From the History of Electro-Spark Processing of Materials
The development of domestic microwave electronics industry began in the times of the Great Patriotic War. Its development was led by SRI-160 that was called “Istok” and it had become a leading organization dealing with electro-spark processing in the country and all over the world. Their methods were immediately adopted and intensively used by foreign companies in development of EDM-processes.
Еще в годы Великой Отечественной войны началось создание отечественной отрасли СВЧ электроники в составе Наркомата электропромышленности СССР. Ее развитие с 1943 г. возглавил НИИ-160 с опытным заводом, основанным на базе фрязинского предприятия «Радиолампа», его главной целью была разработка и выпуск приборов для радиолокационной техники. В 50–60-е годы именно это НИИ (под названием НПП «Исток») стало ведущей организацией в стране и в мире по технологиям электроискровой обработки, открыло новые горизонты их использования в электронной и смежных отраслях промышленности, в изготовлении особо точных деталей приборов и технологического инструмента. Эти методы немедленно перенимались и интенсивно использовались зарубежными фирмами в их разработках в области EDM-процессов.
Б.И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с., лауреат Ленинской премии, главный конструктор электроискрового
оборудования электронной промышленности, г. Фрязино, Московская обл. (Россия)
Первыми мощными генераторными СВЧ-приборами, созданными в НИИ-160, были магнетронные генераторы. У истоков этого направления в институте стояли С.А. Зусмановский и А.П. Федосеев. К началу 1950-х годов в институте определились коллективы талантливых молодых ученых, создавших первые отечественные образцы магнетронов. В этих устройствах широко использовались оригинальные решения, позволившие достичь самых высоких параметров, известных в то время в мировой технике. В их число вошли мощные 3-см магнетроны с быстрой перестройкой частоты (Э.А. Гельвич), ставшие основой создания первых оригинальных отечественных помехозащитных корабельных и самолетных РЛС.
Необходимость создания новых конструкций магнетронов стимулировало интенсивное развитие многих технологических направлений: электроискровой обработки материалов, новых конструкций катодных узлов, СВЧ-керамики. Опираясь на эту технологическую базу, были не только разработаны оригинальные базовые конструкции, но и заложены физико-теоретические основы создания мощных перестраиваемых магнетронов со сверхвысокой частотной стабильностью (Л.Г. Некрасов, Д.Е. Самсонов). Эти устройства позволили наладить выпуск высокоэффективных радиолокационных станций для ПВО и аналогичных корабельных РЛС.
В конце 1950-х годов началась разработка первых отечественных усилителей М-типа — амплитронов, на базе которых была создана РЛС обнаружения, ставшая в 1960-х годах основой ПВО страны (Ю.А. Искренко). Дальнейшее развитие это направление получило в создании серии амплитронов, обладающих широкой полосой усиливаемых частот, а также высокой средней и импульсной мощностью (Т.В. Зиангиров). На их основе была разработана серия корабельных РЛС.
Оригинальное направление в развитии миниатюрных генераторов и усилителей М-типа в 1970-е годы предложил Л.Г. Некрасов на основе изобретенных им и его сотрудниками новых типов замедляющих систем. Миниатюрные усилители, обладающие большим (до 60 %) КПД, чем аналогичные мощные транзисторные приборы в сантиметровом диапазоне волн, равными (или меньшими) с ними массо-габаритными характеристиками, успешно применялись в линиях связи космических объектов (например, в космическом корабле «Вега» — Венера — комета Галлея), в индивидуальных носимых приемопередатчиках спутниковых систем связи и т. п.
Разработка технологий изготовления клистронов
Развитие радиотехнических средств и совершенствование РЛС сопровождалось непрерывным повышением требований к эксплуатационным параметрам ЭВП, причем они не могли быть обеспечены конструкцией однолучевых усилительных приборов О-типа из-за высоких питающих напряжений и больших габаритов фокусирующих магнитных систем, а в случае приборов М-типа — из-за низкого коэффициента усиления. В США эта дилемма решалась в пользу ЛБВ, а специалисты НИИ-160 выбрали новое направление — многолучевые клистроны. Определяющую роль в широком развитии направления многолучевых приборов сыграли работы С.В. Королева. Уже в 1968 году начали выпускаться первые промышленные образцы мощного многолучевого клистрона.
Начало этого этапа развития электроискрового способа обработки относится еще к середине 1950-х годов, когда возникла необходимость в изготовлении высокоточных деталей для электровакуумных СВЧ-устройств. Тогда в ГС НИИ Государственного Комитета СМ СССР по радиоэлектронике (позже ГНПП «ИСТОК») были начаты работы по исследованию возможности применения электроискрового способа для решения этой проблемы. Прежде всего, интересовали вопросы повышения надежности и долговечности отражательных клистронов для радиорелейных линий связи К-50, К-48 и др., а также изготовления магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.
В НИИ-160 в конце 1953 года — впервые в мире — с помощью медленно перематывающейся вольфрамовой проволоки диаметром 30–40 мкм были прорезаны узкие пазы шириной 50–60 мкм на торце электрода-инструмента. Этот инструмент применялся для электроискрового изготовления сеток с сотней квадрантных отверстий в медных диафрагмах клистронов радиорелейных линий связи (рис. 1).
Для опытно-промышленной реализации этой технологии в начале 1954 г. была создана первая в мире экспериментальная электроискровая установка для изготовления деталей электродом-проволокой диаметром 20–40 мкм (рис. 2). На ней было установлено, что вольфрамовой проволокой ВА-3 диаметром 30 мкм можно прорезать пазы шириной 45–60 мкм, а Ф 40 мкм — 55–70 мкм. Более широкие пазы прорезались за два прохода со смещением проволоки на соответствующую величину. Подобным электродом в диафрагмах клистронов «прошивались» сетки с 152 квадратными отверстиями размером 0,45 х 0,45 мм и с перемычками до 30 мкм (рис. 3).
Благодаря замене плетеных сеток из вольфрамовой проволоки цельными медными с шириной перемычек, равной диаметру проволоки, и с 5–10 раз большей высотой, большей теплопроводности меди, чем вольфрама (примерно в 2 раза) и изготовлению сеток непосредственно в медной диафрагме было достигнуто увеличение сечения перемычек. За счет этого в десятки раз увеличился отвод тепла от сеток, а это, в свою очередь, привело к значительному повышению долговечности приборов (рис. 4).
Для электроискровой «прошивки» крупных сеток ЭВП и изготовления подложек катодов применялись полые электроды-стаканы (рис. 5). Они обеспечивали интенсивный отвод продуктов эрозии из зоны обработки и существенно увеличивали производительность процесса.
Для решения проблемы изготовления анодных блоков электронных СВЧ-приборов М-типа в миллиметровом диапазоне длин волн во второй половине 1954 г. на базе большого инструментального микроскопа БМИ была создана экспериментальная электроискровая координатная установка ЭКУ-1 (рис. 6).
И хотя первые анодные блоки были миниатюрных размеров, они предвещали наступление новой эры в производстве деталей электронных приборов. Важной особенностью способа являлось то, что для осуществления этой удивительной технологии не требовалось изготовления какого-либо сложнопрофильного инструмента, так как его роль выполняла тончайшая проволока, диаметр которой меньше толщины волоса. При этом применение проволоки ? 0,02–0,04 мм сулило перспективу получения изделий с минимальным превращением металла в стружку и незначительным количеством расходуемой электроэнергии, так как ширина образующегося паза была ничтожно мала.
При использовании в качестве обрабатывающего электрода тонкой вольфрамовой или молибденовой проволоки потребовалось применение электрических импульсов малой энергии (меньше 0,001 Дж) микросекундной длительности (до 1 мкс), что обеспечивало высокое качество формообразования деталей.
За рубежом, например в Японии, электроискровые технологии также применялись для выпуска подобных деталей. В качестве примера на рис. 7 представлена фотография японского сборного электрода для электроискровой «прошивки» сетки Ф 18 мм с квадратными отверстиями 1,35 х 1,35 мм и перемычками шириной, имеющей разброс на порядок больше, чем у сеток электронных приборов СВЧ, изготавливаемых в это же время в НИИ-160.
С момента создания лаборатории, преобразованной в отдел электроискровой обработки материалов, директор НИИ-160 М.М. Федоров постоянно уделял большое внимание развитию этого направления, поскольку верил в его широкие возможности в совершенствовании технологических процессов изготовления электровакуумных приборов. Опытно-производственный участок отдела осуществлял изготовление важнейших деталей разрабатываемых приборов (сеток клистронов, замедляющих систем ЛОВ сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, разнообразных катодов из тугоплавких и редкоземельных материалов, магнитов и т. п.) для нужд научной части института. Это позволяло не только оперативно совершенствовать технологию, но и разрабатывать новое электроискровое оборудование, подобное которому в стране и даже в мире еще никто не делал.
Тесная связь с проектантами передовых электронных СВЧ-приборов, с одной стороны, стимулировала разработки в области электроискровых технологий, а с другой — открывала неисчерпаемые возможности для создания принципиально новых изделий и усовершенствования ранее созданных. В течение десятилетий до начала 1990-х годов отдел вел активную деятельность, находясь на передовых позициях в области особо точной электроискровой обработки материалов.
Предлагаемые НИИ СВЧ-генераторы малой и повышенной мощности находили применение в разнообразных сферах военной и гражданской техники. Общее руководство этим направлением осуществлялось Н.Д. Девятковым. К середине 1960- х годов были разработаны многочисленные конструкции отражательных, пролетных, пролетно-отражательных клистронов, ЛОВ с магнитной и электростатической фокусировкой. Многие из них можно отнести к приборам, определяющим мировой научно-технический уровень того времени. Среди них — отражательные клистроны с электронной настройкой (М.Б. Голант), высокостабильные отражательные клистронные генераторы малой (Л.А. Парышкуро) и повышенной (В.Н. Лебедев) мощности и др., ЛОВ с периодической электростатической фокусировкой (А.М. Алексеенко), ЛОВ мм- и субмм-диапазонов (А.А. Негирев, В.С. Савельев) и ряд других приборов.
Исследования вопроса оптимальной межэлектродной среды и создание транзисторных и тиратронных генераторов
Для выяснения возможности замены керосина, используемого при электроискровой обработке деталей ЭВП, на другие межэлектродные среды, содержащие меньше углеводородов, было осуществлено разрезание штабиков из прессованного вольфрама ВТ-15 электродом-проволокой ВА-3 Ф 0,03 мм в среде раствора этанола в воде. Полученные значения скорости разрезания штабиков 4,67 мм (S = 17 мм2) при скорости перемотки проволоки 14 мм/с и расстоянии между токоподводящими роликами 17 мм на режиме: U0=110В, U1=90В, Iк.з = 0,45А в зависимости от содержания этанола в воде представлены на рис. 8.
Из графиков 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 % содержании этанола в воде достигает максимума, увеличиваясь по сравнению с разрезанием в воде в 3 раза. Однако при концентрации этанола в воде в диапазоне 40 % — 100 % величина скорости уменьшается в 2,5 раза, превышая скорость разрезания в чистой воде всего на 21 %.
Авторы электроискрового способа еще в своих ранних работах высказались в том смысле, что «практически далеко не безразличен выбор состава жидкой среды, применяемой при размерной электроискровой обработке металлов. Жидкость, являющаяся межэлектродной средой, должна удовлетворять следующим основным требованиям: иметь незначительную вязкость; не выделять в процессе работы ядовитых паров и газов; быть не горючей, не дорогой, химически нейтральной к материалу электродов и, наконец, не терять во время работы своих основных свойств. Очевидно, что, за исключением особых случаев, все эти свойства в самой большой степени имеет обычная промышленная вода. Она практически была бы наилучшей межэлектродной средой, если бы были созданы генераторы электрических импульсов, толчком подающие на электроды строго дозированную порцию энергии в заданные интервалы времени, оставляя все прочее время электроды без напряжения. Однако поскольку до сих пор такие генераторы электрических импульсов не применяются и, следовательно, электроды во время работы находятся под напряжением, то проводимость воды отрицательно сказывается на процессе…
Устройствами, удовлетворяющими наивысшим на тот момент требованиям к эффективности электроискровой обработки, стали новые транзисторные и тиратронные генераторы биполярных импульсов напряжения, созданные в начале 1960-х годов в электронной промышленности СССР. Благодаря им была обеспечена возможность прецизионного изготовления деталей в обычной воде, что позволило существенно повысить производительность процесса, его точность, а также улучшить качество обрабатываемой поверхности и условия труда. Создание генераторов биполярных импульсов напряжения микросекундной длительности строго определенной формы позволило практически исключить нежелательные электрохимические процессы. При этом в ходе исследований выяснилось, что для прецизионной электроискровой обработки в воде наиболее приемлемые холостые биполярные импульсы напряжения имеют прямоугольную форму без постоянной составляющей, причем положительная амплитуда не менее, чем в два раза должна превосходить отрицательную, а длительность — находиться в пределах 3–4 мкс. Это, в частности, обусловлено тем, что для получения обработанной поверхности с шероховатостью Ra не более 1 мкм оптимальными являются те токовые импульсы, которые не только удаляют максимальное количество материала за один импульс, но и обеспечивают его вымывание в мелкодисперсной фазе. При этом формируемая поверхность покрыта лунками сферической формы без застывших выплесков жидкого металла. Это возможно при удалении материала в парообразной форме, для чего необходимо уменьшать длительность импульсов тока, чтобы увеличить долю энергии импульса, идущей на перегрев и испарение вещества.
Продолжение следует
