From the History of Electric-spark Material Processing
The technology of spark erosion machining first appeared in the former Soviet Union. The article in the previous issue of the journal dealt with the first steps of the technology development. This article concerns the prominent progress of native scientists in 1950-60s. This period in the history of electric-spark material processing is characterized by the following events: the electric-spark technology in the production of especially precise details for radio-electronic industry needs, the fourth stage of the development of electric-spark processing technique (the theory development, the creation of technology and equipment for especially precise details production), the use of electric-spark technology for magnetron production, the use of especially precise electric-spark processing techniques for souvenir production and in jeweller’s industry, the native electric-spark plants and their influence on the development of foreign analogues.
Б.И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с., лауреат Ленинской премии, главный конструктор
электроискрового оборудования электронной промышленности, г. Москва (Россия)
Глядя на нынешнее мировое лидерство в области создания электроэрозионного оборудования таких фирм, как AGIE, Charmilles, FINE Sodick и Mitsubishi Electric, трудно поверить, что эта технология впервые появилась в бывшем СССР. Более того — именно советские ученые и инженеры первые лет 20–30 существования электроискровой обработки действительно были «впереди планеты всей». О первых этапах развития этой технологии рассказывалось в предыдущем номере нашего журнала. Предлагаемый ниже материал посвящен выдающимся успехам отечественных ученых в 50–60-е годы — их буквально филигранной работе и незаурядной изобретательности в решении сложнейших технических задач.
Электроискровая технология в изготовлении особо точных деталей для нужд радиоэлектронной промышленности
В 1953 г. в СССР возникла потребность в разработке новых методов изготовления особо точных деталей. Причина — необходимость значительного повышения надежности и долговечности вакуумных СВЧ-генераторов малой мощности: отражательных клистронов, ультравысокочастотных триодов и др. Сетки этих приборов делались плетеными или навивались из вольфрамовой проволоки ВА диаметром 0,02–0,03 мм. Большие входные мощности, необходимые для нормальной работы этих приборов, при недостаточном отводе тепла приводили к перегреву и прогоранию сеток. Даже в тех случаях, когда прогорание не наступало, потери из-за перегрева сеток резко возрастали: с одной стороны, увеличивались высокочастотные потери на них, с другой — резко возрастали так называемые электронные потери, связанные с термоэмиссией сеток. Все это отрицательно сказывалось на сроке службы и мощности приборов.
Возникла идея замены плетеных сеток из вольфрамовой проволоки цельными медными, у которых ширина перемычек равна диаметру проволоки (чтобы сохранить прозрачность сеток для электронов), а высота — в 5–10 раз больше. Благодаря увеличению сечения перемычек за счет увеличения их высоты, примерно в 2 раза большей теплопроводности меди по сравнению с вольфрамом, а также изготовлению сеток непосредственно в медной пластине (диафрагме) отвод тепла от сеток должен был возрасти в десятки раз. Изготовить такие сетки (в частности, с квадратными или прямоугольными ячейками) каким-либо из традиционных способов невозможно. Тем более что разброс ширины перемычек не должен превышать 0,002 мм (т. е. составлять не более 0,1 доли ширины перемычки), а шероховатость обработанной поверхности — 0,4 мкм. Шаг расположения перемычек не должен иметь отклонений более 0,005 мм.
В то время уже была известна технология электроискрового изготовления сеток с круглыми отверстиями для фильтров тонкой очистки методом последовательного получения отверстий. При этом интенсивность процесса не превышала 0,04 мм3/мин, шероховатость обработанной поверхности Ra составляла не менее 0,8 мкм, а вспомогательное время на одно отверстие равнялось 4 с. Однако время изготовления таким методом сеток приборов с числом отверстий 90–150 шт. достигало бы 60 мин и более, что излишне много. Вывод ясен: все квадратные отверстия сетки размером 0,2–0,5 мм должны изготавливаться одновременно. Если осуществлять последовательное изготовление отверстий, это потребует применения для прошивки высокоточной координатной установки, решения проблемы изготовления точных электродов квадратного сечения и значительного вспомогательного времени.
Электроискровое изготовление цельных сеток стало возможным благодаря применению специальных электродов-инструментов, обеспечивающих одновременную прошивку всех отверстий и представлявших собой стержни из меди соответствующего профиля. На их торцах на глубину 2 мм (для сеток толщиной несколько десятых долей миллиметра) делались пазы с шириной, зависящей от величины перемычек сетки, и с шагом, равным шагу перемычек (обычно 0,2–0,5 мм). Получение таких электродов- инструментов, имеющих узкие пазы на торцах шириной 0,04–0,05 мм с погрешностью не более 0,002 мм, также представляло собой определенную техническую проблему.
Изготовление этих изделий осуществлялось электродом-проволокой ВА-3 ∅0,03–0,04 мм на специально созданном оборудовании: вначале на установке ЭКУ1Б (рис. 2), созданной на базе микроскопа МБИ-1 и координатного столика с микрометрическим перемещением кареток, а затем на 2-позиционных полуавтоматах А207.14 с электромеханическим программным управлением для прорезания пазов (рис. 3). В качестве межэлектродной среды применялся осветительный керосин.
На рис. 4. показана головка полуавтоматической спаренной установки ЭПС-3 для изготовления сеток, о которых шла речь в предыдущей публикации (см. «Оборудование и инструмент для профессионалов», 02/2006, рис. 12–16). Установка изготовлена с использованием микроскопа МБИ-1 с микрометрическим перемещением ползуна с точностью 2 мкм. Это обеспечивало плавную подачу электрода-инструмента и поддержание оптимальной величины межэлектродного зазора во время прошивки. Заготовка сетки 1 закрепляется на координатном столике 2, а электрод-инструмент 3 — в призме. Межэлектродная среда (керосин) находится в опускающейся ванне 4. Вибратор 5 обеспечивает амплитуду колебания электрода не более 5 мкм, что способствует интенсивному удалению продуктов эрозии без нарушения процесса искрообразования.
На рис. 5 представлена головка полуавтоматической установки А207.03 с автоматическим циклом изготовления сетки после закрепления электрода-инструмента и заготовки с последующей выверкой их взаимного расположения.
В ходе работы установки автоматически осуществляется подъем и опускание ванны с межэлектродной жидкостью, быстрый подход электрода к заготовке, закрепленной на вибраторе, переключение привода на следящую подачу, обеспечивающую поддержание межэлектродного промежутка. После прошивки сетки на заданную величину осуществляется быстрый отвод электрода, опускание ванны и снятие напряжения с электродов (заготовки и электрода-инструмента). Режимы изготовления сеток приведены в табл. 1. Указанные режимы обеспечивали шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,1–0,4 мкм.
Время изготовления сетки ∅3 мм (95 отв., перемычки 0,03 х 0,1 мм) — 50 с, а сетки ∅4 мм (200 отв., перемычки 0,03 х 0,2 мм) — 1,5 мин. Вспомогательное время составляло примерно 60–70% от общего времени прошивки, значительная часть его приходилась на закрепление и съем заготовки. В течение 1 ч изготавливалось 40 сеток ∅3 мм и примерно 24 — ∅4 мм (на одной позиции установки ЭПС-3).
Таким образом, за смену можно было выпустить до 300 сеток ∅3 мм или 180 сеток ∅4 мм. При этом подготовительно- заключительное время не превышало 0,5 ч. По мере совершенствования технологии и конструкций установок для электроискрового изготовления прецизионных сеток производительность процесса возросла в 300 раз.
Цельные сетки из меди МБ изготавливались для отражательных клистронов К-48, К-50 и др., которые применялись в радиорелейных линиях связи.
Следует также отметить, что создание описанной выше технологии, как и дальнейшее развитие электроискровой особо точной обработки материалов, было бы невозможно без активного участия Мстислава Михайловича Федорова — директора НИИ-160, лауреата Ленинской премии 1963 г. за разработку новых методов изготовления особо точных деталей. в марте 1957 г. он создал лабораторию электроискровой обработки материалов и непосредственно курировал это направление работ. На рис. 6 представлен портрет М.М. Федорова, выполненный электродом-проволокой в пластине нержавеющей стали толщиной 1 мм к его 70-летию в 1978 г.
Четвертый этап развития электроискрового метода обработки: разработка теоретических основ, создание технологии и оборудования для изготовления особо точных деталей
В предыдущей статье были подробно описаны первые три этапа развития электроискрового способа обработки материалов не только в СССР, но и во всем мире. На 1960–1969 гг. пришелся четвертый этап, основным содержанием которого стали следующие достижения:
разработка научных основ технологии и самих техпроцессов особо точного электроискрового формообразования;
создание прецизионного оборудования для осуществления этих методов:
а) генераторов биполярных импульсов напряжения, обеспечивших применение воды в качестве межэлектродной среды;
б) систем программного управления;
в) установок для изготовления деталей электронных приборов и инструментов;
создание электроискровых участков и цехов на серийных предприятиях.
С организацией в 1960 г. Министерства электронной промышленности СССР и созданием отдела электроискровой обработки материалов в ОКБМ НИИ-160 начался новый этап развития особо точной электроискровой обработки материалов. В частности, разработка ламп обратной волны (ЛОВ) с электростатической фокусировкой, а также ЛОВ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн стало возможным только благодаря применению этих методов обработки материалов.
Известно, что одной из важнейших деталей ЛОВ являются замедляющие системы (ЗС), состоящие из десятков или сотен штырей шириной от сотых до десятых долей миллиметра и длиной от сотых долей до единиц миллиметра. До появления электроискровой технологии ЗС ЛОВ сантиметрового диапазона изготавливались сборными из штампованных пластин или пакетировались из тонких пластин, полученных фотохимическими способами с последующей пайкой.
Теперь же тонкие замедляющие системы стали изготавливать электродом-проволокой ∅0,04 мм (рис. 7). Число штырей такой ЗС — 100. Общая длина системы — 125 мм. Так как расстояние между штырями — 0,4 мм, а ширина образующегося паза за один проход проволоки — 0,06 мм, то линия замедления изготавливалась за 2 прохода проволоки. В результате образовывался отход, идентичный изготовленной системе (рис. 7, б). Средняя скорость формообразования — 6–10 мм2/мин при Ra не более 0,5 мкм, причем скорость перемещения проволоки не превышала 0,7 м/мин, а расстояние между центрами токоподводящих роликов — 15 мм.
Тонкие ЗС также изготавливались пакетом (по 4–8 шт.) с использованием 4-контурной схемы и 1 электрода-проволоки. Это обеспечивало 6-кратное повышение производительности процесса. Применение специальных электродов, выполненных «обратным» копированием с помощью первичного электрода- инструмента (в качестве которого может использоваться система, изготовленная проволокой), позволило «прошивать» такие системы электроискровым способом. Этот прием обеспечивал изготовление партий идентичных друг другу ЗС и в несколько раз сокращал время на изготовление одной системы.
На рис. 8 показан фрагмент силуэта линии замедления, изготовленной за один проход проволоки ВА-3 х 0,04 мм и состоящей из 3 медных пластин толщиной 0,1 мм с шириной пазов 0,05+0,005 мм и штырями высотой 0,7 мм. Общее число пазов ЗС — 181.
На рис. 9 представлен фрагмент сборно-паяной ЗС, в которой будущие пролетные каналы изготовлены штамповкой. После сборки штампованных пластин и их пайки пазы, образующие собственно линию замедления, прорезались электродом- проволокой.
На рис. 10 — замедляющая система ЛОВ «Засечка». В ней не только пазы линии замедления, но и пролетные каналы на всю длину системы изготовлены медной проволокой ∅0,1 мм.
Группа установок А207.13 для изготовления электродом-проволокой различных деталей электровакуумных приборов представлена на рис. 11. Установки были созданы на базе больших инструментальных микроскопов БМИ-1.
На рис. 12 изображена установка с программным управлением ЭКУП-1 для изготовления ЗС ЛОВ. Программное устройство позволяло очень просто изготавливать детали типа замедляющих систем. Шаг микрометрических винтов установки составлял 0,5 мм, причем на винте продольной подачи был жестко посажен датчик импульсов коллекторного типа, состоящий из коллектора и двух токоподводящих щеток. На торце коллектора, изготовленного из меди, имелись 50 зубьев. Цена одного деления датчика — 0,01 мм. В качестве электромеханических счетчиков использовались шаговые искатели ШИ-25/4. Импульсы, возникающие в результате вращения коллектора, посылались в катушку шагового двигателя. Число импульсов задавалось на шаговых искателях посредством многопозиционных переключателей, позиции которых соответствуют числу ламелей шаговых искателей. В поперечном направлении величина перемещения устанавливалась микропереключателями.
(Продолжение статьи читайте в следующем номере)
