Из истории электроискровой обработки материалов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ»

From the History of Electrospark Processing of Materials
Having graduated the Moscow State University and defended the Diploma with theme “Investigation of causes, resulting the destruction of the contact materials and research of way of their removal” Lazarenko B., being worked at the All- Union Electric Institute, kept on investigating the causes resulting material transfer on the interrupting contacts. These investigations had resulted the discovery of the new spark method of treatment of metals, alloys and other conducting materials, which obtained worldwide as well as wide application all over the world.

 (К 100-летию Б.Р. Лазаренко)

В 1936 г. Б. Лазаренко окончил физико- химическое отделение химического факультета МГУ, защитив с оценкой «отлично» диплом на тему «Исследование причин, вызывающих разрушение материалов контактов и изыскание способа устранения таковых». Работая во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ), он продолжал исследования причин, вызывающих перенос материала на разрывных контактах. В 1938 г. эти исследования привели к открытию нового электроискрового способа обработки металлов, сплавов и других токопроводящих материалов, получившего всемирное признание, а также широкое применение во всем мире и подтвержденного в течение 1943–1946 гг. авторскими свидетельствами СССР и патентами ведущих зарубежных стран.

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

Создание специальных методов измерений (эрозиографический метод, рентгеноимпульсная съемка, пьезоэлектрический метод измерения силы удара электронов и др.) позволило в последние годы накопить обширный экспериментальный материал, показавший несовершенство прежних объяснений механизма искровой электрической эрозии металлов. Так, предположение Б.Р. и Н.И. Лазаренко о селективном перемещении расплавленного участка под действием больших плотностей тока оказалось в противоречии с данными рентгеноимпульсной съемки, по которым отделение металла от анода уже происходит в отсутствие электрического поля.

Теория Б.Р. Золотых, в соответствии с которой выброс металла из расплавленной лунки происходит в результате вакуума, образовавшегося в межэлектродном пространстве, не объясняет, почему жидкая фаза — металл, имеющая температуру кипения на целый порядок большую, чем другая жидкая фаза — керосин, должна заполнить вакуум.

Теоретические обоснования Е.М. Вильямса, опирающегося главным образом на расчет процессов, возникающих в межэлектродном пространстве, вообще не согласуются с большинством экспериментальных данных. Все это вызвало необходимость не только пересмотреть существо имеющихся теорий, но и для нахождения некоторых аналогий выйти за пределы электрофизики.

Известно, что внешний вид поверхности твердого тела после электроискровой обработки больше всего похож на рельеф Луны. Такое чрезвычайное сходство заставило обратиться к теориям возникновения лунных кратеров. Самым убедительным представляется образование их вследствие удара о поверхность Луны метеоритов, движущихся с большой скоростью. Примечательно, что к этому выводу также приводят экспериментальные данные, полученные в результате изучения действия высокоскоростных ударов, т. е. ударов о металлическую поверхность твердого тела, движущегося со скоростью, определяемой тысячами метров в секунду.

Такой удар сразу же сопровождается сильной световой вспышкой, а когда фронтальная часть тела углубляется в мишень, навстречу ему выбрасывается поток частиц мишени со скоростью, примерно в два раза превышающей начальную скорость тела. В этот момент начинается образование кратера. Материал мишени течет радиально от точки удара, создавая полукруглое углубление. Часть материала движется по краям картера и выбрасывается струей. По мере увеличения кратера угол струи становится более крутым, скорости выброса уменьшаются. В результате вокруг кратера появляется обод из застывших частиц — весьма характерная фигура, напоминающая по внешнему виду вазу для цветов.

В искровом электрическом разряде происходит быстрое освобождение в межэлектродном пространстве определенной порции энергии. Как уже указывалось, в этой форме электрического разряда основным носителем энергии является самофокусированный поток электронов.

Рассматривая электрон как частицу, имеющую массу и движущуюся по законам механики, можно провести аналогию между явлениями, сопровождающими высокоскоростной удар тела с большой массой, с ударом электрона о твердую металлическую поверхность. Можно применить к этому элементарному микропроцессу выводы, которые получены механиками и астрономами при объяснении воронок на Луне, образованных метеоритами.

Это предположение подтверждено соответствующими экспериментами.

На рис. 1 представлены кадры скоростной киносъемки процесса удара искрового электрического импульса о поверхность жидкого анода.

На кадрах видно, что после пробоя межэлектродного пространства в результате резкого торможения потока электронов на поверхности анода образуется лунка, с краев которой с большой скоростью сбрасывается материал анода. При этом, как и в ранее рассмотренном случае, образуется специфическая фигура, похожая на вазу для цветов.

Электродинамическая теория выброса металла искровым электрическим разрядом не только легко объясняет имеющийся в этой области экспериментальный материал, но все время подтверждается новыми данными.

Например, только динамическим действием пучка электронов могут быть объяснены наблюдающиеся при электроискровой обработке алюминия измельчение кристаллов в разных точках лунки и деформации сдвига — вверху слева на рис. 2.

С электроискровой обработкой появилась возможность изготовления деталей машин и механизмов из токопроводящих материалов с любыми физико- химическими свойствами, в том числе с очень высокой твердостью, вязкостью и хрупкостью. Понятие обрабатываемости материалов, всегда мешавшее конструкторам и доставлявшее много неприятностей технологам, потеряло свое значение.

Такая обработка осуществляется вообще без применения какого-либо режущего инструмента и абразивов.

Электроискровой способ при помощи катода в виде тончайшей медленно движущейся проволоки позволяет исполнить давнишнее стремление инженеров — обрабатывать металл без потерь, т. е. во многих случаях получать изделия практически без перевода материала в стружку.

При этом способе оказалось возможным весьма просто осуществлять автоматизацию всех приемов обработки металлов. Появились электроискровые установки с программным управлением и самонастраивающимися системами, установки, изготавливающие изделия непосредственно с чертежа, и др.

Автоматически действующие устройства позволяют не только получать окончательно готовые изделия весьма высокой сложности, но и сопрягать внешние и внутренние поверхности с точностями, недоступными самому искусному лекальщику. Этим не только высвобождается большое число рабочих высокой квалификации, занятых на изготовлении штампов, пресс-форм, фильер и др., но значительно сокращается технологический цикл обработки изделий…

Возможность весьма простого электроискрового изготовления деталей при помощи катода в виде тончайшей медленно движущейся проволоки, практически без перевода материала в стружку, стала возможной благодаря серии работ, выполненных в НИИ-160 (позже ГНПП «Исток») электронной промышленности в середине 1950-х годов.

А.С. Попов в конце XIX столетия предложил использовать импульсное освобождение электрической энергии, которым характеризуется искровая форма электрического разряда, для возбуждения контуров затухающих колебаний. На созданных им искровых генераторах начала развиваться радиотехника. Однако в самом начале XX столетия, в связи с успешным развитием электроники, искровые генераторы были полностью вытеснены более совершенными вакуумными приборами. И искровая область электрических разрядов вновь была забыта, за исключением очень незначительных применений — использования электрической искры в качестве источников света в спектроскопии, для маломощных прерывателей и запальных свечей.

Практически никто из исследователей не изучал и не обобщал всего комплекса явлений, которыми сопровождается импульсное освобождение электрической энергии в искровом разряде.

К изучению искрового электрического разряда вернулись лишь в конце 1930-х годов в связи с открытием электроискрового способа обработки металлов, т. е. когда была установлена возможность использования коротких импульсов электрического тока для размерной обработки металлов.

Было установлено, что для размерной электроискровой обработки пригодны только импульсы тока:

1) длительностью не более 10-4 с, если электроды один относительно другого неподвижны, а межэлектродная среда непроточна;

2) длительностью до 10-3 с, если электроды в процессе прохождения импульса перемещаются или среда, заполняющая межэлектродное пространство, непрерывно и с большой скоростью заменяется новой.

Электрические импульсы, длительность которых превышает названный предел, не пригодны для осуществления размерной обработки, поскольку в этом случае происходит сильное оплавление электродов.

На основе анализа вольтамперной характеристики электрических процессов, протекающих между двумя неподвижными электродами при атмосферном давлении и большого числа исследований, а также сравнения их с результатами работ по спектрографическому анализу, катодному распылению металлов, электрической дуговой сварке металлов, Б.Р. и Н.И. Лазаренко был сделан ряд обобщений.

1. Любая самостоятельная форма электрического разряда в газах сопровождается эрозией действующих электродов.

2. При коммутации электрических цепей, прежде чем наступит непосредственное соприкосновение металлических поверхностей электродов, всегда наблюдается электрический пробой межэлектродного пространства.

3. Каждой форме самостоятельного электрического разряда соответствует присущая ей полярность эрозии электродов.

4. Искровая форма электрического разряда сопровождается преобладающей убылью анода.

5. Переход искровой формы электрического разряда в дуговую (и обратно) сопровождается инверсией электрической эрозии.

6. Электрическая эрозия — неотъемлемое свойство любых токопроводящих материалов; другими словами, нет и не может быть антиэрозионных токопроводящих материалов…

Ранее было установлено, что при искровом импульсе образовавшийся канал сквозной проводимости вся энергия, накопленная системой, мгновенно и фокусированно освобождается на аноде, т. е. движущийся с большой скоростью электронный луч встречает на своем пути твердую металлическую поверхность. Дальнейший же процесс будет зависеть от толщины анода.

Если анодом является очень тонкий проводник тока, например металлическая фольга, то пучок электронов, ударившись о поверхность анода, пробивает ее и продолжает свой путь в заанодной области. Этой возможностью пучка электронов можно было воспользоваться, например, для воздействия на диэлектрические материалы, осуществляя на поверхности стекла надписи с помощью электроштихеля. Либо для определения диаметра пучка электронов, пролетающего через металлическую фольгу, сравнивая его с размером (профилем) образующейся, при прочих равных условиях, лунки.

Когда анодом является достаточно толстая пластина, пучок летящих электронов будет резко остановлен металлической поверхностью. При этом вся энергия торможения электронов выделяется в поверхностных слоях анода. Поскольку мощности при этом имеют чрезвычайно большие значения, происходит направленный взрыв участка анода, воспринявшего импульс. Во время протекания этого электрического взрыва весь не только расплавленный, но и размягченный металл выбрасывается из чаши, вмещающей пораженный объем металла. Часть металла, выброшенного в межэлектродное пространство, достигает противоположного электрода и прочно соединяется с его поверхностью.

Таковы процессы в межэлектродном промежутке и на электродах при прохождении искрового импульса в воздухе.

На рис. 3 показан вид кратера, образующегося на металлической поверхности после искрового разряда.

По внешнему виду кратеры, полученные на поверхности металла в результате электроискровой обработки, больше всего похожи на рельеф Луны (рис. 4).

Из числа имеющихся теорий, объясняющих образование кратеров на Луне и Земле, самой убедительной представляется теория, объясняющая образование этих кратеров как следствие удара о поверхность Луны метеорита, двигавшегося с большой скоростью. К этому выводу однозначно приводят опытные данные по изучению действия высокоскоростных ударов, т. е. изучению явлений, происходящих при столкновении твердых тел, движущихся со скоростями, определяемыми тысячами метров в секунду.

Результат выстрела в медную плиту стальным шаром Ф203 мм со скоростью 5,6 мм/с описан в публикации A.C. Charters High-speed impact. Scientific American, 1960, No 4.

Вид образовавшегося кратера представлен на рис. 5, а.

Для сопоставления внизу фото показан исходный размер шара, а разрез кратера — на рис. 5, б.

Специалистам, работающим в области электроискровых технологий, эти снимки напоминают лунки, образующиеся в результате действия искровых электрических импульсов.

Когда на пути шара, летящего с высокой скоростью, оказывается стальная пластина, толщина которой соизмерима с диаметром летящего шарика, то происходит отслаивание определенной части противоположной поверхности пластины. Это отчетливо демонстрирует фотография сечения этой пластины на рис. 6.

Динамическое действие искрового электрического разряда иллюстрируется рис. 7 и 8.

В обоих случаях между анодами — пластинами — возбуждается искровой разряд с катода — острия. В том случае, когда пластина была сравнительно толстой (рис. 7), имела место лишь деформация поверхности. Однако при уменьшении толщины пластины-анода поток частиц, идущий от катода, пробивает всю толщу металла и продолжает полет в заданной области. Из рассмотрения рис. 3, 7 и 8 можно заключить, что мгновенные давления, развиваемые частицами на поверхности анода, достигают громадных величин.

В связи со 100-летием со дня рождения выдающегося советского ученого, лауреата Сталинской премии 1946 года, доктора технических наук, профессора, академика АН МССР и вице-президента АН МССР Бориса Романовича Лазаренко, уместно напомнить о том, с чего начиналось открытие принципиально нового способа обработки металлов, сплавов и других токопроводящих материалов, который был открыт в 1938 году совместно с женой Наталией Иосифовной Лазаренко и известен сейчас во всем мире, как Electro Discharge Machining of Materials — электро-разрядная обработка материалов.

Продолжая свои исследования в 1938-1943 г.г., Б.Р. Лазаренко подготовил, а затем защитил кандидатскую диссертацию на тему «Инверсия электрической эрозии металлов и методы борьбы с разрушением электрических контактов». В аннотации диссертации утверждается:

«На основании изучения явлений, сопровождающих работу электрических контактов, доказывается, что разрушение контактных поверхностей происходит под влиянием физического фактора — электрической эрозии и химического фактора — коррозии. Доказывается, что нет и быть не может металла, сплава или какой-либо проводящей ток композиции, которые не были подвержены электрической эрозии.

Выдвигается и затем большим числом экспериментов всесторонне доказывается теория инверсии электрической эрозии. Доказывается, что величиной и направлением электрической эрозии можно легко управлять и в частном случае приходить к условиям, когда эрозия практически отсутствует (на границе эрозии). Демонстрируется, что в процессе работы на границе инверсии контакты улучшают свои контактные свойства.

В заключительной части работы приводится описание новых электроэрозионных методов (нанесение металлических покрытий, дробление различных материалов и безинструментальной обработки металлов), полностью основанных на теории инверсии электрической эрозии».

Б.Р. Лазаренко не только открыл способ обработки материалов электрическими искровыми разрядами. Он активно содействовал началу с 1953 г. в НИИ-160 исследований возможности применения электроискрового способа для изготовления деталей электровакуумных приборов (сеток клистронов для радиорелейных линий связи, анодных блоков магнетронов миллиметрового диапазона длин волн), а затем созданию оригинальных электроискровых процессов (формообразования деталей электронных приборов и инструмента) и соответствующего оборудования для их осуществления. Был руководителем аспирантов ГС НИИ по радиоэлектронике при СМ СССР (Б.И. Ставицкого, Е.В. Холоднова, В.Л. Кравченко, К.К. Гуларяна).

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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