DE2704687B2

DE2704687B2 - Dynamisch abgedichtete Elektronenstrahlbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2704687B2
Application number: DE2704687A
Authority: DE
Inventors: Masaru Takasago Higuchi; Shiso Akashi Kihara; Hiroshi Kono; Masaharu Minami
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1976-02-05
Filing date: 1977-02-04
Publication date: 1980-06-12
Also published as: SE7701126L; NL177638B; DE2704687C3; NO770307L; JPS52104191U; FR2340168A1; NO143867B; GB1516484A; NL7701166A; SE410831B; DE2704687A1; NO143867C; US4080526A; NL177638C; FR2340168B1; JPS5523746Y2

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamisch abgedichtete Elektronenstrahlbearbeitungsvorrichtung mit einer oberen und einer unteren Vakuumkammer, bei der die "·"· untere Vakuumkammer festgelegt und die obere Vakuumkammer in Arbeitsrichtung verschiebbar ist, wobei aufblasbare Dichtungselemente und Hilfsvakuumkammern vorgesehen sind.

Bei einer aus der DE-OS 19 02 547 bekannten ^h" Elektronenstrahlbearbeitungsvorrichtuftg erfolgt der .Schweißvorgang durch Bewegen eines Elektronen-Strahlrohres b/.w. einer -kanone, wobei eine dynamische Dichtung /um Abdichten einer das fllektronenslrahlr'ihr umgebenden beweglichen Vakuumkammer von ^h) der Oberseite des Werkstücks her und feste Dichtungen /um Abdichten von festen, die zu schweißenden Werksiiifke von der Unterseite einschließenden Vaktiumkammern benutzt werden, Die Wirksamkeit dieser Dichtungen hat einen unmittelbaren Einfluß auf die Höhe des Vakuums in der aus den verschiedenen Kammern bestehenden Schweißkammer, so daß hierdurch der Schweißvorgang selbst beeinflußt werden kann. Ein besonderes Problem besteht darin, daß die Dichtungselemente der oberen Vakuumkammer unmittelbar über die Oberfläche des Werkstücks- und quer über die Schweißnaht gJeiten. Die Oberfläche -jolcher Werkstücke ist in der Praxis rauh und dadurch unregelmäßig. Hinzu kommt, daß die Nachbarschaft der Schweißnaht durch die Schweißhitze ebenfalls erhitzt ist, so daß die Dichtelemente, die über die Schweißnaht gleiten, zerstört werden und eine Dichtwirkung nicht irehr gewährleisten können. Diese Probleme treten insbesondere in den Fällen auf, in denen lange Werkstücke geschweißt werden sollen; in derartigen Fällen können keine üblichen Dichtungen zur Abdichtung der Schweißkammer verwendet werden, weil sich derartige Dichtungen nicht ohne weiteres an die Wellungen der Oberfläche des Werkstücks anzupassen vermögen, so daß die Abdichtung unwirksam sein kann. Im Fall von langen Werkstücken kann zudem die zu verfolgende Schweißlinie nicht gerade sein, so daß sorgfältig darauf geachtet werden muß, daß der Elektronenstrahl die vorgesehene Schweißnaht genau bestrahlt bzw. ihr folgt. Bei der bekannten, mit dynamischer Dichtung arbeitenden Elektronenstrahlbearbeitungsvorrichtung kann eine derartige Präzision nur bei überdurchschnittlich geschickter manueller Bedienung erreicht werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine dynamisch abgedichtete Eiektronenstrahlbearbeitungsvcrrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der sich die Arbeitsgänge wie Schweißen, Schneiden usw. mit hoher Präzision durchführen lassen, insbesondere bei der die Höhe des Vakuums in den Vakuumkammern durch eine Dichteinrichtung verbessert ist, die sich an QHerflächenunregelmäßigkeiten, wie Wellungen in der Oberfläche eines Werkstücks, anzupassen vermag und bei der von um die Schweißkammer herum angeordneten Hilfsvakuumkammern die Evakuierzeit verkürzt und die Wirksamkeit der Abdichtung der Schweißkammer verbessert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs.

Ein wesentliches Merkmal besteht bei dieser Elektronenstrahlbearbeitungsvorrichtung darin, daß eine obere feste Vakuumkammer vorgesehen ist, wobei auf der Oberfläche dieser festen Vakuumkammer die obere verschiebbare Vakuumkammer entlangbewegt wird. Diese obere verschiebbare Vakuumkammer weist Vakuum-Dichtelemente auf, die aus einer Kombination aus Gleitdichtungen und einer keilriemenförmigen Dichtung besteht. Dadurch, daß sich die obere verschiebbare Vakuumkammer auf der bearbeiteten Oberfläche der oberen festen Vakuumkammer bewegt und daß eine keilriemenförmige Dichtung rund um das System verwendet wird, ist auf einfache und wirkungsvolle Weise eine Anpassung an der Oberflächenunregelmäßigkeiten des zu schweißenden Werkstücks gegeben. Hinzu kommt, daß die Schweißnaht von den Dichtungen der bewegbaren Vakuumkammer infolge der ungewöhnlichen Verwendung einer keilriemenförmigen Dichtung nicht überquert wird, so daß die Gleitdichlungen durch den Einfluß der Schweißhitze nicht zerstört werden können und eine Aufrechterhaltung der Vakuumdichtung sichergestellt ist. Die festen Vakuum-

Hämmern weisen zusätsliehe Hilfsvakuumkammern auf, so daß die für das Evakuieren des Innenraums der Arbeitskammer nötige Zeitspanne verkürzt ist. Da beim Elektronenstrahlschweißen die zu schweißende Stoßfuge regelmäßig sehr schmal ist, muß der Elektronenstrahl dieser Fuge sehr sorgfältig und sicher nachgeführt werden. Außerdem ist bekanntlich der Elektronenstrahl zur Steigerung der Stromdichte stark fokussiert, so daß nur bei sicherer Erfassung der Schweißfuge eine exakte Schweißung erfolgen kann. Die Anordnung des Stellungsfühlers, durch die der Elektronenstrahl einem am Werkstück markierten Umriß genau folgen kann, ist in Kombination mit der Bewegung der oberen bewegbaren Vakuumkammer auf der festen Vakuumkammer zur Lösung des Problems nötig, eine Schwei-Bung weit überdurchschnittlicher Präzision zu verwirklichen. Durch diese Lösungsmittel werden die technologischen Hindernisse, die sich durch die rauhe Werkstücksoberfläche sowie den fokussieren Elektronenstrahl in Verbindung mit der schmalen Schweißfuge ergeben, auf zweckmäßige und vorteilhafte Weise übenvunden.

Die für das Evakuieren des Innenra':ms der Arbeitskammer nötige Zeitspanne wird verkürzt und die Wirksamkeit der Abdichtung wird verbessert, weil um die die Arbeitskammer bildenden Vakuumkammern herum jeweils Hilfsvakuumkammern ausgebildet und die Vakuumkammern jeweils mittels mehrerer Dichtungselemente abgedichtet sind. Da weiterhin Vorkehrungen für den Antrieb oder die Ansteuerung des Elektronenrohrs zur Verfolgung eines Umrisses in Abhängigkeit von einem Detektor zur Erfassung der Lage einer Reißlinie auf dem Werkstück getroffen sind, ergibt sich der Vorteil, daß die Vorrichtung jeder beliebigen Form der Schweißlinie oder -naht genau zu folgen vermag.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines zechnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. I eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Stirnseitenamkht einer Elektronenstrahlbearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seitenansicht der Vorrichtung nach F i g. 1.

Gemäß den F i g. 1 und 2 ist ein Werkstück 1 in der Vorrichtung mittels einer oberen Spannplatte 2 und einer unteren Spannplatte 3 eingespannt, welche das Werkstück I von Ober- bzw. Unterseite her einspannen. In den beiden Spannplatten 2 und 3 sind eine obere bzw. eine untere Vakuumkammer 4 bzw. 5 ausgebildet, welche das Werkstück an Ober- und Unterseite umschließen. Ein mit einer nicht dargestellten Vakuumquelle zum Evakuieren der oberen Vakuumkammer 4 verbindbares Evakuierungsrohr 6 (Fig.2) ist an der einen Seite der ooeren Spannplatte 2 angebracht, während ein Evakuierungsrohr 7 auf ähnliche Weise an eine Unterseite der unteren Spannplatte 3 angeschlossen ist. Obere und untere Vakuumkammer 4 bzw. 5 sind mittels Dichtungen 10 und Il abgedichtet, die längs der Berührungsflächen 8 und 9 zwischen oberer Spannplatte 2 bzw. unterer Spannplatte 3 und dem Werkstück 1 um beide Vakuumkammern 4 bzw. 5 herum verlaufen. Außerhalb der Dichtungen 10, 11 sind obere und untere Hilfsvakuumkammern 12 bzw. 13 ausgebildet, welche die obere bzw. die untere Vakuumkammer 4 b/.w. 5 um ihren gesamten Umfang herum umgeben und welche durch Evakuierungsrohre Ά bzw. 15 evakuierbar sind, die ihrerseits mit der oberen Spannplatte 2 bzw. der unteren Spannplatte 3 verbunden sind. Die Hilfskammern 12 und 13 sind durch innere aufblasbar« Dichtungselemente 16a bzw. 166 und äußere aufblasbare Dichtungselemente 17a bzw. 176 an den betreffenden Seiten dieser Hilfskammern abgedichtet Die aufblasbaren Dichtungselemente 16a, 166 und 17a, 176 werden durch Luft aufgeblasen, die über an oberer und unterer Spannplatte 2 bzw. 3 angebrachte Luftspeiserohre oder -leitungen 18a, 186 bzw. 19a, 196 zugeführt wird, so daß

ίο sich diese Dichtungselemente selbst an etwaige Oberflächenunregelmäßigkeiten, etwa an Wellungen in der Oberfläche des Werkstücks 1, anzupassen /ermögen. Außerhalb der äußeren Dichtungselemente 17a und 176 sind weiterhin Dichtungen 20 bzw. 21 vorgesehen.

is Die beiden Vakuumkammern 4 und 5 sind somit vierfach abgedichtet Die Oberseite der oberen Vakuumkammer 4 mündet in eine V-förmige Nut 22, die geradlinig in Längsrichtung, d.h. in Arbeitsrichtung ausgebildet ist An der oberen Spannplatte 2 ist eine Platte 23 vorgesehen, die über eine Schraubspindel bzw. Leitspinde! 25 durch einen an der Stirnfläöi'! der Platte 23 montierten Antrieb 24 in Arbeitsrichtung bewegbar ist Die bewegbare Platte 23 ist in Arbeitsrichtung durch Führungs- oder Leitrollen 236, welche über die Oberseite der oberen Spannplatte 2 verlaufen, und durch Führungsrollen 23c genau geführt wobei die Rollen von Rollenträgern 23a an den gegenüberliegenden Seitenflächen der bewegbaren Platte 23 getragen werden. In der bewegbaren Platte 23 ist eine

in verschiebbare Vakuumkammer 26 ausgebildet die über die V-förmige Nut 22 mit der oberen Vakuumkammer 4 kommuniziert Es ist darauf hinzuweisen, daß die Arbeitskammer der Vorrichtung sowohl die obere und die untere Vakuumkammer 4 bzw. 5 als auch die

-15 verschiebbare Vakuumkammer 26 umfaßt Die verschiebbare Vakuumkammer 26 ist durch eine Dichtung 28 abgedichtet, die längs einer der oberen Spannplatte 2 gegenüberliegenden Fläche 27 der bewegbaren Platte 23 angeordnet ist und die verschiebbare Vakuumkam-

*o mer 26 umschließt Außerhalb der Dichtung 28 ist eine Hilfs· akuumkammer 29 ausgebildet die durch die Dichtung 28 und eine weitere, außerhalb bzw. an der Außenseite dieser Hilfskammer 29 angeordnete Dichtung 30 abgedichtet ist. Die verschiebbare Vakuumkammer 26 ist mithin durch die Dichtungen 28 uiid 30 doppelt abgedichtet Die Hilfsvakuumkammer 29 wird über ein an der Oberseite der bewegbarpn Platte 23 angebrachtes Evakuierungsrohr 31 evakuiert. Ein Keilriemendichtungs-Leitrohr 32 von umgekehrt U-för-

^r>° miger Gestalt ist so auf der Platte 23 angeordnet, daß sich sein ÜberbrücAungsteil unmittelbar über der V-förmigsn Nut 22 befindet und parallel zur ArbeitsrichtunR verläuft Das Leitrohr 32 kommuniziert an seinem vorderen und hinteren lotrechten Schenkel mit

^M dem Inneren der verschiebbaren Vakuumkammer 26 an den Stellen, an denen diese Schenkel mit der Platte 23 verbunden sind (vgl. F i g. 2). Eine keilriemenartige Dichtung 33, die in die V-Nut 22 in der Oberseite der oberen Vakuumkarr.ner 4 eingesetzt ist und letztere

¹⁾⁰ sowie die verschiebbare Vakuumkammer 26 abdichtet, ist über eine in der verschiebbaren Vakuumkammer 26 montierte Leitrolle 34 in den vorderen lotrechten Schenkel des Leitrohrs 32 eingeführt, von wo aus sie über eine Leitrolle 35 längs des waagerechten

" Brückenteils, durch de.; hinteren Schenkel des Leitrohrs nach unten und dann in die Vakuumkammer 26 zurück verläuft, in welcher sie wiederum in die V-Nut 22 eingreift. Auf diese Weise kann die verschiebbare

Vakuumkammer 26 auch bei der Bewegung entsprechend der Verschiebung der verschiebbaren Platte 23 wirksam abgedichtet werden. An der bewegbaren Platte 23 ist ein Elektronenstrahlrohr 36 über ein flexibles Element, bei der dargestellten Ausführungsform in Form eines Balgens 37, befestigt und über ein Spannband 39 mit einer auf der bewegbaren Platte 23 montierten Elektronenrohr-Treibervorrichtung 38 verbunden. Das mit der Vakuumkammer 26 kommunizierende Innere des Elektronenstrahlrohrs 36 wird über an letzterem montierte Evakuierungsrohre 40 und 41 evakuiert. Das Elektronenstrahlrohr 36 ist mit einer Kabelvorschubeinrichtung 42 verbunden, die gleichzeitig mit der Treibervorrichtung 38 arbeitet und welche die Spannung und den Strom liefert, die für die Erzeugung des Elektronenstrahls erforderlich sind. An der Platte 23 ist außerdem mittels eines unmittelbar vor dem Elektronenstrahlrohr 36 angeordneten Balgens 44 ein Lagendetektor bzw. Stellungsfühler 43 montiert, welcher zur Feststellung der Lage der Reißlinie (trace) bzw. Anzeichnung am Werkstück 1 dient. Die Sonde 43a des Fühlers 43 befindet sich dabei gemäß Fig.2 innerhalb der oberen Vakuumkammer 4, so daß sie das Werkstück I in Arbeitsrichtung abzulaufen vermag. Der Oberteil des Stellungsfühlers 43 ist mit einer Antriebseinrichtung 45 gekoppelt, so daß er unter einem rechten Winkel zur Arbeitsrichtung nach links oder rechts bewegbar ist und der Reißlinie auf dem Werkstück 1 zu folgen vermag, während er sich bei der Bewegung der bewegbaren Platte 23 längs der V-Nut 22 verschiebt. Die Elektronenrohr-Treibereinrichtung 38 steuert das Elektronenstrahlrohr 36 in Abhängigkeit von einem vom Stellungsfühler 43 gelieferten Meßsignal, so daß der emittierte Elektronenstrahl der Reißlinie bzw. Anzeichnung auf dem Werkstück I folgt.

Im folgenden ist ein Beispiel für einen mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vorrichtung durchzuführenden Schweißvorgang beschrieben.

Ein Werkstück 1 wird zwischen den beiden Spannplatten 2 und 3 so eingespannt, daß sie die vorgesehene Schweißnaht A unmittelbar unter dem Elektronenstrahlrohr 36 befindet Für den Fall, daß diese Schweißnaht A kürzer ist als die Länge von oberer und unterer Vakuumkammer 4 bzw. 5, werden an Vorder- und Rückseite des Werkstücks 1 Endflächendichtungen 46 und 47 vorgesehen, die von Vorder- und Rückseite her durch Druckplatten 48 und 49 (F i g. 2) angedrückt werden, so daß sie einen abgedichteten Raum einschließen und dabei ein Evakuieren von oberer und unterer Vakuumkammer 4 bzw. 3 ermöglichen. Falls die Breite des Werkstücks 1 kleiner ist als die Breite der Vakuumkammern 4 und 5, kann das gleiche Ergebnis durch Verwendung ähnlicher Endflächendichtungen und Druckplatten erreicht werden. Sobald das Werkstück 1 in semer Lage festgelegt bzw. eingespannt worden ist, werden die inneren und äußeren aufblasbaren Dichtungen bzw. Dichtungselemente 16a, 166 und 17a, 176 über die zugeordneten Luftrohre 18a, 186, 19a bzw. 196 aufgeblasen, so daß sie sich fest an Ober- und Unterseite des Werkstücks 1 bzw. an Ober- und Unterseite der Druckplatten 49 und 49 anlegen. Hierdurch werden sowohl die Vakuumkammem 4 und 5 als auch die Hilfsvakuumkammern 12 und 13 wirksam abgedichtet. Gleichzeitig mit dem Evakuieren von oberer und unterer Hilfskammer 12 bzw. 13 sowie der Hilfsvakuumkammer 29 wird die die Vakuumkammem 4 und 5 sowie die verschiebbare Vakuumkammer 26 > umfassende Arbeits- oder Schweißkammer evakuiert. Da obere und untere Vakuumkammer 4 bzw. 5 jeweils an der Außenseite mit den Hilfsvakuumkammern 12 bzw. 13 versehen sind, lassen sie sich einfach evakuieren, und da sie weiterhin vierfach abgedichtet sind, kann ein

H) hoher Vakuumgrad oder Unterdruck eingestellt werden. Das gleiche trifft auch auf die verschiebbare Vakuumkammer 26 zu. Wenn im Inneren der Schweißkammer ein vorbestimmter Unterdruck eingestellt worden ist, wird die bewegbare Platte 23 durch

η Betätigung der Antriebsvorrichtung 24 in Schweißrichtung verschoben. Hierbei folgt die Sonde 43a des Stellungsfühlers 43 auf der Schweißlinie oder -naht der Reißlinie nach. Ein bei der Bewegung des Stellungsfühtprc 4Ί pr7pitotpc Stplliinwc- nstpr I ao^nrnpRcienal u#irsl der Elektronenrohr-Treibervorrichtung 38 eingegeben, die daraufhin das Elektronenstrahlrohr 36 so einstellt, daß der von ihm emittierte Elektronenstrahl genau auf die vorgesehene Schweißnaht fällt. Während der Verschiebung der bewegbaren Platte 23 wird die keilriemenartige Dichtung 33 an der Vorderseite der Platte 23 aus der V-Nut 22 herausgezogen und an der Rückseite der Platte 23 wieder in die V-Nut 22 eingeführt, so daß während des eigentlichen Schweißvorgangs der in der Schweißkammer herrschende

Unterdruck ständig aufrechterhalten werden kann. Während der Betätigung der Treibervorrichtung 38

liefert die Kabelvorschubeinrichtung 42 ständig den

Schweißstrom für die Erzeugung des Elektronenstrahls. Bei der beschriebenen Ausführungsform legt sich die

y-i keilriemenartige Dichtung 33 aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Atmosphärendruck und dem erzeugten Unterdruck selbsttätig in die V-Nut hinein, wobei aufgrund ihrer Keilwirkung ein großer Druck auf die Flächen zwischen oberer Spannplatte 2 und dem damit verspannten Werkstück 1 einwirkt Hierdurch kann eine wirksame Abdichtung aufrechterhalten werden. Wenn die keilriemenförmige Dichtung 33 aus Gummi besteht, wird durch ihre Elastizität aufgrund der Andruckberührung der an der verschiebbaren Vakuumkammer 26

■»5 vorgesehenen Dichtung auch dann eine wirksame Abdichtung gewährleistet, wenn die Oberfläche der oberen Spannplatte 2 nicht bündig mit der Gegenfläche der Dichtung 33 abschließt.

Da das Keilriemendichtungs-Leitrohr 32 eine umge-

kehrte U-Form besitzt und sich über das Elektronenstrahlrohr 36 hinweg erstreckt, kann die Bewegung der keilriemenartigen Dichtung 33 ersichtlicherweise gleichmäßig erfolgen, wobei keine Gefahr dafür besteht, daß die Dichtung 33 durch übermäßig große Kräfte beeinflußt wird.

Das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Schweißvorgang. Mit dieser Vorrichtung können jedoch auch andere Arbeitsgänge, wie Schneiden, Bohren usw, durchgeführt werden. Beim Bohren braucht lediglich das Werkstück mit einem Elektronenstrahl intermittierend bestrahlt zu werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Dynamisch abgedichtete Elektronenstrahlbearbeitungworrichtung mit einer oberen und einer unteren Vakuumkammer, bei der die untere Vakuumkammer festgelegt und die obere Vakuumkammer in Arbeitsrichtung verschiebbar ist, wobei aufblasbare Dichtungselemente und Hilfsvakuumkammern vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und eine untere feste Spannplatte (2,3) zum Einspannen eines Werkstücks zwischen diesen Spannplatten (2, 3) vorgesehen ist, weiche obere und untere feste Vakuumkammern (4, 5) bilden, daß auf der oberen Spannplatte (2) eine bewegbare Platte (23) angeordnet ist, die in Arbeitsrichtung verschiebbar ist und zusammen mit der oberen Spannplatte (2) die obere verschiebbare Vakuumkammer (26) bildet, die mit der oberen festen Vakuumkammer (4) kommuniziert, wobei die obere feste und untere feste Vakuumkammer (4,5) sowie die verschiebbare Vakuumkammer (26) eine Arbeitskammer bilden, daß die aufblasbaren Dichtungselemente (16a, 166,17a, Ub) für die obere und untere feste Vakuumkammer (4,5) vorgesehen sind, daß die beiden Spannplatten (2,3) die Hilfsvakuumkammern (12, 13) bilden, welche außerhalb der betreffenden festen Vakuumkammern (4, 5) angeordnet sind und diese umschließen, daß die obere Wand der oberen festen Vakuumkammer (4) eine Öffnung in Form einer V-förmigen Nut (22) aufweist, jo die sich in Arbeitsrichtung erstreckt und eine keilriemenartige Dichtung (33) aufnimmt, und daß auf der bewegbaren Platte (23) ein sich in Arbeitsrichtung erstreckendes, das Elektronenstrahlrohr (36) umgebendes Kt : Iriemendichtungs- « Leitrohr (32) montiert ist, wobei die keilriemenförmige Dichtung (33) vor und hinter dem Keilriemendichtungs-Leitrohr (32) in die V-förmige Nut (22) hineinläuft, andererseits aber durch das Keilriemendichtungs-Leitrohr (32) hindurch nach oben aus der -*n Vakuumkammer (4) herausgeführt ist, und daß in der Arbeitskammer ein Stellungsfahler (43) so angeordnet ist, daß er das Werkstück (1) in Arbeitsrichtung abzulaufen vermag, und daß der Stellungsfühler das Elektronenrohr (36) so ansteuert, daß es einer auf 4¹» dem Werkstück (1) markierten Anzeichnung bzw. Reißlinie folgt und daß der Stellungsfühler (43) auf der bewegbaren Platte (23) montiert ist.