Из истории электроискровой обработки материалов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ»
 

From history of electrospark machining of materials
During the last three years our magazine publishes memoirs of Boris Ivanovich Stavitsky about origin, development and formation of a method of electrospark machining of materials in the USSR.

 

 

ИЗ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

На протяжении трех лет журнал публикует воспоминания Бориса Ивановича Ставицкого о зарождении, развитии и становлении метода электроискровой обработки материалов в СССР. Данное повествование интересно не только с точки зрения развития определенной технологии, но и неразрывно связанной с этим процессом жизнью страны в историческом отрезке конца 30-х — начало 90-х годов прошлого столетия: взаимодействие государственной управленческой машины с учеными и производственниками, условия, в которых они создавали новую технику и делали открытия...

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

Здесь мы опять вернемся к событиям 50-летней давности — сначала к этапу широкого использования электроискровых технологий в различных отраслях промышленности СССР, а после этого — к периоду начала разработки принципиально новых особо точных методов электроискрового формообразования деталей в НИИ-160, расположенном в городе Фрязино.

Многие предприятия различных отраслей промышленности, находившиеся во многих городах Союза — Бердянске, Воронеже, Ленинграде, Комсомольске на Амуре, Куйбышеве, Новосибирске, Омске, Харькове и др., — не располагая возможностью централизованного получения электроискрового оборудования, вынуждены были проектировать и изготавливать это оборудование своими силами.

Из всех промышленных электроискровых установок, выпускаемых в Советском Союзе в те годы, наибольшего внимания заслуживают установки Ленинградского карбюраторного завода им. В.В. Куйбышева, который по сути дела в течение многих лет был основным поставщиком электроискрового оборудования для отечественной промышленности и некоторых зарубежных стран. Этим мы обязаны талантливому инженеру Левинсону Евгению Максимовичу, который внес неоценимый вклад в развитие электроискрового способа обработки металлов.

Из многочисленных процессов электроискровой технологии заслуживает особого внимания процесс изготовления отверстий в деталях топливной аппаратуры, полностью вытеснивший в Советском Союзе из производства операцию механического сверления этих отверстий. Опытом установлено, что процесс изготовления отверстий диаметром 0,35 мм в сталях является граничным, когда производительность электроискровой и механической обработки металла, поддающегося резанию, приблизительно одинакова. А по мере уменьшения диаметра отверстий трудности их сверления резко возрастают, в то время как производительность электроискровой обработки держится почти на одном уровне (даже при применении RC-генератора и керосина в качестве межэлектродной среды). Одним из первых применений электроискровой обработки в основном производстве был предпринятый в 1948 г. переход на электроискровое изготовление отверстий диаметром 0,15 мм в деталях дизельной топливной аппаратуры.

Объектом обработки являлся распылитель из сравнительно твердой стали 50ХФА, в носике которого требовалось просверлить шесть сопловых отверстий диаметром 0,15+0,01 мм (рис. 1).

Начатое в 1947 г. производство отечественных насос- форсунок и принятая при организации их производства американская технология сверления отверстий на специальных станках (рис. 2) с горизонтальным расположением шпинделя при скорости его вращения до 60 000 об/мин, не удовлетворяла темпам роста их выпуска.

На рис. 3 показана часть цеха Ленинградского карбюраторного завода, где в деталях топливной аппаратуры (в распылителях топлива) электроискровым способом изготавливаются отверстия O 0,15+0,01 мм, площадь сечения которых значительно меньше 1 мм2.

На рис. 4 представлена электроискровая узкоспециализированная установка ЛКЗ-34, предназначенная для обработки деталей массового выпуска (одного типоразмера). На ней обрабатываются распылители дизельных насос-форсунок, в которых одновременно изготавливаются шесть отверстий Ф 0,15+0,01 мм. Производительность обработки распылителей с шестью отверстиями в каждом 900 шт. за 8 часов.

Завершающим этапом автоматизации электроискровой обработки сопловых отверстий в распылителях на ЛКЗ является создание автомата, не требующего участия оператора в процессе обработки (рис. 5).

На нем распылители 7 засыпаются в бункер 30 с вращающимся диском 29. Засыпка бункера производится на 8–10 часов непрерывной работы автомата. Один работник может обслужить большой парк таких автоматов.

С момента перехода от механического сверления на электроискровую обработку производительность выросла в 300 раз!

Ленинградский карбюраторный завод им. Куйбышева уже к 1949 г. выпустил более 1000 электроискровых установок 48 моделей и модификаций. Среди них не только установки для обработки деталей массового выпуска — распылителей дизельных насос-форсунок для впрыска топлива, в которых изготавливаются отверстия Ф 0,15+0,01 мм. Кроме того — установки для инструментальных производств:

  •  ЛКЗ-57 для изготовления мелких вырубных штампов и профильных фильер из твердых сплавов и сталей (рис. 6);
  •  ЛКЗ-49 для прорезания узких щелей латунной или медной лентой в деталях из твердых сплавов, стали и цветных металлов (рис. 7);
  •  ЛКЗ-55 для разрезания тонким вращающимся диском твердосплавных деталей и раскроя твердосплавных пластинок, прорезания щелей в цангах и втулках (рис. 8);
  •  для электроискровой заточки инструмента и шлифования деталей из различных материалов;
  •  для изготовления полостей крупных кузнечных штампов и др.

Многие электроискровые установки, созданные за рубежом, были сделаны по типу конструкций завода ЛЕНКАРЗ.

Уже в 1951 г. издательством Машгиз была издана монография Левинсона Е.М. и Владимирова Е.И. «Электроискровые установки».

Значительный вклад в развитие электроискровых технологий, в автоматизацию процессов внес и Гуткин Б.Г. (Ленинградский филиал ВПТИ МТрМ). Он создал ряд полуавтоматических установок для изготовления отверстий Ф 0,15-0,3 мм с точностью от 0,006 до 0,02 мм в распылителях и для шлифования их рабочего конуса, а также для изготовления сеток с круглыми отверстиями малого диаметра (рис. 9).

Его опыт в этом был описан в монографии «Автоматизация электроискровых и анодно-механических станков», изд-во «Машгиз»,
1952 г., в статье «Электроискровые полуавтоматы для обработки отверстий малого диаметра» в кн.: «Новые методы электрической обработки металлов», М. — Л., 1955 г.

Опыт конструирования электроискрового оборудования и применения электроискровых технологий, накопленный Левинсоном Е.М. и Гуткиным Б.Г., использовался и нами в начале 1950-х гг. при создании первых образцов электроискрового прецизионного оборудования для изготовления деталей электронных приборов СВЧ.

16 мая 1956 г. Промышленно-экономическая газета в № 46 писала о том, что на харьковском тракторном заводе имени Серго Орджоникидзе электроискровая лаборатория и отдел главного технолога сконструировали и изготовили 8- шпиндельный электроискровой станок для шлифовки корпуса распылителя топливного насоса трактора ДТ-54 (рис. 10).

На нем обрабатываются одновременно восемь деталей. Производительность станка — до 1 000 деталей в смену. Станок обслуживается одним рабочим. На снимке (рис. 10) инженер В. Половнев осматривает детали, обработанные работницей Л. Наторовой на электроискровом станке.

Диапазон применения электроискровых установок в настоящее время распространяется как на обработку деталей, размеры которых измеряются микронами, так и крупных изделий, вес которых достигает нескольких тон.

Среди них оборудование для изготовления полостей и отверстий, формообразования наружных поверхностей сложнопрофильных деталей, для шлифования и разрезания металлов.

К началу 1960-х гг. большое распространение получило электроискровое оборудование для изготовления деталей электродом-проволокой. При изготовлении крупных партий деталей большой экономический эффект дает применение копировальных электроискровых установок, на которых формообразование деталей осуществляется электродом-проволокой копированием профиля детали по копиру с помощью маломощных искровых разрядов.

Сотрудником НИИ-160 инженером К.К. Гуларяном еще в конце 1959-х гг. было предложено принципиально новое решение задачи копирования. Копир и щуп изолируются друг от друга и присоединяются к клеммам генератора импульсов. Щупу задается постоянная подача вдоль копира, а в поперечном направлении следящая подача для поддержания требуемого зазора между ними с использованием маломощных искровых разрядов. При этом траектория щупа будет точно отображать форму копира. Эта система настолько удобна, что функцию щупа позволяет передать электроду-инструменту (проволоке).

На рис. 11 представлена электроискровая установка ЭКУ-1А с устройством для изготовления деталей сложного профиля электродом-проволокой по копиру (а), вид на зону обработки этой установки (б) и принципиальная схема копирования с помощью искровых разрядов (в).

На схеме копир (1), наложенный через изолятор на обрабатываемую деталь (2) и щуп (3), которым в данном случае является электрод-проволока. Если детали придать постоянную (задающую) подачу вдоль копира, а в поперечном направлении щупу-проволоке — следящую для поддержания требуемого зазора между ними, то полученная траектория щупа-проволоки будет точно отображать форму копира.

Из всех применяемых принципов копирования, «ощупывание» искрой является наиболее совершенным и чувствительным. Он обладает рядом существенных преимуществ, основные качества из которых следующие:

  •  простота исполнения;
  •  высокая чувствительность и точность копирования;
  •  легкость усиления управляющих сигналов;
  •  практически нулевой износ копира и щупа благодаря отсутствию как механического истирания, так и электрической эрозии;
  •  возможность применения непроводящих материалов, покрытых тонким токопроводящим слоем копируемой поверхности.

Некоторым недостатком такого способа изготовления деталей является необходимость изготовления копира. Однако во многих случаях копиром может служить одна из ранее изготовленных деталей. Существенным недостатком этого метода является невозможность осуществления процесса копирования миниатюрных деталей, например, замедляющих систем ЛОВ или анодных блоков магнетронов миллиметрового диапазона длин волн. В электронной промышленности этот способ изготовления сложнопрофильных деталей не получил применения, а опытный образец установки был передан в ЦНИЛ-Электром АН СССР по просьбе Б. Р. Лазаренко.

Эта схема получила практическое воплощение в разработанной ЦНИЛ-Электром АН СССР электроискровой установке «Электром-15», которая после передачи ЦНИЛ-Электром в систему Министерства станкостроения и инструментальной промышленности СССР превратилась в установку 4531 и стала выпускаться Кировоканским заводом прецизионных станков (об этом см. также в №5/2006).

На базе этого станка в середине 1960-х гг. в ЦНИЛ-Электром инженеры Г.И. Алкин и Длугач создали электроискровой проволочный вырезной станок с числовым программным управлением модели 4531П (рис. 12).

Он был предназначен для вырезания по программе сложнопрофильных деталей из твердых сплавов и других токопроводящих материалов: рабочих элементов вырубных и некоторых видов гибочных штампов, высадочных матриц, копиров, шаблонов, фасонных резцов и других деталей единичного и мелкосерийного производства. На рис. 13 представлены некоторые детали, изготовленные на этом станке.

Станок 4531П был принят Государственной комиссией и рекомендован к производству на Кироваканском станкостроительном заводе. Но благодаря негативному отношению к «чужаку» головной организации Минстанкопрома ЭНИМСа он так и остался в единичном экземпляре.

На рис. 14 — сравнение цикла изготовления стального штампа механическим способом и твердосплавного — электроискровым способом. Как видно из представленной фотографии, при механической обработке время изготовления стального штампа составляет 60 часов, и он выдерживает 10 000 деталей до переточки. Время изготовления твердосплавного штампа почти в два раза меньше, и он выдерживает в 50 раз больше переточек.

Просматривая работы, посвященные электроискровой обработке и опубликованные в отечественной и зарубежной печати более 50 лет назад, можно сделать следующие основные выводы.

 При электроискровой обработке металлов в жидкой диэлектрической среде использовались импульсы длительностью от нескольких до 1500–2000 мкс, амплитудой тока от 10 до 10,000 А, частотой следования импульсов от 50 до 100,000 имп/с, энергией импульсов от 0,001 до 100 Дж.

 Основное внимание уделялось исследованиям электрической эрозии электродов при электрических разрядах, имеющих запасы энергии в импульсе в пределах от десятых долей джоуля до нескольких джоулей.

 Процесс электроискровой обработки легко поддается автоматизации. Занятость рабочего обслуживанием установки ограничивается 20 % времени, необходимого на производственный процесс.

 Электроискровой способ обработки металлов вносит не усовершенствования в существующую технику металлообработки, а является совершенно новым процессом, основанным на иных принципах и открывающим столь широкие перспективы, что слово «невозможно» должно совершенно исчезнуть из лексикона механиков.

 В практике электроискровой обработки металлов не были известны случаи электроискрового изготовления деталей, подобных деталям электровакуумных приборов с точностью до 0,002 мм и шероховатостью обработанной поверхности Ra до 0,1–0,2 мкм.

Вновь возвращаясь к периоду, когда были начаты исследования возможности применения электроискрового способа для изготовления деталей электровакуумных приборов, следует благодарить судьбу за то, что она вначале свела меня в 1949 г. в МАТИ с выдающимся изобретателем способа обработки материалов электрическими (искровыми) разрядами — Б.Р. Лазаренко. Он открыл мне глаза на неисчерпаемость возможностей этого нового прогрессивного метода формообразования материалов и вдохновил посвятить всю свою жизнь исследованию и совершенствованию электроискрового процесса. Поэтому и свой дипломный проект я посвятил проблеме электроискрового шлифования весьма хрупких литых магнитных сплавов, которые не поддаются механической обработке.

Затем, после окончания МАТИ и курсов при МВТУ им. Баумана, в 1951 г. судьба «забросила» меня вначале в Саратов на один из заводов электровакуумной промышленности, а затем в аспирантуру НИИ-160 в Подмосковье в 1953 г., где свела меня с Мстиславом Михайловичем Федоровым — в то время директором НИИ-160 (о встречах с ним и об этом периоде уже упоминалось в моих очерках).

НИИ-160 — электровакуумный институт с опытным заводом, был создан в соответствии с постановлением Государственного Комитета Обороны СССР от 4 июля 1943 г. в составе Наркомата электропромышленности в целях обеспечения новых разработок и серийного производства радиолокаторов современными электровакуумными изделиям. Он поочередно входил в разные государственные структуры оборонных отраслей промышленности СССР (НКЭП — Наркомат электропромышленности, МПСС — Министерство промышленности средств связи, МЭСЭП — Министерство электростанций и электропромышленности, МРТП — Министерство радиопромышленности, ГК СМ СССР по радиоэлектронике и, наконец, МЭП — Министерство электронной промышленности).

Интересно, что, проработав непрерывно в институте почти 50 лет (с 1953 г. по ноябрь 2002 г.) я по трудовой книжке якобы «сменил» несколько предприятий. В течение десятилетий действительное местоположение НИИ-160 находилось как бы под запретом.

Электронику в начале 1950-х гг. курировал сам Л.П. Берия. Директором НИИ-160 тогда был А.А. Захаров, который одновременно исполнял еще должности замминистра и начальника главка. Основную же нагрузку по руководству институтом нес его главный инженер В.А Гольцов. Нашему институту тогда был передан государственный заказ на пальчиковые лампы серии «Анод», которые требовались для системы управления первой советской «летающей крепостью».

До этого эту задачу пытался решить Московский электроламповый завод — МЭЛЗ, но работа провалилась. На требование Берии дать предложения по форсированию работы Захаров, подумав, написал на чистом листе бумаги:

  •  Повысить категорийность института;
  •  Ввести дополнительный отпуск для сотрудников с ученой степенью по аналогии с АН СССР;
  •  Провести во Фрязино электричку.

Особенно показательно было исполнение указаний властных структур на примере электрички: через два месяца к городу уже подводили пути.

Н.В Черепнину, начальнику отдела ПУЛ, удалось решить поставленную задачу обеспечения необходимой надежности и долговечности ПУЛ, и производство этих ламп стало на какой-то период основным для института.

С середины 1950-х гг. в стране стали разрабатываться новые радиолокационные системы, для которых потребовались новые СВЧ-приборы, например магнетронные генераторы. Они имели в своей основе высокую техническую новизну, реализация которой в производстве не была подкреплена техническим оснащением.

Базовые технологические процессы современных СВЧ электровакуумных приборов содержат тысячи технологических операций. Число деталей в приборе достигает сотен единиц. При их создании и производстве используются десятки процессов. Среди них и электроискровая обработка замедляющих и резонаторных систем, сеток электронных пушек, магнитов и др. деталей СВЧ приборов, многие из которых изготовить другими способами невозможно.

Здесь мне хочется вспомнить об особенностях проведения исследований на «закрытых» предприятиях, об их плюсах и минусах, а также объективно сравнить имевшиеся на них возможности с возможностями проведения подобных исследований в учебных институтах, например, таких как КПИ и др. или в лабораториях и институтах АН СССР.

Применение промышленных электроискровых установок, разработанных Ленинградским карбюраторным заводом им. В.В. Куйбышева, Ленинградским филиалом ВПТИ МТрМ, ОКБ Главниипроекта при Госплане СССР и другими организациями для выяснения возможности применения электроискрового способа в производстве деталей электровакуумных приборов СВЧ не представлялось возможным из-за несоответствия их технических показателей для решения поставленных задач. Это потребовало создания соответствующих экспериментальных особоточных установок двух модификаций: для изготовления деталей тончайшей проволокой Ф 0,02–0,03 мм и для формообразования деталей методами копирования профиля электрода-инструмента.

В то время у нас на предприятии, входящем в одно из министерств ВПК, не было проблемы с материально-техническим обеспечением исследований. Была только одна забота: чтобы эти исследования, прежде всего, приносили пользу промышленности, а не выполнялись только для того, чтобы удовлетворять свои интересы за государственный счет. Поэтому мне не пришлось проявлять чудеса изобретательности, чтобы где-то разыскивать необходимую для исследований аппаратуру: инструментальные измерительные микроскопы МИИ-8, БМИ-1 и УИМ-21, вертикальный металлографический микроскоп МИМ-7, двойной микроскоп МИС-11, интерферометр МИМ-4, проекторы — большой БП и часовой ЧП, двулучевые импульсные катодные осциллографы ОК-17М, микротвердомер ПМТ-3 и многое другое. Все это появлялось в лаборатории по мере необходимости. Более того, сам директор института Мстислав Михайлович Федоров, взявший под личный контроль развитие электроискровых технологий, ознакомившись с информацией о каком-либо новом приборе, мог позвонить мне и спросить, не нужен ли нам такой прибор? Согласитесь, что это сейчас кажется фантастическим.

Вместе с этим и уровень зарплат ИТР, научных сотрудников и ученых предприятий министерств ВПК был значительно выше, чем в институтах АН СССР и высшего образования. Однако наши сотрудники имели существенные ограничения в публикации результатов своих работ, возможности нормальных контактов с зарубежными коллегами на международных выставках, конференциях и симпозиумах. Были лишены, в случае необходимости, возможности обсуждения с ними возникающих проблем.

Однако я с благодарностью вспоминаю то советское время, когда мы все жили не богато, но были одеты, обуты, не имели «прелестей» нынешней жизни в неокапиталистическом обществе и умели без особой натуги преодолевать возникающие на нашем пути препятствия. Были уверены в завтрашнем дне, в том, что все что делается — это к лучшему. Даже в страшном сне нам не могло присниться то, что произошло с нашей промышленностью за 15–20 последних лет.

Продолжение следует…

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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