DE4422751C1 - Einrichtung zur Elektronenstrahlbearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit dem Elektronenstrahl, insbesondere zur thermischen Oberflächenmodifikation. Vorzugsweise dient die Einrichtung zur Behandlung gleichartiger Bauteile in hohen Stückzahlen, wie beispielsweise die Härtung von Nockenwellen.

Es ist allgemein bekannt, je nach der Geometrie der Bauteile und der technologischen Aufgabe, diese in Chargen in dem Rezipienten aufzunehmen und nacheinander durch den Arbeitsbereich des Elek­ tronenstrahls zu fördern. Derartige Anlagen haben den Nachteil, daß die Bewegung der Bauteile im Rezipienten und die Positionie­ rung zum Elektronenstrahl einen hohen apparativen Aufwand erfor­ dert. Außerdem besteht der Nachteil, daß die Nebenzeiten, insbe­ sondere für das Evakuieren und Belüften, neben dem Ein- und Ausbringen der Bauteile einen hohen zeitlichen Aufwand erfordern.

Es sind auch Durchlaufanlagen bekannt, die zwar einen kontinui­ erlichen technologischen Prozeß ermöglichen. Jedoch ist der mechanische und vakuumtechnische Aufwand für den Durchlauf der Bauteile und die Ein- und Ausgangsschleusen, d. h. Druckstufen- Schleusen, sehr hoch.

Zur Vermeidung der vorgenannten Mängel sind Einrichtungen bekannt, bei denen an die Elektronenkanone, d. h. deren Strahlau­ strittsöffnung eine evakuierte Strahlführungskammer angeordnet ist, in der sich ein Strahlablenksystem befindet. Daran angeordnet sind zwei über Vakuumventile unabhängig voneinander evakuierbare Prozeßkammern, in denen die zu behandelnden Werkstücke aufgenommen werden und die derart angeordnet sind, daß der durch das Strahlablenksystem abgelenkte Elektronenstrahl durch die Ventile in Bezug auf die Achse der Elektronenkanone schräg in die Prozeßkammern gelangt (DD 2 14 717). Ferner sind in jeder Prozeßkammer Schutzbleche gegen Spritzer und Bedampfung angeordnet. Die Vakuumventile sind so ausgebildet und angeordnet, daß der Elektronenstrahl bei geöffneten Vakuumventilen in jede der Prozeßkammern geführt werden kann und dieser die Bearbeitung derart ausführt, daß dieser Prozeß wechselweise abläuft. Während in einer Prozeßkammer bearbeitet wird, wird in der anderen be- und entstückt, evakuiert und belüftet. Diese Anlage hat den Nachteil, daß ein hoher Aufwand für die Evakuierung und Volumensteuerung erforderlich ist.

Weiterhin ist eine Einrichtung zur Elektronenstrahlbearbeitung bekannt, bei der eine getrennt evakuierbare Elektronenkanone mit Ablenksystemen über schräg verlaufende Rohre mit getrennt evakuierbaren Prozeßkammern verbunden ist. In jedem dieser Rohre ist ein Vakuumventil angeordnet (GB-P 2 072938 A). Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß die Rohre nur teilweise von der Elektronenkanone bzw. den Prozeßkammern vakuummäßig entkoppelt sind, was sich ungünstig auf die Volumensteuerung auswirkt. Das zu evakuierende Volumen der Prozeßkammern ist dadurch wesentlich höher, was die Nebenzeiten für den Gesamtprozeß verlängert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Elektronenstrahlbearbeitung zu schaffen, die für die Einzel- und Massenfertigung geeignet ist und mit mindestens zwei Prozeßkammern arbeitet, die wechselweise beschickt werden und der Bearbeitungsprozeß ausgeführt wird. Das Ablenksystem für den zwischen beiden Prozeßkammern wechselnden Elektronenstrahl soll vom Prozeßort entfernt und entkoppelt sein. Alle Strahlführungssysteme sollen in der Elektronenkanone angeordnet sein. Die Kontrolle des Elektronenstrahls bezüglich Qualität und Lage soll bei voller Strahlleistung möglich sein. Die Prozeßkam­ mern sollen so ausgebildet sein, daß die Rückstreuelektronen erfaßbar sind und eine leichte Reinigung der Kammern möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß den Merkmalen des Patent­ anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist im Prinzip eine Kombination an sich bekannter Baugruppen zur Durchführung elektronenstrahl­ technologischer Prozesse, wobei jedoch, und das ist erfindungswesentlich, zwischen der Elektronenkanone mit ihrem Strahlablenksystem und Prozeßkammern eine Vorkammer zwischenge­ schaltet ist und die Elektronenkanone, die Vorkammer und die Prozeßkammern über getrennte Vakuumpumpen getrennt evakuierbar sind.

Aus dieser Gesamtanordnung ergeben sich folgende Vorteile. Es ist wechselweises Behandeln der Bauteile möglich, wodurch die Nebenzeiten fast Null sind. Durch die Integration aller Strahl­ führungseinrichtungen in der Elektronenkanone ist eine höhere mechanische Genauigkeit gegeben. Der Strahl ist jederzeit in seiner Lage und Qualität kontrollierbar, und dies auch bei voller Strahlleistung. Alle Pumpsysteme sind voneinander unabhängig und Vakuumprozeß-Steuerventile entfallen. Der Strahlführungsraum ist ständig unter Vakuum. Die Prozeßkammern sind durch Entfernen der Schutzbleche mit daran befestigten Elektronenauffängern leicht zu reinigen.

Die im Anspruch 2 genannte Ausbildung des Ablenksystems verhindert Ablenkfehler.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann nach dem gleichen Prinzip auch für mehr als zwei Prozeßkammern ausgeführt werden.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist die Einrichtung im Prinzip dargestellt.

Eine Elektronenkanone 1, in der außer einem Ablenksystem für die Energiezuführung 2 ein Ablenksystem 3 für den Prozeßort integriert ist, ist auf eine Vorkammer 4 angeflanscht. Die Vorkammer 4 ist nach unten konisch verlaufend mit einer Ventilgruppe 5 verschlossen. In der Ventilgruppe 5 sind zwei Vakuumventile 6 in Strahlrichtung verlaufend angeordnet. An die Ventilgruppe 5 schließt sich ein Gehäuse 7 an, in dem zwei getrennt evakuierbare Prozeßkammern 8 und 8′ angeordnet sind.

Der Elektronenstrahl 9 wird mit dem Ablenksystem 3 geknickt und in die Prozeßkammern 8; 8′ durch die Vakuumventile 6 geführt. Im Strahlweg zwischen den Vakuumventilen 6 und den Prozeßkammern 8; 8′ sind nichtmagnetische, geknickte Führungen 10 angeordnet.

An der Elektronenkanone 1, der Vorkammer 4 und an jeder Prozeß­ kammer 8; 8′ sind Anschlüsse 11 zum Evakuieren angesetzt. Die Leistung der angeschlossenen Vakuumpumpen ist so gewählt, daß in der Elektronenkanone 1 ein Enddruck von ca. 10^-6 Pa in den Strahlführungssystemen 2; 3 ein Zwischendruck von ca. 10^-5 Pa, in der Vorkammer 4 ein Druck von 10^-4 Pa und in den Prozeßkammern 8; 8′ ein Arbeitsdruck von 10^-3 Pa herrscht.

In jeder Prozeßkammer 8; 8′ ist ein rohrförmiges Schutzblech 12, welches nur im Strahleneintrittsbereich geöffnet ist, leicht auswechselbar befestigt. In ihm ist im Strahleneintrittsbereich unter Zwischenlegen von Glimmer ein Elektronenauffänger 13 angeordnet. Der Querschnitt der Führung 10 und der Eintrittsöff­ nung für den Elektronenstrahl 9 in die Prozeßkammer 8; 8′ sowie den Vakuumventilen 6 ist so gewählt, daß der Elektronenstrahl 9 in seinem zweidimensionalen Ablenkbereich nicht beeinflußt wird. Das Schutzblech 12 ist mit der Prozeßkammer 8; 8′ elektrisch leitend verbunden.

Auf der Ventilgruppe 5 oder in den Prozeßkammern 8 und 8′ ist ein an sich bekanntes Strahldiagnosesystem 14 angebracht, welches jederzeit, auch bei voller Strahlleistung beaufschlagt werden kann.

Der Rezipient, d. h. die Prozeßkammern 8; 8′ sind sogenannte Nullrezipienten, indem diese in der Geometrie den zu behandelnden Werkstücken 15 angepaßt sind. Damit ist die Zeit der Evakuierung sehr gering.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Elekronenstrahlbearbeitung, bei der an einer Strahlablenksystem (8) zur Strahlenfeldknickung enthaltenden Elektronenkanone (1) eine Vorkammer (4) angeordnet ist, die, in Strahlrichtung gesehen, mit einer Ventilgruppe (5) mit mindestens zwei Ventilen (6) abgeschlossen ist, bei der im Abstand von der Strahlablenkung mindestens zwei Prozeßkammern (8; 8′) derart angeordnet sind, daß der abgelenkte Elektronenstrahl (9) durch die Ventile (6) in der Ventilgruppe (5) in Bezug auf die Achse der Elektronenkanone (1) schräg in die Prozeßkammern (8; 8′) gelangt, bei der zwischen den Ventilen (6) auf der Ventilgruppe (5) ein Strahldiagnosesystem (14) angeordnet ist, bei der jede Prozeßkammer (8; 8′), die Vorkammer (4) und die Elektronenkanone (1) über getrennte Vakuumpumpen getrennt evakuierbar sind und daß bei der in jeder Prozeßkammer (8; 8′) über dem gesamten Umfang ein Schutzblech (12) gegen Spritzer und Bedampfung angeordnet ist, vor welchem im Strahleintrittsbereich ein Elektronenauffänger (13) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem (3) in der Elektronenkanone (1) an der Strahlein- und austrittsseite symmetrisch derart aufgeweitet ist, daß auch über dem Endbereich homogene Kraftfeldlinien entstehen, deren Krümmungsradien um die Mittelachse des Ablenksystems gering ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßkammern (8; 8′) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) eine Einheit bildend angeordnet sind und zwischen der Ventilgruppe (5) und der Prozeßkammer (8; 8′) eine nichtma­ gnetische gekühlte Führung (10) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenauffänger (13) mit dem Schutzblech (12) mit einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitfähigen Material verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenauffänger (13) mit dem Schutzblech (12) eine Einheit ist und leicht auswechselbar in der Prozeßkammer (8; 8′) befestigt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und mindestens einem der An­ sprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßkam­ mern (8; 8′) in ihrer Geometrie und ihrem Volumen dem zu behandelndem Bauteil und dessen Bewegungsablauf angepaßt sind.