УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ РЕЗКИ ХРУПКИХ ЛИСТОВЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к электронно-лучевым и плазменным технологиям, в частности установкам для электронно-лучевой обработки непроводящих тугоплавких материалов, и может быть использована для разрезания листовых изделий из тонкого стекла, ситалла, различных видов керамики и т.д.
Известно устройство для электронно-лучевой резки, описанное в способе термической обработки заготовок электронным пучком и газом [1]. Устройство состоит из генератора вневакуумного электронного пучка, сопла для подачи сжатого газа на отрезаемое изделие. Резка изделия осуществляется электронным пучком при атмосферном давлении. Сжатый газ (кислород) подается на область воздействия электронного пучка и служит для дополнительного окисления материала и повышения скорости резки. Недостаток указанного устройства заключается в необходимости обеспечения работоспособности технически сложной системы вывода электронного пучка в атмосферу, содержащую, как правило, несколько независимых областей откачиваемых отдельными вакуумными насосами, сложную систему электропитания электронной пушки и необходимость принятия мер по защите персонала от рентгеновского излучения, неизбежно возникающего при торможении ускоренного электронного пучка о поверхность отрезаемого материала.
Известно также устройство для резки стекла, описанное в способе [2]. Устройство включает в себя лазерную систему, оптико-механическую систему направления и фокусировки излучения, механизм перемещения образца, распылитель охлаждающей жидкости для охлаждения разрезаемого стекла. Недостатком этого устройства является ограниченность материалов пригодных для резки. Оно применимо для резки только для определенного сорта стекла - сильно поглощающего лазерное излучение. Либо требует повышения мощности лазерного излучения для достижения необходимой для резки температуры. Использование коротковолнового лазерного излучения, хорошо поглощаемого основными типами стекол, не позволяет фокусировать излучение в пятно малого размера, что ограничивает точность и повышает энергопотребление устройства резки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в способе электронно-лучевой резки твердых карбидных сплавов [3]. Устройство включает в себя вакуумную камеру, термокатодную электронную пушку, горизонтальную вольфрамовую плиту для установки отрезаемого изделия. Недостатком данного устройства является невозможность резки неметаллических листовых материалов, а также дополнительные затраты энергии на создание и поддержание высокого вакуума в рабочей камере.
Назначение полезной модели состоит в снижении энергоемкости процесса резки при одновременном расширении номенклатуры разрезаемых материалов.
Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве для электронно-лучевой резки хрупких листовых материалов, содержащем вакуумную камеру и установленную в ней решетку для размещения на ней листового материала, на верхнем фланце вакуумной камеры располагается электронная пушка с плазменным катодом, под решеткой устанавливается источник направленного вверх теплового инфракрасного излучения, а в пространстве между решеткой и излучателем помещается электромагнит, выполненный с возможностью создания магнитного поля, направленного перпендикулярно оси источника.
Использование в качестве источника электронов пушки с плазменным катодом позволяет избежать накопления заметного отрицательного заряда на облучаемой непроводящей мишени (листовом неметаллическом материале), поскольку заряд стекает на стенки камеры через плазму, образующуюся вдоль траектории электронного пучка. Применение для подогрева листового материала источника направленного теплового инфракрасного излучения позволяет снизить термомеханические напряжения, возникающие за счет неравномерного нагрева разрезаемого материала, облучаемого электронным пучком в локальной области реза. Длинноволновое инфракрасное излучения практически полностью поглощается основными марками стекол, что обеспечивает эффективность нагрева именно этим источником энергии. Размещение электромагнита в пространстве между решеткой и излучателем обеспечивает защиту излучателя от попадания электронов пучка за счет их отклонения магнитным полем. Обеспечение приведенной совокупности признаков позволяет достичь цели полезной модели, а именно снизить энергоемкость процесса резки при одновременном расширении номенклатуры разрезаемых материалов в сторону непроводящих листовых материалов, преимущественно стекла и керамики.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, представленным на фигуре. Электронный источник с плазменным катодом 1 устанавливается на верхнем фланце вакуумной камеры 2. Листовой неметаллический материал (стеклянная пластина) 3 помещается на расположенную в вакуумной камере решетку 4. Под решеткой установлен источник направленного теплового инфракрасного излучения 5. Излучение направлено на решетку и листовой материал, за счет чего производится прогрев  большой площади разрезаемого материала. В пространство между решеткой и источником теплового излучения установлен электромагнит 6, полюса электромагнита располагаются таким образом, чтобы формируемое магнитом поле было направлено перпендикулярно оси источника и отклоняло электронный пучок 7 на приемный охлаждаемый коллектор 8.
5
2
Пример реализации. Для испытаний устройства была осуществлена резка листового материала из стекол марок M1 и М4 толщиной 2-4 мм и размерами 250×600 мм. Листовой материал закреплялся на металлической решетке, помещаемой в прямоугольную вакуумную камеру объемом 200 л. Для откачки камеры использовался форвакуумный насос марки BocEdwards 80М. Давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне 10-12 Па. Для формирования электронного пучка использовалась электронная пушка с плазменным катодом, позволяющая получать электронный пучок с плотностью мощности до 10 Вт/см и энергией электронов до 20 кВ. Электронный пучок направлялся на предполагаемое место начала разделения листового материала, подогреваемого инфракрасным излучателем с отражателем (задающим и направление излучения). После проплавления листового материала электронный пучок попадал в магнитный зазор электромагнита и отклонялся на угол порядка 90 градусов от первоначального направления и улавливался коллектором. Перемещение листового материала для резки осуществлялось отдельным устройством перемещения со скоростью 1 мм/с, мощность электронного пучка при резке не превышала 200 Вт. В результате использования устройства удалось провести разделение листового стекла, длина реза составила 250 мм. Для сравнения было предпринята попытка разделения стекла с использованием устройства предложенного в качестве прототипа. Экспериментально было обнаружено, что устройство, взятое за прототип, непригодно для разделения непроводящих материалов ввиду зарядки их поверхности электронами пучка. Наблюдалось отклонение пучка от места резки и существенные затраты мощности (до 1 кВ) на обеспечение необходимой для разделения стекла температуры в зоне воздействия.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить энергоемкость процесса резки при одновременном расширении номенклатуры разрезаемых материалов.
Использованные источники
1. Патент ЕР 2322309 В1. МПК В23К 15/10, В23К 15/08, H01J 37/31. Methods of and devices for thermal processing of workpieces with an electron beam and gas / Friedrich Wilhelm Bach, Alexander Beniyash, Thomas Hassel, Rudolf Konya, Nils Murray, Wilfried Ruchay; заявитель и патентообладатель - Wilfried Ruchay. - № EP 20100014478; заявл. 11.11.2010, опубл. 02.11.2016.
2. Патент США US 6812430B2. МПК С03В 33/09, С03В 33/02, В23К 26/067, В23К 26/06, С03В. Apparatus for cutting glass plate / Ki-Ryong Yoo, Choon-Taek Kim, Min-Young An, Mi-Jee Kim; заявитель и патентообладатель Rorze Systems Corporation. - № US 10/549,928; заявл. 18.03.2004, опубл. 29.12.2009.
3. Патент РФ № 2088389. МПК В23К 15/08. Способ электронно-лучевой резки / Семенов А.П.; Гырылов Е.И.; заявитель и патентообладатель Бурятский институт естественных наук СО РАН. - № 4935325/02; заявл. 07.05.1991, опубл. 27.08.1997.