Из истории электроискровой обработки материалов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ТЕХНОЛОГИИ»

From the History of Electrospark Metalworking
The invention and subsequent development of electrospark working of conducting materials serves as an excellent example of how the advanced engineering solution, having been emerged in Soviet Union, brings fruitful results in the West and Japan in particular. Nowadays this technology comes to our plants in the form of up-to-date foreign AGIE, Charmilles, FINE Sodick machine tools. The story below gives an idea of why this truly Russian concept was embodied abroad. A fundamentally new way of working metal, alloys and other conducting materials, and electrospark metalworking in particular, was invented by Soviet scientists, husband and wife, Boris and Natalya Lazarenko, last century. This method is based upon using strong electric discharge. This revolutionary method opened a new era in manufacturing technologies, having provided using electric energy directly for generation of geometry of parts of any conducting and semiconducting materials, regardless their physico-chemical or mechanical properties. The popularity of this method is the evidence of the fact that in the mid 1990s more that 6000 of such machines were being annually produced in Japan, which is today the world leader in electrospark equipment manufacture. Having been discovered back in 1938 the electrospark method of metalworking opened cart blanche for enhancement of various industries. The main stages of this technology development are described below.

Открытие и последующее развитие электроискровой обработки токопроводящих материалов — хороший пример того, как передовое техническое решение, появившись в Советском Союзе, наиболее «плодовитые всходы» дает за рубежом, и особенно в Японии. Теперь эта технология приходит на наши заводы «в облике» станков AGIE, Charmilles, FINE Sodick и др. Предлагаемый ниже исторический очерк дает представление о том,  почему по-настоящему «своей» идея электроискровой обработки оказалась именно за рубежом.

Б.И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с., Лауреат Ленинской премии,
Главный конструктор электроискрового оборудования электронной промышленности, г. Москва (Россия)

К числу выдающихся открытий ХХ века относится изобретение советскими учеными, супругами Борисом Романовичем и Наталией Иоасафовной Лазаренко, принципиально нового способа обработки металлов, сплавов и других токопроводящих материалов, а именно — электроискровой обработки. Этот способ, как известно, основан на использовании высококонцентрированных электрических разрядов для съема с обрабатываемой заготовки или нанесения на нее материала. Этот способ поистине открыл новую эру в промышленных технологиях, обеспечив использование электрической энергии непосредственно для формообразования деталей из любых токопроводящих и полупроводниковых материалов, независимо от их физико-химических и механических свойств, а также упрочнения и легирования их поверхностей.

Появившись в 1938 г., электроискровой способ обработки материалов открыл неограниченные возможности для совершенствования различных производств. Приоритет советских ученых Б.Р. и Н.И. Лазаренко в открытии этого принципиально нового способа обработки подтверждается авторским свидетельством № 70010 от 3.04.1943 г., а также патентами других государств: Франции — № 525414 от 18.06.1946 г., Великобритании — № 285822 от 24.09.1946 г., США — № 6992718 от 23.08.1946 г., Швейцарии — № 8177 от 14.07.1946 г., Швеции — № 9992/46 от 1.11.1946 г, а также многочисленными публикациями.

За открытие и разработку этого способа супругам Б.Р. и Н.И. Лазаренко в 1946 г. была присуждена Сталинская премия. Решением Высшей аттестационной комиссии от 26 июня 1949 г. Б.Р. Лазаренко (рис. 1) была присуждена ученая степень доктора технических наук.

Однако появление электроискровой технологии в начале 40-х годов было в какой-то степени преждевременным, так как уровень развития ряда отраслей техники того времени (да и два-три десятилетия спустя) не обеспечивал достаточно полной реализации его возможностей. С одной стороны, применявшиеся традиционные методы металлообработки вполне отвечали потребностям промышленности, а основные потребители электроискрового способа еще только появлялись. С другой стороны, в то время еще не были созданы устройства, появившиеся только в конце ХХ века и позволяющие наиболее эффективно использовать достоинства электроискровой обработки: 32-разрядные ЧПУ и линейные электродвигатели, обеспечивающие значительные скорости и ускорения подач, исключительно малые люфты и погрешности шага, минимум трения и высокую дискретность. Появились сегодня и быстродействующие коммутационные приборы, высокоточные датчики линейных перемещений и измерительные линейки, выведшие электроискровое оборудование на принципиально новый технический уровень, недостижимый еще 10–15 лет назад.

По мере развития техники, с появлением новых материалов, устройств и приборов, особенно с расширением возможностей и повышением надежности управляющих микро-ЭВМ были созданы высокопроизводительные и особо точные электроискровые обрабатывающие комплексы, существенно расширилась область применения этого способа обработки материалов, повысилась эффективность его использования в промышленности. Этим и объясняется непрерывное обновление данного способа и неисчерпаемость его возможностей. В многолетнем соревновании с другими способами металлообработки электроискровой способ доказал свою перспективность, чрезвычайную простоту осуществления, малую энергоемкость и практически неограниченную область применения.

В настоящее время мировой рынок электроискрового оборудования делят 4 компании-лидера отрасли: японские SODICK и MITSUBISHI ELECTRIC, а также швейцарские AGIE и CHARMILLES. О популярности этой технологии говорит, в частности, и тот факт, что в мире сегодня выпускается более 20 000 единиц электроискровых станков различного класса и уровня сложности.

Первый этап: открытие новой технологии и доказательство ее работоспособности

Первый этап (1938 – конец 1940-х гг.) — открытие электроискрового способа и экспериментальное доказательство того, что по своим технологическим возможностям он превосходит обработку металлов механическим резанием. Это было показано в 1943–1946 гг.

Изучив закономерности, управляющие разрушением электрических контактов, и получив с помощью электрических разрядов первые отверстия в металлах (рис. 2), изобретатели способа высказали прогноз, что нет и не может быть токопроводящих материалов, которые бы не обрабатывались электрическими разрядами. С тех пор прошло более 60 лет, однако нам не известно, чтобы кто-нибудь нашел хотя бы одно исключение из этого правила.

Б.Р. и Н.И. Лазаренко особо подчеркивали, что именно в искровом разряде наиболее целесообразно концентрировать электрическую энергию во времени и в пространстве. Ими были сформулированы две особенности этого процесса:

1) простота получения искровой формы разряда;

Несмотря на то, что авторы указывали на возможность применения метода для точного изготовления деталей, он вначале применялся преимущественно для грубой обработки металлов, главным образом для заготовительных работ. В этом направлении в основном и проводились соответствующие научные исследования.

Промышленное применение электроискрового способа началось до его официальной регистрации. Он использовался в первые годы Великой Отечественной войны на Урале при изготовлении реактивных снарядов для ракетных установок «Катюш».

На рис. 3 показаны прообразы первых электроискровых установок.

На рис. 4 представлен один из станков, созданных в начале 1940-х годов, а на рис. 5 — внешний вид электродов.

С помощью этих образцов была впервые показана возможность обработки токопроводящих материалов искровыми разрядами.

На основании исследований о поведении материала электродов под действием различных форм разряда (независимо от способов увеличения напряженности электрического поля), авторы сделали следующие обобщения:

  •  каждой форме самостоятельного электрического разряда соответствует присущая ей полярность эрозии электродов;
  •  искровая форма разряда сопровождается преобладающей убылью анода;
  •  переход искровой формы электрического разряда в дуговую (и обратно) сопровождается инверсией электрической эрозии.
  • Второй этап: максимум производительности, минимум качества.

Второй этап (конец 1940-х — середина 1950-х годов) развития техники электроискровой обработки — создание научно-исследовательских лабораторий, начало подготовки специалистов высшей квалификации в области электроискровой обработки материалов и создание первых в мире промышленных типов электроискровых установок, начало их выпуска.

В середине 40-х годов по инициативе Б.Р.  Лазаренко в Московском авиационном технологическом институте (МАТИ) была организована лаборатория электроискровой обработки материалов (рис. 6, 7). Лаборатория была оснащена установками различного назначения: для разрезания металлов, прошивки отверстий любого профиля, круглого шлифования и др., созданными преимущественно на базе металлорежущих станков.

Вскоре случилось непредвиденное: сменилось руководство института. Борис Романович, не получив поддержки у нового директора в деле организации подготовки специалистов по специальности «Электроискровая обработка материалов в авиастроении», был вынужден прекратить сотрудничество с МАТИ, а электроискровая лаборатория в этом институте прекратила свое существование.

Впрочем, вскоре, а именно 16 июня 1948 г., Постановлением Правительства СССР, подписанным И.В. Сталиным, была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория электрической обработки материалов (ЦНИЛ- Электром), руководителем которой был утвержден Б.Р. Лазаренко. На первых этапах она входила в состав НИИ-627 Министерства электротехнической промышленности СССР. В 1953 г. ЦНИЛ-Электром была выделена в самостоятельную организацию, а в 1955 г. передана в систему АН СССР.

Уже в конце 1940-х — начале 1950-х годов ЦНИЛ-Электром, руководимая Б.Р. Лазаренко, стала «кузницей кадров», из которой вышли первые советские ученые-«электроискровики» (рис. 8).

В эти годы в ЦНИЛ-Электром (в лаборатории, руководимой Б.Н. Золотых) проводились фундаментальные исследования в области физических основ электроискровой обработки металлов. К сожалению, достаточное внимание уделялось лишь исследованию электрической эрозии электродов в разряде при запасах энергии в импульсе в пределах от десятых долей джоуля до нескольких джоулей. Совершенно не изучалась эрозия электродов при энергии импульса менее 0,001 Дж, а именно этот диапазон энергий характерен для электроискровой прецизионной обработки металлов. Кроме того, применявшаяся методика была слишком трудоемкой, не могла отражать в полной мере процессы, происходящие на электродах, и давать объективную картину воздействия искрового разряда на аноде и катоде.

Для осуществления различных технологических процессов электроискровым способом были созданы различные конструкции установок: для прошивки разнообразных отверстий, разрезания заготовок различного профиля, шлифования, упрочнения и легирования различного металлорежущего инструмента. На рис. 9 показана одна из созданных в ЦНИЛ-Электром экспериментальных электроискровых установок для разрезания различных материалов движущейся лентой. В качестве межэлектродной среды здесь использовалась суспензия каолина.

На рис. 10 и 11 показаны примеры электроискрового разрезания профилей на дисковой пиле, где в качестве электрода-инструмента использовался диск из кровельного железа. Так, швеллеры размером от № 6 до № 16 разрезались в зависимости от сечения за время от 20 с до 1,4 мин, а уголки размером от № 4 до № 10 — от 12 до 50 с. Железнодорожный рельс можно было перерезать за 1,5 мин.

Интересным вариантом применения электроискрового способа явилось шлифование мукомольных валков Ф 250 мм в отработанном авиационном масле или смеси 2/3 машинного и 1/3 веретенного масла. Для этого использовались электрические режимы при напряжении холостого хода Uх.х. = 12…38 В, рабочем напряжении Uр = 10…30 В и рабочем токе Ip = 10…100 А.

В 1947–1948 гг. при изготовлении отверстий Ф 0,15+0,01 мм в массово выпускаемых деталях — распылителях дизельной топливной аппаратуры — электроискровой метод полностью вытеснил операцию механического сверления. При этом уже на первых порах, т. е. без каких-либо элементов автоматизации, производительность возросла в 6 раз, а брак снизился до 0,5 %. Позднее на участке электроискровой обработки отверстий, оснащенном полуавтоматическими установками, производительность возросла в 300 раз.

Анализ развития электроискрового способа в этот период показывает, что основные усилия исследователей были направлены на рост производительности процесса за счет увеличения энергии и длительности разрядов — до нескольких джоулей и сотен или тысяч микросекунд соответственно.

Господствовало стремление получать максимальную интенсивность съема металла в единицу времени или за один искровой разряд. Однако это приводило к существенному снижению точности обработки и ухудшению качества обработанной поверхности, появлению проблем с удалением из межэлектродного промежутка продуктов эрозии, существенным структурным изменениям в поверхностном слое материала. Точность изготовления деталей определялась сотыми или даже десятыми долями миллиметра, шероховатость составляла не менее Ra = 5...10 мкм.

Из-за этого в середине 50-х годов утвердилось мнение, что предел возможностей электроискровой технологии уже достигнут, особенно в отношении точности и минимальной шероховатости, и что этот способ нельзя применять для окончательной обработки.

Некоторые исследователи даже утверждали, что при малых энергиях и длительностях импульсов будет отсутствовать съем материала. Следует отметить, кстати, что столь одностороннее направление работ привело в конечном итоге к значительной задержке развития в СССР такого перспективного направления, как электроискровая прецизионная обработка.

Процессы электроискровой обработки с максимально возможной производительностью в СССР в то время развивали Экспериментальный научно- исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС) и СКБ электроэрозионного оборудования Министерства станкостроительной и инструментальной промышленности. Ими был создан ряд станков (4В721, 4Б722, 4723, 4А724 и др.), на которых точность обработки деталей не превышала 0,02–0,07 мм, а наименьшая шероховатость обработанной поверхности лежала в пределах 10...25 мкм.

В это же время, т. е. спустя 15 лет после открытия электроискрового способа советскими учеными, только с 1953 г., за рубежом начали создаваться фирмы, занимающиеся разработкой электроискрового оборудования. В их числе — швейцарские компании AGIE и Char-milles, а также Японский институт электроискровой обработки металлов (Japax).

Третий этап: электроискровая — значит, прецизионная

Третий этап развития электроискровой технологии (середина — конец 1950-х годов) характеризуется разработкой новых методов особо точного формообразования поверхностей электродом-проволокой — так называемого «обратного», а также последовательного копирования профиля электрода-инструмента — и началом развития прецизионной электроискровой обработки металлов.

Начало этого этапа связано с возникновением проблемы изготовления особо точных деталей электровакуумных приборов, работающих на излучениях сверхвысоких частот (СВЧ). Становление и бурное развитие электронной промышленности, возникшая потребность в принципиально новых электронных приборах обусловили необходимость изготовления миниатюрных сложнопpофильных деталей с микронной точностью и хорошим качеством обработанной поверхности (Ra не более десятых долей микрометра): сеток клистронов, анодных блоков магнетронов и замедляющих систем ламп обратной волны миллиметрового диапазона, катодов и анодов клистронов и малошумящих СВЧ-усилителей, электронно-оптических и индикаторных электронно-лучевых приборов, а также сложнопрофильного инструмента, например, пуансонов для холодного выдавливания деталей электронных приборов (в т. ч. анодных блоков магнетронов). Получение их традиционными способами было невозможно или представляло большие трудности. Особые сложности возникали при изготовлении приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн, где размеры элементов деталей составляли десятые, сотые, а иногда и тысячные доли миллиметра. Требовались принципиально новые методы особо точного формообразования поверхностей, основанные на иных принципах. Одним из таких методов и мог стать электроискровой способ обработки материалов. Однако в то время не было ни отечественного, ни зарубежного опыта создания соответствующего электроискрового прецизионного оборудования; требовалось выяснить саму возможность изготовления прецизионных деталей подобным способом.

Исследования, выполненные в 1954–1958 гг. в НИИ-160 (основной целью создания которого была разработка и выпуск электронных приборов для радиолокационной техники), показали не только возможность, но и целесообразность применения именно электроискрового способа для изготовления электронных приборов. В результате выполненных работ были получены следующие результаты:

1) созданы физико-технологические основы электроискровой прецизионной обработки материалов;

2) разработаны новые методы электроискрового формообразования особо точных деталей (электродом-проволокой и методами последовательного копирования профиля электрода-инструмента);

3) разработаны оригинальные технологические процессы изготовления прецизионных деталей электронных приборов и технологического инструмента, основанные на идее использования зоны минимального взаимодействия электродов (инструмента и детали);

4) создано принципиально новое электроискровое прецизионное оборудование, прежде всего, для изготовления деталей электродом-проволокой, а также комбинированные установки.

Стало ясно, что изготовление деталей электродом- проволокой имеет неоспоримые преимущества по сравнению с методом копирования профиля электрода-инструмента. К существенным недостаткам последнего можно отнести следующие факторы:

  •  необходимость применения электрода- инструмента, точно воспроизводящего профиль изготавливаемой детали;
  •  электродом-инструментом определенного профиля можно изготовить деталь только подобного профиля;
  •  изготовление электрода-инструмента требует большей трудоемкости и более высокой точности;
  •  необходима точная выверка оси электрода- инструмента с направлением оси его движения (подачи).

Возможности и преимущества электроискрового способа в наибольшей мере проявились при формообразовании деталей электродом-проволокой ВА-3 Ф 0,03–0,04 мм, поскольку в этом случае:

  •  обеспечиваются наилучшие условия естественного удаления продуктов эрозии из зоны обработки;
  •  исключается влияние износа электрода- инструмента на точность изготовления деталей;
  •  затрачиваются минимальные количества энергии благодаря удалению ничтожно малого количества материала с обрабатываемой детали;
  •  отпадает необходимость изготовления высокоточных инструментов сложной формы, так как одним и тем же электродом-проволокой изготавливаются детали любой формы и различных размеров с вертикальными, наклонными и сложнопрофильными образующими поверхностями.

На рис. 12 показана созданная в 1954 г. первая в мире электроискровая установка для прорезания электродом-проволокой ВА-З Ф 0,02–0,04 мм пазов шириной 30–60 мкм на торце электрода- инструмента (рис. 13) для изготовления сеток отражательных клистронов (рис. 14). На рис. 15 показана медная сетка отражательного клистрона Ф 7 мм с перемычками 30–40 мкм в заготовке толщиной 0,25 мм, а на рис. 16 — петлевая сетка, изготовленная в вольфрамовой заготовке Ф 5 мм, припаянной к медному корпусу, который имеет вид стакана. Характерной особенностью электроискрового изготовления деталей вольфрамовой проволокой Ф 0,03–0,04 мм является высокая точность (до 2 мкм) и незначительная шероховатость обработанной поверхности (Ra не более 0,25 мкм). При этом точность изготовления профиля определяется точностью относительного перемещения электрода проволоки в заданных направлениях.

Вольфрамовая проволока марки ВА-3 Ф 0,03 мм имеет разрывное усилие 260–270 г, а Ф 0,04 мм — 410–450 г. Кроме своей высокой механической прочности (bр = 300…350 кг/мм2), такая проволока также обладает высокой эрозионной устойчивостью. Наряду с вольфрамовой проволокой применяется и молибденовая — МЧ Ф 0,025–0,04 мм, а также медная — марки МБ Ф 0,08–0,1 мм.

В конце 50-х годов электроискровая обработка электродом-проволокой диаметром от 15 до 50 мкм начала широко применяться для прорезания узких пазов при изготовлении цельных сеток клистронов, замедляющих систем электронных ламп обратной волны (ЛОВ) миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (рис.  17), а также анодных блоков магнетронов (рис. 18, 19). На рис. 20 показан образец анодного блока магнетрона, изготовленного в Японии в 1957 г. электроискровой «прошивкой» специальным электродом-инструментом из прессованного вольфрама, пропитанного серебром.

В 1961 г. наибольшее количество замедляющих систем было изготовлено проволокой ВА-3 диаметром 25–40 мкм, примерно вдвое реже применялась проволока Ф 15 мкм. При этом величина межэлектродного зазора в зависимости от режима обработки (диаметра проволоки) составляла 1–5 мкм.

Как видно из графика на рис. 21, электроискровая обработка в те годы уже не являлась экзотикой, а использовалась в серийном производстве.

Таким образом, уже в середине 50-х годов была показана возможность широкого применения в электронной промышленности электроискрового способа обработки для изготовления особо точных нежестких деталей с точностью до нескольких микрометров и шероховатостью до десятых долей микрометра. Оказалось возможным изготовление деталей, элементы которых не превышают 5–6 мкм.

Тиратронный генератор — шаг вперед в развитии электроискровой технологии

В течение почти 10 лет после появления в 1954 г. первых экспериментальных электроискровых установок с электродом-проволокой широкому внедрению этого оборудования при изготовлении сложнопрофильных деталей средних и больших размеров (особенно в инструментальном производстве) мешали 2 основные причины:

1) отсутствие систем ЧПУ на базе мини- или микро-ЭВМ, обладающих широкими возможностями управления оборудованием, высокой надежностью и помехоустойчивостью, а также простотой расчета управляющих программ;

2) недостаточная производительность процесса при изготовлении стальных деталей (в связи с использованием керосина в то время в качестве межэлектродной среды).

Первая проблема была в какой-то степени решена в середине 70-х годов с появлением мини-ЭВМ, а затем микро-ЭВМ и систем ЧПУ на их базе. Вторая нашла свое решение раньше, чем первая: в СССР в середине 60-х годов создали специальные тиратронные генераторы биполярных импульсов напряжения микросекундного диапазона длительности с энергией в несколько сотых долей джоуля и нулевой составляющей напряжения на электродах. Такие импульсы обеспечивают возникновение между электродами искровых разрядов высокой удельной мощности с амплитудами тока, достигающими 500 А при длительности импульса не более 1,5 мкс. В тиратронном генераторе была применена идея концентрации энергии в конденсаторах, а для ее передачи к электродам использован импульсный трансформатор, устранивший гальваническую связь источника питания с электродами станка. Применение этих генераторов позволило использовать в качестве межэлектродной среды вместо керосина обычную воду (без ее очистки и деионизации).

С применением тиратронных генераторов биполярных импульсов напряжения удалось:

  •  существенно повысить производительность процесса (например, при изготовлении стальных деталей — на порядок);
  •  исключить загрязнение обрабатываемых поверхностей углеродом и смолистыми отложениями, неизбежно возникающими при применении в качестве межэлектродной среды керосина или других углеводородных жидкостей;
  •  улучшить условия труда, свести к минимуму пожароопасность оборудования и исключить необходимость ограждения электродов, чтобы предотвращать поражение операторов электрическим током.

Несмотря на то, что с тех пор уже прошло 40 лет, проблема изготовления деталей электроискровым способом в обычной воде, без ее предварительной очистки и деионизации, ни одной из зарубежных фирм еще полностью не решена. Сегодня ближе всего к решению этой проблемы находится, по-видимому, японская компания Sodick.

Что же касается развития электроискровой технологии в целом, то в СССР оно с конца 1940-х — начала 1950-х годов начало существенно тормозиться. Возможно, этому способствовало и негативное отношение к этому способу обработки со стороны влиятельных специалистов электротехнической, электронной, а главное — станкоинструментальной промышленности, которые усмотрели в электроискровом способе обработки опасного конкурента традиционной металлообработке.

Многие из полученных в СССР результатов научных исследований оказались по настоящему использованными только зарубежными фирмами. За рубежом, особенно в Японии, сумели разглядеть перспективы этого поистине революционного способа  обработки материалов, которому принадлежит будущее...

(Продолжение следует)

От редакции
Современные электроэрозионные станки — высокоавтоматизированные установки, работающие в полуавтоматическом режиме. Высокие технические и эксплуатационные характеристики станков позволяют эффективно использовать их при изготовлении самой разнообразной оснастки для кузнечно-прессового и литьевого оборудования, а также различных деталей для машиностроения — там, где определяющими критериями являются высокое качество и точность. В настоящее время спектр электроэрозионного оборудования весьма широк. Несмотря на то, что принцип электроискровой обработки металла был открыт в России, и она до середины восьмидесятых держала лидерство в области производства данного типа оборудования, неоспоримое преимущество сегодня принадлежит японским и европейским станкам. Постоянные читатели нашего журнала регулярно получают информацию о хорошо известных в мире станках японской фирмы Sodick. Мы планируем знакомить Вас, Читатель, более подробно с техническими новинками электроискровой обработки и другими ее яркими представителями: AGIE, Mitsubishi Electric, Sharmilles, JSEDM, ОАО ВНИИТЭМР и др.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.