Из истории электроискровой обработки материалов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ»

From the History of Electrospark Material Processing
This article continues the series of publications, dedicated to the technology of spark erosion machining (also see the issues 2-6, 2006). To speak more precisely, this article deals with the specialized spark precision equipment by the research institute “ISTOK”, famous as a creator of the first spark cut-out machines and as an author of the theory of high-precision electrospark material processing.

Первые десятилетия развития электроискровых технологий практически все нынешние мировые лидеры в этой области только тем и занимались, что изучали советские достижения  и пытались их копировать в своих установках. Главных причин ведущего положения СССР было, пожалуй, две: сама технология зародилась именно в этой стране и была изначально применена для изготовления передовых на то время систем вооружения (ведь что-что, а оружие советские ученые и инженеры делать умели, на нужды «оборонки» работали лучшие умы, тратилась масса сил и средств). Возможностям лучших в мире электроискровых установок, созданных в СССР в 50-60-е годы ХХ века, и посвящен предлагаемый ниже материал.

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

НИИ «ИСТОК», созданный для решения задач национальной безопасности в области радиоэлектронного вооружении известен сегодня в мире также и как создатель первых электроискровых вырезных станков, и как разработчик теоретических основ особо точной электроискровой обработки материалов.

На третьем этаже главного корпуса НПП «ИСТОК» (изображенного на фото в начале статьи) в конце 50-х гг. размещалась лаборатория электроискровой обработки. Она была создана 12 марта 1957 г., а ее появление стало началом интенсивного развития новых методов электроискровой прецизионной обработки материалов в электронной и других оборонных отраслях промышленности СССР.

Приоритет предприятия в этой области закреплен созданием более 100 моделей электроискрового прецизионного оборудования (которых было выпущено в общей сложности почти 3000 единиц), многочисленными публикациями и патентами ведущих специалистов, а также присуждением им в 1963 г. Ленинской премии за разработку новых методов изготовления особо точных деталей.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ПРЕЦИЗИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НИИ «ИСТОК»

В конце 1950-х — начале 1960-х гг., наряду с электроискровым оборудованием для изготовления деталей электронных приборов и инструмента, в НИИ «ИСТОК» создавалось и специализированное электроискровое оборудование. Оно было представлено такими моделями:

  •  двухпозиционные установки А207.10; А207.15 и ЭХ1087. У всех этих машин электрод-проволока перемещался горизонтально, что создавало наилучшие условия для его направления в сторону обрабатываемой заготовки и удаления продуктов эрозии из зоны обработки, однако несколько ограничивало область применения этого оборудования;
  •  четырехпозиционная установка А207.11 для изготовления пуансонов, предназначенных для холодного выдавливания анодных блоков магнетронов типа «щель-отверстие», пуансонов и матриц вырубных штампов;
  •  модификации установок для изготовления замедляющих систем ЛОВ с электромеханическим программным управлением на шаговых искателях либо заданием программ с помощью перфолент или набором на панели управления установки;
  •  установка А207.20 для изготовления деталей электродом-проволокой по увеличенному чертежу или шаблону на базе проектора БП;
  •  экспериментальная установка А207.24 для разрезания сеточного полотна из вольфрамомолибденовой проволоки Ш 20–30 мкм на керамическом керне;
  •  пятипозиционный полуавтомат А207.28 для разрезания тонкостенных никелевых профильных трубок Ф 2,5–3 мм молибденовой проволокой Ф 40 мкм с производительностью до 1000–1800 деталей в час;
  •  установка А207.31 с программным управлением для прорезания очень узких пазов (шириной 8–10 мкм);
  •  установка А207.37 на базе часового проектора ЧП-2 для изготовления деталей микроприборов электродом-проволокой по увеличенному чертежу или шаблону.

Ниже приводятся примеры некоторых из этих установок, а также описание их технических возможностей.

ДВУХПОЗИЦИОННАЯ УСТАНОВКА А207.10 С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Установка А207.10 (рис. 1) предназначена для разрезания на таблетки различных токопроводящих прутков и штабиков из любых токопроводящих и некоторых полупроводниковых материалов диаметром до 15 мм. В качестве инструмента используется медленно перемещающаяся тонкая проволока Ф 30–40 мкм. Шероховатость обработанной поверхности Ra не более 0,5–1 мкм. Скорость разрезания 2–10 мм2/мин. Перемещение на требуемый шаг после каждого реза осуществляется автоматически по заданной программе с точностью до ±0,005 мм.

Главное назначение установки — изготовление очень прозрачных сеток с шестигранной формой ячеек и высокими перемычками (так называемых сотовых сеток) для электронных приборов (рис. 2). Основные элементы технологического цикла при этом сводятся к следующему: алюминиевую проволоку круглого сечения покрывают слоем меди, по толщине несколько превышающим половину толщины перемычки (а затем в некоторых случаях — тонким слоем золота), пучок такой проволоки вставляется в медную обойму и обжимается при протягивании сквозь фильеру. В ходе обжима проволока приобретает шестигранную форму. Диффузия золота в медь обеспечивает более прочное (чем при отсутствии золочения) соединение отдельных проволок пучка между собой и образование единого стержня

Стержень нарезается электроискровым способом на тонкие диски, толщина которых равняется высоте будущей сетки (0,2–0,4 мм).

В дальнейшем алюминий вытравляется щелочью, которая на медь почти не оказывает воздействия. Так образуется сетка, которая после спекания при температуре плавления меди впаивается в корпус резонатора прибора

ЧЕТЫРЕХПОЗИЦИОННАЯ УСТАНОВКА А207.11

Электроискровая полуавтоматическая прецизионная установка А207.11 (рис. 3) была создана в основном для изготовления пуансонов для холодного выдавливания анодных блоков магнетронов типа «щель-отверстие» (рис. 4), а также пуансонов и матриц вырубных штампов. Отличительная особенность установки — высокая точность и жесткость ее механической части.

На рис. 5 в качестве примера показан блок электродов-инструментов (а) для изготовления пуансонов и отдельный электрод в приспособлении ( б), которое устанавливается на столе установки.

Отдельные электроды представляют собой закаленные стальные пластины, в которые запрессовываются вкладыши из меди, ее сплавов или других материалов, обладающих высокой эрозионной стойкостью. Пакет заготовок электродов обрабатывается совместно.

Благодаря наличию установочных базовых плоскостей износившийся в процессе обработки электрод можно заменить новым из партии данного блока и тем самым практически исключить какие-либо погрешности, связанные с заменой электродов.

На установке А207.11 одновременно изготавливаются четыре пуансона, заготовки которых устанавливаются в держателях ползунов. На столах закрепляются приспособления, изображенные на рис. 5 (б) и предназначенные для установки пластин электродов-инструментов. Приспособления соответствующим образом выверяются по отношению к заготовкам.

По мере износа пластина электрода на первой позиции заменяется новой из блока электродов, а несколько изношенная используется на второй позиции для предварительной обработки второй заготовки пуансона. Со 2-й позиции еще не полностью изношенный электрод перемещают на 3-ю, а затем на 4-ю. На 1-й позиции обработка завершается новой пластиной на заданный размер пуансона. После использования электродов на всех позициях процесс изготовления четырех пуансонов завершается.

Технические характеристики установки приведены в табл. 1.

ДВУХПОЗИЦИОННАЯ УСТАНОВКА А207.15 ДЛЯ ПРОРЕЗАНИЯ ЩЕЛЕЙ В БЛОКАХ МАГНЕТРОНОВ

Установка А207.15 (рис. 6) была создана в конце 1950-х гг. для прорезания электродом-проволокой Ш 40 мкм щелей шириной до нескольких миллиметров двумя проволоками в магнетронных блоках «Бисер» МИ-147 типа «щель-отверстие». Это делалось вместо операции пропиливания щелей механическим способом специальными пилками (из пружинной стали марки 65Г, закаленной до твердости HRC 57-59) на распиловочных машинках. Недостатком ранее применяемого способа было то, что при распиливании пилками происходили их колебания в поперечном направлении.

Электроискровое прорезание щелей проволокой обеспечивало точность изготовления по ширине в пределах ± 0,003 мм и шероховатость обработанной поверхности Ra не более 0,5 мкм. Следовательно, этот процесс имел несомненные преимущества по сравнению с механическим способом, поскольку не требовал изготовления специальных пилок и обеспечивал наивысшую идентичность ширины пазов.

Принцип работы установки состоял в следующем: каждая из двух проволок перематывалась с катушек (1) на катушки (2) и натягивалась независимо друг от друга. Скоба для направления проволок имела сменные направляющие из твердого сплава с двумя пазами.

МОДИФИКАЦИИ УСТАНОВОК С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

В начале 1960-х гг. были разработаны системы цифрового программного управления электроискровыми прецизионными установками, предназначенными для изготовления замедляющих систем электронных приборов.

Каретки координатных столов таких установок перемещались попеременно по осям X и Y , минимальная величина подачи равнялась 10 мкм. Несмотря на дискретность подач, на этих установках при необходимости можно было изготавливать детали с формой любой степени сложности, причем с вполне удовлетворительной точностью и чистотой обработанной поверхности.

Расчет программы изготовления детали сводился к определению центра электрода-проволоки. При этом учитывался диаметр электрода-проволоки, величина пробивного расстояния, глубина образующихся лунок и максимальная высота образующихся микронеровностей.

На рис. 7 представлена схема перемещения электрода-проволоки при изготовлении замедляющих систем ЛОВ.

При этом для получения размеров В и В' электрод-проволока перемещался на величину

L = B – b,

B = d + 2a,

а = l + h – Rz,

где b — ширина прорезанного паза;

d — диаметр электрода-проволоки;

a — зазор между электродом-проволокой и деталью;

l — искровой промежуток;

h — глубина лунки;

Rz — максимальная величина микронеровностей, определяемая размерами лунок и степенью их перекрытия.

Известно, что любой сложный контур интерполируется отрезками прямых линий. Поэтому с помощью систем программного управления с последовательными дискретными подачами по осям X и Y на данных установках можно было изготовить любой контур с высотой микронеровностей не более 5–10 мкм и реальной точностью обработки 10–20 мкм.

На рис. 8, а–г изображены различные модификации электроискровых установок с программным управлением, предназначенных для изготовления миниатюрных замедляющих систем ламп обратной волны миллиметрового диапазона. В качестве обрабатывающего электрода использовалась вольфрамовая проволока ВА-3 Ф 0,02–0,03 мм. Направляющими элементами служили твердосплавные пластины, припаянные к П-образной скобе, которая изолировалась от корпуса установки. В твердосплавных пластинах оба паза (верхний и нижний) прорезались электроискровым способом электродом-проволокой. Это гарантировало их точное взаимное расположение. Оптимальные скорости перемотки и усилие натяжения электрода-проволоки обеспечивались взаимодействием двух электродвигателей.

На рис. 9 представлена установка А207.31 для изготовления медных замедляющих систем субмиллиметрового диапазона длин волн. Размеры штырей таких систем не превышали 10–15 мкм, а шаг их расположения — 20–30 мкм. Для их изготовления использовалась вольфрамовая проволока Ф 6–12 мкм. Программа обработки задавалась на программном поле передней панели установки.

Для замедляющих систем, как и для резонаторов, важно, чтобы неточность выполнения основных размеров (в случае систем субмиллиметрового диапазона — размеров, существенно влияющих на дисперсионную характеристику) была не выше 1 % от номинала. Эта цифра ориентировочная, она определяется опасностью расфазировки электронов и волны вдоль оси системы, так как ее общая длина может составлять сотни шагов.

Электроискровой способ оказался в данном случае незаменимым и, что важно, легко осуществимым. Благодаря его применению появился совершенно новый уникальный класс электронных приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн. ( Об этом см. также в № 2/2006, стр. 39–40.)

ПОЛУАВТОМАТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО РАЗРЕЗАНИЯ ТОНКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБКИ А207.28

В электровакуумном приборостроении нередко возникала необходимость разрезания большого количества тонких металлических (например никелевых) трубок различного профиля на отрезки небольшой длины. При этом одно из основных требований к качеству реза — минимальная величина заусенцев. Предлагаемые различные способы механической резки круглых трубок, как правило, требовали последующей операции по удалению заусенцев. Трубки же некруглого сечения нуждались еще и в дополнительной операции формовки. Электроискровой способ разрезания оказался свободен от этих недостатков.

Были проведены предварительные эксперименты по разрезанию тонких никелевых трубок постоянно обновляющейся молибденовой проволокой МЧ Ф 40 мкм. Они показали, что в момент окончания реза в еще не полностью разрезанной стенке трубки возникают деформации, которые, очевидно, связаны с внутренними напряжениями, приводящими к отгибанию незакрепленной части трубки вверх. При этом электрод-проволока заклинивается и обрывается. Это явление заставило принять дополнительные меры, чтобы обеспечить надежное закрепление трубки по всей ее длине.

Примененный для выполнения этой задачи полуавтомат А207.28 (рис. 10,  а) имел 5 электроискровых трехконтурных головок с двумя проволоками в каждом контуре. Одна из головок показана на рис. 10,  б. Она оснащалась всем необходимым для разрезания трубок: шестью электродами-проволоками, которые перематывались с катушек 1 на 3 приемные катушки 2. При этом электроды-проволоки проходили через блок направляющих скоб 5, закрепленных на ползуне 3. С целью уменьшения потерь блок конденсаторов 4 помещали поблизости от искрового промежутка. Три выхода от конденсаторов заканчивались тройной вилкой, вставляемой в гнезда блока скоб. Общий выход конденсаторов шел на токоподвод, подающий напряжение на кассету транспортирующего устройства 6, на котором крепилась заготовка разрезаемой трубки. Головка соединялась с кронштейном с помощью шарниров, которые позволяли откидывать ее во время заправки электродов-проволок.

Блок скоб 5 выполнял 3 функции: служил для направления 6 электродов-проволок, обеспечивал подачу на них напряжения и подавал к межэлектродному промежутку дистиллированную воду. Отметим, что этот блок представлял собой быстросменный узел, при переналадке полуавтомата он легко заменялся другим. Направляющие элементы выполнялись из цилиндрических штабиков, изготовленных из керамики 22ХС (твердость по Моосу 9,4–9,6). Блок конденсаторов 4 располагался поблизости от искрового промежутка.

При разрезании трубок Ф 2,5–3 мм с толщиной стенки 0,1 мм на следующих режимах — напряжении 100 В, токи короткого замыкания 0,3 А, емкости 0,1 мкФ — производительность составляла порядка 1000–1500 шт. в час.

Продолжение следует.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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