From the History of Electric-spark Material Processing
This article continues the series of publications, dedicated to the technology of spark erosion machining. It examines what equipment and scientific developments made the USSR the leader in this sphere (also see the issues 2-4, 2006). To speak more precisely, the article deals with the following aspects: the achievements of electric-spark technologies in the USSR in 1960s; the problem of creation of surge injector units for electric-spark processing in water; the analysis of an optimal spark gap, the minimal delays of electric sparks and their high unit power; the stability of conditions of erosion removal from the spark gap and its influence on the process efficiency.
Обозначившееся в последние лет 20 мировое лидерство AGIE, Charmilles, FINE Sodick и Mitsubishi Electric в области создания электроэрозионного оборудования почти исключает для нынешних молодых инженеров возможность поверить в то, что эта технология появилась впервые в бывшем СССР. Однако это именно так, более того — советские ученые и инженеры первые лет 30 существования электроэрозионной обработки были поистине «впереди планеты всей». Настоящая публикация продолжает* рассказ о том, какое оборудование и научные разработки на первых этапах развития технологии обеспечивали СССР лидерство в этой области.
Б.И. Ставицкий , к.т.н., с.н.с., лауреат Ленинской премии,
главный конструктор электроискрового оборудования
электронной промышленности, г. Москва (Россия)
Четвертый этап развития электроискрового способа (1960–1969 гг.) — это период разработки научных основ и техпроцессов для особо точных методов электроискрового формообразования, создания прецизионного оборудования, реализующего эти методы, организации электроискровых участков и цехов в электронной и других отраслях оборонной промышленности. Это период проведения за рубежом многочисленных семинаров и выставок, где демонстрировались образцы электроискровых станков для изготовления деталей электродом-проволокой, ознакомления широкой технической общественности с разработанными в Советском Союзе новыми методами особо точного электроискрового формообразования деталей приборов и инструментов. Словом, это был период триумфа технологий электроискровой прецизионной обработки материалов. Кроме того, в это время появлялись и первые зарубежные конструкции оборудования для изготовления деталей электродом-проволокой. Произошло это в 1969 году, после демонстрации за рубежом образцов советского оборудования в начале 1960-х годов.
Достижения электроискровых технологий в СССР в 1960-х годах
Для советской электронной промышленности это был период создания новых конструкций СВЧ-приборов — отражательных клистронов, ламп обратной волны (ЛОВ), магнетронов и др. Они предназначались для систем связи, РЛС наземных, самолетных и корабельных зенитно-ракетных комплексов (ЗРК), систем ПВО. Создание большинства этих приборов без применения электроискровой обработки было бы невозможно или чрезвычайно затруднено.
Среди созданного в этот период электроискрового оборудования следует вспомнить модификацию экспериментальной координатной установки А207.30 — модель А207.40 со встроенным тиратронным генератором импульсов (рис. 1). Она была спроектирована на оригинальной базе, оснащена комплектом сменных приспособлений для разрезания деталей на пластины и изготовления щелей с помощью непрерывно обновляющейся тонкой проволоки. По своим технико-экономическим показателям установка превосходила все ранее известные аналоги (при
Ra ? 3,2 мкм). Благодаря применению тиратронного генератора с оригинальным импульсным трансформатором, рациональной компоновке основных функциональных блоков, а также другим удачным конструктивным решениям было достигнуто увеличение производительности и качества обработки, улучшены условия эксплуатации и исключена возможность поражения оператора электрическим током. Потребляемая мощность не превышала 2 кВ•А, а вес — 450 кг. При этом в установке использовалась обычная вода из водопровода. До сих пор нам не известно ни одной подобной модели станка за рубежом, в котором изготовление деталей осуществлялось бы в водопроводной воде.
Электроискровая установка модели А207.30, поставленная итальянской фирме Olivetti controllo numerico (OCN), позволила успешно решить проблему изготовления штампов перфораторов. Ее применение на порядок подняло производительность процесса и дало возможность отказаться от использования малопроизводительных электроискровых станков фирмы AGIE и керосина в качестве межэлектродной среды, заменив его водой из водопровода. Главное — была исключена слесарная доводка стальных направляющих пуансонов и матриц штампов из твердого сплава. В результате вместо 1,5 ч, которые уходили только на электроискровую прошивку матрицы, благодаря применению установки А207.30 на полную обработку штампа и направляющей для пуансонов стали затрачивать не более 15 мин.
На установках А207.07 и А207.08 (рис. 2, 3) изготавливали пуансоны для холодного выдавливания анодных блоков магнетронов, пуансоны и детали инструмента методами «обратного» и последовательного копирования, которые обеспечивали минимальную площадь зоны взаимодействия электродов.
С помощью специального комплекта электрода-инструмента, состоящего из нескольких медных пластин толщиной 4 мм, была изготовлена оригинальная деталь (рис. 4) Ш 80 мм из жаропрочного сплава с внутренним сложным профилем из 12 элементов с Ш 10 мм (глубина отверстия — 60 мм). Очевидно, что ни одним из существующих способов такую деталь, имеющую закрытый профиль, изготовить невозможно.
На рис. 5 представлена группа электроискровых координатных установок А207.16, созданных на базе большого инструментального микроскопа БМИ-1 для изготовления деталей методом «прошивки». Характерные детали, изготавливаемые на этих установках, — пуансон-матрицы штампов для слюд электровакуумных пальчиковых ламп (рис. 6).
Пуансон-матрица — основная деталь штампа слюдяного изолятора — изготавливалась из стали марок ХВГ или Х12М и соответствовала по профилю штампуемому слюдяному изолятору. Толщина матрицы обычно не превышала 4–5 мм, высота рабочей части ее проходного отверстия — 2,5–3 мм. Размеры миниатюрных отверстий штампа не должны были иметь отклонений от номинала более 3 мкм. Изготовление таких матриц механическим способом представляло собой весьма трудоемкий процесс, требующий исключительно высокой квалификации слесаря.
На установках А207.12 (А207.23) с оптическими делительными головками изготавливались детали типа тех, которые изображены на рис. 7. На рис. 9 отображен момент «прошивки» 180 отверстий в детали, приведенной на рис. 8, а на рис. 10 — расточка электродом-проволокой кондукторных вкладышей на той же установке с использованием специального устройства.
На рис. 11 приведены расточенные вкладыши кондукторов: стальной (вверху) и твердосплавный из ВК-6 (посередине). Высота вкладышей — 8 мм. Отверстия Ш (1,5–3)+0,002 мм. Рядом — отходы. Точность расположения отверстий по углу ± 5°. Шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,4–0,8 мкм.
Наряду с появлением первых электромеханических систем программного управления с использованием шаговых искателей были разработаны и схемы копирования сложнопрофильных деталей с металлических шаблонов с помощью маломощных искровых разрядов. На рис. 12 продемонстрирован момент изготовления медной проволокой Ш 0,15 мм твердосплавной матрицы толщиной 6 мм для вырубного штампа, предназначенного для изготовления пластин ротора электродвигателя.
Эта схема получила практическое применение в разработанной ЦНИЛ-Электром АН СССР электроискровой установке «Электром-15» (после передачи ЦНИЛ-Электром в систему Министерства станкостроения и инструментальной промышленности СССР она получила обозначение «4531»).
После ознакомления специалистов фирмы OCN — Olivetti controllo numerico в октябре 1966 года на Международном салоне в г. Турине с нашими электроискровыми координатными установками для изготовления деталей электродом-проволокой началось наше сотрудничество с целью совместного создания электроискровых комплексов с системами программного управления, обязанность разработки которых OCN взяла на себя. На рис. 13 приведены установки моделей А207.23 и А207.27 с системами ЧПУ, созданными фирмой. Забегая вперед, следует с сожалением констатировать, что, несмотря на многолетние усилия, создать соответствующие нашим требованиям системы управления фирме так и не удалось. Поэтому к началу 80-х годов это сотрудничество практически прекратилось, т. к. к этому времени появились более совершенные и менее дорогие системы управления электроискровыми станками по 4 координатам, разработанные японскими фирмами (например, Fanuc, которая создала свои электроискровые проволочные установки в 1975 году).
В конце четвертого этапа развития электроискровых технологий, наряду с тиратронными генераторами, были разработаны малогабаритные транзисторные генераторы биполярных импульсов. Они также позволяли в качестве межэлектродной жидкости использовать обычную воду с проводимостью 50–100 мкСм. На рис. 14 изображена установка А207.44 со встроенным малогабаритным транзисторным генератором. При обработке стали Х12М электродом-проволокой Ш 0,15 мм транзисторный генератор этой установки, при прочих равных условиях, обеспечивал ту же или даже несколько бульшую скорость формообразования по сравнению с тиратронным генератором импульсов — при меньшей шероховатости обработанной поверхности и значительно меньшей величине микрозаусенцев. Скорость формообразования деталей из магнитных сплавов ЮНДК и твердых сплавов была в 1,5–2,5 раза выше.
Нужно отметить, что все эти достижения разработчиков электроискровых технологий представляли собой не единичные опытные экземпляры — они активно и очень широко внедрялись в серийное производство. Более чем на 20 предприятиях электронной промышленности в 1960-е годы были созданы специализированные электроискровые цеха и крупные производственные участки для изготовления деталей приборов и инструментов (рис. 15, 16). Количество электроискрового прецизионного оборудования на них исчислялось от нескольких десятков до полутора сотен единиц, выпущенных НПО «Исток» и другими предприятиями МЭП СССР. Общее количество этих установок в отрасли превысило 1000. С их помощью ежегодно изготавливались миллионы деталей электронных приборов 15 000 наименований. Создавались отделы и лаборатории электроискровой обработки материалов с опытно-производственными участками. Координация их работ осуществлялась специализированным Советом по новым методам обработки материалов ВПК.
Проблема создания генераторов импульсов для электроискровой обработки в воде
Мы уже упоминали, что созданные советскими учеными установки электроискровой обработки, в отличие от зарубежных, были способны работать на обычной водопроводной воде. Достижение этого свойства было сопряжено с необходимостью решения ряда достаточно сложных технических проблем.
По сравнению с углеводородными средами (например, в керосине) вода отличается более высокой безопасностью электроискровой обработки, отсутствием вредных паров, твердых продуктов разложения среды, науглероживания и загрязнения обрабатываемых поверхностей, что недопустимо при изготовлении деталей электронных приборов. Однако вода — слабопроводящая жидкость, которая при пропускании через нее постоянного тока электролизуется, выделяя водород и кислород. Протекание в воде постоянного тока вызывает активные электрохимические процессы анодного растворения вследствие того, что вода — слабый электролит. Результатом этих процессов является повышенная коррозия деталей и электродов, растравливание обработанных поверхностей, ухудшение точности обработки и изменение химического состава поверхностных слоев.
Практика применения электроискровой прецизионной обработки материалов в отечественной электронной промышленности показала, что нежелательные электрохимические процессы можно практически исключить и не учитывать, если последовательность холостых импульсов напряжения, подаваемых на электроды от импульсного источника питания, не вызывает постоянного тока через межэлектродную среду, т. е. когда Uср = 0. Но чтобы исключить возможность возникновения электрохимических процессов при изготовлении деталей в воде, использование полностью биполярных импульсов напряжения является необходимым, но не достаточным условием. Необходимо, чтобы при равенстве площадей положительного и отрицательного импульсов напряжения амплитуда положительного импульса была по крайней мере в 2 раза больше, чем отрицательного. При этом форма положительного импульса должна быть близкой к прямоугольной, т. к. с увеличением длительности его переднего фронта повышается время запаздывания момента пробоя от начала импульса. С другой стороны, длительность отрицательного импульса напряжения должна быть значительно больше, чем положительного.
Генераторы импульсов, соответствующие этим требованиям, были успешно созданы отечественными инженерами. Напротив, применяемые даже сегодня за рубежом так называемые «биполярные импульсные системы» для электроискрового изготовления деталей в воде — например, Super BS — не исключают полностью возникновения электролитической эрозии и коррозии. Кроме того, как следует из рекламных проспектов, эта система обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Rmax за один проход не менее 20 мкм, что соответствует Ra > 5 мкм. Шероховатость Ra = 2 мкм может быть достигнута только при двух проходах. А электроискровое оборудование, созданное советской электронной промышленностью, обеспечивает формообразование деталей с шероховатостью поверхности Ra = 2 мкм за один проход — причем при использовании в качестве межэлектродной среды обычной воды из водопровода (без осуществления ее дополнительной очистки и деионизации).
Рассмотрим ниже некоторые другие результаты, к которым пришли отечественные исследователи в ходе разработки научных основ технологии прецизионной электроискровой обработки, а также при создании образцов техники, оптимальным образом реализующей эти подходы.
Оптимальный искровой зазор — для максимальной скорости и высокого качества обработки
Как известно, наряду с величинами энергии и напряжения в момент начала разряда, на объем вещества, которое выбрасывается с электродов в точках приложения разряда, существенное влияние оказывает расстояние между электродами (межэлектродный зазор).
На рис. 17 изображены пораженные участки (лунки) на медных аноде и катоде при зазорах L от 30 мкм до 3 мкм и энергии импульса Wo = = 150 мкДж.
Анализируя представленные фотографии, можно сделать следующие выводы:
В связи с этим изготовление деталей целесообразно вести на зазорах, несколько превышающих оптимальные, т. е. равных 10–15 мкм, и не допускать их уменьшения до критического значения, равного 3–5 мкм.
На рис. 18 на графике отражено влияние зазора L на удельную эрозию Kэ в мм3/мин при Wo = 150 и 500 мкДж. Из него видно, что с увеличением энергии импульса величина оптимального зазора возрастает с 10 до 15 мкм.
Кстати, убедительные доказательства возможности осуществления процесса на оптимальных зазорах были получены японской фирмой Sodick на электроискровых станках c линейными приводами, которые способны корректировать зазор 500 раз в секунду с дискретностью подач 0,1 мкм.
Минимальные задержки искровых разрядов — для высокой эффективности процесса
Наряду с оптимальными зазорами на эффективность процесса влияют и задержки искровых разрядов относительно момента появления напряжения на электродах.
На рис. 19 представлены эпюры импульсов напряжений U на электродах (a) и импульсов токов I (б) при различных запаздываниях разрядов: 0,5 мкс (U1, I1), 0,7 мкс (U2, I2) и 1,25 мкс (U3, I3). На рис. 19, б видно, что величина тока разряда уменьшается с увеличением этого запаздывания.
Из представленных эпюр видно, что амплитуды импульсов токов, протекающих через межэлектродный зазор, зависят от времени запаздывания tз момента пробоя от начала импульса напряжения на электродах. Причем с увеличением tз амплитуда и длительность рабочего импульса тока уменьшаются.
Установлено, что с уменьшением запаздывания начала разряда с 1–1,5 мкс до десятых долей микросекунды энергия искрового разряда увеличивается в несколько раз, а объемы образующихся лунок растут на один-два порядка. Поскольку запаздывание начала разряда определяет длительность и амплитуду импульса тока, от него зависит и энергия разряда (т. е. та часть энергии, которая тратится на съем материала с электродов), а следовательно — и на производительность процесса.
Высокая удельная мощность искрового разряда — для эффективности и качества обработки
Исследования показали, что удельная мощность искровых разрядов (плотность теплового потока, приходящегося на место их попадания) существенно влияет на интенсивность процесса, размеры образующихся на кромках деталей заусенцев и степень загрязнения зоны обработки продуктами эрозии. Эти исследования проводились при прорезании узких пазов в различных материалах электродом-проволокой диаметром 15–60 мкм с использованием транзисторного генератора импульсов, позволявшего производить обработку в воде.
Увеличение удельной мощности искровых разрядов, а также резкое уменьшение их длительности осуществлялось шунтированием электродов конденсаторами различной емкости. Каждой длительности импульса напряжения, формируемого генератором, соответствовала оптимальная шунтирующая емкость Сш, при которой размеры образующихся на кромках заусенцев были минимальными, а интенсивность процесса — максимальной (рис. 20). При этом минимальная длительность разряда соответствует минимальной величине микрозаусенцев и максимальной скорости прорезания пазов.
На рис. 21, а и б показаны участки штырей и пазов, прорезанные на разных режимах электродом-проволокой МЧ Ш 0,05 мм в пакетах из 5 медных пластин толщиной 0,07 мм каждая при питании электродов от транзисторного генератора импульсов
(Uo = 80 В, tu = 1,4 мкс, fo = 35 0000 1/c).По кромкам прорезанных пазов видны микрозаусенцы, размеры которых существенно зависят от удельной мощности искровых разрядов (величины шунтирующей электроды емкости). При С ш = 0 (рис. 21, а) заусенцы достигают 27–60 мкм, а при С ш = 2500 пФ (рис. 21, б) они не превышают 6–8 мкм. При этом скорость прорезания пазов в первом случае равна 0,8 мм/мин, а во втором — 2,2 мм/мин. Таким образом, с уменьшением величины заусенцев в 6 раз скорость прорезания пазов увеличивается в 2,5 раза!
Образующиеся заусенцы представляют собой часть расплавленного металла, который выжат из лунок, образуя по их периферии валики. Размер заусенцев тем больше, чем больше доля расплавленного металла, остающегося по кромкам лунок.
Для сравнения на рис. 22 показаны заусенцы-сколы по кромкам пазов и штырей, прорезанных в кремниевых пластинах толщиной 0,26 мм (r = 0,05 Ом•см) проволокой МЧ Ш 0,025 мм. Режим обработки: Uo = = 70 В, tu = 0,8 мкс, fo = 6•105 1/c. Здесь аналогичная картина, но к выжатому из лунок материалу добавились сколы, т. к. при обработке полупроводниковых материалов (кремния, германия, арсенида галлия и др.) наряду с фазами испарения и плавления материала добавляется фаза хрупкого разрушения.
Анализируя результаты этих исследований, можно сделать следующие выводы.
1. При электроискровом пpоpезании узких пазов даже на режимах, обеспечивающих Ra не более 0,5 мкм, неизбежно возникновение микрозаусенцев на их кромках. Размеры этих заусенцев могут быть соизмеримы с размерами пазов или других элементов деталей. Они зависят от удельной мощности искровых разрядов, которая определяет их длительность.
2. Размеры заусенцев в пределах нескольких микрометров обеспечиваются при длительностях искровых разрядов не более 0,2–0,4 мкс.
3. При оптимальных длительностях искровых разрядов средний объем лунки (объем выбрасываемого металла) увеличивается в 1,5 раза, средний размер валика по кромкам (объем расплавляемого, но остающегося на обрабатываемой поверхности металла) уменьшается в 4 раза, а размер заусенцев уменьшается в 3–4 раза и не превышает нескольких микрометров.
4. В случае особых требований к чистоте кромок вырезанных деталей выбранные режимы обработки должны обеспечивать удаление материала в фазе испарения, т. е. при наивысшей удельной мощности искровых разрядов.
Лунки, образованные под действием искровых разрядов на их оптимальных длительностях, существенно отличаются по форме и размерам от лунок, которые получены при малых удельных мощностях разрядов. В последнем случае они имеют меньшие объемы и широкие валики по периферии, представляющие собой часть материала, выжатого из лунок в расплавленном состоянии и застывшего. При этом размеры образующихся по кромкам заусенцев возрастают в несколько раз.
Стабильность условий удаления продуктов эрозии из зазора и ее влияние на эффективность процесса
Эффективность процесса электроискровой обработки можно существенно повысить. Для этого необходимо сделать так, чтобы по мере внедрения электpод-инструмента в обрабатываемую деталь не происходило бы ухудшения условий протекания процесса из-за уменьшения зоны взаимодействия между инструментом и деталью. Это обеспечивало бы создание стабильных естественных условий удаления продуктов эрозии из межэлектродного зазора.
Поверхности заданной формы могут быть образованы электроискровым способом одним из следующих приемов:
1) копированием профиля элект-pод-инстpумента;
2) вырезанием электpодом-пpоволокой.
В первом случае электpод-инстpумент, представляя негативное изображение обрабатываемого профиля, размеры которого уменьшены (при обработке внутренних поверхностей) или увеличены (при обработке наружных поверхностей) на двойную величину межэлектродного зазора, постепенно внедряется в обрабатываемую деталь на необходимую глубину или пронизывает ее насквозь (рис. 23).
Обычно длину электpод-инстpумента выбирают такой, чтобы имелась возможность калибровки изготавливаемого отверстия за счет введения в работу неизношенной части электрода. При этом длина его рабочей части должна значительно превышать толщину изготавливаемой детали. Иногда приходится использовать несколько электродов.
При изготовлении деталей по этой схеме при любых условиях неизбежна конусность обрабатываемого отверстия или наружной поверхности. Это объясняется тем, что в зоне обработки наряду с необработанной частью детали постоянно находится уже обработанная ее часть, и зона взаимодействия между электрод-инструментом и деталью, простираясь на значительную длину, существенно ухудшает удаление продуктов эрозии из межэлектродной зоны по мере внедрения электpод-инстpумента в деталь.
Устранить этот недостаток можно одним из следующих способов.
1. Торец электpод-инстpумента заостряется подобно тому, как это происходит при его естественном износе по мере изготовления деталей. Этот прием приводит к существенному уменьшению времени изготовления отверстия, особенно при малой толщине деталей (до нескольких миллиметров).
2. Длина электpод-инстpумента L (т. е. зона взаимодействия между инструментом и деталью) выбирается минимально возможной. Эта величина определяется режимом обработки и сечением обрабатываемого отверстия или стержня. Малая зона взаимодействия между электродами (инструментом и деталью) обеспечивает хорошие естественные условия для удаления продуктов эрозии из зоны обработки, а также исключает влияние износа электpод-инстpумента на точность формообразования поверхности. По достижении определенной степени износа такой электрод заменяется новым, изготовленным в одном пакете с общими базовыми поверхностями. Длина формообразующей части электpод-инстpумента определяется режимами обработки. Обычно (при Ra = 1–2 мкм) она должна быть не более 2–4 мм.
Такая схема процесса обеспечивает высокую точность формообразования поверхностей, отсутствие конусности и увеличение интенсивности процесса благодаря значительному улучшению условий удаления продуктов эрозии за счет уменьшения пути, преодолеваемому ими.
Однако несмотря на любые усовершенствования метод изготовления деталей копированием профиля электpод-инстpумента имеет существенные недостатки:
Этих недостатков лишен метод изготовления деталей тонкой проволокой, непрерывно движущейся с определенной скоростью вдоль своей оси (рис. 24). У него есть, пожалуй, только один недостаток — необходимость отверстия для завода электрода-проволоки в случае вырезания внутреннего профиля.
Однако при применении тонких проволок из молибдена или вольфрама появляется еще один недостаток — их значительное электрическое сопротивление (от сотых до десятых долей Ом/мм — для диаметров от 50 до 20 мкм и от десятых долей до нескольких единиц Ом/мм — для диаметров от 15 до 5 мкм).
Таким образом, при вырезании деталей толщиной 10 мм проволокой Ш 30–0 мкм сопротивление разрядного контура будет уже на порядок больше — 0,5–1,5 Ом, а для проволоки Ш 9 мкм — 10 Ом. Это увеличивает длительность искрового разряда и уменьшает его удельную мощность.
Продолжение следует.
