JP2013121623A - Device and method for surface treatment with electron beam - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電子ビームを用いて金属の表面処理を行う電子ビーム表面処理装置及び電子ビーム表面処理方法に関するものである。 The present invention relates to an electron beam surface treatment apparatus and an electron beam surface treatment method for performing metal surface treatment using an electron beam.
一般に、金型は切削加工機械や放電加工によって粗加工した後、表面の仕上げ加工が必要である。従来は、この仕上げ加工は熟練者による研磨で行われており、多大な時間とコストが必要となっていた。そこで、手作業によらずに被処理物の表面を平滑化するために、被処理物の表面の広い範囲にわたって電子ビームをパルス照射して表面処理を行うようにした技術(例えば、特許文献1参照)や、電子ビームを被処理物付近に焦点を合わせ、二次元走査して表面処理するようにした技術(例えば、特許文献2参照)がそれぞれ提案されている。 In general, a die must be subjected to surface finishing after rough machining by a cutting machine or electric discharge machining. Conventionally, this finishing process is performed by polishing by a skilled worker, and much time and cost are required. Therefore, in order to smooth the surface of the object to be processed without relying on manual work, a technique for performing surface treatment by irradiating an electron beam over a wide range of the surface of the object to be processed (for example, Patent Document 1). And a technique (for example, see Patent Document 2) in which an electron beam is focused on the vicinity of an object to be processed and surface-treated by two-dimensional scanning is proposed.
特許文献1に記載されている技術は、微細な表面粗さに仕上げることが可能であるが、広い面積にわたって電子ビームが照射されるため、表面層が溶融凝固した後に引っ張り残留応力が生じ易く、被処理物の表面に微細なクラックを生じる。また、被処理物の形状が複雑なものでは、その表面に均一に電子ビームを照射することができない。このため、表面粗さに局所的なむらを生じ易い。
特許文献2に記載されている技術では、被処理面の表面に焦点を合わせ、ビーム径がφ 0.03mmくらいで、電子ビームをデジタル的に微少量(例えば0.01mm〜0.05mm)ずつ予め設定された位置をデータ通りに動かし、二次元走査を行うため、複雑な形状であっても表面処理が行えるが、表面粗さが1μm程度までにしか改善されない。
被処理物の特性を改善する物質を被処理面に塗布し、電子ビームを照射して被処理面に一体化させ、特性を改善する処理を行う場合、従来の照射方法では照射後に塗布物質の存在に偏りが生じ、均一な表面特性を得られないという問題があった。
The technique described in
In the technique described in Patent Document 2, the surface of the surface to be processed is focused, the beam diameter is about φ 0.03 mm, and the electron beam is digitally minutely (for example, 0.01 mm to 0.05 mm). Since the preset position is moved according to the data and two-dimensional scanning is performed, surface treatment can be performed even with a complicated shape, but the surface roughness can be improved only to about 1 μm.
When a material that improves the properties of the workpiece is applied to the surface to be processed, and is irradiated with an electron beam to be integrated with the surface to be processed, and the processing to improve the properties is performed, the conventional irradiation method uses a coating material after irradiation. There was a problem that the existence was uneven and uniform surface characteristics could not be obtained.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、被処理物の表面の溶融領域の湯流れを抑制し、微細な表面粗さに仕上げることができる電子ビーム表面処理装置及び電子ビーム表面処理方法を得ることを目的にしている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and suppresses the flow of molten metal in the molten region on the surface of the object to be processed, and can be finished to a fine surface roughness. And an electron beam surface treatment method.
この発明に係わる電子ビーム表面処理装置においては、被処理物に電子ビームを照射するための電子ビーム照射装置、この電子ビーム照射装置により照射された電子ビームを偏向させる偏向レンズを制御する偏向制御装置、及び電子ビーム照射装置を制御する制御装置を備え、制御装置及び偏向制御装置は、偏向レンズを制御し、電子ビームを、この電子ビームの進行方向に対し局所的に円の軌跡を描かせながら前進させ、被処理物の処理対象領域を電子ビームによって走査させるものである。 In the electron beam surface treatment apparatus according to the present invention, an electron beam irradiation apparatus for irradiating an object to be processed with an electron beam, and a deflection control apparatus for controlling a deflection lens that deflects the electron beam irradiated by the electron beam irradiation apparatus. And a control device for controlling the electron beam irradiation device, and the control device and the deflection control device control the deflection lens and draw the circular locus of the electron beam locally in the traveling direction of the electron beam. It advances, and the process target area | region of a to-be-processed object is scanned with an electron beam.
この発明は、以上説明したように、被処理物に電子ビームを照射するための電子ビーム照射装置、この電子ビーム照射装置により照射された電子ビームを偏向させる偏向レンズを制御する偏向制御装置、及び電子ビーム照射装置を制御する制御装置を備え、制御装置及び偏向制御装置は、偏向レンズを制御し、電子ビームを、この電子ビームの進行方向に対し局所的に円の軌跡を描かせながら前進させ、被処理物の処理対象領域を電子ビームによって走査させるので、処理対象領域内の溶融による湯流れを抑制することができ、平坦性を改善することができる。 As described above, the present invention provides an electron beam irradiation apparatus for irradiating an object with an electron beam, a deflection control apparatus for controlling a deflection lens that deflects the electron beam irradiated by the electron beam irradiation apparatus, and A control device for controlling the electron beam irradiation device is provided. The control device and the deflection control device control the deflection lens and advance the electron beam while drawing a circular locus locally with respect to the traveling direction of the electron beam. Since the region to be processed of the object to be processed is scanned by the electron beam, the hot water flow due to melting in the region to be processed can be suppressed, and the flatness can be improved.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による電子ビーム表面処理装置を示す構成図である。
図1において、電子ビーム表面処理装置1は、真空チャンバ2内に、被処理部Wを載置するXYZテーブル4(テーブル)と、被処理部Wに向けて電子ビームを発生する電子銃8と、この電子銃8からの電子ビームを収束する収束レンズ9と、収束レンズ9によって収束された電子ビームを偏向する偏向レンズ10とを有している。電子銃8と、収束レンズ9と、偏向レンズ10は、電子ビーム照射装置3を構成する。
真空チャンバ2の外部には、真空排気装置5、電源装置6、および制御装置7が設けられている。真空排気装置5は、被処理物WをXYZテーブル4上に載置した後、真空チャンバ2内が所定の真空度に達するまで真空引きを行う。制御装置7は、マイクロコンピュータ等から構成され、予め設定された制御プログラムに基づいて電子ビーム照射装置3、XYZテーブル4、真空排気装置5、および電源装置6の各動作を制御し、さらに、電子ビームが被処理物Wの表面の照射位置に常に焦点を結ぶように収束レンズ9を制御する。偏向制御装置11は、偏向レンズ10を制御する。
FIG. 1 is a block diagram showing an electron beam surface treatment apparatus according to
In FIG. 1, an electron beam
A
図2は、この発明の実施の形態1による電子ビーム表面処理装置の電子ビーム軌跡を示す説明図である。
図2において、偏向制御装置11によって電子ビームを微小振動軌跡12のように進行方向に対し前後に微小に振動させる。制御装置7の制御により、全体としての電子ビーム軌跡13が被処理物Wに描かれる。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an electron beam trajectory of the electron beam surface treatment apparatus according to
In FIG. 2, the
図3は、この発明の実施の形態1による電子ビーム表面処理装置の処理対象領域内の電子ビーム軌跡を示す説明図である。
図3において、被処理物Wの表面処理が必要な処理対象領域14内を二次元走査された全体としての電子ビーム軌跡13が示されている。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an electron beam trajectory in the processing target region of the electron beam surface processing apparatus according to
In FIG. 3, an
次に、動作について説明する。
実施の形態1の電子ビーム表面処理装置1は、鋼等の鉄系金属、あるいはアルミニウム合金、チタン合金、超硬合金等の非鉄金属からなる被処理物Wの表面処理を行うものであって、真空チャンバ2内に電子ビーム照射装置3とXYZテーブル4とが配置されている。
被処理物WをXYZテーブル4上に載置した後、真空排気装置5により真空チャンバ2内が所定の真空度に達するまで真空引きを行う。真空チャンバ2内が所定の真空度に達すると、制御装置7は、XYZテーブル4を駆動して表面処理が必要とされる処理対象領域に電子ビームが照射可能な位置まで被処理物Wを移動させた後、電源装置6を起動して電子銃8から電子ビームを発生させる。
電子ビーム照射装置3は、被処理物Wの表面に電子ビームを照射するもので、電子ビームは収束レンズ9で収束された後、偏向レンズ10で偏向されて被処理物Wの表面に照射される。
マイクロコンピュータ等から構成された制御装置7は、予め設定された制御プログラムに基づいて電子ビーム照射装置3、XYZテーブル4、真空排気装置5、電源装置6の各動作を制御するとともに、電子ビームが被処理物Wの表面の照射位置に常に焦点を結ぶように収束レンズ9を制御する。このとき、ビーム径は処理領域に対し十分小さい。
Next, the operation will be described.
The electron beam
After the workpiece W is placed on the XYZ table 4, vacuuming is performed by the
The electron
The control device 7 constituted by a microcomputer or the like controls each operation of the electron
次に、実施の形態1での電子ビーム照射方法を、図2、図3を用いて説明する。
図2に示すように、偏向制御装置11によって電子ビームを、微小振動軌跡12のように電子ビームの進行方向に対し、前後に微小に振動させながら、制御装置7と偏向制御装置11により偏向レンズ10を制御して、全体としてのビーム軌跡13を描かせる。
この全体としての電子ビーム軌跡13は、図3に示すように、被処理物Wの表面処理が必要な処理対象領域14内を、溶融ムラが生じないように二次元走査することによって得られる。
このように、電子ビームを被処理物Wの処理対象領域内で走査の際、局所的に進行方向に対して振動しながら走査することで、走査の際に形成される溶融領域に対し、進行方向後方にも入熱が行われる。これにより、溶融領域内の温度場が均一、もしくは温度勾配が減少する。
溶融領域内の温度勾配が減少すると、溶融領域内で生じる対流や振動を低減させることができ、凝固後、表面の平坦性が改善され、一度の走査で0.5μm程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。
Next, the electron beam irradiation method in
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIG. 3, the entire
In this way, when the electron beam is scanned within the region to be processed of the workpiece W, the scanning is performed while locally vibrating in the traveling direction, so that the electron beam proceeds with respect to the melting region formed at the time of scanning. Heat is input also in the direction rear. Thereby, the temperature field in the melting region is uniform or the temperature gradient is reduced.
When the temperature gradient in the melting region decreases, convection and vibration generated in the melting region can be reduced, the surface flatness is improved after solidification, and a fine surface roughness of about 0.5 μm in one scan. Can be finished.
実施の形態1によれば、電子ビームを被処理物Wの処理対象領域内で走査する際、局所的に進行方向に対して前後に振動しながら走査することで、走査の際に形成される溶融領域に対し、進行方向後方にも入熱が行われることにより、溶融領域内の温度場が均一、もしくは温度勾配が減少し、溶融領域内で生じる対流や振動を低減させることができ、凝固後、表面の平坦性が改善され、一度の走査で0.5μm程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。 According to the first embodiment, when the electron beam is scanned in the processing target region of the workpiece W, the scanning is performed while locally oscillating back and forth in the traveling direction. The heat input to the molten region is also performed in the rearward direction, so that the temperature field in the molten region is uniform or the temperature gradient is reduced, and the convection and vibration generated in the molten region can be reduced. Thereafter, the flatness of the surface is improved, and it is possible to finish the surface with a fine surface roughness of about 0.5 μm by a single scan.
実施の形態2.
実施の形態2は、実施の形態1において、偏向制御装置11によって電子ビームを進行方向に対し前後に微小に振動させながら、制御装置7により、被処理物Wを載置したXYZテーブル4を移動させることにより、全体としてのビーム軌跡13を描くようにしたものである。このとき、XYZテーブル4と電子ビームの両方を制御して、全体としてのビーム軌跡13を描くようにしてもよい。
Embodiment 2. FIG.
In the second embodiment, the XYZ table 4 on which the workpiece W is placed is moved by the controller 7 while the electron beam is vibrated minutely back and forth with respect to the traveling direction by the
実施の形態3.
図4は、この発明の実施の形態3による電子ビーム表面処理装置の電子ビーム軌跡を示す説明図である。
図4において、偏向制御装置11によってビームを被処理物Wの表面上に、局所的に円の走査軌跡15を繰り返し描くように走査する。この状態で電子ビームと被処理物Wとを相対的に移動させると、局部的には円の走査軌跡15を繰り返し描くような電子ビーム軌跡16が得られる。全体としては一方向に走査する電子ビーム軌跡17となる。
FIG. 4 is an explanatory view showing an electron beam locus of an electron beam surface treatment apparatus according to
In FIG. 4, the
実施の形態3は、実施の形態1の図1のような構成で、電子ビームの走査を次のような走査方法にする。
偏向制御装置11によってビームを被処理物Wの表面上に、局所的に円の軌跡15を繰り返し描くように走査する。この状態で、偏向レンズ10を制御することにより、局部的には円の軌跡15を繰り返し描くような電子ビーム軌跡16となり、全体としては一方向に走査する電子ビーム軌跡17を描かせる。
この全体としての電子ビーム軌跡17は、図3に示すように、被処理物Wの表面処理が必要な処理対象領域14内において溶融ムラが生じないように二次元走査することで得られる。
このように、電子ビームを被処理物Wの処理対象領域14内で走査の際、局所的に円の軌跡を繰り返し描くように走査することで、走査の際に形成される溶融領域に対し、進行方向後方にも入熱が行われる。これにより、溶融領域内の温度場が均一、もしくは温度勾配が減少する。溶融領域内の温度勾配が減少すると、溶融領域内で生じる対流や振動を低減させることができ、凝固後、表面の平坦性が改善され、一度の走査で0.5μm程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。
The third embodiment is configured as shown in FIG. 1 of the first embodiment, and the electron beam scanning is performed as follows.
The
As shown in FIG. 3, the entire
As described above, when scanning the electron beam in the
実施の形態3によれば、電子ビームを被処理物Wの処理対象領域14内で走査の際、局所的に円の軌跡を繰り返し描くように走査することで、走査の際に形成される溶融領域に対し、進行方向後方にも入熱が行われることにより、溶融領域内の温度場が均一、もしくは温度勾配が減少し、溶融領域内で生じる対流や振動を低減させることができ、凝固後、表面の平坦性が改善され、一度の走査で0.5μm程度の微細な表面粗さに仕上げることができる。
According to the third embodiment, when the electron beam is scanned in the
実施の形態4.
実施の形態4は、実施の形態3において、偏向制御装置11によって局部的には円の軌跡15を繰り返し描きながら、制御装置7により、被処理物Wを載置したXYZテーブル4を移動させることにより、全体としてのビーム軌跡17を描くようにしたものである。このとき、XYZテーブル4と電子ビームの両方を制御して、全体としてのビーム軌跡17を描くようにしてもよい。
In the fourth embodiment, the XYZ table 4 on which the workpiece W is placed is moved by the control device 7 while repeatedly drawing the
実施の形態5.
実施の形態5では、被処理面の特性を改善する物質を被処理面上に均一に塗布する(第一の工程)。塗布する厚みは被処理面への入熱が妨げられないように50μm以下が好ましい。被処理面への塗布後、実施の形態1〜実施の形態4に示した照射方法による電子ビーム照射を行う(第二の工程)。このとき、電子ビームの出力を制御することで、塗布物質の一部を昇華させ、残留する塗布物質量を調節することができる。
一般に、塗布物資は、被処理面が溶融すると溶融領域に入り込み、そのまま凝固することで一体化する。このとき、溶融領域に湯流れが生じると、塗布物質は溶融物に流され、残留時に偏りが生じる。これにより、特性にばらつきが生じ、さらに表面粗さの悪化も起きる。
これに対して、実施の形態1〜実施の形態4の電子ビーム照射方法では、溶融領域の湯流れを抑制できるため、均一に塗布されていれば、処理後も偏りなく均一に塗布物質が残留する。これにより、良好な特性、微細な表面粗さを得ることができる。
In the fifth embodiment, a substance that improves the characteristics of the surface to be processed is uniformly applied on the surface to be processed (first step). The thickness to be applied is preferably 50 μm or less so that heat input to the surface to be treated is not hindered. After application to the surface to be processed, electron beam irradiation is performed by the irradiation method described in the first to fourth embodiments (second step). At this time, by controlling the output of the electron beam, a part of the coating substance can be sublimated and the amount of the remaining coating substance can be adjusted.
Generally, the coated material enters the melted region when the surface to be treated is melted, and is integrated by solidifying as it is. At this time, if a hot water flow is generated in the melting region, the coating substance is caused to flow into the melt, and deviation occurs when remaining. As a result, variations in characteristics occur, and surface roughness also deteriorates.
On the other hand, in the electron beam irradiation method according to the first to fourth embodiments, the flow of molten metal in the molten region can be suppressed. Therefore, if the coating is uniformly applied, the applied substance remains evenly even after processing. To do. Thereby, good characteristics and fine surface roughness can be obtained.
実施の形態5によれば、被処理面の特性を改善する物質を塗布した上で、電子ビーム照射を行うので、この物質を被処理面に偏りなく均一に一体化させ、表面特性を改善することができる。 According to the fifth embodiment, since the material for improving the characteristics of the surface to be processed is applied and then irradiated with the electron beam, the material is uniformly integrated with the surface to be processed without unevenness to improve the surface characteristics. be able to.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 電子ビーム表面処理装置、2 真空チャンバ、3 電子ビーム照射装置、
4 XYZテーブル、5 真空排気装置、6 電源装置、7 制御装置、8 電子銃、9 収束レンズ、10 偏向レンズ、11 偏向制御装置、12 微小振動軌跡、13 全体としての電子ビーム軌跡、14 処理対象領域、15 走査軌跡、16 電子ビーム軌跡、17 全体としての電子ビーム軌跡。
1 electron beam surface treatment device, 2 vacuum chamber, 3 electron beam irradiation device,
4 XYZ table, 5 vacuum exhaust device, 6 power supply device, 7 control device, 8 electron gun, 9 focusing lens, 10 deflection lens, 11 deflection control device, 12 minute vibration locus, 13 electron beam locus as a whole, 14 processing object Area, 15 scanning trajectory, 16 electron beam trajectory, 17 electron beam trajectory as a whole.
Claims (2)
この電子ビーム照射装置により照射された電子ビームを偏向させる偏向レンズを制御する偏向制御装置、
及び上記電子ビーム照射装置を制御する制御装置を備え、
上記制御装置及び上記偏向制御装置は、上記偏向レンズを制御し、上記電子ビームを、この電子ビームの進行方向に対し局所的に円の軌跡を描かせながら前進させ、上記被処理物の処理対象領域を上記電子ビームによって走査させることを特徴とする電子ビーム表面処理装置。 An electron beam irradiation apparatus for irradiating an object with an electron beam,
A deflection control device that controls a deflection lens that deflects the electron beam irradiated by the electron beam irradiation device;
And a control device for controlling the electron beam irradiation device,
The control device and the deflection control device control the deflection lens to advance the electron beam while drawing a locus of a circle locally with respect to the traveling direction of the electron beam, and to process the object to be processed. An electron beam surface treatment apparatus that scans an area with the electron beam.
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2013
- 2013-01-22 JP JP2013009012A patent/JP2013121623A/en active Pending
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