DE4405500C2 - Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse im Vakuum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, mit welcher im Vakuum mit dem Elektronenstrahl technologische Prozesse, wie Schweißen und Modifizieren von Oberflächen (Härten) von Bauteilen, Werk­ zeugen und Maschinenelementen durchgeführt werden. Die Einrich­ tung ist geeignet als Chargenanlage mehrere zu behandelnde Werkstücke aufzunehmen.

Zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse im Vakuum sind Einrichtungen bekannt, die im wesentlichen aus einem zylinderförmigen oder rechteckigen Rezipienten bestehen, auf dem ein Elektronenstrahlerzeuger (Elektronenkanone) fest angeordnet ist. Die Elektronenkanone ist so angeordnet, daß der in ihr erzeugte Elektronenstrahl den Arbeitsbereich im Rezipienten beaufschlagen kann. In dem Rezipienten sind mehrdimensional bewegliche Aufnahmevorrichtungen für die Aufnahme und Bewegung der Werkstücke im Ablenkfeld des Elektronenstrahls angeordnet. Es können auch zur Behandlung von Kleinteilen großer Stückzahlen in einer Charge Magazine im Rezipienten angeordnet sein.

An dem Rezipienten sind die entsprechenden Pumpen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Vakuums angeordnet. Desweiteren sind Einrichtungen zur Erzeugung der Hochspannung für die Elektronen­ kanone, zur Steuerung und Prozeßführung mit der Einrichtung verbunden.

Diese bekannten nach dem vorgenannten Prinzip arbeitenden und aufgebauten Einrichtungen weisen im allgemeinen den Mangel auf, daß die Be- und Entstückung der Rezipienten apperativ und zeit­ lich sehr aufwendig ist. Die dazu erforderlichen Vorrichtungen müssen automatisch oder manuell ein- und ausgefahren werden und auf separaten Einrichtungen erfolgt die Be- und Entstückung. Bei zylinderförmigen Rezipienten ergibt sich durch die Werkstückauf­ nahmevorrichtungen bedingt erheblich viel ungenutztes Volumen, was den apperativen Aufwand vergrößert und hohe Pumpzeiten als Nebenzeiten erfordert. Auch die bekannten rechteckigen Rezipien­ ten beseitigen nur den Mangel unausgenutzten Rezipientenvolu­ mens.

So ist eine Großkammeranlage zum Schweißen bekannt, deren Rezipient rechteckigen Querschnitt aufweist und stirnseitig mit einer Schiebetür verschlossen ist. In dem Rezipienten ist ein Werkstückmanipulator in Form eines längsverfahrbaren Schlittens angeordnet, der zum Be- und Entladen auf eine Auslenkplattform herausgefahren wird. Die Elektronenkanone ist im Rezipienten unter Vakuum quer zur Längsachse des Rezipienten verfahrbar, sowie kipp- bzw. schwenkbar (Prospekt Leybold-Heraeus GmbH Hanau, "Elektronenstrahl-Schweißen, Großkammeranlage 1985"). Diese Anlagen haben den Nachteil, daß das ungenutzte Rezipientenvolumen relativ groß ist, da der Beaufschlagungsbereich der Elektronenkanone durch ihre Anordnung im Rezipienten sehr eng begrenzt ist und die Elektronenkanone im Rezipienten zusätzlichen Raum erfordert. Das Ausfahren des Längsschlittens auf die Auslenkplattform erfordert insbesondere bei großer Länge und Gewicht eine aufwendige und schwer positionierbare Führung. Dadurch ist der Bedienaufwand sehr hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse im Vakuum zu schaffen, die eine hohe Produktivität ermöglicht, an beliebi­ ge vom zu behandelnden Werkstück abhängige Bewegungen im Vakuum anpaßbar ist und ein einfaches manuelles oder automatisches Be- und Entstücken der Rezipienten gewährleistet. Das Ein- und Ausführen der Werkstückaufnahmevorrichtung soll mit geringem Aufwand an Zeit bei leichter Handhabung möglich sein. Bei gerin­ gem Rezipientvolumen soll ein großes Arbeitsfeld, d. h., ein großer Beaufschlagungsbereich für den Elektronenstrahl gegeben sein. Ein weiterer Mangel der bekannten Einrichtung ist damit begründet, daß die Rezipienten in der Fläche sehr groß sein müssen, da in der Regel eine zweidimensionale Beaufschlagung des Werkstückes erfolgt und der mögliche Ablenkbereich des Elektro­ nenstrahls begrenzt ist, so daß ein zweidimensionales Bewegen des Werkstückes im Rezipienten erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patent­ anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Durch die Kombination neuer und bekannter Elemente und die Aus­ bildung und Anwendung derselben wurde gefunden, daß die Einrich­ tung eine hohe Produktivität gewährleistet. Die Anordnung der beweglichen Elektronenkanone in Verbindung mit dem in Längsrich­ tung im Rezipienten verfahrbaren Längsschlitten bringt ein bisher noch nicht erreichtes großes Feld für die Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl. Die erfindungsgemäße Lösung hat außer­ dem zur Folge, daß das Volumen des Rezipienten klein und voll­ ständig ausnutzbar ist. Die Kombination der Türbewegung mit dem Mechanismus zum Verfahren des Längsschlittens ermöglicht ein schnelles Arbeiten bei hoher Sicherheit und kann außerhalb des Rezipienten erforderliche Führungen zur Schlittenbewegung erspa­ ren.

Das Überraschende der Kombination, Längsschlitten im Rezipien­ ten, rechtwinklig zur Rezipientenlängsachse über die gesamte Palettenbreite verfahrbare Elektronenkanone, Paletten auf dem Längsschlitten sowie Bedientisch außerhalb des Rezipienten, ermöglicht ein günstiges Verhältnis der Bearbeitungszeit zu den unproduktiven Nebenzeiten des Belüftens des Rezipienten, Be- und Entstücken, bei einem Bearbeitungsfeld, das die gesamte Rezi­ pientenbreite ausnutzt.

Durch das Ausnutzen der Strahlablenkung kann in Größenordnung bis ca. 45° das Arbeitsfeld erweitert werden und dadurch ist es auch möglich, verdeckt liegende Kanten zu beaufschlagen. Der verfahrbare Längsschlitten an der Seitenwand hat auch den großen Vorteil, daß während des Prozesses entstehende Abprodukte, wie Metallspritzer, Metalldampfniederschlag usw. leicht und ungehin­ dert vom Boden des Rezipienten bei ausgefahrenem Längsschlitten zu entfernen sind.

Durch die Möglichkeit des Entfernens des unteren Schenkels des Längsschlittens wird Bearbeitungsraum bis zum Boden des Rezi­ pienten frei, der in Verbindung mit einem Rundtisch in der vollen Breite des Bearbeitungsbereiches durch die Verschiebung der Elektronenkanone gewonnen wird. Der Elektronenstrahl kann somit jeden Punkt des Mantels eines Rotationsteiles unter belie­ big vorgegebenem Winkel erreichen. Bei Schrägstellung der Rota­ tionsachse zur Senkrechten können Innenkanten schmelzflüssig behandelt werden, z. B. beim Umschmelzhärten.

Ein Rezipient mit quadratischem Querschnitt im Arbeitsbereich des Elektronenstrahls als Vorzugsausführung hat den Vorteil, daß bei einem Rundtisch mit Drehachse in Längsrichtung des Rezipienten und demontiertem unteren Schenkel des Längs­ schlittens eine optimale Auslastung des Rezipienten erfolgt.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht auf die gesamte Einrichtung,

Fig. 2: eine Ansicht auf die Rezipientenöffnung.

Die im Prinzip dargestellte Einrichtung dient zum Härten einer Oberfläche von Werkstücken mittels Elektronenstrahl.

Im Rezipienten 1 mit quadratischem Querschnitt im Arbeitsbereich ist in der Mitte seiner Länge ein quer zur Längsachse vakuum­ dicht während des Strahlbetriebes verschiebbarer Schlitten 2 angeordnet, auf welchem eine Elektronenkanone 3 angeflanscht ist. Der Bewegungsbereich des Schlittens 2 ist so gewählt, daß der durch die Elektronenkanone 3 erzeugte Elektronenstrahl mit oder ohne Ausnutzung seines Ablenkwinkels die gesamte innere Breite den Arbeitsbereich des Rezipienten 1 beaufschlagen kann. In dem Rezipienten 1 ist in Längsrichtung verfahrbar mittels Spindelantrieb bewegbar ein Längsschlitten 4 angeordnet. Der Längsschlitten 4 ist L-förmig und nur an der Seitenwand des Rezipienten 1 geführt. Die Führungselemente 5 befinden sich auch an der Tür 6 des Rezipienten 1, so daß der Längsschlitten 4 bis aus dem Rezipienten 1 sicher geführt ist und damit die Funktionen der Tür 6 mit der Führung des Längsschlittens 4 gekoppelt sind.

Der Längsschlitten 4 hat eine der halben Rezipientenlänge ent­ sprechende Länge, und ist um seine gesamte Länge unter der Elektronenkanone 3 zu bewegen.

Unmittelbar an den Rezipienten 1, d. h., anschließend an den ausgefahrenen Längsschlitten 4 schließen sich hintereinander zwei Bedienstände 7a und 7b an. Neben dem Bedienstand 7a ist der Bedienstand 7c angeordnet. Sämtliche Bedienstände 7 haben eine Höhe, die der des Längsschlittens 4 entspricht. Dazu ist der Rezipient 1 auch auf einem Gestell 8 oder Podest aufge­ stellt, um die Paletten 9 auf einer Ebene in und aus dem Rezi­ pienten 1 auf dem Längsschlitten 4 und über die Bedienstände 7 auch manuell leicht bewegen zu können.

Die Paletten 9, die auf der Unterseite Kugelrollenelemente 10 sind, sind somit auf dem Längsschlitten 4 und über sämtliche Bedienstände 7 in Längs- und Querrichtung bewegbar. Auf einer Palette 9 ist ein um die vertikale Achse drehbarer Rundtisch 11 montiert, auf dem die zu härtenden Werkstücke 12 angebracht sind. Sie haben etwa halbe Rezipientenlänge und etwa Arbeitsbe­ reichsbreite.

Auf dem Rezipienten 1 ist ein Monitor zur Prozeßkontrolle über an sich bekannte Beobachtungseinrichtungen angeordnet. Desweite­ ren ist ein strahlensicheres Beobachtungsfenster 13 am Rezipien­ ten 1 angeflanscht.

Über den Anschluß 15 wird der Rezipient 1 mittels geeigneter Vakuumpumpen evakuiert.

Die Arbeitweise der Einrichtung ist folgende:
Auf dem Rundtisch 11 auf der Palette 9 werden auf dem Bedien­ stand 7a die Werkstücke 12 befestigt. Die manuell leicht beweg­ bare Palette 9 wird auf den aus dem Rezipienten 1 ausgefahrenen Längsschlitten 4 geschoben. Der Längsschlitten 4 fährt mittels Spindelantrieb unter gleichzeitigem Schließen der Tür 6 in den Rezipienten 1 in die Arbeitsposition. Nach sofortiger Evakuie­ rung beginnt die Beaufschlagung der Werkstücke 12 durch den Elektronenstrahl. Dabei wird schrittweise der Rundtisch bewegt. Bei großen Werkstücken wird der Längsschlitten 4 verfahren und gleichzeitig neben der bekannten Strahlablenkung die Elektronen­ kanone 3 auf dem Schlitten 2 verfahren, wodurch ein außergewöhn­ lich großes Beaufschlagungsfeld für den Elektronenstrahl erzeugt wird.

Während des Bearbeitungsprozesses wird die nächste Palette 9′ auf dem Bedientisch 7c bestückt. Nach Prozeßende fährt die Palette 9 nach dem Belüften aus dem Rezipienten 1 vom Längsschlitten 4 auf den Bedientisch 7b und wird entstückt. Gleichzeitig wird die bestückte Palette 9′ über den Bedientisch 7a auf den Längsschlit­ ten 4 bewegt und der nächste Prozeß beginnt. Eine an sich be­ kannte Automatik steuert sämtliche mechanischen und elektrischen Prozeßschritte.

Die Elektronenkanone 3 ist im Bereich a seitlich verfahrbar und kann dadurch mit oder ohne Ausnutzung ihres Strahlablenkwinkels den gesamten Arbeitsbereich beaufschlagen.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse im Vakuum, bestehend aus einem Rezipienten mit rechteckigem Querschnitt, einer an ihm angeordneten Elektronenkanone mit in beliebiger Richtung ablenkbarem Elektronenstrahl, Pumpen zur Vakuumerzeugung und Einrichtung zur Erzeugung von Hochspannung für die Elektronenkanone und Prozeßsteuerung und -überwachung, bei der die Elektronenkanone auf dem Rezipienten quer zur Längsrichtung des Rezipienten unter Vakuum verfahrbar angeordnet ist, bei der in dem Rezipienten in Längsrichtung zu diesem bewegbar ein Längsschlitten zur Aufnahme der zu behandelnden Werkstücke angeordnet ist und bei der der Rezipient eine stirnseitig angeordnete Tür aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschlitten (4) an einer Seitenwand des Rezipienten (1) geführt ist, daß die Tür (6) als Schwenktür ausgebildet ist und an ihr Führungselemente (5) zur Führung des Längsschlittens (4) bei geöffneter Tür (6) angeordnet sind und daß der Längsschlitten (4) etwa die halbe Länge des Rezipienten (1) besitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (2) mit der Elektronenkanone (3) und/oder der Längsschlitten (4) kugelspindelgetrieben ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rezipienten (1) ein strahlensicheres Beobach­ tungsfenster (13) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rezipienten (1) mindestens ein Bedienstand (7) so verbunden ist, daß Paletten (9) zur Be- und Entstückung wechselweise in und aus dem Rezipienten (1) auf gleicher Ebene auf dem Längschlitten (4) bewegbar sind, daß auf den Paletten (9) die zu behandelnden Werkstücke (12) auf Auf­ nahmevorrichtungen für die Werkstücke (12) angeordnet sind, daß an mindestens einem Bedienstand (7) Mittel zur automa­ tischen Prozeßsteuerung angeordnet sind.

5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedienstände (7) so an­ geordnet sind, daß die Palette (9) aus dem Rezipienten (1) auf den Bedienstand (7) so verfahrbar ist, daß eine weitere bestückte Palette (9) parallel zu dieser seitlich abge­ stellt in den Rezipienten (1) einfahrbar ist.

6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Längsschlitten (4) oder den Paletten (9) wahlweise mindestens ein Rundtisch (11) oder Magazin zur Werkstückaufnahme oder Einzelvorrichtungen für Werkstückhalterung angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Rundtische (11) horizontal oder vertikal drehbar sind.

8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rezipienten (1) ein Monitor mit Mitteln zur unmittelbaren Prozeßbeobachtung verbunden ist.

9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tür (6) des Rezipienten (1) mittels geeigneter Mittel im Eilgang benutzbar ist.

10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschlitten (4) in Verbindung mit der Türbewe­ gung im Eilgang verfahrbar ist.

11. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Paletten (9) Kugelrollenelemente (10) zur Bewe­ gung derselben in jeder Richtung auf den Bedienständen (7) und dem Längsschlitten (4) angeordnet sind.

12. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Schenkel des Längs­ schlittens (4) abnehmbar ist.