Создание эффективной технологии и оборудования для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий

Актуальность работы. В последние десятилетия в целом ряде отраслей промышленности (электронной, приборостроительной, медицинской, авиационной, аэрокосмической, инструментальной, автомобильной, электротехнической, оборонной и др.) существенно возросла потребность в высокопроизводительной обработке прецизионных микроотверстий диаметром-0,01−0,2 мм с точностью 1−5 мкм и шероховатостью обработанной поверхности Яа=0,1−0,5 мкм, в том числе глубоких отверстий с соотношением глубины к диаметру до 25−30.

Получение прецизионных микроотверстий особое значение приобрело в электронной промышленности при массовом производстве твердосплавного инструмента для микросварки и микропайки, который используется при изготовлении полупроводниковых приборов, твердых, интегральных и гибридных схем. Годовой объем производства такого инструмента превышает 1 млн. штук. Получение высокоточных малых отверстий также требуется при изготовлении деталей электронных приборов: анодные узлы электронно-оптических систем, детали магнитных* блоков, волноводы, выводы электровакуумных приборов и др. В* настоящее время освоено также массовое производство атравматических хирургических игл, в которых прошиваются-микроотверстия. Объем производства игл превышает миллион штук в год. В аэрокосмической и оборонной отраслях микроотверстия* прошиваются в деталях гидропневморегулирующей авиационной и ракетной техники, в распылителях топлива и окислителя жидкостных ракетных двигателе, в прецизионных датчиках расходомеров и др. В инструментальных производствах обрабатывают микроотверстия в фильерах, волоках, твердосплавных кондукторах, в кернах для навивки спиралей, в ювелирном инструменте и др. В1 производстве топливной аппаратуры — это форсунки, распылители, дроссели и др.

С развитием современной техники отмечается расширение номенклатуры и усложнение изделий с микроотверстиями, ужесточаются требования к точности и качеству поверхности отверстий, появилось множество изделий с сверхглубокими микроотверстиями, растут объемы производства таких изделий. Возникла потребность в более производительном оборудовании, с более широкими технологическими возможностями. Существующее отечественное и зарубежное оборудование уже не могло удовлетворять новым требованиям производства. Так как для обработки прецизионных микроотверстий наибольшее применение нашёл электроэрозионный метод, то правительством была поставлена задача по созданию новой более эффективной технологии и оборудования для электроэрозионной прошивки микроотверстий.

Возникла актуальнаянаучная проблема, связанная с необходимостью создания новой высокоэффективной технологии и оборудования для данного метода обработки.

Цель работы: создание теоретических основ и методологии проектирования высокоэффективной технологии и оборудования для электроэрозионной прошивюг микроотверстий, обеспечивающих повышение производительности, точности, предельной’глубины прошиваемых микроотверстий, эколо-гичности и экономичности обработки.

Задачи исследований и разработок:

1. Разработать теоретическую основу, модели и методики исследований процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий.

2. Исследовать механизм электрической эрозии, динамику плазменного канала разряда и удельной мощности электрического разряда при использовании сверхкоротких импульсов тока, а также механизм естественной эвакуации продуктов эрозии при электроэрозионной прошивке микроотверстий с целью определения путей повышения эффективности процесса.

3. Создать, включая проектирование, расчёты и оптимизацию параметров, новые эффективные базовые компоненты оборудования нового поколения, в том числе независимый тип генератора сверхкоротких биполярных импульсов наносекундного диапазонамалоинерционную быстродействующую следящую систему управления подачей электрода-инструмента, обеспечивающую минимальные (микронные) перебегивысокочастотный вибратор электрода-инструмента с адаптивным управлением.

4. Оптимизировать режимы электроэрозионной прошивки микроотверстий в воде с применением новых базовых компонентов, в том числе электрические режимы, параметры вибрации электрода-инструмента и его вылет с целью получения наибольшей производительности при выполнении требований по точности обработки и качеству обработанной поверхности.

5. Разработать промышленную технологию эффективной электроэрозионной прошивки микроотверстий, необходимое оборудование нового поколения, освоить его серийное производство и внедрить в промышленное производство.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальное апробирование выбранных решений в лабораторных и производственных условиях.

В экспериментальных исследованиях используется метод математического планирования и статической обработки результатов эксперимента, вероятно-статический метод сравнительного анализа измеренийпри исследовании эродированной поверхности и продуктов эрозии*— рентгеноструктурный анализпри исследовании шероховатости обработанной поверхности — профило графирование, зондовое сканирование, стереоскопическое и интерфереметри-ческое микроскопирование.

При математическом моделировании используется регрессивный анализ, графоаналитический метод, метод средних, метод наименьших квадратов, метод экстраполяции и итерационных приближений, компьютерное моделирование.

Экспериментальные исследования проводились на электроэрозионных станках 04ЭП-20, 04ЭП-10, 04ЭП-10М, ЭИ-02 с использованием измерительных средств: интерфереционного микроскопа МИИ-4, измерительных микроскопов МИМ-8, ММИ-2, профилографовпрофилометров мод.201, АБРИС ПМ-7, сканирующего зондового микроскопа «Наноэдьюкатор», стереоскопического микроскопа Альтам СМ II, дифрактометра рентгеновского ДРОН-2, осциллографа двухлучевого С1−96 и др.

Научная новизна работы заключается в раскрытии закономерностей и связей в технологическом процессе и средствах реализации процесса электроэрозионной прошивки в воде прецизионных отверстийв создании теоретической основы проектирования высокоэффективной технологии и оборудования нового поколения, в том числе новых компонентов оборудования: независимого генератора сверхкоротких импульсов, быстродействующей следящей системы, адаптивноуправляемого высокочастотного вибратора, а также методик оптимизации режимов обработки.

Научные положения, выносимые на защиту:

— теория дополнительного механического удаления слоя металла в твёрдой фазе с раскаленной поверхности эрозионной лунки взрывным газогидродинамическим потоком металлического перегретого пара в конце сверхкороткого импульса разрядного тока, которая объяснила известное в науке расхождение расчётных и экспериментальных данных объёма единичной лунки;

— новая экспоненциальная математическая модель расширения плазменного канала разряда, которая позволяет с высокой точностью прогнозировать геометрические параметры лунок и оценивать удельную мощность разрядов;

— новую физическую и математическую модель процесса самоэвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка на базе теории двух встречно-параллельных потоков, которая показала направление интенсификации процесса;

— закономерная связь между показателем степени при энергии импульсов и формой эрозионных лунок в эмпирической зависимости шероховатости обработанной поверхности от энергии импульсовпри этом установленное в работе значение показателя степени равно 0,33−1,0 в отличие от известных в науке оценок 0,33−0,4;

— методы проектирования, расчётов и оптимизации параметров новых эффективных базовых компонентов оборудования: генератора сверхкоротких импульсов, малоинерционной следящей системы и адаптивно-управляемого высокочастотного вибратора электрода-инструмента;

— закономерные связи между входными и выходными технологическими параметрами процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий и разработанные на их базе методики оптимизации режимов обработки с целью получения наибольшей производительности при соблюдении требований по качеству микроотверстий.

Практическая ценность и внедрение результатов работы. Диссертационная работа по характеру результатов представляет собой совокупность научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых внесло значительный вклад в развитие экономики страны и повышение её обороноспособности. По результатам исследований были разработаны типовой технологический процесс эффективной электроэрозионной прошивки микроотверстий, методика расчета оптимальных режимов обработки, обеспечивающие наибольшую производительность при одновременном выполнении требований по шероховатости поверхности и точности отверстий. Создан ряд моделей электроэрозионного оборудования нового поколения’для прошивки прецизионных малых отверстий и выполнения других операций микрообработки. По разработкам изготовлено свыше 1000 единиц оборудования. Наибольшее применение нашел станок мод. 04ЭП-10М, которых изготовлено и внедрено свыше 500 единиц, суммарный годовой экономический эффект от их внедрения составил сотни миллионов рублей.

Научные и практические результаты работы использованы также при выполнении отраслевых комплексно-целевых программ «Технология 1−79−90», «Технология-2000».

Результаты работы внедрены также в учебный процесс БГТУ им. В.Г.

Шухова при изучении дисциплин «Технология машиностроения», «Планирование и организация эксперимента», «Электрофизические, электрохимические и механические методы обработки поверхности».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях, совещаниях, заседаниях, в том числе:

— на научно-технической конференции «Прогрессивные технологии десятой пятилетки», г. Белгород, БТИСМ, 1975 г.;

— на отраслевом техническом совещании «Опыт эксплуатации и модернизации электроэрозионного оборудования в инструментальном производстве», г. Москва, 11-е ГУ МЭП, 1976 г.;

— на третьей научно-технической конференции, посвященной 60-летию Великой Октябрьской социалистической революции, г. Белгород, БТИСМ, 1977 г.;

— на научно-практической конференции «Прогрессивная технология изготовления и современные методы повышения стойкости инструмента», г. Белгород, ЦНТИ, 1977 г.;

— на областной научно-практической конференции «Прогрессивная технология в инструментальном производстве», г. Белгород, ЦНТИ, 1979 г.;

— на республиканской научно-технической конференции «Прогрессивные методы изготовления технологической оснастки», г. Рига, ЛатНИИНТИ, 1979 г.;

— на заседании секции № 10 НТС МЭП «Развитие производства инструмента для микросварки и микропайки», г. Чебоксары, завод «Контур», 1983 г.;

— на республиканской научно-технической конференции «Электрофизи-ческие и электрохимические методы обработки», г. Харьков, Дом техники, 1987 г.;

— на международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, БГТУ, 2005 г.;

— на международной научно-практической электронной интернет-конференции «Инструментальное и метрологическое обеспечение машиностроительных производств», г. Тула, ТГУ, 2005 г.;

— на пятой межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Механики — XXI веку», г. Братск, БГУ, 2006 г.;

— на пятой международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», г. Брянск, БГИТА, 2006 г.;

— на пятой международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий», г. Тамбов, ТГТУ 2008 г.;

— на четвертой международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества», г. Тамбов, ТГТУ 2009 г.;

— на шестой международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий», г. Тамбов, ТГТУ 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе 1 монография, 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 18 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ^.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературы из 171 наименований, приложений. Общий объём диссертации 336 страницы, содержит 111 рисунков и фотографий, 61 таблицу.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Конструкторско-технологический анализ деталей и изделий с мик-i роотверстиями выявил следующие проблемы:

— большое многообразие применяемых материалов;

— допуски на прецизионные микроотверстия достигают несколько микрон;

— требования к шероховатости поверхности микроотверстий достигают Ra== 0,1 мкм;

— наибольшая глубина микроотверстий на некоторых изделиях достигает 2.530 диаметров отверстия;

— некоторые виды изделий с микроотверстиями начали производить в массовых объемахстала актуальной проблема производительности;

— выход годных в производстве ряда изделий не превышал 30%.

Была поставлена актуальная задача по созданию более совершенной технологии и нового высокопроизводительного^ прецизионного оборудования для обработки микроотверстий'.

2. В* результате сравнительного анализа десяти методов получения микроотверстий было установлено что, для обработки* прецизионных микроотверстий целесообразным является применение электроэрозионного метода, так как он, в полной мере, обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к качеству микроотверстий: по’точности диаметра и формы отверстий, ri0 точности положения оси микроотверстия относительно базовых поверхностей изделия, по шероховатости обработанной поверхности, по отсутствию дефектного поверхностного слоя в отверстии.

3. Из анализа предшествующих разработок оборудования для электроэрозионной прошивки микроотверстий было установлено:

— существующие технологии и оборудование базируется на использовании в качестве источника технологического тока релаксационного RC-генера-тора импульсов тока, который относится к типу зависимых генераторов и следовательно, не является перспективным техническим решением, так как частота и энергия импульсов такого генератора зависят от состояния межэлектродного промежутка, поэтому являются неуправляемыми факторами и не могут быть строго оптимизированы и рекомендованыбыла поставлена задача по созданию транзисторного генератора импульсов наносекундного диапазона с энергией импульсов от единиц до ста микро джоулей и по оптимизации основных элементов его схемы;

— в существующей технологии в качестве рабочей жидкости использовался керосин, который был неэффективным средством самоэвакуации продуктов эрозии из микронных межэлектродных промежутковбыла поставлена задача по разработке специальной схемы формирователя биполярных апериодических импульсов генератора и методики расчета ее оптимальных параметров, обеспечивающих эффективную электроэрозионную прошивку микроотверстий в воде;

— существующие следящие регуляторы подачи электроэрозионных станков не обеспечивают требуемого быстродействия при работе на микронных межэлектродных зазорах, что приводит к перебегам электрода-инструмента и нарушениям стабильности процессабыла поставлена задача по разработке нового малоинерционного регулятора подачи, в том числе двухканального типа;

— для повышения эффективности электроэрозионной прошивки микроотверстий на существующем оборудовании использовались только низкочастотные вибраторы (100Гц), отсутствовали рекомендации по оптимизации параметров вибрации (амплитуды, частоты) — была поставлена задача по разработке высокочастотного вибратора, по оптимизации параметров вибрации, а также по созданию системы адаптивного управления вибрацией.

4. Разработана и экспериментально подтверждена теория дополнительного удаления металла с раскаленной поверхности лунки в твердой фазе взрывным газогидродинамическим потоком металлического перегретого пара выбрасываемого из лунки после спада импульса, что возможно только при сверхкоротких импульсах тока с крутизной фронтов до ЮОА/мкс2 и удельной мощности в канале разряда в десятки Вт/мкм2- новый научный факт следует учитывать при обработке материалов разношжаропрочности.

5. Экспериментально установлена экспоненциальная модель расширения канала разряда, которая хорошо коррелируется с дебаевским ограничением радиуса канала плазмыновая модель, позволяет с высокой точностью прогнозировать геометрические параметры лунок и, следовательно, характер шероховатости обработанной поверхности.

6. Впервые подробно разработана-теория процесса естественной эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. Установлено, что в основе физики процесса самоэвакуации лежат обусловленные электрическим разрядом два встречно-параллельных потока: парогазогидравлический эвакуирующий поток, генерированный поднимающимися за счет архимедовой силы пузырьками, и" поток обновления, являющийся' следствием первого потока в силу эффекта эжекции и диаметрально расположенный к немуполучены математические: модели, показывающие, что интенсивность самоэвакуации повышается с увеличением насыщенности эвакуирующего потока парогазовыми пузырьками, чтоследует учитывать, при выборе рабочейжидкости и режимов обработки.

7. Так как проблема получения коротких импульсов это проблема получение крутых фронтов импульса, обусловленная инерционностью транзистора, была предложена, исследована и разработана новая идея параллельного включения транзисторных ключей для увеличения крутизны и уменьшения, длительности переднего' фронта импульса тока. Был сформулирован новый критерий оптимальной скорости включения комбинированного транзисторного ключа, согласно которому для исключения влияния переходных процессов включения транзисторного-ключа на формирование переднего фронта импульса тока и, следовательно, для уменьшения его длительности, необходимо, чтобы в начальный момент отпирания транзисторного ключа скорость роста коллекторного тока,, определяемая физическими свойствами, транзисторов, была выше скорости роста тока разрядного контура, определяемой его физическими свойствами при допущении мгновенного включения транзисторного ключабыли получены расчетные формулы количества транзисторов вкомбинированном ключе.

8. Для уменьшения длительности заднего фронта импульса разрядного тока был разработан новый оригинальный транзисторный генератор импульсов, на который было получено авторское свидетельство на изобретение и который обладал важнейшим достоинством: полностью исключал влияния затяжных переходных процессов. запирания транзисторного ключа на формирование заднего фронт импульса разрядного тока;

9. Установлено, что предложенная: схема индуктивного формирователя' с. резисторно-диодной цепочкой обеспечивает оптимальную форму холостых биполярных: импульсов напряжения на. межэлектродном промежутке, — которой соответствует апериодический отрицательный-холостой импульс напряжениядля обеспечения последнего разработана расчетная математическая модель.

10. Разработанная схема транзисторного генератора коротких биполярных импульсов наносекундного диапазона (а.с.№ 884 923) и методы расчета основных элементов его схемы обеспечивают формирование импульсов тока и напряжения, параметры которых удовлетворяют требованиям процесса электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий в воде: длительность импульсов тока 0,05−0,5мкс, амплитуда тока 2−25А, энергия разрядных импульсов 2−150мкДж, частота импульсов 44−200кГц.

1 ¡-.Исследованиями установлено, что в транзисторном генераторе импульсов значительнаяимпульсная и средняя^ рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность выделяется в переходных процессах отпирания-запиранияустановлено, что с точки зрения теплового режима транзистора лучше применять более быстродействующие транзисторы и создавать режим работы с более глубоким насыщениемпри математическом моделировании переходных процессов было установлено, что импульсная мощность, выде-'>- ляемая на коллекторе’транзистора. в моменты его отпирания и запирания составляет ¼ от произведения амплитудных значений тока и напряжениядоказано, что эта зависимость, условно названная законом одной четвери, присуща всем двухпараметрическим процессам, протекающим по законам встречных экспонентэто следует учитывать при выборе типа транзистора в качестве ключевого элемента схемы.

Экспериментально установлено, что вибрация электрода-инструмента уменьшает размеры всплывающих парогазовых пузырей, образованных электрическими разрядами, и увеличивает их количество, тем самым интенсифицирует процесс самоэвакуации продуктов, эрозиитакже было установлено, что1 для — каждой, глубиныобработки существует оптимальная амплитуда, вибрации, при которой достигается наибольшая производительностьбыла разработана система адаптивного управления8 вибрациеЙ1(патент РФ № 63 274).,.

13.Разработана автором электронная схема следящего регулятора подачи (а.с.№ 952 502> в, отличие от известных обеспечивает динамическое торможение электродвигателя привода при переходе из режима холостого хода в рабочий режим, что уменьшает перебеги с 3−6 мкхм до: 1−3 мкм и повышает, стабильность процесса обработкиновым научно-техническим решением по совершенствованию регулятора подачи является авторская разработка, двухка-нального адаптивного регулятора (патент РФ № 63 274) с электромеханическим и электромагнитным' параллельно работающими приводами, которые повысили быстродействие регулятора, стабильнрсть процесса прошивки глубоких микроотверстий, увеличили производительность в, 1,2−1,5 раза, снизили износ электрода-инструмента, в 1,1−1,3 раза, увеличили предельную глубину прошиваемых отверстий до 30−35 диаметров.

14.Во всех технологических исследованиях была установлена общая закономерность: с углублением электрода-инструмента в обрабатываемую деталь монотонно снижается приблизительно по линейному закону производительность и увеличивается износ электрода-инструментапричем до глубины. 10 диаметров износ увеличивается незначительно, свыше 15−20 диаметров наблюдается резкий рост износа и достигает сотен процентовэто объясняется ухудшением’условий, эвакуации продуктов эрозии из рабочей зоны и связанным с этим ростом повторного непродуктивного диспергирования образовавшихся? в-межэлектродном промежутке частиц-, отсюда следует, что актуальным^ направлением дальнейшего' совершенствования процесса является улучшение технологических показателей прошивки глубоких отверстий.

15. Экспериментальными и аналитическимиисследованиями установлено, что для каждого диаметра и каждой глубины: прошиваемых отверстий существуют оптимальные значенияэнергии и частоты импульсов, которые обеспечивают наибольшую оперативную производительностьс уменьшением диаметра: и: увеличением! глубины микроотверстий оптимальные значения энергии и частоты уменьшаются-:разработаны математические: модели расчета оптимальных значений энергии и частоты импульсов.

16. На: основерешения? задачи оптимальной" удельной мощности:.процесса электроэрозионной: прошивки микроотверстий найдены наиболее техно логичные геометрические параметры-, микроотверстий и впервые дана количественная оценка причин сложности обработки микроотверстий нижнего-диапазона диаметров.: ' 17. В исследовании шестифакторной зависимости износа, электрода-инструмента й производительности процесса: от, диаметра и глубины отверстий, энергии и частоты импульсовчастоты и амплитуды вибрации электрода-инструмента было установлено:. — > .

— с увеличением диаметра электрода его износ уменьшается во^ всем диапазоне диаметровпроизводительность, растет только в диапазоне малых диаметров. (20−50мкм) — для которых используемая энергия импульсов оказалась,' закритическойв диапазоне диаметров 50−10 Ом км производительность. падает, т.к.в этом диапазоне энергия импульсов, докритическая и с. ростом: диаметра уменьшается, удельная мощность, подводимая к, промежутку, соответственно, уменьшается термическая нагрузка на электрод и его износ;

— с увеличением глубины обработки увеличивается износ электрода и уменьшается производительность, так как ухудшаются условия самоэвакуации продуктов эрозии из рабочей зоны;

— с увеличением энергии и частоты импульсов увеличивается и производительность, и износ электрода, что объясняется, с одной стороны, увеличением удельной подводимой электрической мощности, с другой стороны, увеличением термической нагрузки на электрод;

— с увеличением частоты и амплитуды вибрации также растет и производительность, и износ электрода, что объясняется интенсификацией процесса самоэвакуации продуктов эрозии и, следовательно, увеличением числа рабочих импульсовбольшая эффективность от увеличения частоты и амплитуды вибрации достигается для электродов большего диаметра.

18. Разработанный метод расчета оптимального вылета электрода-инструмента позволяет повысить производительность процесса на 30−60%, а также прогнозировать разбивку микроотверстий по диаметру.

19. В исследованиях точности установлено, что основной погрешностью при электроэрозионной прошивке микроотверстий является погрешность формы типа овальности, причиной которой является непараллельность оси электрода-инструмента направлению его подачиполучены необходимые расчетные формулы овальностипроизведена оценка других погрешностей.

20. Регрессивным анализом установлена зависимость шероховатости обработанной поверхности микроотверстий от режима электроэрозионной обработкивпервые научно доказана корреляционная связь между показателем степени при энергии импульсов в уравнении регрессии и формой эрозионных лунокдоказано, что этот показатель в зависимости от формы лунок принимает значения 0,33 — 1,0, в отличие от известных оценок — 0,33−0,4.

21. При реализации результатов исследований было разработано, серийно освоено и внедрено в основном в оборонные отрасли свыше 1000 единиц нового оборудования восьми моделей. Наибольшее применение нашел станок мод. 04ЭП-10М, который при обработке прецизионных микроотверстий обеспечил повышение производительности в 2−5 раз, снижение износа электрода-инструмента и повышение точности обработки в 2−3 раза, увеличение предельной глубины прошиваемых отверстий в 1,5−2 раза, существенное улучшение условий труда рабочих. Было изготовлено и внедрено свыше 500 станков этой модели, суммарный годовой экономический эффект от их внедрения составил сотни миллионов рублей. Высокий уровень исследования и разработок подтвержден авторскими свидетельствами и патентами на изобретение, свидетельствами на промышленный образец, медалями различных выставок и правительственными наградами. Внедрение результатов работы внесло значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

22. Результаты выполненной работы открывают перспективу дальнейшего совершенствования процесса и оборудования, в том числе путем создания станков нового поколения с адаптивным и адаптивно-программным управлением, в том числе с автоматическим управлением разрядным током внутри^импуль-са, в том числе с малоизносными схемами обработки, в том числе с дополнительными устройствами интенсификации процесса эвакуации продуктов эрозии и стабилизации процесса обработки, что позволит дальше расширить технологические возможности процесса и оборудования, в полной мере решить проблему прошивки сверхглубоких микроотверстий, обеспечить дальнейшее снижение износа электрода-инструмента и, как следствие, повысить точность обработки и производительность процесса особенно при прошивке сверхглубоких микроотверстий.