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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Drehanoden-Baueinheit für eine Röntgenröhre, bestehend aus einem Drehanoden-Grundkörper und aus einer mit diesem verbundenen Welle, wobei der Grundkörper aus Graphit oder einem anderen hochwarmfesten Material auf Kohlenstoffbasis oder Keramik besteht und mit einem durch ein Beschichtungsverfahren aufgebrachten, Röntgenstrahlung erzeugenden Brennbahnbelag versehen ist.
Drehanoden für Röntgenröhren bestehen in der Regel aus einem scheibenförmigen Grundkörper mit einem ringförmigen Brennbahnbelag aus einem hochschmelzenden Metall oder Legierung, der durch Elektronenbeschuss die gewünschte Röntgenstrahlung erzeugt.
Der Zentrumsbereich des Grundkörpers ist mit einer zylindrischen, vielfach hohlen metallischen Welle verbunden, welche wiederum mit einem Rotor als Antriebselement für die Drehanode verbunden ist Drehanoden-Baueinheiten mit einer Metallscheibe als tragendem Grundkörper besitzen üblicherweise eine zentrale, durchgehende Bohrung im fertig bearbeiteten Drehanoden- Grundkörper, in welche die Welle eingeschoben und in der Regel durch Schraubverbindung mit diesem mechanisch verbunden ist. Dadurch wird eine sichere, ausreichend stabile Verbindung dieser beiden Bauelemente erreicht.
Drehanoden müssen im Betrieb innerhalb kürzester Zeit auf sehr hohe Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt werden. Aus diesem Grund werden insbesondere bei grossen Drehanoden-Abmessungen, wie sie insbesondere für die Computertomographie benötigt werden, die schweren metallischen Grundkörper vielfach durch solche aus Graphit oder aus einem anderen hochwarmfesten Material auf Kohlenstoffbasis oder Keramik mit einem genngeren spezifischen Gewicht ersetzt.
Der Vorteil des geringeren spezifischen Gewichtes dieser Materialien gegenüber Metallen mit einer vergleichbaren thermischen Belastbarkeit ist jedoch vielfach mit dem schwerwiegenden Nachteil geringerer Festigkeit verbunden, was sich insbesondere auch hinsichtlich der Verbindung zwischen Drehanoden-Grundkörper und Welle negativ auswirken kann.
So ist es insbesondere von Nachteil, dass Drehanoden aus spezifisch leichten, aber weniger festen Werkstoffen im Betrieb zum Bersten neigen, wenn der Grundkörper mit einer zentralen durchgehenden Bohrung zur mechanischen Verbindung mit der Welle versehen wird. Eine derartige Verbindung Drehanode @ Welle ist beispielsweise in der US 4 276 493 A beschrieben.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, hat es daher auch nicht an Vorschlägen gefehlt - insbesondere bei Verwendung von Graphit als Grundkörper - die Welle am Grundkörper ohne durchgehende Bohrung durch Löten zu befestigen.
Die DE 24 25 082 A1 beschreibt beispielsweise Verbindungen von Drehanoden-Grundkörpern mit hohlen Wellen durch Verschweissen und/oder Verlöten. Unter anderem wird auch die Verbindung eines Grundkörpers aus Graphit mit der Welle beschrieben Zur Verbindung wird der fertig bearbeitete und mit dem Brennbahnbelag versehene Grundkörper mit einem zentral an der Unterseite angeformten, zylindrischen Fortsatz in die rohrförmige Welle eingeschoben und dann das Ende des Fortsatzes mit der Innenwandung der Welle verlötet. Der angeformte Fortsatz ist jedoch für den Werkstoff Graphit, selbst bei grossen Obergangsradien zwischen Grundkörper und Fortsatz, aus Festigkeitsgründen keineswegs werkstoffgerecht.
Es kann durch Kerbwirkung zu Materialrissen kommen, die einen Ausfall der Drehanode im Betrieb bewirken können
Nach einem anderen Beispiel zum bisherigen Stand der Technik, gemäss dem der fertig beschichtete und endbearbeitete Drehanoden-Grundkörper mit einem geschlossenen oder bundförmig erweiterten Ende der rohrförmigen Welle stumpf verlötet wird, ist es notwendig, zumindest eine Zentrierhilfe in Form einer zentralen Ausnehmung im Drehanoden-Grundkörper vorzusehen. Da bei dieser Art der Verlötung das Lot zwischen die Kontaktflächen eingebracht werden muss, kommt es während des Lötvorganges beim Verflüssigen des Lotes trotz dieser Zentrierhilfe vielfach zu einer seitlichen Verlagerung oder einer Verkippung des Drehanoden- Grundkörpers gegenüber der Längsachse der Welle.
Dies führt zu einem Schlag in axialer und/oder radialer Richtung der Drehanode, der durch mechanische Bearbeitungen nach dem Lötvorgang wieder ausgeglichen werden muss. Insbesondere der Ausgleich eines Schlages in Axialrichtung ist bei Drehanoden mit einem durch ein Beschichtungsverfahren aufgebrachten Brennbahnbelag kostenaufwendig, da die Beschichtung mit entsprechendem Übermass aufgetragen werden muss, um einen anschliessenden Ausgleich des Schlages zu ermöglichen, ohne dass die Brennbahn an einer Stelle zu dünn wird.
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Da das Material des Brennbahnbelages teuer ist und auch die Beschichtungsverfahren an sich kostenintensiv sind, ist jede Notwendigkeit, die Schichtdicke zu vergrössern, ein gravierender Nachteil Darüber hinaus führen unterschiedliche Dicken des Brennbahnbelages auf der Drehanode zu einem unterschiedlichen Aufrauhungsverhalten der Brennbahn, was für den Einsatz ebenfalls unerwünscht ist.
Die US 5 498 186 A beschreibt ein Verfahren zum Verbinden eines Drehanoden-Grundkörpers mit einer rohrförmigen Welle. Die Verbindung erfolgt durch den Einsatz der Welle in eine den Grundkörper vollständig durchsetzende Bohrung. Anschliessend an das Verbinden von Grundkörper und Welle erfolgt eine mechanische Nachbearbeitung der Baueinheit auf die geforderten Endabmessungen.
Nachteilig bei dieser Ausführung ist die mechanische Schwächung des Grundkörpers aufgrund der diesen vollständig durchsetzenden Bohrung. Es kann beim Betrieb der Baueinheit infolge der hohen, an dieser angreifenden Kräfte zum Bruch des Grundkörpers kommen.
Aus diesen Gründen haben sich Drehanoden aus festigkeitsmässig kritischen, hochwarmfesten Werkstoffen, wie insbesondere Graphit, mit einem durch Beschichtung aufgebrachten Brennbahnbelag ohne zentrale durchgehende Bohrung des Drehanoden-Grundkörpers bis zum heutigen Tag nicht durchgesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren für Drehanoden mit festigkeitsmässig kritischen, hochwarmfesten Werkstoffen und einem durch ein Beschichtungsverfahren aufgebrachten Brennbahnbelag zu schaffen, gemäss dem eine kostengünstige, präzise, mechanisch ausreichend stabile Verbindung zwischen Drehanoden- Grundkörper und Welle erreicht wird.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein axial nicht durchbohrter Grundkörper-Rohling mit Übermass mit der Welle stoffschlüssig zu einer Drehanoden-Baueinheit verbunden wird, dass dann die Weiterbearbeitung der Drehanoden- Baueinheit durch mechanische Bearbeitung auf endformnahe Abmessungen sowie die Aufbringung des Brennbahnbelages und wahlweise eine abschliessende mechanische Bearbeitung auf das genaue Endmass erfolgt, wobei die Rotationsachse der Welle als Bezug für die Durchführung der jeweiligen mechanischen Bearbeitungen herangezogen wird
Auf diese Art und Weise ist ein beim Verbinden von Welle und Grundkörper auftretendes seitliches Verrutschen oder axiales Verkippen der Teile zueinander belanglos,
da durch die mechanische Bearbeitung mit der Rotationsachse der Welle als Bezug die genaue Ausrichtung der Teile zueinander erreicht wird. Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist es sogar denkbar, die Welle ohne jegliche Zentrierhilfe am Grundkörper zu positionieren und zu verbinden, so dass jegliche Ausnehmung im Grundkörper entfallen kann.
Je nach Art des Beschichtungsverfahrens, mit dem der Brennbahnbelag aufgebracht wird, kann es notwendig sein, die Drehanoden-Baueinheit nach der Aufbringung der Beschichtung nochmals mechanisch auf das genaue Endmass nachzubearbeiten. Bei einem Aufbringen des Brennbahnbelages mit einem PVD-Verfahren beispielsweise wird im allgemeinen eine sehr gleichmässige und glatte Schicht erreicht, deren gewünschte Schichtstärke in engen Grenzen gut steuerbar ist Bei Anwendung eines derartigen Beschichtungsverfahrens wird schon mit der Aufbringung der Beschichtung das genaue Endmass der Drehanoden-Baueinheit erreicht, so dass eine abschliessende mechanische Bearbeitung in der Regel entfallen kann.
Anders ist es, wenn der Brennbahnbelag mit einem Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird, das im Vergleich zum PVD-Verfahren etwas rauhere und ungleichmässigere Schichten ergibt In einem solchen Fall wird eine mechanische Feinbearbeitung der Beschichtung zur Erreichung des genauen Endmasses der Drehanoden-Baueinheit zweckmässig sein.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens dann, wenn die stoffschlüssige Verbindung der Welle mit dem Grundkörper durch ein Lötverfahren erfolgt, da es bei diesem Verbindungsverfahren zu einem verhältnismässig starken Verschieben bzw Verkippen der Teile zueinander kommen kann und das erfindungsgemässe Verfahren trotzdem eine hochgenaue Ausrichtung der Teile im fertig bearbeiteten Zustand der Drehanoden-Baueinheit ermöglicht
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass zuerst der unbeschichtete Grundkörper mit der Welle stoffschlüssig zu einer Drehanoden-Baueinheit verbunden wird, dann die Welle in das Spannfutter einer Drehbank eingespannt wird und der Grundkörper auf endformnahe Abmessungen überdreht wird.
In einem weiteren Schritt erfolgt die
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Aufbringung des Brennbahnbelages durch Vakuumplasmaspritzen. Abschliessend wird die Drehanoden-Baueinheit durch Schleifbearbeitung des Brennbahnbelages auf Endmass gebracht
Besonders kostengünstig ist es, wenn auch bei der Aufbringung des Brennbahnbelages durch Plasmaspritzen die Welle der Drehanoden-Baueinheit in eine Aufnahme eingespannt wird, die die Drehanode in konstantem Abstand zur Plasmakanone in Drehung versetzt.
Insbesondere dann, wenn Rhenium als sehr teurer Werkstoff für die Beschichtung der
Brennbahn eingesetzt wird, ist die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens angezeigt, da dann die Kosteneinsparung durch die erreichbare Schichtdicken-Gleichmässigkeit ohne aufwendige nachträgliche Materialabtragung voll zum Tragen kommt. Die Aufbringung des Brennbahnbelages mit Schichtstärken zwischen 60 und 150 um, insbesondere von etwa 100 um. ist hierbei ausreichend.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Herstellungsbeispieles und einer Figur 1 näher erläutert
BEISPIEL-
Figur 1 zeigt im Schnitt eine fertig bearbeitete Drehanoden-Baueinheit, bestehend aus einem diskusförmigen Grundkörper-1- aus Graphit, einem ringförmigen Brennbahnbelag -2- aus
Rhenium sowie einer Hohlwelle -3- aus TZM mit einem bundförmigen Ende-4-, das mit dem Grundkörper-1- verlötet ist.
Der Grundkörper weist einen Durchmesser von 180 mm und eine maximale Dicke von 64 mm auf. Die konische, die Brennbahn tragende Fläche-6- auf der Oberseite weist einen Neigungswinkel von 7 gegenüber der Horizontalen auf und geht in einen zentralen horizontalen Bereich-7- über Der Brennbahnbelag -2- weist eine Schichtstärke von 100 um auf Die konische Fläche-8- auf der Unterseite ist gegenüber der Horizontalen um 20 geneigt und geht in einen zentralen horizontalen Bereich-9- über. Der Bereich-9- ist mit einer 2 mm tiefen Einsenkung-10- versehen, in der die Hohlwelle -3- mit ihrem bundförmigen Ende-4- verlötet ist Die Hohlwelle -3- aus TZM weist einen Aussendurchmesser von 34 mm und eine Wandstärke von 2,5 mm auf Das bundförmige Ende-4- weist einen Aussendurchmesser von 65 mm auf.
Zur Herstellung der Drehanoden-Baueinheit nach Figur 1 wurde in einen scheibenförmigen Rohling aus Graphit mit einem Aussendurchmesser von 185 mm und einer Dicke von 68 mm auf einer Drehbank zuerst die Einsenkung-10- eingearbeitet. Der Durchmesser der Einsenkung-10- wies gegenüber dem bundförmigen Ende-4- der Hohlwelle -3- ein Übermass von 0,15 mm im Durchmesser auf.
Danach wurde der Rohling unter Einlegen einer Zirkonfolie als Lot bei 1600 C mit der fertig bearbeiteten Hohlwelle verlötet
Anschliessend wurde der mit der Hohlwelle -3- verlötete Rohling an der Hohlwelle auf einer Drehbank eingespannt und mit Ausnahme der konischen Fläche -6- auf der Oberseite die gewünschte Endkontur der Drehanode mit einem geringfügigen, allseitigen Übermass von ca 0,5 mm hergestellt Die konische Fläche -6- hingegen wurde auf die gewünschte Endkontur abzüglich einem der fertig bearbeiteten Belagsstärke entsprechenden Untermass von 100 um abgedreht
Nach dieser mechanischen Bearbeitung wurde der Brennbahnbelag -2- der Drehanoden- Baueinheit mittels Vakuum-Plasmaspritrverfahren in Form einer ca. 130 um starken Rheniumschicht hergestellt.
Anschliessend wurde der Brennbahnbelag auf das Nennmass von 100 m überschliffen und die genaue Endabmessung der Drehanoden-Baueinheit durch Überdrehen aller übrigen Flächen hergestellt. Abschliessend wurde die Drehanode gewuchtet.
Die derartig hergestellte Drehanode wurde abschliessend vermessen, wobei ein äusserst geringer, nicht störender Schlag der Brennbahn von 12 m in axialer Richtung festgestellt wurde Der Schlag in radialer Richtung betrug 27 um.
Das Beispiel beschreibt eine besonders vorteilhafte erfindungsgemässe Verfahrensvanante zur Herstellung einer Drehanoden-Baueinheit. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf diese Vanante beschränkt
So ist es auch denkbar, alle Flächen mit Ausnahme der Fläche, welche die Brennbahn trägt, schon vor der Beschichtung auf das genaue Endmass zu bringen und die die Brennbahn tragende Fläche mechanisch so auf Untermass zu bearbeiten, dass nach Aufbringen der Beschichtung mit oder ohne zusätzliche mechanische Bearbeitung das genaue Endmass der gesamten Drehanoden- Baueinheit erreicht ist.
Ebenso ist es denkbar, das geschlossene oder bundförmig verbreitete Ende der Welle ohne jegliche Ausnehmung im Graphit stumpf mit der Graphitoberfläche zu verlöten
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Auch ist das Material für die Welle keineswegs auf die Molybdänlegierung TZM beschränkt.
Andere hochwarmfeste Legierungen, beispielsweise auf der Basis von Niob oder Tantal, aber auch faserverstärkte Werkstoffe auf Kohlenstoff- oder keramischer Basis kommen ebenfalls in Betracht
Für das Material des Grundkörpers sind neben Graphit insbesondere auch noch faserverstärkte Werkstoffe auf Kohlenstoff- oder keramischer Basis vorteilhaft anwendbar
Patentansprüche:
1 Verfahren zur Herstellung einer Drehanoden-Baueinheit für eine Röntgenröhre, bestehend aus einem Drehanoden-Grundkörper und aus einer mit diesem verbundenen Welle, wobei der Grundkörper aus Graphit oder einem anderen hochwarmfesten Material auf
Kohlenstorfbasis oder Keramik besteht und mit einem durch ein Beschichtungsverfahren aufgebrachten, Röntgenstrahlung erzeugenden Brennbahnbelag versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein axial nicht durchbohrter Grundkörper-
Rohling mit Übermass mit der Welle stoffschlüssig zu einer Drehanoden-Baueinheit verbunden wird und dass in weiterer Folge die mechanische Bearbeitung der Drehanoden-
Baueinheit auf endformnahe Abmessungen, die Aufbringung des Brennbahnbelages und wahlweise, wie an sich bekannt, eine abschliessende mechanische Nachbearbeitung auf
Endmass erfolgen,
wobei für die Durchführung der jeweiligen mechanischen Bearbeitungen die Rotationsachse der Welle als Mass-Bezug herangezogen wird.