-
Verfahren und Einrichtung zum Bohren und Fräsen von Gegenständen mittels
Ladungsträgerstrahlen Die t:riindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. Einrichtungen
zum Bohren oder Fräsen von Gegenständen mittels Ladungsträgerstrahlen.
-
Bei der Ausführung von Bohrungen, beispielsweise in Stahlplatten von
5 mm Dicke, wird das Material durch den Ladungsträgerstrahl auf einer engbegrenzten
Fläche hoch erhitzt und zum Schmelzen und Verdampfen gebracht. Auf diese Weise wird
beispielsweise ein Bohrkanal ausgearbeitet. Es zeigt sich, daß die angeschmolzenen
Materialteile auf Grund des kontinuierlichen Wärmeüberganges zu dem festen Körper
und auf Grund ihres bisherigen engen Kontaktes mit dem unmittelbar angrenzenden
noch festen Material starken Adhäsionskräften unterworfen sind. Die flüssig gewordenen
Bestandteile benetzen vollkommen die unmittelbar angrenzenden festen Materialbezirke
und stehen auf diese Weise in einem guten Wärmeleitungskontakt zum übrigen Körper.
Hierdurch werden sie durch die laufend erfolgende Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung
stark gekühlt, und es ist nötig, diese Wärmeverluste durch entsprechend starke Einstrahlung
von Ladungsträgern zu ersetzen.
-
Abgesehen von diesem Effekt, wird bei sehr vielen Materialien, wie
z. B. Stahl, in flüssigem Zustand durch- Oberflächenspannungen bewirkt, daß sich
ausgedehnte dünne Flüssigkeitshäute zu kleinen Tropfen zusammenziehen, wodurch ein
leichtes Verdampfen der Moleküle verhindert wird.
Da diese Tropfen
als halbkugelig geformte Gebilde den übrigen Körper auf Grund der oben beschriebenen
Erscheinungen einseitig benetzen, entstehen so Gebilde, welche einerseits eine gute
Kühlung durch den übrigen Materialblock erfahren und bei welchen andererseits das
Abdampfen von Molekülen bzw. Atomen durch die Oberflächenkräfte stark behindert
wird.
-
Gemäß der Erfindung wird das zu bearbeitende Material, vorzugsweise
zumindest im Bereich der Bearbeitungsstelle, mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt.
Die Frequenz der benutzten Ultraschallschwingungen kann z. B. zwischen 2o und 3oo
kHz liegen. Bei dünneren Gegenständen, wie Blechen, werden beispielsweise Ultraschallschwingungen
in einem Frequenzbereich von 2o bis 5o kHz verwendet; vorzugsweise beträgt die Frequenz
etwa 3o kHz. Für Material größerer Härte und Dicke kann es von Vorteil sein, eine
Frequenz in dem Bereich von ioo bis 300 kHz zu verwenden; vorzugsweise beträgt
sie dabei etwa Zoo kHz.
-
Das zu bearbeitende Material kann derart mit Ultraschallschwingungen
beaufschlagt werden, daß deren Schwingungsbereich senkrecht zu der zu bearbeitenden
Fläche bzw. parallel zur Richtung des Ladungsträgerstrahles verläuft. In anderen
Fällen ist es zweckmäßig, die Einrichtung so zu treffen, daß die Schwingungsrichtung
der Ultraschallschwingungen parallel zu der zu bearbeitenden Fläche bzw. senkrecht
zur Richtung des Ladungsträgerstrahles sich erstreckt.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform zur Ausübung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß der durch die Strahlerzeugungsquelle und gegebenenfalls
durch ein weiteres ladungsträgeroptisches System, wie z. B. eine magnetische Linse,
geformte Ladungsträgerstrahl in eine Kammer eintritt, in der sich das zu bearbeitendr,
Material befindet, und daß ein Ultraschallgenerator vorgesehen ist, von dem aus
die Ultraschallschwingungen in diese Kammer geleitet werden, vorzugsweise mittels
eines oder mehrerer Kopplungsglieder, die durch einen nachgiebigen Teil der Wandung
des Behandlungsraumes in diesen eingeführt sind.
-
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Das Metallgefäß i stellt den Bearbeitungsraum dar, in welchem sich
der zu bearbeitende, beispielsweise zu bohrende Gegenstand .2 befindet. Dieser besteht
in der dargestellten Einrichtung aus einer Stahlplatte 2. Auf dem Deckel 3 des,
Gefäßes i ist vakuumdicht eine Apparatur zur Erzeugung eines Ladungsträgerstrahles
aufgesetzt, der in diesem Beispiel ein Elektronenstrahl ist. Diese Apparatur besteht
aus einer elektromagnetischen Linse 4 mit dem Eisengehäuse 2i, einem darauf vakuumdicht
aufgesetzten Metallrohr 22, das eine oder mehrere Blenden zur Formung des Elektronenstrahles
enthält, und einem Metallrohr 23, das die von dem Einführungsisolator 24 getragene
Strahlerzeugungsquelle 5 in Form einer Fernfokuskathode enthält. Das Metallrohr
23 ist vakuumdicht und justierbar auf dem Metallrohr 22 angeordnet. Da: aus den:
Teilen 2q., 23, 22, 24 i bestehende Vakuumgefäß ist an eine Pumpeinrichtung angeschlossen,
um das für die Erzeugung des Elektronenstrahles erwünschte Vakuum aufrechterhalten
zu können.
-
In den Körper 2 soll mit Hilfe des Ladungsträgerstrahles 7 beispielsweise
ein zylindrisches Loch gebohrt werden. Der Elektronenstrahl 7 trifft den Körper
:2 an der Bearbeitungsstelle 6 und heizt durch engbegrenzte örtliche Temperaturerhöhung
das beaufschlagte Material auf. Dieses wird zunächst flüssig und soll durch die
Einstrahlung der Ladungsträgerstrahlen weiter zum Verdampfen gebracht werden, bis
die vollständige Bohrung hergestellt ist. Um die durch den Ladungsträgerstrahl 7
zunächst erzeugte dünne Flüssigkeitshaut an der Stelle 6 sogleich von dem übrigen
Material 2 zu trennen, wird erfindungsgemäß die Stahlplatte 2 mit Ultraschall beschickt.
-
In dem Gehäuse i ist die Stahlplatte :2 auf einer ringförmigen Unterlage
g gehalten. Unterhalb des Gehäuses i befindet sich ein Ultraschallgeber mit einem
Schwingquarz 9, welcher in einem Gefäß io mit geeigneter Übertragungsflüssigkeit
i i, beispielsweise Öl oder Quecksilber, schwingt. Der Quarz 9 wird in üblicher
Weise mit einer Vorrichtung 12, die aus einem Röhrengenerator und entsprechendem
Verstärker besteht, mit Hochfrequenz beschickt. In dem Boden des Gefäßes i ist ein
Ausschnitt 13 vorgesehen, welcher mittels einer Membran 14 vakuumdicht verschlossen
ist. In der Mitte der Membran 14 ist ein. Schalleiter, beispielsweise ein Keramikstab
15, eingesetzt, der mit seinem unteren, tellerförmig verbreiterten Ende 16 in die
Schallübertragungsflüssigkeit i i hineinragt. Der obere Teil 18 ist ebenfalls stempelartig
verbreitert und außerdem mit einer Bohrung 17 versehen. Der 'feil 18 ist derart
in mechanischem Kontakt, daß die Bohrung 17 unter die Bearbeitungsstelle 6 zu liegen
kommt. Die Platte 2 kann auf diese Weise zu geeignet starken Ultraschallschwingungen
angeregt werden. Die Frequenz und Intensität der Ultraschallschwingungen kann den
Materialeigenschaften und den Bearbeitungsformen sowie der gewünschten Geschwindigkeit
des Arbeitsvorganges angepaßt werden.
-
Durch die starken Beschleunigungskräfte, welche die Ultraschallschwingungen
auf die Materialteilchen der Stahlplatte :2 ausüben, werden die durch den Ladungsträgerstrahl
7 flüssig gewordenen Materialteilchen weggeschleudert. Gleichzeitig mit dem Flüssigwerden
der Materialteilchen ändern diese ihre Ultraschallabsorption. Die Ultraschallabsorption
steigt bei geringerer Härte des Materials an. Aus diesem Grunde heizen sich die
angeschrnolzenen Teilchen noch zusätzlich durch Energieabsorption aus dem Ultraschall
auf und werden sowohl durch die an ihnen wirkenden Beschleunigungskräfte als auch
durch die erhöhte Aufheizung von der Stahlplatte .2 bezw. aus dem sich bildenden
Bohrkanal weggeschleudert. Sobald die Materialteilchen den Wärmekontakt mit der
Stahlplatte
verloren haben, nehmen sie praktisch alle sie treffende Ladungsträgerstrahlenergie
auf und setzen sie in Wärme um. Hierdurch entsteht eine schnelle und vollständige
Verdampfung des Materials.
-
Die erwähnte Bohrung 17 hat den folgenden Zweck: Bei der Ausführung
von Bohrungen in die Platte 2 an der Stelle 6 wird nach erfolgter Bohrung der Ladungsträgerstrahl
durch das Material hindurch auf einen Ultraschalleiter auftreffen. Aus diesem Grunde
ist es vorteilhaft, daß der Ultraschalleiter unmittelbar unter der Bearbeitungsstelle
eine Aussparung besitzt, derart, daß er erst in einer Entfernung von beispielsweise
io cm vom Ladungsträgerstrahl getroffen wird. Der Ladungsträgerstrahl hat hier im
allgemeinen .nicht mehr die Stromdicht, welche er benötigt, um das Material anzuschmelzen.
Auf diese Weise wird erstens der Ultraschalleiter vor Beschädigung bewahrt und andererseits
ein Verschmelzen des Ultraschalleiters mit dem zu bearbeitenden Material e vermieden.
-
Die in der Figur gezeigte Anordnung veranschaulicht nur ein Beispiel
für die erfindungsgemäße Anwendung des Ultraschalles. Durch Änderung der Ultraschallübertragung
auf den zu bearbeitenden Gegenstand sowie durch Wahl bestimmter Schallfrequenzen
und Schallintensitäten fassen sich für die verschiedenen Bearbeitungsarten besonders
vorteilhaft Beschallungsformen ausbilden. So kann es beispielsweise erwünscht sein,
in besonderem Maße dafür zu sorgen, daß die Wände eines mit Hilfe des Ladungsträgerstrahles
zu bohrenden Loches nicht von aus dem abdampfenden Material herrührenden Kondensaten
bedeckt werden. Um diesen unerwünschten Effekt zu unterdrücken, ist es möglich,
den zu bearbeitenden Körper, vorzugsweise zusätzlich zu der in Richtung der Längsachse
des Bohrloches schwingenden Ultraschallkomponente, mit einer weiteren Schallkomponente,
deren Schwingungseinrichtung senkrecht zur Längsachse des Bohrloches gerichtet ist,
zu beaufschlagen. Auf diese Weise werden Kondensate, welche sich an den Lochwänden
absetzen wollen, sofort wieder in den das Loch durchsetzenden Ladungsträgerstrahl
zurückgeschleudert. Gegebenenfalls kann es besonders vorteilhaft sein, zur Erzielung
derartiger Wirkungen ein Ultraschalldrehfeld anzuwenden, das beispielsweise durch
mindestens zwei mit einer Phasenverschiebung von 9o° zueinander schwingende Ultraschallquellen,
deren Schwingungsrichtungen senkrecht zueinander stehen, erzeugt werden kann. Des
weiteren besteht die Möglichkeit, gleichphasig schwingende Ultraschallquellen derart
an die zu beschickende Platte 2 anzukoppeln, daß sich die Schallwege um eine Viertelwellenlänge
unterscheiden. Eine Ultraschallschwingung, deren Schwingungsrichtung senkrecht zur
Richtung des Ladungsträgerstrahles verläuft, kann durch mechanischen Kontakt eines
Schalleiters mit einer seitlichen Begrenzungsfläche des zu behandelnden Körpers
2 erzeugt werden. Dieser Schalleiter kann z. B. mit dem Schalleiter 17 mechanisch
gekoppelt sein und sozusagen von ihm abgezweigt werden.
-
Die erwähnte Bohrung 17 kann gleichzeitig dazu dienen, den
Bohrvorgang zu beobachten und insbesondere festzustellen, daß der Bohrvorgang beendet
ist. Zu diesem Zwecke kann sich am Boden der Bohrung 17 ein Fluoreszenzschirm
i9 befinden, der durch ein in dem Schalleiter 17 vorgesehenes Schauloch hindurch
beobachtet werden kann.
-
Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
den Ladungsträgerstrahl nicht kontinuierlich, sondern beispielsweise in der Frequenz
des Ultraschalles intermittierend auf die zu bearbeitende Fläche zu schicken. Durch
Phasenverschiebung zwischen dem Ladungsträgerstrahlimpuls und der Ultraschallschwingung
sowie durch Regelung der Impulsdauer kann ein besonders günstiges Verhältnis zwischen
der einstrahlenden Ladungsträgerenergie und der dabei erzielbaren Rearbeitungswirkung
erreicht werden. Dieses beruht darauf, daß die auf die Materieteilchen wirkenden
Beschleunigungskräfte des Ultraschalles nur während eines Teiles der gesamten Schwingungsperiode
so gerichtet sind, daß sie die Teilchen von dem festen Material wegschleudern. Während
der übrigen Zeit geht Wärmeenergie durch Wärmeleitung in den Materialblock verloren,
da die Teilchen während dieser Zeit auf der Oberfläche haften. Es kann also bei
geeignetem Intermittieren des Ladungsträgerstrahles ein günstiges Verhältnis zwischen
aufzuwendender Ladungsträgerstrahl-Intensität und erzielbarer Bearbeitungswirkung
erreicht werden.
-
Die Erzeugung der Ultraschallschwingungen kann, wie schon erwähnt,
mittels Schwingkristalles erfolgen oder aber unter Zuhilfenahme anderer bekannter
Methoden, beispielsweise auf magnetostriktivem Wege.
-
Der Erfindungsgegenstand kann mit besonderem Vorteil bei Einrichtungen
Anwendung finden, bei denen in an sich bekannter Weise der Bearbeitungsraum einen
höheren Gasdruck als der Raum, in welchem der Ladungsträgerstrahl bzw. Elektronenstrahl
erzeugt wird, aufweist, vorzugsweise Atmosphärendruck oder gegebenenfalls höheren
Gasdruck (z. B. io atü). Es besteht dadurch -unter andrem die Möglichkeit, den Bearbeitungsvorgang
in der atmosphärischen Luft durchzuführen.