DE2910732A1 - Verfahren zur verhinderung von gratbildung beim elektronenstrahlbohren - Google Patents
Verfahren zur verhinderung von gratbildung beim elektronenstrahlbohrenInfo
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Description
UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION
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Hartford, CT 06101
U.S.A.
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VERFAHREN ZUR VERHINDERUNG VON GRATBILDUNG BEIM ELEKTRONENSTRAHL-BOHREN.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren
von Löchern, Schlitzen oder anderen Durchlässen durch eine Werkstückwand mit einer zuerst und zuletzt durchdrungenen Oberfläche
durch örtlich beschränktes Auftreffen eines Energiestrahles auf
die erste Oberfläche, wobei geschmolzene Werkstückspritzer während des Bohreisaus dem Loch herausgeschleudert werden und auf
der ersten Oberfläche auftreffen und mit dieser um den Umfang
des Loches herum verschweisst werden in Form von einem oder mehreren Graten.
Der Verwendung der Elektronenstrahlenergie zum Bohren von einem oder mehreren Löchern in einem metallischen oder nicht
metallischen Werkstück ist erst neulich untersucht worden. In der US Patentanmeldung Nr. 861.776 vom 19.Dezember 1977 wird die
Verwendung einer sogenannten Rückenschicht, im allgemeinen in Form eines auf der während des Bohrvorganges zuletzt durchdrungenen
Oberfläche des Werkstücks aufgebrachten Beschichtung beschrieben. Das Ziel der Rückenschicht ist es überflüssige
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Elektronenstrahlenergie beim Durchdringen der zuletzt durchdrungenen
Werkstückfläche aufzunehmen und einen ausreichenden
Dampfdruck durch den auf sie örtlich wirkenden Strahl zu erzeugen, um das geschmolzene Werkstückmaterial aus dem zu
bohrenden Loch gegen die Ausbreitungsrichtung des Strahles herauszuschleudern, d.h. aus dem Eingang des Loches in der zuerst
durchdrungenen Oberfläche des Werkstückes. Durch dieses Herausschleudern des geschmolzenen Materiales aus dem Bohrloch tritt
jedoch das Problem der Gratbildung um den Umfang des Loches in der zuerst durchdrungenen Oberfläche auf. Die Grate scheinen sich
aus den aus dem Loch herausgeschleuderten geschmolzenen Spritzer zu bilden, welche sich dann auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche
in der Nähe des Lochumfanges mit dem Werkstück verschweissen. Eine teuere Endbehandlung des Metalls ist erforderlich, ura
die Grate am Bohrlochumfang zu entfernen.
Während der Entwicklung des Elektronenstrahlbohrens sind die Parameter des.Bohrvorganges, wie etwa die Strahlenergie, die
Impulsdauer und die Brennpunktgrösse so eingestellt worden,dass die Gratbildung um den Umfang herum auf ein Minimum begrenzt
worden ist. Diese Versuche haben sich jedoch als nicht wirksam erwiesen, insbesondere vom Standpunkt einer wirtschaftlichen
Produktion.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die ebengenannten
Nachteile beim Bohren mit einem energiereichen Strahl zu vermeiden.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch Beschichten
der zuerst durchdrungenen Oberfläche vor dem Bohren mit einer Verschleisschicht aus Abdeckmaterial, sodass die während dem
Bohren der Werkstückwand aus dem Loch herausgeschleuderten,
geschmolzenen Spritzer auf dieser Schicht abgesetzt werden, wobei das Abdeckmaterial durch einen hohen Temperaturwiderstand gekennzeichnet
ist, sodass, obschon die Strahlenergie leicht durch die Schicht dringt um die erste Oberfläche zu treffen, die auf ihr
abgesetzten geschmolzenen Spritzer nicht durch die Schicht hindurchdringen,,
um sich mit der ersten Schicht zu verschweissen und die in der Werkstückwand während des Bohrens erzeugte Wärme
die Schicht nicht merklich abbaut, sodass die Adhäsion an der ersten Oberfläche verlorengeht, wobei das Abdeckmaterial ausserdem
die Werkstückeigenschaften nicht beeinträchtigt.
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Das Abdeckmaterial soll die Eigenschaften oder Struktur des
Werkstückes nicht durch Einbringen von Verunreinigungen während des Bohrens beeinträchtigen. Obschon verschiedene keramische
Materialien als Abdeckschicht nützlich sind, stellt Borenitrid, z.B. in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen Schicht auf
der zuerst durchdrungenen Oberfläche ein bevorzugtes Abdeckmaterial dar. Typisch wird die Borenitridschicht durch Mischen
von Bornitridteilchen mit einem flüssigen Lösungsmittel,wie etwa Wasser, und einem Bindemittel und durch gleichmässiges Bürsten
oder Sprühen der Breimischung auf die zuerste durchdrungene Oberfläche gebildet. Eine haftende Bornitridabdeckschicht wird durch
Trocknen der Breibeschichtung auf der Werkstückoberfläche
erreicht.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung ist eine
schematische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung an einer Werkstückwand mit einer Rückenschicht und einer Abdeckschicht dargestellt.
Es ist eine zu durchbohrende Werkstückwand 2 dargestellt,,
welche eine zuerst durchdrungene Oberfläche 4 und eine zuletzt
durchdrungene Oberfläche 6 hat, wobei die zuerst durchdrungene Oberfläche einer Elektrodenstrahlkanone 8 gegenüberliegt, welche
einen Elektronenstrahl 8a erzeugt und den Strahl auf die zuerst durchdrungene Oberfläche zwecks Bohren richtet. Auf der zuletzt
durchdrungenen Oberfläche ist eine Schicht 10 aus Rückenmaterial dargestellt, um die vom Strahl überflüssige Energie zu absorbieren,
wenn dieser die Oberfläche durchdringt und um einen ausreichenden Dampfdruck zu erzeugen, um das Herausschleudern des
geschmolzenen Werkstückmaterials aus dem Eingang des Loches in
der zuerst durchdrungenen Oberfläche zu bewirken. Normalerweise besteht die Rückenschicht aus einer entfernbaren Matrix 10a und
energieabsorbierenden Füllerteilchen 10b, welche in dieser Matrix gleichförmig verteilt sind. Beispiele solcher Materialien
für die Rückenschicht sind in der obengenannten US-Patentanmeldung beschrieben.
Gemäss dem Verfahren der Erfindung wird die Bildung von
Graten um den Umfang am Eingang des zu bohrenden Loches verhindert indem auf die zuerst durchdrungene Oberfläche vor dem Bohren
ein Abdeckmaterial, vorzugsweise in Form einer im wesentlichen
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ununterbrochenen Schicht 12, aufgebracht wird, wobei das Abdeckmaterial
einen hohen Temperaturwiderstand hat, sodass heisse, geschmolzene Spritzer, die aus dem Bohrloch herausgeschleudert
und auf der Schicht während des Bohrens abgesetzt werden,diese nicht schmelzen und/oder verdampfen.um mit der Oberfläche 4 in
Berührung zu kommen und sich mit dieser zu verschweissen und die in der Werkstückwand 2 durch das Bohren erzeugte Wärme keinen
Haftverlust,Abschälen oder starkes Verzerren der Schicht bildet.
Solange die Abdeckschicht an der zuerst durchdrungenen Oberfläche während des Bohrvorganges haften bleibt, wird die Gratbildung
um den Lochumfang minimal bleiben oder verhindert werden. Selbstverständlich wird der Teil der Absteckschicht auf den der
Elektronenstrahl auftrifft geschmolzen und/oder verdampft,damit
der Strahl die Oberfläche 4 zum Bohren treffen kann. Im allgemeinen
sind die Elektrodenstrahlleistungswerte, welche zum Bohren von Werkstücken, wie z.B. Metallen oder Legierungen, mehr
als ausreichend, um den Strahl schnell durch die Abdeckschicht dringen zu lassen.
Eine andere Anforderung an die Abdeckschicht besteht darin, dass sie während des Bohrvorganges die Struktur oder Eigenschaften
des Werkstückes beim Bohren nicht verunreinigt oder nachteilig verändert. Z.B. darf beim Bohren von Metallwerkstücken
die Abdeckschicht keine Verunreinigungselemente enthalten, welche die mechanischen Eigenschaften des Werkstückes in der Umgebung
des Loches versprödet oder auf andere Weise nachteilig beeinflusst.
Der Fachmann wird leicht erkennen, dass das aus der Abdeckschicht auszuschliessende störende Element von der jeweiligen
Art des zu bohrenden Werkstückes abhängt. Zusätzlich ist es auch sehr wünschenswert, dass das Abdeckmaterial keine nachteilige
oder verletzende Wirkung auf die Elektronenstrahlkanone hat,
wenn zu Beginn des Bohrvorganges die Schicht örtlich geschmolzen und/oder verdampft wird.
Verschiedene keramische Materialien haben sich als geeignet herausgestellt und werden zur Verwendung als Abdeckschicht beim
Bohren von metallischen Werkstücken, wie etwa Nickellegierungen, bevorzugt. Die meisten Materialien werden vorzugsweise in
flüssiger oder Breiform auf die zuerst durchdrungene Oberfläche aufgebracht. So wird z.B flüssiges Natriumsilikat auf die
Oberfläche in Form einer Schicht aufgebracht und dann getrocknet,
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im die gewünschte Abdeckschicht zu bilden. Der Brei enthält
normalerweise in einer verdampfbaren Verdünnungsflüssigkeit ,
wie etwa Wasser oder eine organische Flüssigkeit oder eine Mischung derselben, dispergierte keramische Teilchen und vorzugsweise
ein Bindemittel bekannter Art. Ein Netzmittel kann auch
im Brei enthalten sein, um eine gleichmässige und durchlaufende
Beschichtung der zuerst durchdrungenen Oberfläche sicherzustellen.
Beispiele von in Breiform aufgebrachten Abdeckschichten sind Magnesiumoxydmilch, fein zerriebene Tonerde in einem Polystyrenbindemittel,
Bornitrid in einer wässrigen Lösung mit einem Aluminat oder anderen Bindemittel, in einem organischen Binder
dispergierter Glassatz, der unter der Firmenbezeichnung Delta Glaze 17 von Acheson Colloids Company hergestellt wird, das unter
der Firmenbezeichnung Nicrobraze green von der Firma Colmonoy Corporation hergestellte Abdeckmaterial und eine von üer Firma
G.W.Smith and Sons,Inc. unter der Firmenbezeichnung Protect-O-Metal hergestellte Schweisspritzerpräventivschicht.
Die Abdeckschichten in Breiform können durch Bürsten, Sprühen oder
andere herkömmliche Techniken auf die zuerst durchdrungene Oberfläche aufgebracht werden. Selbstverständlich kann die Menge an
flüssigem Verdünnungsmittel und/oder Netzmittel in der Breimischung
nach Wunsch verändert werden, um die richtige Streichfähigkeit
oder Viskosität für die ausgewählte Auftragtechnik
zu erreichen. Nachdem die Breimischung auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche des Werkstückes aufgebracht worden ist,wird
sie an der Luft oder im Ofen getrocknet, um die gewünschte ununterbrochene,
anhaftende Abdeckschicht zu bilden. Ein bevorzugtes Abdeckmaterial ist Bornitrid, welches in Breiform (z.B. eine
etwa 50 Gewichtsprozent Bornitridteilchen und ein Bindemittel, wie etwa Natriumaluminat, enthaltende wässrige Lösung) aufgebracht
worden ist und dann an der Luft oder im Ofen getrocknet wird, um
eine im wesentlichen ununterbrochene und anhaftende Bornitridabdeckschicht
auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche zu erzeugen. Jedoch wird eine Abdeckschicht, welche im festen Zustand auf der
Werkstückoberfläche aufgebracht werden kann, durch ein Hochtemperaturglasgewebe dargestellt, welches unter der Firmenbezeichnung
Mystik Tape 2001 von Borden Incorporated hergestellt wird. Selbstverständlich hängt die Art, ebenso wie die Dicke der
benutzten Abdeckschicht von dem zu bohrenden Werkstück, der Tiefe
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des zu erzeugenden Loches und anderen Faktoren ab. Der Fachmann
wird leicht geeignete Kombinationen aus Abdeckmaterialien,Werkstückmaterialien
und Schichtdicken herausfinden. Für eine Bornitridschicht, welche auf ein Werkstück aus Nickel oder einer
Legierung auf Kobaltbasis aufgebracht wird, hat sich eine Schichtdicke der Grössenordnung von 25 bis 125 A/VU- als zufriedenstellend
bei der Verhinderung von Graten bis zu Bohrlochtiefen von 2 cm herausgestellt.
Obschon das Aufbringen des Abdeckmaterials auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche in Form einer im wesentlichen ununterbrochenen
Schicht bevorzugt wird und am einfachsten ist, ist erkennbar, dass die tatsächlich erforderliche Oberflächenabdeckung
nur so gross zu sein braucht, dass sie die Gratbildung in der Nähe des Bohrlochumfanges verhindert. So kann in verschiedenen
Fällen weniger als die Gesamtoberfläche mit einer Abdeckschicht versehen werden. Selbstverständlich wird die erforderliche Grosse
der Abdeckschicht auf der zuerst durchdrungenen Oberfläche von der Anzahl der zu bohrenden Löcher und deren Grosse abhängen.
Weil die Abdeckschicht normalerweise von der Werkstückoberfläche
nach Beendigung des Bohrvorganges entfernt wird, ist es wichtig , dass die Schicht eine Verschleisschicht ist und leicht
mit herkömmlichen Mitteln entfernt werden kann. Die keramischen Abdeckschichten nach der Erfindung können leicht mittels solcher
herkömmlichen Techniken wie Auflösen (in heissem Wasser, starken Säuren oder Basen), Erwärmen, Abziehen und dergleichen entfernt
werden. Obschon die Erfindung anhand eines Loches, dessen Längsachse senkrecht zur Werkstückoberfläche steht, beschrieben
worden ist, ist es selbstverständlich, dass ein oder mehrere Löcher, deren Längsachsen schiefwinklig zu den Oberflächen stehen,
gebohrt werden können. Äusserdem ist für den Fachmann selbstverständlich,
dass die Abdeckschicht nach der Erfindung bei anderen Bearbeitungsverfahren benutzt werden kann, die einen
Energiestrahl benutzen, um Material durch das Werkstück hindurch zu entfernen, wie z.B. beim Laser- oder Ionenbohren.
$03839/089$
Claims (7)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zum Bohren von Löchern, Schlitzen oder anderen Durchlässen durch eine Werkstückwand mit einer zuerst und zuletzt durchdrungenen Oberfläche durch örtlich beschränktes Auftreffen eines Energiestrahles auf die erste Oberfläche, wobei geschmolzene Werkstückspritzer während des Bohrens aus dem Loch herausgeschleudert werden und auf der ersten Oberfläche auftreffen und mit dieser um den Umfang des Loches herumverschweisst werden in Form von einem oder mehreren Graten, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des fast vollständigen Verhinderns der Gratbildung durch Beschichten der zuerst durchdrungenen Oberfläche vor dem Bohren mit einer Verschleisschicht aus Abdeckmaterial, so dass die während dem Bohren der Werkstückwand aus dem Loch herausgeschleuderten geschmolzenen Spritzer auf dieser Schicht abgesetzt werden, wobei das Abdeckmaterial durch einen hohen Temperaturwiderstand gekennzeichnet ist, so dass, obschon die Strahlenergie leicht durch die Schicht dringt, um die erste Oberfläche zu treffen, die auf ihr abgesetzten geschmolzenen Spritzer nicht durch die Schicht hindurchdringen, um sich mit der ersten Schicht zu verschweissen und die in der Werkstückwand während des Bohrens erzeugte Wärme die Schicht nicht merklich abbaut, so dass die Adhäsion an der ersten Oberfläche verlorengeht, wobei das Abdeckmaterial ausserdem die Werkstückeigenschaften nicht beeinträchtigt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der909839/0895Energiestrahl ein Elektronenstrahl ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckmaterial ein keramisches Material ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material Bornitrid ist.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckmaterial in flüssiger Form auf die zuerst durchdrungene Oberfläche aufgebracht wird und dann getrocknet wird, um eine im wesentlichen ununterbrochene Abdeckschicht auf der Oberfläche zu bilden.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckmaterial partikelförmig ist und auf die erste Oberfläche aufgebracht wird indem ein Brei aus den Partikeln, einem Bindemittel und einem flüssigen Verdünnungsmittel gemischt wird, dieser Brei auf die erste Oberfläche ausgebreitet wird und diese Breischicht getrocknet wird, um eine im wesentlichen ununterbrochene Abdeckschicht auf der Oberfläche zu erzeugen.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass das Abdeckmaterial von der ersten Oberfläche nach Beendigung des Bohrvorganges entfernt wird.909839/0895
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