Технологии создания электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки

Одними из направлений развития техники в настоящее время являются миниатюризация объектов, получение элементов с различными микропазами, микроотверстиями, микровыступами и т. д. Повышение требований, предъявляемых к качеству деталей с точки зрения улучшения точности и качества поверхности при их обработке, заставляет технологов искать пути их выполнения. При этом нужно отметить сверхминиатюрные размеры обрабатываемых деталей и сложность обрабатываемого контура, что требует поиска новых методов обработки и инструментов для их реализации [1,2].

Важную роль играет эта проблема в различных сферах деятельности человека: в медицине (создание микроинструментария для проведения операций на головном мозге) — в электротехнике, радиотехнике (создание микрозондов, микродатчиков и т. д.) — в приборостроении, автомобилестроении (создание натуральных фактур на ненатуральных материалах и т. д.) — в полиграфии (создание печатных форм) и ряде других.

Благодаря современным достижениям в области производства микроинструмента становится возможным решение ряда подобных задач с помощью механической обработки. Однако изготовление микроинструментов для механической обработки довольно дорого, поэтому возникает вопрос о целесообразности их применения, особенно, когда приходится иметь дело с труднообрабатываемыми материалами. При обработке инструментальных материалов и твердых сплавов механическая обработка невозможна, поэтому целесообразно использовать более эффективные методы обработки, в частности, электроэрозионную обработку.

Применение электроэрозионной обработки (ЭЭО) в промышленном производстве за последние годы резко возросло. Это связано, в первую очередь, с появлением на российских предприятиях современного электроэрозионного оборудования таких фирм, как «Sarix», «Agie», «Charmilles Technology», «Fanuc», «Mitsubishi «, «Elox», «Sodick». Кроме того, в последние годы значительно повышены технологические показатели ЭЭО — производительность, точность, качество поверхности. Так, например, на станках фирмы «8осНск» отклонение от заданного контура составляет не более 4 мкм, шероховатость поверхности — 0,5 мкм Ыа (8-й класс) [3].

Однако, несмотря на это, все еще остается множество задач, связанных с обработкой микрообъектов, размеры которых зачастую составляют несколько десятков микрометров. Одним из самых перспективных методов в этой области является электроэрозионное микровырезание непрофилированным электродом-инструментом (проволокой). Такие малые размеры обрабатываемых элементов накладывают свои ограничения на параметры процесса, в частности, становится невозможной обработка обычной проволокой диаметром ОД.0,3 мм, так как ее применение не позволяет достичь необходимой точности при обработке в углах. Это требует применения более тонких проволок, что, в свою очередь, создает новую проблему, связанную с подачей электрода-инструмента (ЭИ) в зону обработки, так как традиционные способы протягивания проволок создают слишком большие растягивающие усилия. Применение электроэрозионного вырезания проволокой не всегда является целесообразным: так, например, при обработке тонких пластинчатых заготовок предпочтительнее использовать электроэрозионное прошивание (ЭЭП) профилированным ЭИ, что позволяет значительно сократить время обработки, а также не требует прошивки предварительного отверстия при обработке замкнутых контуров, что исключает лишнюю операцию из технологического процесса [1,2]. Метод ЭЭП профилированным ЭИ в последние время набирает популярность с появлением на рынках трубчатых ЭИ диаметром от 0,1 мм. На рынках и в Интернет-магазинах ограничен выбор формы трубчатых ЭИ для микроэлектроэрозионной обработки (МЭЭО). Выбор ограничивается одноканальными (внешний диаметр от 0,1 мм) и двухканальными ЭИ (внешний диаметр от 0,4 мм). Четырехи шестиканальные ЭИ имеют внешний диаметр от 2 мм [3,4]. При этом выбор формы рабочей части ЭИ ограничен электродами с поперечным сечением в форме круга.

Таким образом, весьма актуальной задачей является расширение области применения МЭЭО посредством разработки новых технологий и конструкций ЭИ.

Актуальность исследований подтверждается грантом: Президента РФ № НШ-1523.2003.8 «Создание теории и технологических методов обработки на основе нанои микроэлектрофизических и электрохимических воздействий на материалы в электролитах, вакууме и других средах».

Целью работы является разработка комплексной технологии создания электродов-инструментов для микроэлектроэрозионного формообразования.

Достижение указанной цели потребовало решения в работе следующих задач.

1. Проведение теоретических исследований теплового поля, образовавшегося в результате нагрева при электроэрозионном микроформообразовании в стенках ЭИ малой толщины (менее 200 мкм), для оценки минимально возможных размеров ЭИ.

2. Исследование моделей распределения напряженности электрического поля в электролитических ячейках при формировании микроэлементов на рабочей части ЭИ по аддитивной технологии (методом гальванического осаждения) и по субтрактивной технологии (методом электрохимической обработки и химического травления).

3. Разработка технологических схем микроформирования рабочей части ЭИ и схем электроэрозионного формообразования микроэлементов.

4. Разработка комплексной методики проведения экспериментальных исследований процессов и схем микроформообразования ЭИ и микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов различной конфигурации.

5. Проведение экспериментальных исследований по формированию ЭИ для электроэрозионного микроформообразования по субтрактивной и аддитивной технологиям, а также исследований по электроэрозионному формированию микроэлементов спроектированными и изготовленными ЭИ с заданными формой и размерами рабочей части.

6. Разработка технологий изготовления ЭИ для микроэлектро-эрозионного формообразования микроэлементов на поверхностях деталей из труднообрабатываемых материалов.

Объектом исследования является рабочая часть электродов-инструментов для МЭЭО с микроэлементами на ее поверхности заданной геометрии, а также технологии их изготовления.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теории электроэрозионной обработки, электрохимической обработки и гальваники с использованием математического моделирования. Расчеты параметров обработки при электролитическом формообразовании и при МЭЭО проводились с использованием программных продуктов Comsol, Nastran, FlexPDE и Excel. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Положения, выносимые на защиту.

1 .Модель распределения напряженности электрического поля при формировании микроэлементов рабочей части ЭИ.

2. Результаты теоретических исследований нагрева стенок ЭИ микрометровой толщины.

3. Результаты экспериментальных исследований при микроформировании рабочей части ЭИ и исследований микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов.

4. Технологии субтрактивного и аддитивного микроформирования рабочей части ЭИ и рекомендации по выбору режимов для изготовления ЭИ и микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов.

Научная новизна заключается в обосновании минимальных величин геометрических параметров электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки за счет определения предельно допустимого теплового потока в стенках ЭИ, а также в обоснование сочетания технологий механического и электрохимического (аддитивного и субтрактивного) формообразования при создании сборных электродов-инструментов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

— разработаны рекомендации по выбору режимов и схем при сочетании методов механического и электролитического формообразования в процессе создания сборных ЭИ, а также по выбору схем микроэлектроэрозионного формообразования микроэлементов;

— спроектированы и изготовлены ЭИ различных групп для МЭЭО с микроэлементами на рабочей части и боковой поверхности для улучшения вывода продуктов эрозии при МЭЭО.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования рассмотрено влияние теплового потока на разрушение стенок ЭИ малой толщины (менее 200 мкм) в процессе электроэрозионного микроформообразования. Также получено распределение электрического потенциала на поверхности рабочей части ЭИ в различных электролитических ячейках, при формообразовании рабочей части ЭИ по субтрак-тивным и аддитивным технологиям, позволяющее рекомендовать оптимальную схему формообразования.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2007 г.), региональных научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности Центра России» (Тула, 2008;2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Тула, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электрои нанотехнологии» (Тула, 2011, 2012 гг.), X Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2011 г.).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Имеется положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Общий объем публикаций 6,9 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 73 наименованийобщий объем — 142 страниц машинописного текста, включая 104 рисунка и 14 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате анализа современных методов получения микроэлементов на поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов установлено, что существующие методы обработки, такие, как механический, электрохимический, лазерный, а также методы, основанные на комбинированном воздействии, имеют недостатки, связанные в основном с трудностями обеспечения точности и качества обработки микроэлементов.

2. На основании систематизации микроэлементов на поверхностях деталей предложено их различать по четырем критериям: форме, типу контура, количеству элементов, глубине и высоте отдельных элементов. Разработанная систематизация конструктивных особенностей электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки включает следующие виды: охватываемые, охватывающие и электроды-инструменты с микроэлементами на поверхности для улучшения их свойств. Анализ характеристик электродов-инструментов для электроэрозионного микроформообразования показал, что целесообразно их разделить по характеру формируемых поверхностей на ЭИ с осесимметричной рабочей частью, сетчатые, сложнофасонные ЭИ с объемными микроэлементами на рабочей части.

3. Теоретические исследования процесса электролитического формирования выступающих микроэлементов на рабочей части электрода-инструмента с использованием схем с изолятором различной ширины и толщины на поверхности металлической подложки позволили рекомендовать, чтобы толщина изоляции была больше или равна ширине получаемого микроэлемента. Кроме того, рекомендовано уменьшение расстояния от изолятора до поверхности электрода, что, однако, усложняет прокачку электролита в межэлектродном зазоре.

4. В результате анализа зависимостей распределения электрического потенциала при формировании рабочей части электродов-инструментов с толщиной стенки менее 100 мкм на поверхности оправки заданной формы установлено, что равномерность распределения электрического потенциала возрастает в случае, если длина анода из меди меньше длины оправки, на которой формируется рабочая часть ЭИ.

5. Проведены исследования распределения температур на торце электрода-инструмента малой толщины при его нагреве в процессе электроэрозионного микроформообразовании. При анализе графиков распределения температуры на торце ЭИ с толщиной стенки от 5 до 30 мкм установлено, что при толщине ЭИ менее 20 мкм происходит расплавление торца ЭИ по всей его толщине, что может влиять на изменение геометрии торца ЭИ, а, следовательно, на точность микроэлектроэрозионной обработки.

6. В результате проведенных исследований разработан и реализован комплекс технологий для создания ЭИ для микроэлектроэрозионного формообразования, основанный на сочетании механической и электрофизикохими-ческой обработки, который включает следующие технологии изготовления:

— трубчатых ЭИ с различным поперечным сечением (прямоугольник, квадрат, круг, сложного контура) микрометровых размеров;

— ЭИ со спиралевидным пазом, имеющим микрометровую ширину и глубину при заданной форме и величине шага пазов;

— тонкостенных ЭИ с частично или полностью растворенной оправкой-держателем (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2 012 132 740 от 08.11.2012 г. на полезную модель «Электрод-инструмент для микроэлектроэрозионной обработки») для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов шириной менее 100 мкм;

— технологию (аддитивную или субтрактивную) получения сетчатых ЭИ с МЭ на рабочей части в форме квадратов, треугольников, прямоугольников и микроэлементов сложной формы;

— сложно фасонных ЭИ с объемными МЭ на рабочей части.

Для рационального выбора метода получения рабочей части ЭИ составлена систематизация технологий изготовления таких ЭИ. С использованием полученных по разработанным технологиям ЭИ изготовлены микроэлементы на поверхностях деталей из твердого сплава Т15К6, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, углеродистой стали ШХ15, а также ЭИ второго порядка из бронзы с микроэлементами сложной формы.