From the History of Electrospark Material Processing
This article is one of the chapters from the History of Electrospark Material Processing. It tells about electrospark coordinate machines А207.30 and А207.27 by STANITALIANA with thyratron impulse oscillators that were able to provide fabrication of components in tap water. Olivetti-OCN ordered these machines for production purpose and later asked for a new model А207.Х equipped with one wire, without a turntable and coordinate moving of carriages.
Б.И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с.,
лауреат Ленинской премии, Главный конструктор
электроискрового оборудования электронной промышленности,
г. Москва (Россия)
Демонстрация возможностей электроискровых координатных установок А207.30 и А207.27 с тиратронными генераторами импульсов и импульсным трансформатором, которые обеспечивают формообразование деталей в воде из водопровода без ее очистки и деионизации, на заводе SOCOMI торговой фирмы STANITALIANA, завершилась поставкой их на фирму Olivetti-OCN в Сан-Бернардо. Вместе с тем, специалисты Olivetti заказали станок А207.Х для заготовок толщиной не менее 100 мм, работающий с одной проволокой, без поворотного стола, с координатными перемещениями кареток 250 х 200 мм.
Переходный вариант такого станка А207.60 (рис.1) с тиратронным генератором и импульсным трансформатором, созданный в конце 1960-х гг. в НИИ-160 министерства электронной промышленности, был продемонстрирован в работе специалистам Olivetti-OCN в середине декабря 1971 г. в павильоне «Радиоэлектроника» ВДНХ СССР. Максимальная мощность, потребляемая станком от сети 220 В, не превышала 2,5 кВА, а занимаемая площадь — 2 м2. Перемещения кареток XY, расположенных на кронштейне, составляли 250 х 150 мм.
Разрезались электродом-проволокой Ф 0,2 мм детали из различных материалов толщиной 40 мм с использованием в качестве межэлектродной среды обычной воды непосредственно из водопровода. Скорость обработки в мм2/мин при шероховатости обработанной поверхности Ra не более 2 мкм достигала: стали Х12М — 37, твердого сплава — 20, меди — 80. Эти результаты привели в восторг руководителя делегации специалистов фирмы Olivetti, господина Майера.
По технико-экономическим показателям станок превосходил аналоги, ранее созданные в Советском Союзе и появившиеся позже за рубежом, обеспечивая более высокую скорость формообразования при шероховатости обработанной поверхности Ra < 2 мкм и использовании в качестве межэлектродной среды воды из водопровода. Он не требовал применения специальных фильтров, деионизаторов и ионообменных смол.
Основные особенности станка:
Открывалась радужная перспектива поставки на экспорт созданного в электронной промышленности СССР оригинального электроискрового оборудования. Однако для осуществления этого, прежде всего, необходимо было создать соответствующие системы числового программного управления. Таких устройств, обеспечивающих не только перемещение электрода-проволоки по заданной траектории, но и управляющих режимами обработки и процессом формообразования, в те годы еще не было создано. Не было еще и организовано производство базовых моделей оборудования на соответствующем техническом уровне.
Вместе с этим, с совершенствованием электроискровых технологий, с открытием новых возможностей изготовления деталей электродом-проволокой, исключающих необходимость применения электродов-инструментов, открывались новые неисчерпаемые возможности применения этого процесса в производстве штампов, пуансонов, пресс-форм и т. п.
Демонстрация станков А207.23, А207.27, А207.60 и др. послужила началом сотрудничества НИИ-160 электронной промышленности через Всесоюзное объединение Техмашэкспорт и итальянскую торговую фирму Stanitalyana с Olivetti-OCN по созданию электроискровых станков OTS-1 (где Olivetti обеспечивает разработку систем ЧПУ, а Техмашэкспорт и Stanitalyana — станков А207.Х).
На фотографиях в заголовке статьи — титульный лист проспекта станка А207.78 с тиратронным генератором импульсов, работающего с электродом- проволокой и использующего в качестве межэлектродной среды воду из водопровода, с цифровым программным управлением фирмы Olivetti OCN — ОТС-1 (Оливетти — Техмашэкспорт — Станитальяна). Справа — вид устройства перемотки и натяжения электрода-проволоки с опущенной ванной станка. Импульсный трансформатор находится в непосредственной близости от зоны обработки, обеспечивая минимальные потери энергии. Он расположен в правом Эс-образном кронштейне, на котором расположено также устройство для закрепления заготовки обрабатываемой детали.
На рис. 2 — фотография электроискрового станка 04ИВ- 250 А207.80 с усиленной траверсой кареток XY координатных перемещений и новой конструкцией тиратронного генератора импульсов перед отправкой его в Италию. На рис. 3 — электроискровой комплекс ОТС-2 (на базе станка 04ИВ-250 А207.80) с новым УЧПУ фирмы Olivetti-OCN на испытаниях в НИИ-160 НПО «Исток». Подробнее об этом периоде см. в журнале № 6/2006, с. 28–36.
О причинах торможения развития особо точных электроискровых технологий.
Почему мы потеряли лидерство в электроискровых технологиях, упоминалось в очерках «Из истории электроискровой обработки материалов» в №3/2007, с.46-53 и в №4/2007, с. 52-56.
Здесь уместно вернуться в 1950-е годы — к периоду создания особо точных электроискровых технологий и к началу истории их развития в электровакуумной промышленности. К тому периоду истории, когда и как это начиналось, какие препятствия пришлось преодолевать создателям этих технологий в течение последующих 50-ти лет. И чем все это завершилось.
КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ В 1950-х
30 мая 1950 года я окончил Московский авиационный технологический институт (МАТИ), защитив дипломный проект по электроискровому шлифованию литых магнитных сплавов. Необходимые исследования и преддипломную практику провел в одной из лабораторий ЦНИЛ-Электром, который возглавлял лауреат Сталинской премии, доктор технических наук, профессор Борис Романович Лазаренко. Однако работать в области электроискровой обработки материалов после окончания института мне вначале не пришлось.
В то время в связи с созданием электровакуумной промышленности основывались и строились новые заводы и институты в разных городах — Ленинграде, Москве и Подмосковье, а также в Новосибирске, Саратове и др. Поэтому молодых специалистов после окончания институтов стали посылать в эти города. Но вначале — на специальные курсы при МВТУ им. Баумана. Получив распределение на завод п.я. 447 5-го ГУ МПСС (Министерства промышленности средств связи) в г. Саратов, я был направлен на эти курсы.
Осуществление моей мечты — работать в области электроискровой обработки — откладывалось. Однако я питал надежду быть перераспределенным на работу на московский завод им. Серго Орджоникидзе (1-го ГУ того же министерства), где при участии М.Н. Улитина, работавшего в области электроискрового шлифования, создавалась лаборатория электроискровой обработки металлов. Но на это нужно было согласие начальника 5-го ГУ МПСС Федорова Мстислава Михайловича, так как саратовский завод, на который я был направлен, относился к этому главному управлению. На приеме у него я объяснил свое желание продолжить работу в области электроискровой обработки и просил согласия на перевод на завод им. С. Орджоникидзе 1-го ГУ. Однако Мстислав Михайлович отказался удовлетворить мою просьбу, заявив, что мое желание можно осуществить и в Саратове, и пожелал мне успехов в этом деле.
В это время мы с женой, дочерью, родившейся в 1950 г., родителями и братом жили в доме на Скатертном переулке. Однако за Москву мы не держались (как это делает нынешнее поколение) и смело, без энтузиазма, но с надеждой на лучшее, поехали в Саратов.
В те годы особых трудностей в предоставлении жилья направляемым на работу молодым специалистам не было. Когда я прибыл по распределению в Саратов, то в заводском поселке рядом с заводом нам с женой и годовалой дочерью вначале была предоставлена комната, а вскоре однокомнатная квартира на втором этаже только что построенного дома. Заводской поселок был построен рядом с заводом, в дачной зоне по типовому проекту квартальной застройки с хозяйственными строениями для жильцов домов, магазинами, медицинскими и детскими учреждениями. Все было рядом.
Итак, в начале 1951 г. я оказался в г. Саратове на заводе п/я 447 в отделе Главного технолога, где вначале вынужден был заниматься рутинной работой — подготовкой технологической документации на осваиваемое заводом электровакуумное оборудование. Но я не оставлял своей мечты — продолжить работу в области электроискровой обработки материалов. Случай не заставил себя долго ждать, будучи ведущим технологом, я применил, практически в «полевых условиях», электроискровое извлечение сломанных метчиков для нарезания резьбы Бригса в золотниках откачных автоматов, благодаря чему удалось спасти месячную программу завода накануне нового 1951 года. Вскоре удалось решить и проблему изготовления отверстий в цилиндрических ножах из твердого сплава для автоматов развертки тарелочек, организовав применение электроискрового способа для их прошивки. Но это были только эпизоды.
Реальной возможностью осуществления моей мечты — проведение серьезных исследований в области электроискровых технологий было только поступление в аспирантуру головного института электровакуумной промышленности — НИИ-160, созданного в 1943 году и находящегося в городе Фрязино Московской области. Поэтому в начале 1953 г. я обратился в его аспирантуру с вопросом о возможности поступления с темой по исследованию электроискрового изготовления деталей электровакуумных приборов. В качестве научного руководителя я предлагал пригласить доктора технических наук, профессора Б.Р. Лазаренко, который «заразил» меня неисчерпаемостью возможностей электроискрового процесса и был моим руководителем дипломного проекта в МАТИ.
Получив положительный ответ, я начал готовить необходимые документы. На этом этапе тоже не обошлось без препятствий, т. к. директор завода И.Т. Пригарин вначале отказался дать мне необходимое направление и общественно-производственную характеристику. Потребовалось вмешательство начальника 5-го ГУ МЭС и ЭП СССР А.А. Захарова, которому подчинялся завод, после чего мне были выданы необходимые документы. В ноябре 1953 г., после успешной сдачи вступительных экзаменов я, в соответствии с распоряжением МЭСЭП СССР, был переведен в аспирантуру НИИ-160. И по совместительству с учебой в аспирантуре 4 декабря 1953 г. был зачислен на должность инженера в ОКБМ, а с июля 1954 г. переведен в научно-исследовательский отдел 140, руководимый доктором технических наук Федосеевым Анатолием Павловичем. Он заинтересовался выбранной мной темой диссертации по исследованию возможности применения электроискрового способа для изготовления деталей электровакуумных приборов СВЧ и создал необходимые условия для их проведения (рис. 4.).
Так началась моя новая жизнь исследователя во Фрязино.
Рождение электроискрового процесса вырезания микронных пазов тонкой проволокой
Работы по исследованию возможности применения электроискровых технологий в производстве деталей электровакуумных приборов мной были начаты в ноябре 1953 г. — для изготовления сеток клистронов К-50, К-48 радиорелейных линий связи, а в 1954 г. — для изготовления анодных блоков электронных СВЧ-приборов М-типа миллиметрового диапазона длин волн.
Это покажется нынешнему поколению исследователей невероятным. Но обнадеживающие результаты решения проблемы изготовления цельных медных сеток клистронов были получены в течение нескольких недель — уже в декабре 1953 г.
Инженер одной из лабораторий отдела 170 М.Б. Голант в те годы искал пути кардинального повышения долговечности клистронов за счет улучшения теплоотвода от плетеных вольфрамовых сеток, запрессованных в медные диафрагмы, заменой их цельными медными сетками, изготовленными непосредственно в них. При этом перемычки межу квадратными отверстиями не должны быть более 20–30 мкм, чтобы не уменьшить их прозрачность для потока электронов.
Не было известно способов изготовления сеток с сотней квадратных отверстий размером не более десятых долей миллиметра с перемычками между ними 20–30 мкм в материалах толщиной не менее 0,1–0,15 мм. Я подключился к решению этой проблемы, так как возможным способом ее решения представлялось применение электроискровой «прошивки» одновременно всех 100–150 отверстий размером 0,22 х 0,22 мм электродом-инструментом, на торце которого в двух взаимноперпендикулярных направлениях должны быть прорезаны пазы шириной 40–50 мкм на глубину 1,5–2 мм. Для этого было организовано изготовление необходимой аппаратуры (на базе биологических микроскопов МБИ) и изготовление сборного электрода-инструмента (рис. 5) из пластинок сплава Фени-42 (Fe-Ni) толщиной 20–30 мкм с прокладками между ними из меди, толщина которых меньше отверстия сетки на двойную величину межэлектродного зазора. Этим электродом предстояло решить проблему прорезания пазов шириной 40–50 мкм на торце электрода. Однако сплав Фени-42 имеет очень большое электрическое сопротивление (почти в 40 раз больше, чем у меди). Одним сборным электродом, используя две его стороны, можно изготовить только один электрод-инструмент для изготовления сетки из-за большого износа пластин. Попытки применения пластин из других материалов не дали существенно лучших результатов.
На рис. 6 — фотография созданной в ноябре 1953 г. экспериментальной электроискровой установки, на которой были изготовлены:
Этим экспериментом была показана возможность электроискрового изготовления цельных медных сеток клистронов с квадратными отверстиями и перемычками шириной несколько сотых долей миллиметра.
Однако технология прорезания пазов в электродах- инструментах сборным электродом совершенно непригодна даже в экспериментальном производстве, так как она не обеспечивает необходимого качества сеток и слишком трудоемка.
Это стимулировало разработку метода электроискрового прорезания узких пазов электродом-проволокой диаметром 20–40 мкм и создание первых в мире электроискровых установок для изготовления деталей таким электродом.
Было ясно, что для прорезания узких пазов единственно реальным выходом было создание электроискровой установки для прорезания узких пазов тонкой вольфрамовой проволокой Ф 20–40 мкм, которая должна медленно перематываться с катушки на катушку через направляющие устройства с постоянным натяжением, обеспечивающим ее прямолинейность. Такая проволока широко применялась в электровакуумном производстве разнообразных сеток и спиралей для осветительных ламп.
Применение тончайшей проволоки диаметром 0,02–0,04 мм сулило получение изделий с минимальным превращением металла в стружку, т. к. ширина образующегося паза ничтожно мала и поэтому на изготовление деталей потребуется незначительное количество энергии.
Как известно, шероховатость обработанной поверхности и точность формообразования при электроискровой обработке зависят от следующих основных факторов:
а) энергии и длительности импульсов;
б) качества электрода (точности форм, его жесткости и стойкости);
в) эффективности удаления продуктов эрозии из зоны обработки;
г) точности и жесткости кинематики установки;
д) состава и состояния межэлектродной среды.
При использовании в качестве обрабатывающего электрода тонкой вольфрамовой или молибденовой проволоки требуется применение электрических импульсов малой энергии (меньше 0,001 Дж) и микросекундной длительности (до 1 мкс), что обеспечивает высокое качество формообразования деталей. Иными словами, физико-механические свойства проволоки определяют возможный диапазон режимов обработки, а также усилие ее натяжения и скорость перемотки. Нужно помнить, что разрывное усилие таких проволок составляет для ВА-3 Ф 30 мкм всего 260–270 г., а Ф 40 мкм — 410–450 г. Электросопротивление при этом достигает соответственно 0,95–0,5 Ом/см. Кроме того, важно, чтобы свободно спущенный с катушки конец проволоки оставался прямолинейным и не завивался в кольца.
Первые установки для прорезания пазов в электродах-инструментах для изготовления сеток были созданы в 1950-х гг. и стали использоваться в производстве клистронов и других электровакуумных приборов.
Среди них установка ЭКУ-1Б для прорезания пазов в электродах для сеток представлена на рис. 9.
Обрабатываемая деталь 1 закрепляется в призме 2. Ее перемещение в двух взаимно перпендикулярных направлениях осуществляется микровинтами 3 и 4 координатного стола 5. Вертикальное перемещение детали осуществляется: установочное — вручную маховичком 6 или автоматически — электродвигателем 7 с помощью редуктора 8 и маховичка 9 микромеханизма.
После предварительной настройки установки и закрепления заготовки электрода в призме ванна 10 с межэлектродной средой поднимается вручную механизмом 11. Затем тумблером 12 включается двигатель перемещения электрода-проволоки. Пуск установки осуществляется кнопкой 13 и соответствующим реле. При этом электродвигатель следящей системы включается, и заготовка электрода начинает перемешаться вниз, сближаясь с электродом-проволокой. При этом одновременно подается напряжение на электроды. После того, как паз будет прорезан на заданную глубину, регулируемый упор 14 нажмет на микропереключатель 15, который с помощью реле изменит полярность напряжения на якоре электродвигателя 7 и подключит его непосредственно к выпрямителю, что заставит заготовку быстро отойти в исходное положение. Одновременно с этим снимется напряжение с электродов.
Как только деталь будет отведена вверх на нужную величину, упор 16 нажмет на микровыключатель 17, который с помощью реле выключит установку. При этом загорается сигнальная лампочка 18. Повторение цикла осуществляется новым нажатием на кнопку 13.
Для улучшения отвода продуктов эрозии из зоны обработки при изготовлении сеток диаметром не менее 7 мм, а также сеток толщиной больше нескольких десятых долей миллиметра, электроды делались с отверстиями или пазами. На рис. 10 рисунок электрода с центральным и боковым отверстиями, которые обеспечивают улучшение отвода продуктов эрозии из зоны обработки. Ниже — изготовленная этим электродом в диафрагме толщиной 0,25 мм сетка Ф 7 мм со 150 квадратными отверстиями с перемычками между ними 0,05 мм и ее увеличенный силуэт.
На рис. 11 — рисунок электрода с прямоугольным пазом, вырезанным проволокой в электроде, до выхода в который прорезаются пазы в электроде в перпендикулярном направлении. Такая конструкция электрода обеспечивает интенсивный отвод продуктов эрозии из зоны обработки и существенно увеличивает производительность процесса.
Вслед за первой электроискровой установкой для прорезания пазов на торцах электродов для изготовления сеток в 1954 г. была создана установка ЭКУ-1 для изготовления анодных блоков магнетронов миллиметрового диапазона волн на базе большого инструментального микроскопа БМИ-1 с поворотным столом (рис. 12).
В таблице приведены технические характеристики установки ЭКУ-1.
Несколько позже была создана установка ЭКУ-1А для изготовления замедляющих систем ламп обратной волны и других деталей ЭВП (рис. 13). В годы становления электровакуумной промышленности экспериментальные резонаторные системы
анодных блоков магнетронов миллиметрового диапазона волн делали слесарным способом умельцы-инструментальщики, а замедляющие системы ЛОВ сантиметрового диапазона — штамповкой в сочетании с пайкой.
На рис. 14 — сравнение увеличенных силуэтов участков замедляющих систем, изготовленных электроискровым вырезанием проволокой (а) и штамповкой (б, в).
Для выяснения возможности замены керосина, используемого при электроискровой обработке деталей ЭВП на другие межэлектродные среды, содержащие меньше углеводородов, было осуществлено разрезание из прессованного вольфрама ВТ-15 электродом-проволокой ВА-3 Ф 0,03 мм.
Скорость разрезания штабиков из прессованного вольфрама ВТ-15 Ф 4,67 мм (S = 17 мм2) электродом-проволокой ВА-3 Ф 0,03 мм при скорости перемотки проволоки 14 мм/с и расстоянии между токоподводящими роликами 17 мм на режиме: Uo=110 В, U1=90 В, Iк.з = 0,45 А в зависимости от содержания этанола в воде представлена на рис. 15.
Из графиков (рис. 14) следует, что с увеличением процентного содержания этанола в воде с 0% до 10% скорость разрезания возрастает в 2,36 раза, с 10 % до 35% — еще в 1,26 раза, а при 40% этанола в воде — достигает максимума, увеличиваясь по сравнению с разрезанием в воде в 3 раза. Однако с увеличением содержания в воде этанола с 40% до 100% — уменьшается в 2,5 раза, превышая скорость разрезания в воде всего на 21%.
Директором института с 1953 по 1961 гг. был Федоров Мстислав Михайлович. Он заинтересовался результатами исследований в области электроискровых технологий. И во время беседы со мной спросил, что нужно для того, чтобы ускорить проведение этих работ? Выслушав мои пожелания о необходимости сосредоточить все работы по применению электроискрового процесса, проводимые в разных подразделениях института в одном месте, он решил выделить для этого 510 м2 прекрасных производственных площадей на 3-м этаже строящегося в то время главного корпуса института (рис. 15–16).
М.М. Федоров внес неоценимый личный вклад в разработку новых методов электроискровой особо точной обработки материалов и в создание электроискрового прецизионного машиностроения. За это ему в 1963 г. совместно со мной (начальником отела электроискровой обработки материалов) и инжинером Е.В. Холодновым была присуждена Ленинская премия.
О первых результатах работ по выяснению возможности применения электроискрового способа в производстве электровакуумных приборов были сделаны соответствующие сообщения и доклады:
Кроме того, основные результаты этих работ нашли отражение в Трудах ЦНИЛ-Электром АН СССР «Электроискровая обработка металлов», выпуск 2, Изд. АН СССР 1960 г., и в Трудах НИИ МРТП, Вып. 11(47) 1957 г.
В середине 1950-х гг. в инструментальном цехе опытного завода были начаты работы по использованию электроискрового способа для изготовления пуансонов для холодного выдавливания анодных блоков магнетронов, а затем штампов для штамповки слюд пальчиковых приемно-усилительных ламп.
Продолжение следует
