CN106232282A - 用于通过改变在束脉冲之内的工作参数在工件中产生小孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在工件(22)中产生特别是锥形的孔洞(48)的方法，在其中可通过以下方式影响孔洞(48)的轮廓和横截面，即，改变一个或多个工作参数，所述工作参数从以下参数组中选择：脉冲长度、束直径、束电流、加速电压、束聚焦、电子束(12)与束轴线(18)的相对位置、电子束(12)在工件(22)上的运动速度。

Description

用于通过改变在束脉冲之内的工作参数在工件中产生小孔的 方法

技术领域

本发明涉及一种用于在使用电子束的情况下在工件中产生小孔的方法。

背景技术

如果将电子束指向特别是金属的工件，则电子束将非常集中的能量引入材料中，由此使材料熔化。在此，材料也可能蒸发或者说气化，从而在材料中产生凹入部，该凹入部具有小的横向尺寸，由电子束在相关部位处辐射材料的时间越长，则该凹入部伸入材料中就越深。

通过以下方式可提高钻孔的效率，即，通过气体使熔化的金属从材料中排出，电子束从布置在工件之后的底板中产生该气体。

发明内容

这种方法是权利要求1所述的主题。

根据本发明设置成，改变至少一个工作参数，该工作参数从以下参数组中选择：束直径、束电流/束流量、脉冲持续时间、束聚焦、电子束与设备轴线的相对位置、电子束在工件上的轨迹速度和路程能量。由此实现，可改变孔洞的几何形状。在此，可在一束脉冲之内进行这种改变。在如下方面这也是有利的，即，可在尽可能短的时间之内进行加工。由此也可保证，除了根据期望改变的参数，其它工作条件保持不变。以这种方式，可良好的预测改变的效果。

所给出的变型方案中共同的是，改变能量引入的方式并且通过该改变实现材料的相应的不同的熔化并且由此实现孔的不同的几何形状。

在此，轮廓应理解为在绕束轴线旋转的情况下形成孔壁的生成物。换句话说，轮廓是在轴向截面图中表示孔壁的线。特别是，轮廓可为相对于束轴线倾斜地伸延的、相应于锥形的或截锥形的孔的线，或者相应于凸肚形的孔或具有腰形部的孔的凸的或凹的线。

在此，形状应理解成孔的横向的横截面的形状。

从属权利要求涉及这种方法的有利的改进方案。

本发明的根据权利要求2的改进方案允许更精细地调整孔壁与圆柱形的偏差。

根据权利要求3和4的方法用于相同的目标。

在此，本发明的根据权利要求5的改进方案在实现良好的壁质量的情况下有利于以短的加工时间制造孔。

本发明的根据权利要求6的改进方案在实现从孔洞中特别有效且快速地吹出熔化的金属方面是有利的。

根据权利要求7的改进方案在实现孔壁的特别好的表面质量方面是有利的。

本发明的通过根据权利要求8的改进方案实现，在较厚的材料中也能实现有异型轮廓的孔。

本发明的根据权利要求9的改进方案再次在实现从孔洞中的良好地除去液态材料方面是有利的。

本发明的根据权利要求10的改进方案在产生孔的更高的变化性的方面是有利的。由此可实现，与在一个脉冲的进程中相比可以选择彼此前后相继的束脉冲的更多不同的性能，以得到孔区段的更多不同的期望的性能。

本发明的根据权利要求11的改进方案在实现孔洞壁的良好的表面质量方面是有利的。

根据权利要求12的方法一方面允许使用基于例如常见的数字式符号的技术来引导电子束。此外，通过推迟或提早向下一轨迹点的移动，可以通过以增量的方式继续使电子束运动来以简单的方式改变电子束在预定部位处的停留时间。

本发明的根据权利要求13的改进方案在利用在数字式符号中使用的程序步骤方面是有利的。在此，可以非常简单的方式从彼此中导出在几何方面相似的、然而仅仅以比例区分的曲线。对于在避免工件材料不必要地转化为气相的情况下将工件材料充分熔化方面所提出的确定不同轨迹相对于束直径的距离是有利的。

根据权利要求14的方法减小了在孔的周围中热造成的内应力的风险。

附图说明

下面根据参考附图的实施例详细解释本发明。其中：

图1示出了电子束机以及用于其运行所需的电子装置的示意图；

图2示意性地示出了在借助于电子束产生孔时的不同阶段；以及

图3示出了不同的轨迹曲线和图表，其用于解释异型轮廓的且非圆形的孔的制造。

具体实施方式

在图1中显示的电子束机具有整体以附图标记10表示的电子枪，该电子枪产生电子束12。在电子枪10之后设置聚焦单元14，该聚焦单元可包括一个或多个静电的或电磁的透镜。

束路径中的偏转单元20位于在聚焦单元14后方，偏转单元20使电子束12在两个独立的坐标方向上基本上平行于电子枪10的轴线17移动。为了描述本发明的目标，假设可通过极坐标表示该移动，即，电子束射入的半径R和角度W，该角度在垂直于束方向z的假想的参考平面中相对于位于该参考平面中的参考方向测量而得。

在偏转单元20后方设置转向单元16，该转向单元使电子束12转而朝向设备轴线18。

电子束12在转向单元16后方射到工件24上，底板24位于工件24后方。

枪控制单元26与电子枪10相连接，枪控制单元26预定并且提供加速电压U和束电流I。

为聚焦单元14设置焦点控制单元28，该焦点控制单元提供预定焦点位置的信号S。

转向控制单元30为转向单元16提供恒定的信号K，该信号预定电子束12在转向单元16中的倾斜角度。

偏转控制装置32与偏转单元20共同工作，偏转控制装置32提供两个独立的控制信号R和W，其中，一个控制信号(R)预定电子束12与枪轴线17的径向距离，并且另一控制信号(W)预定电子束12在垂直于束方向的参考平面中相对于位于该平面中的参考方向的角度位置。

不同的控制单元26至32与主控制装置34相连接，主控制装置34控制电子束机的工作。可在屏幕36处控制并且通过键盘36影响主控制装置34的工作。

数据储存器40可包括用于不同加工的数据和程序。

在附图中未详细示出的感应器、例如以附图标记42显示的感应器可与主控制装置34相连接，以一同测量在电子束机中的真空和其它运行参数。其它未示出的、对于电子束机的运行来说必要的、受控的负载，例如真空泵、用于操纵闸门的伺服电机、用于工件的输送装置等也连接到主控制装置34上。

图2示出了用于产生孔的四个不同阶段。

在阶段a)中，电子束沿着设备轴线熔化工件22的第一材料区域。

在阶段b)中，已经存在了需要产生的孔的无材料的芯，该孔边缘区域还由空心的已熔化的金属层46形成，该金属层46具有细的锥形的形状。

在阶段c)中，电子束12熔穿工件22的材料直至后侧，并且到达底板24的最上部的区域。

由于底板24由可轻易地通过电子束蒸发的材料、例如在低温时蒸发的金属制成，现在产生较大量的金属蒸汽，这些金属蒸汽吹出液态的金属层46，例如在阶段d)中示出。

作为用于底板24的材料，特别可考虑：塑料、特别是环氧树脂、硅树脂化合物、石膏或包含结晶水的结晶材料、黄铜、油漆层、包括由上述材料的颗粒制成的固体填充物的薄膜或板，以及上述材料的混合物。

具有几毫米厚度且具有高的石英粉填充份额的硅树脂板是特别优选的。

典型地，底板为2-3mm厚的板的形式，其通过气垫(未示出)保持贴靠在工件22的下侧处。如此设计底板22的厚度，即，在加工过程中底板仅仅能小部分地被电子束横穿，为此，其长度选择使得仅仅比电子射线到达底板所需的时间长一很短的时间段。

重要的是，底板24与工件22的后侧具有良好的面式的形状配合。

在阶段d)中以附图标记48表示如此制成的孔洞。

在图2中，在阶段d)中可看到孔的轮廓，该轮廓作为其周缘面与图纸平面的交线。如所述的那样，在此理解成通过孔洞48的横向截面的形状的横截面或形状与该轮廓是不同的。典型地，在图2中示出的孔洞48基本上是圆形的横截面。

在产生根据图2的孔时，电子束12从阶段a)至阶段b)都精确地位于设备轴线上。

以束脉冲的形式产生电子束12，该束脉冲以均匀的时间间隔彼此前后相继。电子束的唯一的脉冲经过在图2中示出的阶段a)至阶段d)行进，刚好如此地在其强度和持续时间上设计该脉冲，即，该脉冲足够钻出孔48。

可通过以下几点影响所产生的孔的轮廓和横截面，

a)电子束12的几何形状(横截面和外轮廓)，

b)束电流，

c)束脉冲的长度，

d)电子束在工件22上运动所遵循的轨迹的几何形状，

e)电子束12被引导到工件上的速度，

f)工件22的材料性能，

g)以及在很小的范围(在此处正好要考虑的条件下)中的地板24的材料性能。

现在，参考图3，其示出了通过将电子束以不同轨迹引导到工件上且在改变电子束机的工作参数的情况下在工件中产生不同几何形状的孔。

在图中以实线示出了电子束12在工件表面上绕设备轴线18工作的轨迹B、B1和B2，Q表示束横截面、D表示束直径、I表示束电流、R表示轨迹半径、W表示相对于观察的轨迹点的角度并且48表示孔。

如果想要具有其它异型轮廓或其它横截面的孔，使电子束12以其几何形状和/或一个或多个其它工作参数变化，和/或在与设备轴线18间隔开的轨迹B上引导。

在图3中的行(a)中的左侧示出了圆形的轨迹B。

在束循环的两个循环(两个周期)上维持束电流I。在这两个循环之内，刚好完全熔穿工件的材料。如此确定束电流的大小，使得在圆形之内的材料和在横截面上在圆形轨迹B的外侧上的对称的材料量熔化。

在变型方案中，也可减小或增大束电流，例如以虚线示出。

由此，在吹出熔化物之后，得到具有轻微斜度的孔洞，例如从实践中得到，与在电子束从基质中的离开部位处相比，在电子束的进入侧上的材料更长时间地加热。

在图3的行(a)的第二和第三图中，示出了距离R和角度W根据时间T的变化，其中，时间单位相应于束的循环。

从(a)的中间的图中可看出，在脉冲时间上也可停止表示半径的信号R。相似的也适用于行(a)的最后的图示，因为角度信号W可连续地延续，从而在此也不必产生垂直的信号侧边。以实线表示的图示仅仅相应于周期过程的标准图，在其中，采用2π的倍数以减小图示的空间需求。

在已经描述的实施例中，电子束12在其上运动的圆的半径等于束直径的一半。在变型方案中，也可在这样的圆形轨迹上引导电子束，即，该圆形轨迹的直径小于束直径的例如10％至50％。那么，得到更小的孔，这些孔的周缘壁同样倾斜地伸延。

在图3的行(b)中，示出了用于产生具有更大锥度的孔的相应情况。电子束12在以小十字表示的点处开始并且在通过小圆表示的点处结束。

电子束12首先在第一圆形轨迹B1上被引导360°，电子束12在轨迹B1上将工件熔化到第一深度，第一深度约为工件22的厚度的1/3。

在第二和第三循环中，半径r连续减小，如从行(b)的第三图示中得到的那样。在此，切割深度如此增加，使得在第三循环结束时达到底板24的上侧。

角度图相应于行(a)的角度图。

可看出，以这种方式可从表面开始产生这样的孔，即，该孔具有比通过束几何形状和热效应预定的锥度更大的锥度。在此，如此工作，即，束在两个循环时间之内向内部行进。

电子束双重地或者更频繁地运动经过孔壁的上部的第一部分也保证，孔壁的表面性能良好。

在图3的实施例(b)的变型方案中，电子束的强度也可以如下方式变化，即，电流强度随着时间下降(虚线示出)。这也在锥度增大的方向上作用。

在图3的示例(a)的变型方案中，可增加或减小电流强度，并且由此如虚线指出的那样提高或减小孔的锥度。

图3的行(c)示出了在产生基本上正方形的孔时的情况。在恒定的角速度(第四个图表)时，必须如此调制偏转电流，使得束在距离增加的情况下运动到角部中并且在距离R减小的情况下从角部运动回来。这例如可近似地通过正弦的调制实现，其例如在图3的行(c)的第三个图中给出。

通过沿着基本上正方形的轨迹B1的引导中，在预定的角速度W的情况下，每段轨迹的电子束的强度都变化。为了平衡这种情况，可在轨迹的这样的区域中短暂地提高电流，即，在该区域中从正方形的角部中驶出，例如示意性地在行(c)的第二图中示出。出于简单性原因，示出了以尖点方式示出的顶点P，其在实际中可以是圆滑的与钟形曲线相似的曲线。

在轨迹B1上的一个循环之后，如此长时间地在设备轴线上设置电子束12，即，在此与沿着轨迹B1相同程度地熔化材料。这样停止在设备轴线上在形式上被视为第二轨迹B2。用于经过轨迹B1和B2的总时间是节拍时间T。

再次利用第二节拍时间长度的电子束的脉冲整体产生缺口。这如此进行，即，在第一节拍之后由束产生的槽的深度继续被向前推进直至工件的中心，并且在第二循环时完全穿过工件直至基质的上侧。

行(d)示出了产生具有更大锥度的、具有小的直径的孔。为此，可使保持在设备轴线18上的电子束12射到工件表面上。在作用过程中，减小束直径D，例如可从行(d)的右侧的部分图中示出。同时，减小束电流I，例如可从中间的图中看出。在加工开始时，在束直径D减小之前，在一定的时间上保持束直径D恒定，例如可从行d)的第三部分图中看出。在曲线D(T)中的平台的宽度允许，调整孔的锥度。例如，可通过电子束的散焦和聚焦引起电子束的横截面变化。

以上已经参考图3的(b)阐述了，如何可以产生横截面大于束横截面的孔。

图3的行(e)示出了产生具有较大锥度的大的孔洞的另一可能性，在其中，电子束12在两个同心的圆形轨迹上被引导。首先在外部的圆形轨迹B1上，随后在内部的圆形轨迹B2上。

在这种轨迹运动中，使在孔洞之内的材料分解，并且之后当电子束12到达底板24的上侧时，通过所产生的气体使液态金属排出。

如在图3的行(e)的第二部分图中示出的那样，减小用于内部圆形轨迹B2的束电流。如此实现减小，使得在所有轨迹部分上，每个距离单位上为熔化金属提供的束能量(路程能量)、确切地说束功率是相同的。

如此利用恒定的路程能量工作通常对于产生孔洞来说是优选的。

在此，也可考虑，在束引导轨迹的弧形部分中，位于束轨迹的凹侧上或被束轨迹包围的材料区域比在束轨迹的凸侧上的材料区域更多地被加热。

通常，与通过调节束电流相比，通过调节束速度可更简单地调整恒定的路程能量。

对于几个应用方案可为有利的是，以非恒定的路程能量工作，以例如在束引导轨迹的确定区段中更多地蒸发工件的材料。

也可在加工过程的进程中改变路程功率，以例如在待驶出的角部时简单地保持轨迹曲线并且尽管如此局部更强地熔化材料，这将形成孔洞的凸起。例如，在产生根据图3的行(c)的孔时可使用这种方法，以便尽管在圆形轨迹上引导电子束的情况下，也加工出期望的正方形的四个角部。

在以上描述的实施例中，始终利用这种在电子束的轨迹速度和束脉冲的长度之间的匹配进行加工，即，工件22在电子束的两个或三个循环中完成加工。

当然也可利用一个循环或者多于三个循环工作。

通常适用的是，在利用电子束的仅仅一个循环产生孔时，获得这样的孔壁，即，其表面质量不均匀。在两个循环时，已经得到了明显更好的表面质量，并且在对孔壁的表面质量要求更高时，也可利用两个至十个循环产生孔。

在使用多个循环时，在仅仅需要满足平均要求的工件中带来的问题是，加工时间和加工成本的增加与孔洞壁的表面质量的改善不再具有良好的比例关系。但是，对于其中孔壁的质量非常重要的高品质工件来说，可完全利用10个、20个直至50个循环工作。在这种情况中，可减小用于这样的循环的束功率，即，在其中，不再需要显著地减少材料量而是用于使孔壁平滑。

在以上描述的实施例中，当已经完成孔时，就完全切断束。在这样的情况中，即，其中在孔周围的材料中不产生稍后可能导致材料断裂的较大应力，有利的是，可使电子束在工件的邻近孔洞的区域上进行一个或多个循环，以在此使温度下降更缓慢。

这种调温循环以减弱的束功率进行，从而不进行显著的进一步的工件材料去除。在图3中的行(e)中，示出了在B3中在180°上相应的调温轨迹。对于这种调温，减小束电流和/或提高束速度和/或增大束横截面。

以下示例性地还给出用于工作温度的数值示例：

–0.8mm至4mm的工件厚度

–120kV的加速电压

–1μs至1ms的束脉冲时长

–＞40μm的束直径

–底板的材料：由硅树脂物质制成的2mm至3mm的板，具有80％至90％的石膏和/或黄铜形成的填充颗粒，

-产生80μm至1200μm的典型孔直径

以下段落以通用的方式描述其它方法的根据本发明的方面。申请者具有对以下段落中描述的方面中的任一个要求保护的权利：

1.一种用于在使用电子束(12)的情况下在工件(22)中产生小孔(48)的方法，在其中

a)将工件(22)放到底板(24)上，所述底板在能量输入时释放气体；并且

b)如此长时间地将所述电子束(12)指向工件(22)，直至该电子束到达底板(24)。

2.根据段落1所述的方法，其特征在于，改变至少一个工作参数，所述工作参数从以下参数组中选择：束直径、束电流、脉冲持续时间、束聚焦、电子束(12)与设备轴线(18)的相对位置、电子束(12)在工件(22)上的轨迹速度、路程能量。

3.根据段落1或2所述的方法，其特征在于，改变所述参数组中的两个或多个工作参数。

4.根据段落3所述的方法，其特征在于，同时改变所述被改变的工作参数中的至少两个。

5.根据段落3或4所述的方法，其特征在于，先后改变所述被改变的工作参数中的至少两个。

6.根据段落1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在一束脉冲之内进行所述改变。

7.根据段落1至6中任一项所述的方法，其特征在于，加工时间包括电子束(12)在工件(22)上的两个或多个运动循环，优选地2至50个运动循环，更为优选地2至20个运动循环，更为优选地2至10个运动循环。

8.根据段落7所述的方法，其特征在于，在第一束循环中仅仅不完全地在其厚度上熔化所述工件(22)并且在最后一个束循环中、优选地几乎在该束循环结束时达到所述底板的表面。

9.根据段落7或8所述的方法，其特征在于，在最后的循环中的至少一个中、优选地最后五个循环中，使电子束(12)在径向向外的方向上调整这样的距离，即，所述距离相应于束直径的一小部分、优选是束直径的约2％至约5％。

10.根据段落1至9中任一项所述的方法，其特征在于，利用2个、3个、等彼此前后相继的束脉冲产生孔(48)。

11.根据段落10所述的方法，其特征在于，利用第一束脉冲熔化工件直至工件厚度的至少约一半、三分之一等的深度，但是其中，还未到达底板(24)，并且利用第二、第三等束脉冲熔穿剩余的材料板件直至底板(24)并且再次经过由上述的第一束脉冲产生的部分的孔(48)的壁。

12.根据段落11和段落2所述的方法，其特征在于，第二、第三等束脉冲通过其参数中的从所述参数组中选出的一个参数与第一束脉冲区分。

13.根据段落12所述的方法，其特征在于，如此使为了加工目的引导电子束(12)的运动速度和轨迹相互协调，使得在产生孔的至少一个区段时两次扫过所述区段。

14.根据段落1至13中任一项所述的方法，其特征在于，以增量的方式经过电子束(2)的轨迹。

15.根据段落1至14中任一项所述的方法，其特征在于，在这样的轨迹上彼此前后相继地引导电子束(12)，即，所述轨迹在垂直于束的运动方向的方向上的距离小于束直径、优选是束直径的10％至40％、更为优选是束直径的15％至25％。

16.根据段落1至15中任一项所述的方法，其特征在于，在完成孔之后，将电子束(12)引导到包围孔的材料的边缘上，优选地以降低的能量，不熔化且不蒸发工件的材料。

Claims (14)

1.一种用于在使用电子束(12)的情况下在工件(22)中产生小孔(48)的方法，在其中

a)将工件(22)放置到底板(24)上，所述底板在能量输入时释放气体；

b)使电子束(12)一直指向工件(22)，直至该电子束到达底板(24)；

c)改变至少一个工作参数，所述工作参数从以下参数组中选择：束直径、束电流、脉冲持续时间、束聚焦、电子束(12)与设备轴线(18)的相对位置、电子束(12)在工件(22)上的轨迹速度、路程能量；以及d)在一个束脉冲内进行所述改变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，改变所述参数组中的两个或多个工作参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，被改变的工作参数中的至少两个同时改变。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，被改变的工作参数中的至少两个彼此先后相继地改变。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，加工时间包括电子束(12)在工件(22)上的两个或多个运动周期，优选地2个至50个运动循环，更为优选地2个至20个运动循环，更为优选地2个至10个运动循环。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在第一束循环中仅仅不完全地在其厚度上熔化所述工件(22)并且在最后一个束循环中、优选地几乎在最后一个束循环结束时达到所述底板的表面。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在最后的循环中的至少一个中、优选最后五个循环中，使电子束(12)在径向向外的方向上调整一距离，所述距离相应于束直径的一小部分、优选为束直径的约2％至约5％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，利用2个、3个等彼此前后相继的束脉冲产生孔(48)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用第一束脉冲熔化工件直至工件厚度的至少约一半、三分之一等的深度，但是其中，还未到达底板(24)，并且利用第二、第三等束脉冲熔穿剩余的材料板直至底板(24)并且由上述的第一束脉冲产生的部分的孔(48)的壁被经过。

10.根据权利要求9和权利要求1所述的方法，其特征在于，第二、第三等束脉冲在从所述参数组中选出参数中的一个参数方面与第一束脉冲不同。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使为加工目的引导电子束(12)的轨迹和运动速度相互协调，使得在产生孔的至少一个区段时两次扫过该至少一个区段。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，以增量的方式经过电子束(2)的轨迹。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在这样的轨迹上彼此先后相继地引导电子束(12)，即，所述轨迹在垂直于束的运动方向的方向上的距离小于束直径、优选为束直径的10％至40％、更为优选15％至25％。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在完成孔之后，将电子束(12)引导到包围孔的材料的边缘上，优选地以不熔化且不蒸发工件的材料的降低的能量。