion et en face de la direction de la déflexion du faisceau pendant le forage. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par un arrêt (64) fixé dans l'enfoncement (54) du bord de la protection (44), afin de débarrasser l'électro-aimant (34) immobile des débris y adhérant. 5. Appareil selon la revendication 4 caractérise par un racleur (48), résiliant pour l'enlèvement continu des débris de l'enfoncement du bord de protection. 6. Méthode de forage d'une quantité de trous à petit diamètre dans une pièce à usiner, qui consiste en général à produire un courant d'électrons circulant le long du premier axe du canon à faisceau d'électron; à dévier les électrons quand ils émanent du canon comme un faisceau, de sorte qu'ils circulent le long d'un second axe faisant un angle avec le premier axe; à placer une pièce à usiner le long du second axe, de sorte que le faisceau d'électrons fore une quantité de trous à petit diamètre dans la pièce à usiner, avec comme conséquence que du matériel fondu est expulsé de la pièce à usiner et circule le long du second axe dans le canon, cette méthode étant caractérisée par le fait qu'on ajuste l'angle de déflexion () ) afin que le matériau expulsé se pose dans l'enfoncement (54) du bord d'une protection (44) intérieure mobile situé dans le canon (22), on transporte le matériau déposé sur le bord à un endroit éloigné du point de dépôt par mouvement de la protection (44); et on enlève continuellement le matériau expulsé du bord. 7. Méthode selon la revendication 6 caractérisé par l'enlèvement continuel du matériau déposé sur des pièces immobiles (34) du canon avoisinant la protection intérieure.