Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Бойко Анатолий Федорович
СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПРОШИВКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ МИКРООТВЕРСТИЙ
Специальность:05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Белгород - 2011
Работа выполнена на кафедре Технология машиностроения ГОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Погонин Анатолий Алексеевич
Официальные оппоненты: Заслуженный машиностроитель РФ, Лауреат Государственных премий, доктор технических наук, профессор Усов Сергей Вадимович доктор технических наук, профессор Елисеев Юрий Сергеевич доктор технических наук, профессор Сухочев Геннадий Алексеевич
Ведущая организация: филиал Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей ФГУП Научно-производственный центр газотурбостроения Салют, г.Москва
Защита состоится л11 11. 2011г. в л 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.182.06 при ФГОУ ВПО Госуниверситет ЦУНПК по адресу:, 302020, г. Орл, Наугорское шоссе д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Госуниверситет - УНПК.
Автореферат разослан л____ __________2011г.
Ученый секретарь диссертационного совета, Ю.В.Василенко
Общая характеристика работы
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 Ra=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. В 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 со 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 нашл электроэрозионный метод, то правительством была поставлена задача по созданию новой более эффективной технологии и оборудования для электроэрозионной прошивки микроотверстий.
Возникла актуальная научная 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 прошивки микроотверстий, обеспечивающих повышение производительности, точности, предельной глубины прошиваемых микроотверстий, экологичности 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, расчты и оптимизацию параметров, новые эффективные базовые компоненты оборудования нового поколения, в том числе независимый тип генератора сверхкоротких биполярных импульсов наносекундного диапазона; малоинерционную быстродействующую следящую систему управления подачей электрода-инструмента, обеспечивающую минимальные (микронные) перебеги; высокочастотный 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.
Научная новизна работы заключается в раскрытии закономерностей и связей в технологическом процессе и средствах реализации процесса электроэрозионной прошивки в воде прецизионных отверстий. А также в 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 тврдой фазе с раскаленной поверхности эрозионной лунки взрывным газогидродинамическим потоком металлического перегретого пара в конце сверхкороткого импульса разрядного тока, которая объяснила известное в науке расхождение расчтных и экспериментальных данных объма единичной лунки;
- новая экспоненциальная математическая модель расширения плазменного канала разряда, которая позволяет с высокой точностью прогнозировать геометрические параметры лунок и оценивать удельную мощность разрядов;
- новая физическая и математическая 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 импульсов; при 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, расчтов 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.
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 статистической обработки результатов эксперимента, вероятностностатистический метод сравнительного анализа измерений; при исследовании эродированной поверхности и продуктов эрозии - рентгеноструктурный анализ, при исследовании шероховатости обработанной поверхности - профилографирование, зондовое сканирование, стереоскопическое и интерферометрическое микроскопирование.
При математическом моделировании используется регрессивный анализ, графоаналитический метод, метод средних, метод наименьших квадратов, методы экстраполяции и итерационных приближений, компьютерное моделирование.
Экспериментальные исследования проводились на электроэрозионных станках 04ЭП-20, 04ЭП-10, 04ЭП-10М, ЭИ-02 с использованием измерительных средств: интерфракционного микроскопа МИИ-4, измерительных микроскопов МИМ-8, ММИ-2, профилографов-профилометров мод.201, АБРИС ПМ-7,сканирующего зондового микроскопа Наноэдьюкатор, стереоскопического микроскопа Альтам СМ II, дифрактометра рентгеновского ДРОН-2, осциллографа двухлучевого С1-96 и др.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. 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, 1975г.; на отраслевом техническом совещании Опыт эксплуатации и модернизации электроэрозионного оборудования в инструментальном производстве, г. Москва, 11-е ГУМЭП, 1976г.; на третьей научно-технической конференции, посвящнной 60-летию Великой Октябрьской социалистической революции, г. Белгород, БТИСМ, 1977г.; на научно-практической конференции Прогрессивная технология изготовления и современные методы повышения стойкости инструмента, г. Белгород, ЦНТИ, 1977г.; на областной научнопрактической конференции Прогрессивная технология в инструментальном производстве, г. Белгород, ЦНТИ, 1979г.; на республиканской научно-технической конференции Прогрессивные методы изготовления технологической оснастки, г. Рига, ЛатНИИНТИ, 1979г.; на заседании секции №10 НТС МЭП Развитие производства инструмента для микросварки и микропайки, г. Чебоксары, завод Контур, 1983г.;
на республиканской научно-технической конференции Электрофизические и электрохимические методы обработки, г. Харьков, Дом техники, 1987г.; на международной научно-практической конференции Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии, г.Белгород, БГТУ, 2005г.; на международной научно-технической электронной интернет-конференции Инструментальное и метрологическое обеспечение машиностроительных производств, г. Тула, ТГУ, 2005г.; на пятой межрегиональной научно-технической конференции с международным участием Механики ЦXXIвеку, г. Братск, БГУ, 2006г.; на пятой международной научно-технической конференции Новые материалы и технологии в машиностроении, г. Брянск, БГИТА, 2006г.; на пятой международной научно-практической конференции Наука на рубеже тысячелетий, г. Тамбов, ТГТУ 2008г.; на четвертой международной научно-практической конференции Наука и устойчивое развитие общества, г. Тамбов, ТГТУ 2009г.; на шестой международной научно-практической конференции Наука на рубеже тысячелетий, г. Тамбов, ТГТУ 2009г.;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работы, 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 объм диссертации 336 страниц, содержит 111 рисунков, 61 таблицу.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы решаемая научная проблема, цель и задачи исследования, показана научная новизна, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, о публикациях, структуре и объме диссертационной работы. Дается краткое содержание диссертации по главам.
В первой главе подробно анализируются особенности конструкций изделий с микроотверстиями и проблемы их изготовления. Первым массовым изделием с прецизионным микроотверстием был инструмент для микросварки и микропайки, используемый в электронной промышленности в производстве полупроводниковых приборов.
Годовой объем производства микроинструмента к концу 80-х годов прошлого столетия достиг 2 млн. штук. На рис.1 изображен один из распространнных, так называемых, капилляров с боковым отверстием типа КУТ-1, применяемых для ультразвуковой и термокомпрессионной сварки. В табл.1 приведены основные технические характеристики инструмента типа КУТ-1 Е КУТ-10.
Рис. 1. Инструмент для микросварки с боковым отверстием типа КУТ-Таблица Обобщнные технические требования к инструменту и обрабатываемым отверстиям в капиллярах типа КУТ-1ЕКУТ-Показатели Значения 1 1. Материал ВКЗ-ТМ; ВК-6М окончание табл.1 2. Диаметр капиллярного отверстия d. мм 0,022Е0,55+0,003Е0,03. Угол заходного конуса , град. 20Е301 4. Общая глубина отверстия Н, мм 0,5Е3,5. Относительная глубина отверстия H/d 5Е6. Шероховатость Ra, мкм 0,4Е0,7. Точность расположения капиллярного отверстия относительно 0,005Е0,0 сварочной площадки, мм Следует отметить, что в базовой технологии трудомкость операций электроэрозионной обработки микроинструмента составляла значительную часть (около 50%), и процент выхода годных изделий не превышал 30%. Поэтому проблемными вопросами базовой электроэрозионной технологии обработки микроинструмента являлись: низкая производительность и качество инструмента из-за жстких требований к точности микроотверстий (допуск от 0,003мм), к шероховатости обработанной поверхности (Ra=0,2Ц0,4мкм); невозможность обработки глубоких микроотверстий с соотношением глубины к диаметру до 25, жсткие требования к точности относительного положения микроотверстий (0,005мм).
Вторым массовым изделием с микроотверстием являются атравматические хирургические иглы, объм производства которых превышает миллион штук в год. Атравматическая игла, состоит из игольчатого наконечника и шовной хирургической нити, завальцованной в микроотверстии на нерабочем торце иглы. Диапазон диаметров микроотверстий 0,033-0,6мм, допуск 0,01-0,07мм. Проблемными вопросами производства атравматических игл является: сложный в обработке материал - высоколегированная сталь ЗИ-90, склонная к шлакованию при электроэрозионной обработке и поэтому требующая тщательной оптимизации режимов обработки и состава рабочей среды; обработка глубоких отверстий глубиной до 16 диаметров. Жсткие требования к соосности микроотверстия и наружного диаметра иглы (0,02мм) обязывают применять оптические средства контроля; ввиду массового характера производства требуется высокая производительность.
Третью группу изделий с микроотверстиями, относящихся к серийному типу производства, представляют детали электронных приборов: анодные узлы видиконов, иконоскопов, потенциалоскопов, супертиконов (рис.2), волноводы СВЧ, аноды электронно-оптических систем, выводы электровакуумных приборов, фокусирующие диафрагмы электронных пушек и другие.
Рис.2.Анодные узлы видиконов, иконоскопов, потенциалоскопов, супертиконов В табл.2 дана обобщнная характеристика малых отверстий в деталях электронных приборов.
Таблица Общая характеристика малых отверстий в деталях электронных приборов медь, ковар, никель, молибден, нержавеющая Материал деталей электронных приборов сталь, константан, вольфрам тантал и др.
1. Диаметр малых отверстий, мм 0,04Е0,5+0,005Е0,2. Общая глубина отверстий, мм 0,05Е2,3. Относительная глубина отверстий, H/d 1Е4. Точность относительного расположения отверстий 0,01Е0,5. Шероховатость поверхности в отверстии, Ra, мкм 0,8Е0,По данным табл.2 видно, что главной особенностью этой группы деталей является большое многообразие материалов. Другие проблемные особенности: наибольшая глубина прошиваемых отверстий 15 диаметров; высокие требования по шероховатости поверхности отверстий (до Ra=0,2 мкм); в некоторых деталях обрабатывается множество микроотверстий с жсткими требованиями к межцентровым расстояниям.
Во второй главе анализируются десять методов получения микроотверстий: механический, ионно-оптический, электронно-лучевой, лазерный, электрохимический, струйный электрохимический, метод литья, метод сборки, групповой способ вакуумного напыления, электроэрозионный.
По результатам сравнительного анализа десяти методов получения микроотверстий были сделаны следующие выводы: для получения прецизионных микроотверстий в высокоточных изделиях целесообразным является применение электроэрозионного метода, который обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к качеству микроотверстий, в том числе:
- по точности диаметра и формы отверстий для сквозных отверстий 1-3 мкм, глухих - 5-10мкм;
- по точности положения оси микроотверстия относительно базовых поверхностей изделия - до нескольких микрон;
- по шероховатости обработанной поверхности - до Ra=0,2-0,3мкм;
- по отсутствию дефектного поверхностного слоя в отверстии;
- по высокой повторяемости размеров получаемых отверстий, и как следствие, высокому проценту выхода годных изделий;
Промышленное применение метода электроэрозионной прошивки микроотверстий началось в 60-х годах прошлого столетия благодаря исследованиям и разработкам, проведенным Е.М. Ливенсоном, В.С. Львом, В.А. Петровым (автомобилестроение), Б.И. Ставицким, Е.В. Холодновым (электронная промышленность). Дальнейшее совершенствование этого эффективного способа получения микроотверстий непосредственно связано с исследованиями и разработками автора диссертации, выполненных в ОКБТИ при заводе Ритм и БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород).
Электроэрозионные станки первого поколения для прошивки микроотверстий примерно в эти же годы были созданы в США (фирмы A. аnd M.Fell и KonekCorporation), в Швейцарии (фирма АGI), в Японии (фирма Matsushita). В 60-70-х годах прошлого столетия в связи с освоением массового производства инструмента для микросварки в России был разработан ряд моделей электроэрозионных станков для прошивки микроотверстий:мод.А.207.43, А.207.59 (НИИ Исток),мод.ОТ-300 (НИИТМ), мод.04ЭП-(ОКБТИ). Последняя модель разрабатывалась при непосредственном участии автора.
По результатам критического анализа предшествующих разработок были поставлены задачи исследований и разработок эффективной технологии и оборудования нового поколения.
Третья глава посвящена исследованиям и разработке новых эффективных базовых компонентов процесса и оборудования: независимого генератора сверхкоротких импульсов, быстродействующей следящей системы, адаптивно-управляемого высокочастотного вибратора электрода-инструмента. На первом этапе была тщательно исследована физическая сущность процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий.
Большую роль в создании и развитии феноменологической теории электрической эрозии в жидкой диэлектрической среде сыграли работы Б.Р. Лазаренко, Б.Н. Золотых, А.И. Круглова, А.С. Зингермана, Л.С. Палатника, Б.И. Ставицкого, А.Л. Лившица, В.П.Смоленцева, А.Т. Кравеца и других.
Учитывая тот факт, что при электроэрозионной обработке микроотверстий используют короткие импульсы тока длительности 0,05-0,5мкс с высокой крутизной фронта (до 100А/мкс), физические явления в межэлектродном промежутке имеют характерные особенности. Во-первых, при коротких импульсах и значительной удельной мощности (более 104 Вт/мм2), выделяемой после пробоя в месте контакта канала разряда с поверхностью электродов, 80-90% металла удаляется с поверхности электродов испарением в виде струй паров (факелов). Однако известно, что при коротких импульсах металл из эрозионной лунки удаляется не только испарением, но и в твердой фазе, что подтверждает дисперсный анализ продуктов эрозии. Б.Н. Золотых была разработана теория дополнительного хрупкого разрушения металла в окололуночном пространстве.
Но механизм хрупкого разрушения не был обнаружен в исследуемом процессе, когда используются сверхмягкие режимы и на обработанной поверхности полностью отсутствует дефектный слой, микротрещины, следы хрупкого разрушения. Как же объяснить тот факт, что доля металла, входящего в объем единичной лунки, существенно превосходит то, которое могло быть удалено испарением? В данной работе была предложена гипотеза струйного газогидродинамического механизма разрушения поверхности лунки, который возможен при коротких импульсах тока и больших значениях удельной мощности, реализуемой через канал разряда на электродах. Металлический пар взрывообразно вырывающийся из лунки со сверхзвуковой скоростью (1,5-2 км/с), имеющий температуру 3000-5000С, обладает колоссальной удельной энергией, достаточной для разрушения поверхности лунки. Так как оформляющая поверхность лунки имеет температуру близкую к температуре плавления, то прочность ее крайне невысокая, поэтому газогидродинамический взрывной поток сильно перегретого металлического пара может механически разрушать (слизывать) поверхность лунки и дополнительно выбрасывать в межэлектродный промежуток раскаленные твердые частицы, расширяя и увеличивая объм лунки.
Гипотеза была подтверждена экспериментом путем сравнения размеров эрозионных лунок, полученных от импульсов одинаковой энергии (Е=13,2мкДж) и длительности (tи=0,2мкс) на двух родственных марках сталей аустенитного класса: 0Х18Н10Т и 36Х18Н25С2. По критерию Палатника отличие эрозионной обрабатываемости этих сталей несущественно. Существенно отличались стали по жаропрочности: при 700С В=270 Н/мм2 и 726 Н/мм2 соответственно. При этом предполагалось, что у стали с большей прочностью при высокой температуре будет удаляться меньшее количество металла в твердой фазе с поверхности лунки и размер лунки будет меньше. Многократный эксперимент подтвердил эту версию: отличие объма лунок составило около 1,5 раза.
Результаты эксперимента и необходимых расчетов приведены в табл.3.
Таблица Геометрические параметры лунок и удельной эрозии для двух марок жаростойких сталей с различными показателями жаропрочности Длитель- Диаметр Энергия Удельная Тип импуль- ность им- Материал лунки, Глубина Объем к=dл/hл эрозия, генератора сов, образца лунки, мкм лунки, ммпульсов, мкм мм3/мкДж импульсов мкДж мкс 3,08Х18Н10Т 4 3410-9 1,14 2.610-транзисторный 13,2 0,ВТГ-3,36Х18Н25С2 3,4 2310-9 1 1.710-08Х18Н10Т 223 54310-6 10,6 13.610-тиристорный 40000 ИГ-36Х18Н25С2 231 20 55510-6 11.5 13.910-Фотографии лунок, сделанные с помощью микроскопа МИМ-8 показаны на рис.3.
Из результата эксперимента видно, что при электроэрозионной обработке короткими импульсами, лунки большего диаметра, объма и с большей величиной удельной эрозии получаются на сталях имеющих меньшую жаропрочность, что подтверждает правильность гипотезы о дополнительном удалении металла с раскаленной поверхности лунки в твердой фазе взрывным потоком металлического перегретого пара, выбрасываемого из лунки после спада короткого импульса. При обработке на грубых режимах (см. рис.4 лунки 3 и 4) такого Рис.3. Вид в плане единичных явления не наблюдается, что объясняетэлектроэрозионных лунок:
ся другим невзрывным характером про1 и 2 - от действия импульсов Е=13,2мкДж, цесса электрической эрозии, при котоtu=0,2мкс; 3Ц4Ц от действия импульсов ром основная масса расплавленного меЕ = 40 000мкДж, tu = 15мкс;
талла удаляется из лунки в жидкока (1,3 - сталь ОХ18Н10Т; 2,4 - сталь 36Х18Н25С2) пельной фазе (см. работы Б.Н. Золотых).
Процесс электроэрозионной обработки начинается с пробоя и формирования канала проводимости. Именно в начальный момент переходного процесса образования и расширения плазменного канала, когда происходит резкое увеличение тока короткого импульса с крутым передним фронта, а увеличивающийся диаметр канала еще мал, создатся высокая удельная мощность. По данным Б.И. Ставицкого для прецизионной электроискровой обработки предпочтительными являются разряды высокой удельной мощности: Руд>108 Вт/см2. Представляет научный интерес дать количественную оценку удельной мощности при сверхкоротких разрядных импульсах тока, используемых в исследуемом процессе.
Мгновенное значение удельной мощности:
()() Руд =, () где i(t), u(t), rk(t) - мгновенные значение соответственно тока, напряжения и радиуса канала разряда в межэлектродном промежутке. На основе экспериментальных данных и исследований переходных процессов в разрядном контуре были получены математические модели зависимости i(t), u(t), rk(t). При этом закон изменения тока i(t) для переднего и заднего фронтов будет описываться различными зависимостями: in(t) и iз(t) соответственно. Тогда для условий проведения эксперимента: станок 04ЭП-10М, режим обработки 7 (Е=50,47мкДж, tи=0,36мкс), были получены расчетные формулы:
= 12-/0,08 + 18;
= 14,07 - 0,127 -0,338 496 - 0,164 ;
з = 0,146 -37,55 + -2,975 11,83 490,2 + 5,14490,2 - 3,278 - 1,698;
= 130 0,37(1 - - 24) Здесь t - текущее время в мкс.
Результаты расчета мгновенных значений параметров процесса приведены в табл.Таблица Результаты расчетов мгновенных значений параметров процесса t, мкс 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,173 0,2 0,23 0,27 0,32 0,35 0,3i(t), А 2,6 5,15 7,37 9,07 10,09 10,37 9,91 8,85 6,62 3,11 0,93 0,U(t), В 26,25 23,67 21,9 20,68 19,84 19,38 18,98 18,68 18,41 18,22 18,15 18,rк(t), мкм 1,03 1,87 2,62 3,26 3,79 4,11 4,8 5,24 5,67 5,98 6,05 6,Pуд(t), 20,48 11,1 7,48 5,62 4,44 3,79 2,6 1,92 1,21 0,504 0,15 0,0Вт/мкмпередний фронт i(t) Iмакс задний фронт i(t) Для удобства анализа на рис.4 показаны совмещенные во времени графики зависимости i(t), u(t), rk (t), Pуд(t).
Таким образом, наибольшая удельная мощность получается в начальный момент разряда и достигает Руд = 20Вт/мкм= 2 109Вт/см2, что более чем на порядок превышает рекомендации Б.И. Ставицкого. Но уже через 0,1мкс Руд падает в раза, несмотря на продолжающийся рост тока. Наиболее интенсивно радиус канала разряда увеличивается в первые 0,01 мкс, Рис. 4. Графики зависимости когда скорость его расширения достигает i(t), U(t), rk (t),Pуд(t) 100 мкм/мкс; далее скорость стабилизируется на уровне 20-25 мкм/мкс и в конце импульса падает до нуля. Следовательно, обеспечить пароструйный характер удаления металла из лунки, что является обязательным для эффективной обработки микроотверстий, возможно только при сверхкоротких импульсах длительностью 0,05 - 0,5 мкс, а получить такие импульсы возможно очевидно, только при решении проблемы крутых обоих фронтов импульсов.
Автором впервые была разработана основополагающая физическая модель естественной эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. Именно эффективность процесса самоэвакуации продуктов эрозии в основном определяет производительность прошивки микроотверстий. Так как твердые продукты эрозии представляют собой микрочастицы размерами от нескольких микрометров до нескольких нанометров, то в основе механизма их вывода из промежутка лежит флотационный способ, когда микрочастицы захватываются стенкой всплывающего в боковом зазоре газового пузыря, образованного после электрического разряда.
Было установлено, что парогазовые пузырьки за время цикла обработки одного отверстия выходят в одном и том же месте кольцевого бокового зазора. Была предложена модель процесса самоэвакуации, согласно которой в основе динамики процесса естественной эвакуации продуктов эрозии лежат два основных встречно-параллельных вертикальных потока А и Б (рис.5), диаметрально противолежащих относительно друг друга.
Рис. 5. Схема газо-гидродинамических потоков в межэлектродном промежутке при электроэрозионной прошивке микроотверстий: а - вертикальный осевой разрез рабочей зоны; б - поперечный разрез; ЭИ - электродинструмент; РЖ - рабочая жидкость;
ЭД - электрод-деталь Поток А - эвакуирующий поток движущихся за счт архимедовой силы вверх пузырьков, влекомой ими жидкости и продуктов эрозии. Поток Б является следствием потока А так как последний при движении создает благодаря эффекту эжекции через поперечные кольцевые потоки В и Г разряжения в зоне потока Б, что вызывает засасывание жидкости с верхних слов над отверстием в боковой зазор и формирование вертикального ниспадающего потока обновления Б. С учетом неразрывности потоков А и Б уравнение Бернулли будет иметь вид:
1 2 э + э э = об + об об, 2 где Рэ и Роб - статические давления соответственно эвакуационного и обновляющего потоков; э и об - плотности потоков; vэ и vоб - скорости потоков.
Интенсивность самоэвакуации продуктов эрозии существенно зависит от эффекта эжекции, который определяется разностью Р статических или динамических давлений в потоках А и Б:
1 2 = об - э = ээ - обоб = обоб( - 1) 2 где = об/э - коэффициент, характеризующий степень насыщенности эвакуирующего потока пузырьками (k>1).
Видно, что эффект эжекции тем выше, чем больше коэффициент k, то есть, чем меньше средне интегральная плотность э эвакуирующего потока, то есть чем больше его насыщенность парогазовыми пузырями.
Таким образом, оба потока А и Б существенно отличаются мгновенными значениями объмного расхода из-за насыщенности потока А парогазовыми пузырьками, что и предопределяет различие в скоростях потоков и возникновение эффекта эжекции и второго потока - потока обновления Б. Эффективность самоэвакуации повышается с увеличением насыщенности эвакуирующего потока пузырьками, что следует учитывать при выборе рабочей жидкости, а так же показывает направление совершенствования процесса обработки.
С момента изобретения электроэрозионного способа обработки история его развития во многом связана с созданием нового более эффективных генераторов импульсов.
Технология и оборудования первого поколения для электроэрозионной прошивки микроотверстий базировалась на использовании в качестве источника технологического тока релаксационного RC-генератора импульсов, относящегося к так называемому зависимому типу генераторов, так как его параметры существенно зависят от состояния межэлектродного промежутка. Это были станки модели 04ЭП-20, 04ЭП-20М, разработанные при непосредственном участии автора. Дальнейшее совершенствование процесса было во многом связано с разработкой независимого типа генератора - транзисторного генератора коротких биполярных импульсов наносекундного диапазона. В данной главе изложены результаты исследования и разработки этого уникального генератора импульсов, защищнного авторским свидетельством на изобретение №884923.
Аналитически доказано, что даже в оптимальном режиме работы RC-генератора импульсов его средний рабочий ток не превышает 0,57Ц0,6 от допустимого тока короткого замыкания, который выбирают в зависимости от диаметра и материала электродаинструмента. Для транзисторного генератора импульсов средний рабочий ток по экспериментальным данным составляют 0,8Ц0,9 от тока короткого замыкания. Таким образом, соотношение оптимальных средних рабочих токов для двух типов генераторов импульсов, составляющее 1,5Ц1,6 раза, и представляет собой резерв повышения производительности электроэрозионной прошивки микроотверстий путм использования независимых генераторов импульсов, в нашем случае транзисторного.
Из-за инерционности процессов отпирания и запирания транзисторного ключа задача получения коротких импульсов тока сводится к решению проблемы уменьшения длительности переднего tпф и заднего tзф фронтов импульсов тока.
Для уменьшения длительности переднего фронта импульса тока была предложена и разработана автором идея параллельного включения транзисторных ключей.
Установлена зависимость длительности переднего фронта Т- и его крутизны в нан, чальный момент нарастания к(0) от количества n транзисторных ключей:
Тн = срln - 1);
(ns/ns к 0 = срб/ ср;
где срЦ среднее значение времени жизни носителей в активном режиме транзисторов; s - коэффициент насыщения транзисторных ключей; бЦ ток базы; срЦ средний статический коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эммитером.
, Видно, что при , Т- 0, к 0 , то есть с увеличением количества паралн лельных транзисторных ключей длительность переднего фронта тока коллектора уменьшается, а его крутизна увеличивается. Полученные зависимости были подтверждены экспериментально, а также смоделированы с помощью программного продукта ElectronicsWorkbenchv. 5.12.
Для определения количества параллельных транзисторных ключей был разработан критерий оптимальной скорости включения комбинированного ключа: для исключения влияния переходных процессов включения транзисторного ключа на формирование переднего фронта импульса тока разрядного контура и, следовательно, получения высокой крутизны и малой длительности переднего фронта необходимо, чтобы в начальный момент времени (t=0) скорость роста суммарного коллекторного тока, определяемая физическими свойствами и количеством транзисторных ключей, была выше скорости роста тока разрядного контура iрк определяемой физическими свойствами разрядного контура при допущении мгновенного включения транзисторного ключа:
n d ik diрк dt dt ttРазработанный метод уменьшения длительности переднего фронта не решал проблемы уменьшения длительности заднего фронта импульса разрядного тока. Эта проблема была решена путем разработки оригинальной схемы транзисторного генератора коротких биполярных импульсов (а.с. №884923), упрощнная эквивалентная схема которого изображена на рис.6.
Генератор работает следующим образом. При закрытом транзисторном ключе ТК накопительный конденсатор Сн заряжается от источника Еи постоянного напряжения через токоограничительный резистор R, паразитную индуктивность Ln1 внутреннего монтажа генератора, индуктивность формирователя Lф и параллельную ей цепь: резистор формирователь Rф - диод V.
При отпирании транзисторного ключа накопительный конденсатор Сн в зависимости от состояТК ния межэлектродного промежутка МЭП разряжается по цепи:
1) Вариант холостого хода (электроды разведены iМЭП=0:
Рис.6. Эквивалентная схема транзисторного Сн - ТК - Lф - Ln1 - Сн;
генератора коротких биполярных импульсов 2) Вариант пробоя МЭП или короткого замыкания:
Lф Сн - ТК Lп1 - Cн, МЭП - Lnгде Ln2 - паразитная индуктивность внешнего монтажа (выходной кабель генератора).
Во втором варианте ток разряда конденсатора iрк протекает по двум параллельным цепям: через МЭП (ток iМЭП) и индуктивность формирователя (ток iиф ). Ток коллектора iк транзистора складывается из двух составляющих: из тока разряда конденсатора iрк и тока источника питания iи. Так как рк, то к рк.
Изобретенная схема генератора обладает важным достоинством: исключает влияние переходных затяжных процессов запирания транзисторного ключа на формирование заднего фронта импульса тока разряда конденсатора, так как при малой емкости конденсатора, что соответствует прецизионным режимам прошивки микроотверстий, процесс разряда конденсатора завершается всегда раньше, чем начнутся затяжные переходные процессы запирания транзисторного ключа. Так была решена вторая проблема коротких импульсов, связанная с формированием крутых задних фронтов импульсов разрядного тока.
Были проведены всесторонние исследования работы транзисторного генератора на межэлектродный промежуток при трх режимах, каждый из которых соответствует определенному состоянию промежутка: холостой ход (электроды разведены); короткое замыкание (электроды замкнуты); электроэрозионная обработка (электроды находятся на расстоянии электрического пробоя).
Цель исследований режима холостого хода транзисторного генератора импульсов - определение условий, при которых обеспечивается оптимальная форма и параметры холостых импульсов напряжения на межэлектродном промежутке при электроэрозионной прошивке микроотверстий в воде:
- форма импульса напряжения на промежутке должна быть биполярной со средним значением напряжения близким к нулю;
- амплитуда отрицательного импульса должна быть не менее, чем в 2 раза меньше амплитуды положительного импульса;
- форма отрицательного импульса должна быть апериодической;
Биполярная форма импульсов со средним значением напряжения близким к нулю обеспечивается известным решением: подключением параллельно промежутку индуктивности формирователя Lф (см. рис.6).
Для выполнения второго требования параллельно индуктивности Lф подключена цепочка Rф-V,которая позволяет без изменения параметров положительного импульса напряжения изменять с помощью резистора формирователя Rф амплитуду отрицательного импульса, добиваясь выполнения второго требования (рис. 7).
Рис.7. Осциллограмма и эпюра холостого импульса напряжения на МЭП.
Сн=0,018 мкФ, Еи=100В, Lп1=0,2 мкГн, Lп2=0,6 мкГн, LФ=5,5 мкГн, Rф, Ом : 6(1) ; 8(2) Однако как показали эксперименты, в зависимости от величины Rф отрицательный импульс может быть апериодическим или колебательным. Так как при апериодическом импульсе обеспечивается более высокая эффективность обработки, были определены условия получения такой формы импульсов. Установлено, что эпюра отрицательного импульса напряжения описывается уравнением:
П13 П1 2 1 + + + 1 + + + = ф3 ф 2 ф нф нф Решение уравнения показало, что апериодический процесс возможен только при отрицательном определителе Кардано Q, что соответствует соотношению:
-- 2-4 -+ 2-4 < ф <, 2 2 где = 4н ф ; = н 272 - 18фП1 - 2 ; с = 4П12.
П1 ф ф Экспериментальной проверкой установлено, что из-за действия неучтенного нелинейного сопротивления диода V расхождение расчетных и экспериментальных значений Rф находится в пределах 13%, что вполне приемлемо для практических целей. На рис.7 показаны три варианта эпюр напряжения холостого хода: Rф
В режиме КЗ через транзисторный ключ протекает наибольший ток, поэтому режим является основным для расчета предельного амплитудного значения разрядного тока схемы, а так же количества транзисторов.
При выполнении требования оптимальной скорости включения комбинированного транзисторного ключа уравнение тока разрядного контура в режиме КЗ имеет вид:
2РК ТКРК РК + + = 2 об обн так как, ТК = к-э.нас. = , то решением уравнения является:
(0) РК = -1 1, обфП где об = П1 + - общая индуктивность разряд контура;
ф+П1 ТК 2 1 = - - собственная циклическая частота разрядного конобн 2об обн тура в режиме к.з.;
ТК 1 = - коэффициент затухания разрядного контура в режиме к.з.
2об При = пф , имеем амплитудное значение разрядного тока:
2 = (0) об Исходя из требования гарантированного предохранения всех транзисторов от перегрузки в режиме КЗ по допустимому импульсному току коллектора к и мах была получена расчетная формула количества параллельных транзисторов:
кр - 1 + 1, и к-э нас. где к = - коэффициент разброса сопротивлений насыщенных транзисток-э нас. ров данного типа;
(0) - максимальное значение амплитуды разрядного тока в режиме об КЗ, соответствующее наибольшей мкости накопительного конденсатора ;
0 = и - начальное напряжение на накопительном конденсаторе.
Исходя из требования критерия оптимальной скорости включения транзисторного ключа, была получена вторая формула количества транзисторов:
> боб Таким образом, количество транзисторных ключей должно удовлетворять двум требованиям, то есть быть больше большого из двух значений.
В режиме ЭЭО были установлены закономерности переходных процессов формирования рабочих импульсов разрядного тока через межэлектродный промежуток, получены расчетные формулы параметров импульсов (амплитуды, длительности, энергии импульсов), определено соответствие параметров импульсов тока требованием технологии ЭЭО микроотверстий.
При выполнении требования оптимальной скорости включения транзисторного ключа уравнение переднего фронта импульса разрядного тока в режиме ЭЭО имеет вид:
0 ф-мэп(п1+ф) 1 мэп + мэп -1 sin 1 - мэп, п2+ф 1 об где мэп 20 - 25В - напряжение на межэлектродном промежутке после его пробоя.
Отсюда, при = пф , была получена расчетная формула приближенного зна2чения амплитуды тока через межэлектродный промежуток при ЭЭО:
об 0 ф п1 + ф мэп - мэп( + - 1) п2 + ф об об Установлено, что отклонение расчетного значения мэп, полученного по приближенной формуле, не превышает 6% от точного значения, полученным исследованием функции мэп на экстремум.
Если форму заднего фронта импульса разрядного тока аппроксимировать синусоидой, то длительность и и энергии Wи импульса разрядного тока с погрешностью, не превышающей 15% могут быть определены по формулам:
и = об обС П1 + Ф 0 Ф Wи = 2мэп - МЭП + - П2 + Ф об об Расчетные формулы Iа МЭП, tи, Wи были подвергнуты экспериментальной проверке, результаты которой приведены в таблице 5.
Эксперимент подтвердил достоверность полученных расчтных формул. С другой стороны, расчт и эксперимент показали, что разработанный транзисторный генератор импульсов обеспечивает генерирование импульсов разрядного тока, параметры которых отвечают требованиям технологии электроэрозионной прошивки микроотверстий.
Таблица Расчтные и экспериментальные значения амплитуды, длительности и энергии импульсов разрядного тока через МЭП при электроэрозионной прошивке микроотверстий Параметр Значения СН, мкф 0,6810-3 10-3 2,210-3 3,310-3 4,710-3 0,01 0,0WИ, расчт 1,91 2,8 6,17 9,25 13,18 28,04 5,мкдж эксперим. 1,6-2,5 2,8-3,6 5,3-7,2 7,4-10,8 12,2-15 27,7-35 48-tИ, расчт 0,07 0,085 0,127 0,155 0,185 0,27 0,3мкс эксперим. 0,06-0,08 0,08-0,11 0,12-0,14 0,15-0,17 0,2-0,23 0,28-0,32 0,37-0,Ia MЭП, расчт 2,12 2,58 3,82 4,68 5,59 8,15 10,А эксперим. 1,5-2,0 2,0-2,5 3,0-3,5 3,5-4,5 4,8-5,5 7,0-8,0 9,6-Исследованиями установлено, что в переходных процессах отпирания-запирания на коллекторе транзисторного ключа выделяется значительная импульсная мощность РКИ (рис.8), которая по амплитуде может значительно превышать допустимую.
Был установлен закон изменения мощности Pк переходных процессах, который для случая КЗ описывается уравнением:
2 - к = к - - - 1 + (1 - ) + 2 где s Цкоэффициент насыщения транзисторного ключа;
- постоянная времени переходного процесса отпирания транзистор; Iк - ток коллектора насыщенного транзистора; Е - напряжение источника постоянного тока; t - текущее время.
Отсюда, после исследования функции Рк(t) на экстремум была определена импульсная мощность на коллекторе: КИ = 0,25 к Рис. 8. Эпюры коллекторного Установленный закон импульсной мощности, устока (iк) и мощности (Pк), ловно названный автором законом одной четверти, выделяемой на коллекторе показывает, что РКИ не зависит от быстродействия и транзисторного ключа других свойств транзисторного ключа, а находится в прямой пропорциональной зависимости от вольтамперной нагрузки транзистора. Для обеспечения надежной работы транзисторного ключа необходимо выполнение условия: КИ = 0,25 к < КИ, где КИ - максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность коллектора транзистора (паспортная характеристика транзистора).
Так же была получена формула средней мощности, выделяемой на коллекторе транзистора в переходных процессах отпирания-запирания:
tИМ PКср 2 f (t)dt 2 f E IК kP, К P где - частота следования импульсов;
f р = - 0,5 - - 1 ln - коэффициент рассеиваемой мощности.
-Видно, что для уменьшения выделяемой на коллекторе средней мощности и, следовательно, снижения температуры транзистора необходимо, при прочих равных условиях, увеличивать быстродействие транзисторных ключей (уменьшать ) и увеличивать коэффициент насыщения транзистора S.
Исследованиями установлено, что при обработке в воде условием всплытия расплющенного в боковом межэлектродном зазоре пузыря является:
кпн > 9,45 10-6 где R Цусредненный радиус расплющенного пузыря; Цвеличина бокового зазора между электродами; Kкпн - коэффициент коррекции поверхностного натяжения:
(для мягких режимов с Еи = 2 - 10мкДж, Ккпн = (0,1 - 0,3)10-3 ;
для более грубых режимов с Еи = 10 - 50мкДж, Ккпн = (0,3 - 1,0)10-3.
Установлено, что при движении расплющенных пузырей в щелевом канале кпн и, следовательно, радиус R снижается в 1,2-1,8 раза, а также увеличивается скорость всплытия пузырей, если в щелевой канал ввести вибратор. Таким образом, вибрация электрода-инструмента повышает эффективность самоэвакуации продуктов эрозии из рабочей зоны благодаря трем положительным факторам: уменьшению диаметров парогазовых пузырей, увеличению их количества и скорости движения в боковом межэлектродном зазоре.
Экспериментально также установлено, что применение вибрации электродаинструмента не всегда является целесообразным. На рис.9 показан график зависимости производительности прошивки отверстия диаметром 30мкм в стали 0Х18Н10Т от глубины отверстия и амплитуды вибрации.
Видно, что на малых глубинах производительность выше при обработке без вибрации; с углублением электрода-инструмента целесообразнее амплитуду вибрации увеличивать.
На базе исследований автором была разработана система адаптивного управления вибрацией электрода-инструмента (патент РФ №63274), которая совместно с двухканальным следящим регулятором подачи позволила существенно повысить эффективность процесса.
Для достижения высокой стабильности и производительности процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий, когда величина Рис.9. График зависимости межэлектродного зазора составляет 3- 6мкм, производительности от глубины потребовалась разработка нового малоинерциобработки: 1 - без вибрации;
онного регулятора подачи, обеспечивающего 2 - амплитуда вибрации 4 мкм;
минимальное перерегулирование (перебег) при3 - амплитуда вибрации 12 мкм вода подачи в пределах 1-3мкм.
На первом этапе был разработан регулятор подачи (а. с. №952502), во многом решающий указанную проблему (рис.10).
Рис.10. Структурная схема регулятора подачи: МЭП - межэлектродный промежуток;
П - потенциометр; ЗГ - задающий генератор; ТШ - триггер Шмитта;
У1, У2, У3 - управляющие импульсы; ТУщ, ТУм - триггеры управляющий и управляемый; И1, И2, И3 - схемы совпадений; УП, УО - усилители каналов подвода и отвода; Д - серводвигатель привода Из работы схемы регулятора подачи видно, что среднее напряжение в цепи подвода оказывается строго пропорционально числу импульсов холостого хода, а среднее напряжение в цепи отвода - числу рабочих импульсов и импульсов КЗ:
ср подвода имп. хх =, ср отвода раб. имп.+имп. кз Именно такой баланс управляющих напряжений регулятора подачи для электроэрозионной прошивки микроотверстий оказался оптимальным.
Другие отличительные достоинства разработанного регулятора подачи:
- отсутствие сглаживающего фильтра на входе регулятора, что обеспечивает без задержки выработку управляющего сигнала на каждый импульс напряжения с межэлектродного промежутка;
- при переходе из режима холостого хода в рабочий режим схема обеспечивает ускоренное динамическое торможение двигателя привода, так как изменяется полярность напряжения на двигателе, в отличие от известных схем.
Достоинства нового регулятора подачи позволили уменьшить перебеги до 1-3 мкм, что соответствует требованиям процесса.
На втором этапе была в значительной мере решена проблема инерционности механической части регулятора подачи путем создания двухканального регулятора (патент РФ №63274), в котором так же решалась задача адаптивного управления вибрацией электрода-инструмента (рис.11).
Д Рис.11. Принципы автоматического управления подачей и вибрацией электрода-инструмента (ЭИ):
ХХ - холостой ход; РХ - рабочий ход;
А Б В Г КЗ - короткое замыкание;
t МЭП -межэлектродный промежуток;
t - время; А, Б, В, Г, Д - состояния процесса обработки(см. по тексту.) Вибр. выкл. Вибр. вкл. Вибр. выкл.
t ХХ РХ КЗ РХ Состояние МЭП Новый регулятор подачи выполняет следующие функции:
- осуществляет рабочую подачу в следящем режиме с помощью электромеханического привода (зоны А, Б, Г, Д);
- осуществляет быстрый отвод-подвод электрода-инструмента на малые расстояния (0,02-0,04мм) при нарушении стабильности процесса с помощью электромагнитной системы вибратора (границы зон Б-В, В-Г);
- осуществляет автоматическое управление вибрацией электрода-инструмента при нарушении стабильности процесса (зона В);
Разработанный двухканальный регулятор подачи с адаптивным управлением вибрацией электрода позволил увеличить производительность на 17-55% и снизить износ электрода-инструмента на 11-34%.
Глава четыре посвящена технологическим исследованиям и оптимизации параметров процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий. С целью определения предельных возможностей процесса по глубине обработки был поставлен эксперимент. Прошивались 12 отверстий глубиной от 100 до 1200мкм, т.е. с шагом 100мкм.
Измерялась производительность и износ электрода-инструмента для каждого отверстия. По разности показателей обработки текущего и предшествующего отверстий рассчитывались для каждого участка отверстия износ электрода и производительность. На рис. 12 представлены графики зависимости относительного линейного износа электрода-инструмента в % от глубины его внедрения Н для трех диаметров электродов из вольфрама. Обрабатываемый материал - нержавеющая сталь 0Х18Н10Т. Режимы обработки: энергия импульсов 9,25мкДж, частота - 25кГц Перемещение ЭИ Вибропе ремещение МЭП Рис.12. Графики износа электродаинструмента на различных глубинах прошиваемого отверстия: 1 - для электродаинструмента диаметром 20 мкм; 2 - 30 мкм;
3 Ц50 мкм (сплошные линии - экспериментальные, пунктирные - теоретические) Получена в общем виде математическая модель зависимости (d,H):
, = 1 2,3 +, 0,212 - 1,7где k1 = 0,0033 - 0,433; k2 = 0,43 - 55,6 - коэффициенты, зависящие от материалов электрода и обрабатываемой детали.
Установлено, что большой износ (свыше 100%) наблюдается на глубинах более 15d.
На рис. 13 представлен график производительности Q (мкм/с) на различных глубинах Н прошиваемого отверстия для трех диаметров электрода.
Обобщенная математическая модель зависимости Q(d,H) имеет вид:
, = 3 - 4 + 5 + 6, где k3 = (5,5 - 0,4) 10-3; k4 = 0,417 - 0,041;
k5 = 2,678 - 0,193; k6 = 134,2 - 9,69 - коэффициенты, зависящие от материалов электрода и обрабатываемой детали.
По графику видно, что производительРис.13 График зависимости производительности на различных глу- ность при углублении электрода монотонно бинах прошиваемого отверстия:
снижается приблизительно по линейному 1-для электрода-инструмента диаметзакону. При этом легко определить прером 20мкм; 2- 30мкм. 3-50 мкм дельные возможности процесса путем про( сплошные линии - экспериментальдления кривых до пересечения с осью Н. По ные, пунктирные - теоретические) нержавеющей стали 20.
Снижение производительности и увеличение износа электрода-инструмента на больших глубинах, очевидно, связаны с ухудшением условий эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка.
Энергия импульсов является важнейшим параметром процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий, определяющим производительность, качество поверхности, точность обработки. Установлено, что для докритического диапазона с увеличением энергии импульсов износ и производительности монотонно увеличиваются.
Получены обобщенные математические модели зависимости износа электродаинструмента и производительности от диаметра электрода и энергии импульсов:
, = 1 - -0,37-10,54 ; , = 8 140 - 1 - 0,12-17,7 ;
0,003--2,где k7 = 0,009 - 1,205; k8 = 0,191 - 2,647 - экспериментально полученные поправочные коэффициенты для различных материалов.
Определение оптимальных значений энергии импульсов производилось по оперативной производительности оп = /оп,где Топ - оперативное время, которое кроме основного времени tо включает вспомогательное tвсп на стравливание tтр медной оболочки с рабочего конца электрода для получения оптимального вылета l выл и его промера tпр, а также дополнительное вспомогательное время t на установку и снятие детали: оп , , = о , , + всп , , + , где о , , = /(, , ); всп , , = (тр + пр)/(, , );
где , , = (выл - ) 100/(, , ) - количество прошитых отверстий одним травленным электродом.
Установлено, для нашего эксперимента:
, , = 0,5 0,0009 - 0,093 + 0,435 + 21,8 (2,03 - 2,03 -0,073) На рис.14 представлен объемный график зависимости Qоп (Н,Е) для трех диаметров электродов-инструментов Видно, что для каждого диаметра и глубины отверстия существует оптимальное значение энергии импульсов Еопт, при котором оперативная производительность будет максимальной. В среде MathCAD 2000 были вычислены Еопт для прошивки микроотверстий диаметром 20-100мкм, глубиной 100-3000мкм Экспериментально установлено, что с увеличением частоты импульсов f растет износ Рис.14 График зависимости оперативной производительности от электрода-инструмента , особенно малого энергии импульса и глубины диаметра.
прошиваемого отверстия:
Для оптимизации частоты импульсов был 1-для электрода-инструмента диаметром применен метод аналогичный методу оптими20мкм; 2- 30мкм. 3-50 мкм зации энергии импульсов (см. раздел 4.2). Была получена математическая модель оперативного времени Топ(d, H,f), и для исследуемого диапазона режимов был построен график зависимости оперативной производительности Qоп=Н/Топ от частоты импульсов и глубины прошиваемых отверстий. Установлено, что зависимость Qоп=(Н, f) не имеет экстремальных оптимумов.
Был разработан метод определения одностороннего оптимума по графикам оперативного времени. На рис.15 показан в качестве примера график зависимости оперативного времени от частоты импульсов для d = 20мкм и Н=800мкм.
На графике такого типа наглядно видно, что до частоты 30-40кГц идет существенное снижение времени обработки. При дальнейшем увеличении частоты снижение времени обработки практически не происходит, но увеличивается износ электродаинструмента, что снижает точность обработки. Поэтому для данного диаметра и глубины отверстия оптимальным является частота 35кГц. Таким же методом были определены оптимальные частоты для всего диапазона диаметров и глубин микроотверстий.
Рис.15. Графики зависимости оперативного времени от частоты импульса для электродаинструмента диаметром 50 мкм и глубины 800 мкм Для каждого диаметра и глубины микроотверстия существует оптимальная мощность Ропт=Еоптfопт, обеспечивающая наибольшую производительность (определение Еопт и fопт - см. разделы 4.2 и 4.3).
Была получена и исследована зависимость удельной оптимальной мощности от диаметра и глубины микроотверстий.
опт 4опт 1 уд = = = - + + 186, 2 2 0,8817 + 0,387 50,85 - 26,65 После дифференцирования в частных производных выражение Руд по d и приравнивания к нулю получаем уравнение Н(d) точек максимумов функции Руд (d):
0,12 = 1,908 - + 0,0Полученное выражение позволяет определить наиболее эффективное соотношение Н и d, при котором в межэлектродном промежутке реализуется наибольшая удельная мощность:
d,мм 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,H, мм 0,146 0,37 0,54 0,68 0,79 0,89 0, H/d 3,65 7,4 9 9,7 9,9 9,9 9, Видно, что для отверстий d>50мкм эффективным соотношением является Н/d =10;
для d=35-50мкм - Н/d =1-7; для d30мкм эффективных соотношений нет и, как показывает практика, прошивка таких отверстий весьма затруднительна. Таким образом, разработанная методика дает количественную оценку наиболее эффективных геометрических параметров процесса.
С целью установления степени влияния каждого из многочисленных факторов на выходные параметры процесса и определения реальной зависимости износа электрода-инструмента и производительности Q от диаметра d и глубины Н прошиваемого микроотверстия, энергии Е и частоты f импульсов, частоты fv и амплитуды А вибрации электрода был проведен шестифакторный эксперимент.
Для получения адекватных математических моделей весь диапазон диаметров 20100мкм был разбит на два интервала варьирования: 20-50мкм и 50-100мкм. Соответственно были проведены две серии опытов и получены для каждого диапазона по две адекватные математические модели вида:
= 1 1 2 3 4 5 = 2 1 2 3 4 5 6, где С1, С2, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 2, 3, 4, 5, 6 - коэффициенты моделей, численные значения которых были определены экспериментально для 13 марок обрабатываемых материалов в двух диапазонах диаметров (см. раздел 4.5).
В результате исследования шестифакторной зависимости установлено:
- c увеличением диаметра электрода его износ уменьшается, так как уменьшается удельная мощность и термическая нагрузка на электрод; при этом производительность увеличивается только в области закритической энергии импульсов (диаметры 2050мкм), в докритической области (диаметры 50-100мкм) производительность падает, так как уменьшается удельная мощность;
- c увеличением глубины обработки растет износ электрода, уменьшается производительность, так как ухудшаются условия самоэвакуации продуктов эрозии из рабочей зоны;
- c увеличением энергии и частоты импульсов увеличивается и производительность и износ электрода, что объясняется, первое, увеличением удельной мощности, второе, увеличением термической нагрузки на электрод;
- c увеличением частоты и амплитуды вибрации растет и производительность и износ электрода, особенно для электродов большего диаметра, что объясняется интенсификацией процесса самоэвакуации продуктов эрозии и, следовательно, увеличением числа рабочих импульсов.
Первый опыт промышленного применения транзисторных генераторов коротких импульсов для электроэрозионной прошивки микроотверстий показал существенную зависимость производительности процесса от величины вылета электродаинструмента, образованного электрохимическим стравливанием медной оболочки с рабочего конца электрода. Как показали наблюдения, скорость прошивки с увеличением вылета до определенной величины заметно растет, далее становится мало изменяющейся и при больших вылетах процесс становится нестабильным, скорость прошивки падает. Таким образом, существует оптимальный диапазон вылета.
Была разработана теория, согласно которой с увеличением вылета электродаинструмента снижается его поперечная жесткость, уменьшается надежность электрического контакта между электродами в боковом зазоре при кз, повышается вероятность электроэрозионного разрушения контакта от импульса тока без разведения электродов, что повышает стабильность и производительность процесса.
В соответствии с этой теорией получена расчетная формула минимального оптимального вылета (односторонний оптимум):
2св 3 опт а см где Uсв = 1,1В - напряжение сваривания; Ia - амплитуда тока кз; - удельное электрическое сопротивление; n - параметр площадки касания (здесь n=1, т.к. контакт точечный);
Е - модуль упругости; I - момент инерции сечения электрода-инструмента; f - прогиб электрода-инструмента при КЗ; см - сопротивление контактного материала смятию.
Разработанный метод расчета оптимального вылета электрода-инструмента позволяет повысить производительность процесса на 30-60%, а полученная расчетная формула после преобразований позволяет прогнозировать разбивку микроотверстий по диаметру.
При электроэрозионной прошивке микроотверстий практическую значимость имеют три погрешности формы отверстия.
1.Наиболее существенной погрешностью формы является овальность, причиной которой является непараллельность осей электрода-инструмента направлению его подачи (рис. 16). Наибольшая овальность получается на входе отверстия и с учетом торцевого износа электрода определяется по формуле:
ов= +, 1где Н - глубина отверстия; - угол отклонения оси электрода от направления его подачи (среднее значение , определенное по результатам большой выборки из 50 опытов, не превышает 0,04); - относительный линейный износ электрода -инструмента в %.
2. Локальная конусная разбивка боковой поверхности отверстия является следствием разрядов в боковом зазоре через продукты эрозии по тракту их движения с газовыми пузырями из промежутка. В поперечном сечении профиль разбивки имеет вид части эллипса; в Рис. 16. Схема образовании продольном - экспоненциальной кривой. Размер элпогрешности типа овальность липсности определяется по формуле:
0, - 12эл1= 8,7 10-4 0,3 0,8 0,5 1 + 1 - , 1где d и Н - диаметр и глубина отверстия в мкм; Е - энергия импульсов в мкДж;
- относительный износ электрода-инструмента в %.
3.Погрешность вследствие износа боковой поверхности электрода-инструмента характерна для глухих отверстий. Величина этой погрешности составляет 30-100% от эллипсности. Для сквозных отверстий погрешность устраняется дополнительным калибрующим ходом электрода.
Так как для электроэрозионной прошивки микроотверстий был впервые разработан и применен транзисторный генератор сверхкоротких импульсов, возникла необходимость в изучении зависимости шероховатости обработанной поверхности Ra от параметров уникальных импульсов тока: энергии Е и частоты f, длительности пачек импульсов. Установлено, что длительность пачек импульсов несущественно влияет на шероховатость, поэтому полученная математическая зависимость имела вид:
= где С, , - параметры модели, зависящие от материала электродов, состава рабочей жидкости. При обработке в воде С=0,0248 Ц0,1838; =0,526 Ц0,811; = - (0,177 - 0,36).
Установлено, что наибольшее влияние на шероховатость оказывает энергия импульсов, и что при равных условиях шероховатость при обработке в керосине больше на 15-23% по сравнению с обработкой в воде.
При исследовании геометрических параметров и формы эрозионных лунок впервые установлено закономерная связь между числовым значением показателя степени при энергии Е импульсов в уравнении регрессии вида Ra=CE и формой получаемых лунок (табл. 6).
Таблица Взаимосвязь между показателем степени в модели Ra=CE и формой лунок Форма Конус Параболоид вращения или шаровой сегмент Полуэллипсоид Круговой лунок вращения цилиндр 1/3 1/2 2/3 В соответствии с новой теорией значения может изменяться в широком диапазоне:0,33 Ц1,0;в известных работах - =0,33Ц0,4. При этом с уменьшением энергии и увеличением частоты импульсов снижается шероховатость, а форма лунок приближается к цилиндрической или полуэллипсоиду вращения с весьма малым соотношением диаметра к глубине лунки (до 1,5-2). Ранее минимальным соотношением считалось 45. Открытие новых закономерностей формирования микрошероховатости связано с применением нового транзисторного генератора сверхкоротких импульсов малых энергий.
В пятой главе представлены практические результаты работы: типовой технологический процесс, режимы обработки и оборудование для эффективной электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий.
Процесс осуществляется на электроэрозионных станках моделей 04ЭП-10, СЭП. МЭП-2-004; СЭП.Р-6,5-002.
В качестве электрода-инструмента используется:
- для диаметров 0,01 - 0,2 мм вольфрамовая проволока, гальванически покрытая слоем меди до 0,4-0,5мм;
- для диаметров более 0,2мм вольфрамовая, молибденовая, латунная, медная проволока без покрытия, как обладающая достаточной жесткостью.
Перед установкой в станок электроды рихтовались. После установки с рабочего конца омедненного электрода стравливалась медная оболочка в 50% растворе хромового ангидрида до оптимального вылета. В качестве рабочей жидкости используется водопроводная вода. Подробное описание технологического процесса дается в приложении к диссертации.
Для оптимизации режимов обработки были определены граничные условия процесса. Для обеспечения эффективного пароструйного характера процесса необходимо, чтобы наибольшее значение удельной мощности Руд разряда удовлетворяло ограниче()() нию: уд = > 109Вт/смк () Для обеспечения этого требования определены граничные значения параметров импульсов разрядного тока: амплитуды тока 0 ф п1+ф об мэп - мэп( + - 1) = 2 - 25А, п2+ф об об длительности импульса и = об = 0,05 - 0,5мкс, энергии импульса обС 0 Ф П1 + Ф Е = 2мэп - МЭП + - 1 = 2 - 150мкДж П2 + Ф об об В зависимости от требований к качеству микроотверстий их условно можно разбить на три группы.
Группа 1: отверстия, для которых основным требованием является получение наибольшей производительности. При этом требования по точности и шероховатости поверхности не являются лимитирующими. Например, микроотверстия в атравматических иглах.
В этом случае оптимальные значения энергии Еопт и частоты fопт импульсов определяются исходя из обеспечения наибольшей оперативной производительности (см. глава 4). В табл. 5.1 и 5.2 диссертации даны расчетные значения Еопт и fопт в зависимости от d и Н микроотверстия. Для d=20-100мкм и Н=100-3000мкм граничные значения Еопт=0,6-41,5мкДж, fопт=1-105кГц Группа 2: отверстия со средними требованиями по точности (=0,005 - 0,01мм) и шероховатости поверхности (Ra=0,32Ц0,64мкм). Для этого случая, как показывает практика, максимально возможная производительность ограничивается требованиями по шероховатости, а точность, как правило, обеспечивается автоматически выбранными режимами. К этой группе относятся микроотверстия в деталях электронных приборов с глубиной до 10 диаметров. Для отверстий этой группы оптимальное сочетание энергии Е и частоты f импульсов должно удовлетворять ограничению = зад, где зад - заданное значение шероховатости. Например, для стали Х18Н10Т Ra=0,085Е0,746fЦ0,31. Дискретные значения Ra для всего диапазона режимов станка 04ЭП-10М, рассчитанные по этой модели, приведены в табл.Таблица Значения шероховатости поверхности микроотверстий, Ra, мкм, при обработке в воде нержавеющей стали Х18Н10Т вольфрамовыми электродами Энергия Частота импульсов, кГц импульсов, мкДж 25 (1) 33 (2) 50 (3) 100 (4) 1 2 3 4 1,91 (1) 0,051 0,047 0,041 0,02,8 (2) 0,068 0,062 0,055 0,06,17 (3) 0,122 0,112 0,098 0,09,25 (4) 0,165 0,152 0,133 0,113,18 (5) 0,215 0,197 0,173 0,28,04 (6) 0,378 0,347 0,305 0,250,47 (7) 0,586 0,537 0,472 0,392,52 (8) 0,92 0,844 0,742 0,5131,77 (9) 1,198 1,099 0,966 0,157 (10) 1,365 1,253 1,101 0,8Выбирая по таблице ближайшее меньшее значение Ra относительно заданного, определяют требуемое оптимальное сочетание режимов обработки: энергию и частоту импульсов, при котором обеспечивается наибольшая производительность при заданном ограничении по шероховатости. Например, при Raзад=0,64мкм имеем Еопт=50,47мкДж, fопт=25кГц (см.отмеченное в табл.7) Группа 3:отверстия с жесткими требованиями по точности (< 0,005мм) и шероховатостью (Ra< 0,32мкм). Например, микроотверстия в инструменте микросварки, волоках, изделиях электронной техники с соотношением h/d> 15-20. В этом случае требуется получить наибольшую производительность, выполнив требования двух ограничений: по шероховатости поверхности и точности обработки.
Расчет режимов обработки (Е1и f1) по первому ограничению (Ra) производится по такой же методике, как для микроотверстий группы 2 (см.выше).Расчеты по второму ограничению (по точности ) производятся в следующем порядке.
1. Так как основной погрешностью отверстия является овальность, зависящая от износа электрода-инструмента, то ограничение по точности может быть выражено через допустимый относительный износ доп электрода (см. глава 4):
отв доп 100 - 1,% где Н - глубина отверстия; =0,04 - наибольший угол отклонения оси электрода от направления его подачи; отв - заданная точность отверстия.
2. Используя данные многофакторного эксперимента (см. глава 4) строят математическую модель вида = 111 и таблицу зависимости (E, f) по принципу таблицы 7.
3. По таблице выбирают ближайшее меньшее значение износа относительно доп и соответственно второе предельное сочетание режимов обработки Е2, f2.
Чтобы выполнить требования двух ограничений из двух предельных сочетаний режимов: Е1, f1 и Е2, f2 выбирают более мягкий режим.
Оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий представляет собой три поколения станков, в создании которых непосредственное участие принимал автор. Первое поколение станков представляет модель 04ЭП-20 являющаяся базовой, относительно нее сравнивались все последующие разработки. Было изготовлено около 150 станков. В отличие от предшествующих аналогов станок был оснащен прецизионным координатным столом, двумя оптическими головками, электронным усилителем следящей системы. Однако станок имел традиционный RC-генератор импульсов, в качестве рабочей жидкости использовался керосин, использовался низкочастотный (100Гц) вибратор. Поэтому нерешенными оставались проблемы производительности, износа электрода-инструмента, прошивки глубоких микроотверстий, проблема экологии вследствие использования керосина.
Базовой моделью станков второго поколения является электроэрозионный станок модели 04ЭП-10М (рис.17). Серийно изготовлялся заводом Ритм (г. Белгород).Изготовлено и внедрено в производство свыше 500 станков.
Основные отличительные конструктивные особенноРис. 17. Электроэрозионный сти нового станка: использование в качестве источника станок мод. 04ЭП-10М технологического тока транзисторного генератора коротких биполярных импульсов наносекундного диапазона (защищен а.с.№884923);
применение быстродействующего регулятора подачи (защищен а.с. №952503); применение высокочастотного вибратора с адаптивным управлением (пат.РФ №63274); использование в качестве рабочей жидкости обычной воды; продуманное дизайнерское оформление станка (свидетельство на промышленный образец №13125).
Техническая характеристика станка модели 04ЭП-10М Размеры координатного стола, ммЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ 140x1Ход координатных перемещений: х,у; ммЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ Установочное перемещение каретки, мм ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ Рабочее перемещение вибратора, ммЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.......Е Диаметры прошиваемых отверстий, мм ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ 0,015-0,Наибольшая глубина прошиваемых отверстий, диаметров электродаЕЕЕЕЕЕ...........15-Точность выполнения отверстий (разноразмерность для 0,04 мм),ммЕЕЕЕЕ............. 0,0Скорость прошивки отверстий 0,015-0,1 мм в твердом сплаве ВК-6М,мм/минЕЕЕЕ..Е0,5-1,Шероховатость обработанной поверхности, Rа, мкмЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.Е0,1-0,Минимальный относительный линейный износ электрода из вольфрама при прошивке твердого сплава ВК-6М, %ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.1-Частота следования импульсов, кГцЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.Е44,66,100,2Длительность импульсов тока, мкс......................................................................................0,05-0,Амплитуда импульсов тока, АЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..Е2-Частота колебаний электрода, ГцЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ200-8Потребляемая мощность, кВт ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..............................Е.......0,Межэлектродная средаЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..водопроводная вода Расход воды, л/чЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..Е Габаритные размеры, ммЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..ЕЕ720x650x14Масса, кгЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ1К третьему поколению станков для электроэрозионной прошивки малых отверстий относят станки, оснащенные системами ЧПУ моделей 04ЭП-10МФ2, СЭП.МЕП-1-005, СЭП-85-001.
В шестой главе представлены технико-экономические показатели внедрения результатов работы. Созданные новая технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий имели следующие преимущества перед устаревшей технологией первого поколения: увеличение производительности в 2-10 раз (в зависимости от обрабатываемого материала и глубины отверстия); снижение износа электрода-инструмента и, как следствие, повышение точности обработки в 2-3 раза; увеличение предельной глубины прошиваемых отверстий в 1,5-2 раза; существенное улучшение условий труда рабочих и снижение пожароопасности оборудования вследствие замены рабочей жидкости керосина на воду.
При внедрении новой технологии и оборудования большинство расчетов экономического эффекта связаны с увеличением производительности процесса. Наибольший эффект достигается при прошивке микроотверстий глубиной свыше десяти диаметров, а так же при обработке труднообрабатываемых материалов: твердого сплава, хромоникелевых сталей, высоколегированных сплавов. Только электроэрозионных станков модели 04ЭП-10М было внедрено в различных отраслях промышленности свыше 5штук (табл. 8).
Таблица Объемы внедрения и применяемость электроэрозионных станков мод. 04ЭП-10М по отраслям промышленности Объем № Отрасль про- внедрения Типовые обрабатываемые изделия п/ мышленности станков п шт % 1. Твердосплавный инструмент для микросварки и микропайки электронная 84 16,2. Детали электронных приборов (анодные узлы ЭОС, видико- электронная нов, иконоскопов, супертиконов, потенциалоскопов, ЭЛТ, 185 36,детали магнитных блоков, волноводы ЭВП) 3. Атравматические хирургические иглы медицинская 42 8,4. Детали пневмо- и гидрорегулирующей аппаратуры, распыли- авиационная, 41 8,тели топлива и окислителя ЖРД, сопла дыхательных аппара- оборонная, тов подводников, космонавтов, охлаждающие каналы лопаток аэрокосмичетурбин турбореактивных двигателей ская 5. Твердосплавные кондукторы, направляющие втулки для за- инструмен- 24 7,точки малых сверл, фильеры, ювелирный инструмент тальная 6. Дроссели, распылители, форсунки автомобильная 28 5,7. Детали техоснастки часового производства часовая 17 3,8. Керны для навивки спиралей, волоки, направляющие устрой- электротехни- 16 3,ства для намотки ческая 9. Стержни спец. печатающих устройств принтера, датчики машинострое- 14 2,расходомеров, дозаторы ние 10. Прочие изделия 50 9,Наибольшее количество станков внедрено в электронную промышленность (более 50%) в производство деталей электронных приборов и инструмента для микросварки.
Значительное количество станков эксплуатируется также в медицинской (атравматические иглы), оборонной, аэрокосмической, авиационной, автомобильной, инструментальной промышленности.
Таким образом, реализация результатов исследования и разработок позволила создать в промышленных масштабах эффективную технологию и оборудование для электроэрозионной обработки прецизионных микроотверстий, внедрить свыше 500 станков только мод. 04ЭП-10М. Только от внедрения 15 станков на 10 оборонных предприятиях (см.приложение к диссертации) подтвержденный годовой экономический эффект в пересчете на текущий курс рубля составил 24.3 млн.руб.
Основные результаты и выводы по работе 1. Выполненный комплекс исследований и разработок по характеру результатов представляет собой совокупность научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых внесло значительный вклад в развитие экономики страны и повышение е обороноспособности. Была решена актуальная научная проблема по созданию теоретических основ и методологии проектирования высокоэффективной технологии и оборудования нового поколения для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий.
2. Впервые 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 короткого импульса тока. Этот научный факт дополняет феноменологиче- скую модель механизма электрической эрозии Б.Н. Золотых новым способом удале- ления металла с электрода.
3. Предложенная экспоненциальная модель расширения канала разряда хорошо коррелируется с дебаевским ограничением радиуса канала плазмы и позволяет с высокой точностью прогнозировать геометрические параметры лунок и, следовательно, характер шероховатости обрабатываемой поверхности.
4. Установлено, что в основе процесса естественной эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка лежат обусловленные электрическим разрядом два встречно-параллельных потока: восходящий эвакуирующий, насыщенный парогазовыми пузырями, и нисходящий поток обновления, являющийся следствием первого потока;получены математические модели, показывающие, что интенсивность самоэвакуации повышается с увеличением насыщенности эвакуирующего потока пузырьками.
5. Изобретенный транзисторный генератор коротких биполярных импульсов наносекундного диапазона (а.с. №884923) и методы оптимизации его параметров 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, форма импульсов биполярная с апериодическим обратным выбросом.
6. Требуемые параметры генератора импульсов и, следовательно, его высокая технологическая эффективность были получены благодаря новым научно-техническим разработкам автора:
- предложена и исследована идея применения комбинированного ключа из параллельно соединенных транзисторов, доказана ее эффективность для увеличения крутизны и уменьшения длительности переднего фронта импульса тока;
- на основе этой идеи сформулирован новый критерий оптимальной скорости включения комбинированного транзисторного ключа и получены расчетные формулы количества транзисторов в ключе;
- разработанная оригинальная схема генератора позволила полностью исключить влияние затяжных переходных процессов запирания транзисторного ключа на формирование заднего фронта импульсов разрядного тока и, следовательно, получить высокую крутизну и малую длительность заднего фронта импульса;
- установлено, что более эффективной является апериодическая форма холостых биполярных импульсов напряжения, для получения которых предложена схема индуктивного формирователя с резисторно-диодной цепочкой и необходимые для оптимизации параметров схемы формирователя математические модели.
7. В исследованиях переходных процессов отпирания-запирания транзисторного ключа в генераторе импульсов для электроэрозионной обработки был открыт закон лодной четверти, согласно которому импульсная мощность, выделяемая на коллекторе транзистора в моменты его запирания и отпирания, составляет от произведения амплитудных значений тока и напряжения, что следует учитывать при выборе типа транзистора.
8. Разработан новый быстродействующий двухканальный следящий регулятор подачи с динамическим торможением привода в переходных процессах (а.с. №952502, пат. РФ №63274), позволивший снизить перебеги в 2 раза и повысить стабильность и производительность процесса обработки.
9. Изучена физическая сущность положительного влияния вибрации на процесс:
уменьшается размер пузырьков, увеличивается их количество и скорость всплытия.
Установлено, что для каждой глубины обработки существует оптимальная амплитуда вибрации, соответствующая наибольшей производительности. Была разработана система адаптивного управления вибрацией (пат. РФ№63274).
10.В технологических исследованиях на новых базовых компонентах:
- установлена обратная линейная зависимость производительности процесса от глубины внедрения электрода-инструмента в обрабатываемую деталь, получен метод оценки предельной глубины прошиваемых отверстий;
- разработан метод расчета оптимального вылета электрода-инструмента, который позволяет повысить производительность процесса на 30-60%, а так же прогнозировать разбивку микроотверстий по диаметру;
- установлено, что основной погрешностью электроэрозионной обработки микроотверстий является погрешность формы типа овальность, на которую получены необходимые расчетные формулы; произведена оценка других погрешностей;
- установлена закономерная связь между показателями степени при энергии импульсов в уравнении регрессии Ra=f(E,fимп) и формой эрозионных лунок; доказано, что этот показатель в зависимости от формы лунок принимает значения 0,33-1,0, в отличие от известных оценок - 0,33-0,4.
11.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 5станков 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.
Основные положения диссертации отражены в работах Монография 1.Бойко А.Ф.Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий [Текст]: монография/А.Ф.Бойко.-Белгород: Изд-во БГТУ, 2010.-314с.
Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ 2. Погонин А.А.Особенности расчта по мощности силовых транзисторных ключей, используемых в генераторах импульсов станков электроэрозионной обработки[Текст]/ А.А.Погонин, А.Ф.Бойко,Б.В.Домашенко//СТИН.-2006.-№5.-С.33-35.
3. Погонин А.А.Влияние пневмоструйной обработки на качество обрабатываемых изделий машистроения[Текст]/А.А.Погонин,А.Ф.Бойко,Т.А.Блинова//Технология машиномстроения.-2007.№4.-С.52-53.
4. Погонин А.А. Модернизация генератора импульсов тока для электроэрозионной прошивки капиллярных отверстий[Текст]/ А.А. Погонин, А.Г. Схиртладзе, А.Ф. Бойко, Б.В. Домашенко// Ремонт, восстановление, модернизация.- 2007.- № 8.- С. 28-33.
5. Бойко А.Ф. Оптимизация вылета электрода-инструмента при электроэрозионной прошивке микроотверстий[Текст]/ А.Ф. Бойко, А.А. Погонин, М.Н. Воронкова// Технология машиностроения.- 2008.- № 10.- С.18-20.
6. Бойко А.Ф. Сравнительный анализ производительности электроэрозионной прошивки микро- отверстий при использовании RC- и транзисторного генераторов импульсов[Текст] /А.Ф. Бойко, А.А. Погонин, М.Н. Воронкова// Электрика.- 2009.- № 10.- С. 19-23.
7. Бойко А.Ф. Технологические методы получения микроотверстий. Часть 1[Текст]/А.Ф. Бойко// Ремонт, восстановление, модернизация.- 2009.- № 9.- С. 31-36.
8. Бойко А.Ф.Технологические методы получения микроотверстий.Часть 2[Текст]/А.Ф.Бойко //Ремонт, восстановление, модернизация.- 2009.- № 10.- С. 21-25.
9. Бойко А.Ф. Исследование переходных процессов наносекундного транзисторного генератора импульсов для электроэрозионной прошивки микроотверстий в режиме холостого хода и короткого замыкания[Текст] /А.Ф. Бойко, А.А. Погонин, М.Н. Воронкова, А.Г. Схиртладзе// Электрика.- 2010.- № 1.- С. 28-35.
10. Погонин А.А. Совершенствование технологии процесса электроэрозионной обработки мик- микроотверстий[Текст] / А.А. Погонин, А.Ф. Бойко, Б.В. Домашенко, А.Г. Схиртладзе// Ремонт, восстановление, модернизация.- 2010.- № 1.- С. 5-7.
11.БойкоА.Ф.Электроэрозионная обработка микрорадиусов[Текст] /А.Ф.Бойко//Ремонт, восстановление, модернизация.-2010.-№5.-С.2-4.
12.ПогонинА.А.Дисперсный анализ продуктов электроэрозионной обработки/[Текст] А.А.Погонин,А.Ф.Бойко, Т.А.Блинова// Технология машиностроения.-2010.-№6.-С.26-28.
13. Погонин А.А.Определение оптимального метода установки электрода-инструмента относительно обрабатываемой детали[Текст] /А.А.Погонин,А.Ф.Бойко, Т.А.Блинова// Ремонт, восстановление,модернизация.-2010.-№7.С.36.
14. Блинова Т.А.Зависимость шероховатости поверхности малых отверстий от типа ра-бочей среды и режимов электроэрозионной обработки [Текст] /Т.А.Блинова,А.А.Погонин,А.Ф.Бойко//Известия Самарского научного центра Российской академии наук.-Са-мара;Издво Самарского научного центра РАН.-2010.-Том 12(33),№11(2).-С.301-303.
15.Бойко А.Ф.Оптимизация мощности электроэрозионной прошивки микроотверстий[Текст]/А.Ф.Бойко//Ремонт, восстановление, модернизация.-2010.-№7.-С.43-47.
16. Бойко А.Ф.Анализ динамики удельной мощности электрических разрядов при электроэрозионной прецизионной обработке [Текст] /А.Ф.Бойко//Ремонт, восстановление, модернизация.2011.-№3-С.44-47.
17.Бойко А.Ф.Особенности механизма электрической эрозии при использовании сверхкоротких импульсов тока[Текст]/А.Ф.Бойко/Технология машиностроения.-2011.-№4.-С.23-18. Бойко А.Ф. Исследование механизма естественной эвакуации продуктов обработки при электроэрозионной прошивке микроотверстий[Текст] /А.Ф.Бойко//Ремонт, восстановление,модернизация.-2011.-№4-С.49-51.
19. Бойко А.Ф. Исследование динамики изменения канала разряда при электроэрозионной обработке[Текст]/А.Ф.Бойко//Технология машиностроения.-2011.-№5.-С.17-19.
Публикации в других изданиях 20. Ноздрин И.А. Электроискровая обработка радиусов малых размеров[Текст]/ И.А. Ноздрин, А.Ф. Бойко// Электронная техника. Сер.7, Технология, организация производства и оборудование.- 1973. - №4(56).- С.27-31.
21. Ноздрин И.А. Технология получения сложных отверстий в твердосплавном инструменте для микросварки[Текст] / И.А. Ноздрин, А.Ф. Бойко// Электронная тех-ника.Сер.7, Технология, организация производства и оборудование.-1973.-№6(58).- С. 26-31.
22. Погонин А.А. Бесконтактная следящая система к копировальным станкам[Текст] /А.А. Погонин, А.Ф. Бойко// Межотраслевые вопросы науки и техники.- 1975.- №10/2.- С.17-23.Бойко А.Ф.Высокопроизводительные методы электроэрозионной обработки деталей штампов и пресс-форм[Текст]/ А.Ф. Бойко// Научно-техн. конф.: тез.докл., Белгород, 4-6 февраля 1975г./ БТИСМ - Белгород, 1975.- С. 34-35.
24. Бойко А.Ф. Об опыте эксплуатации и модернизации электроэрозионного оборудования в инструментальном производстве[Текст] /А.Ф. Бойко// Техн. совещание: тез. докл., Москва, февраля 1976г./11-е Глав.упр-е МЭП.- Москва, 1976.- С. 18-19.
25.Бойко А.Ф. Перспективы развития электроэрозионных методов обработки металлов[Текст]/А.Ф. Бойко// научно-техн. кон.: тез.докл., Белгород, 30 марта -6 апреля 1977г./ БТИСМ.-Белгород, 1977.- С. 47-26.Бойко А.Ф.Применение высокопроизводительных методов изготовления инструмента методом электроэрозии[Текст] / А.Ф. Бойко// Прогрессивная технология изготовления и современные методы повышения стойкости режущего и специального инструмента и оснастки: тез.
докл. научно-практ. конф., Белгород, 17-18 ноября 1977г./ ЦНТИ.- Белгород, 1977.- С.27. Бойко А.Ф. Прогрессивная технология и оборудование для электрофизической размерной обработки деталей штампов и пресс-форм[Текст]/ А.Ф. Бойко// Прогрессивные методы изготовления технологической оснастки: тез.докл. Республ. научно-техн. конф., Рига,21-23 ноября 1979г. /ЛатНИИНТИ.- Рига,1979.- С.31-33.
28.Бойко А.Ф.Высокоэффективные технологические процессы электроэрозионной обработки технологической оснастки, инструмента и микроинструмента[Текст]/А.Ф. Бойко// Прогрессивная технология в инструментальном производстве: тез.докл. Обл. научно-практ. конф., Белгород, 12 июня 1979г./ Обл.правл. НТО Машпром, ЦНТИ.- Белгород, 1979.- С.24-25.
29. Бойко А.Ф. Высокочастотная электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра/[Текст]А.Ф. Бойко// Электронная обработка материалов.-1980.- № 1.- С.86-88.
30.Бойко А.Ф.Тиристорный генератор импульсов для высокопроизводительной электроэрозионной вырезки[Текст]/А.Ф. Бойко//Электронная обработка материалов.-1981.- № 2.- С.78-80.
31.Бойко А.Ф.Прецизионный станок О4ЭП-10М для высокочастотной электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра[Текст] / А.Ф. Бойко, Ю.М. Бративник, Ю.А. Хукаленко// Электронная обработка материалов.- 1983.- № 3.- С. 76-78.
32. Бойко А.Ф. Техника и технология электроэрозионной обработки микросварочного инструмента из карбида вольфрама и перспективы ее развития[Текст]/А.Ф. Бойко// Развитие производства инструмента для микросварки и микропайки: тез.докл. Засед. секции №10 НТС МЭП, Чебоксары,18-19сентября 1983г./ Завод Контур.- Чебоксары, 1983.- С.6-8.
33.БойкоА.Ф.Электроэрозионное оборудование для размерной обработки микроинструмента[Текст]/ А.Ф. Бойко, Ю.М. Бративник// Электронная техника. Сер. 7, Технология, организация производства и оборудование.- 1984.- № 3.- С. 17-19.
34.Бойко А.Ф. Станок для электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра[Текст]/ А.Ф. Бойко// Станки и инструмент.- 1987.- № 12.- С. 24-25.
35.Бойко А.Ф.Электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра[Текст] /А.Ф.Бойко // Электрофизические и электрохимические методы обработки:тез.докл.Научно-техн.конф., Харьков,1987.- С.28-29.
36.Бойко А.Ф.Расчет оптимального вылета электрода-инструмента при высокочастотной электроэрозионной прошивке отверстий малого диаметра[Текст]/ А.Ф. Бойко// Электронная техника.Сер.7,Технология, организация производства и оборудование.-1988.- № 5.- С.85-87.
37. Бойко А.Ф. Сравнительный анализ роста производительности процесса при высокочастотной электроэрозионной прошивке отверстий малого диаметра[Текст]/А.Ф.Бойко// Электронная обработка материалов.-1989.- № 1.- С.77-81.
38.Бойко А.Ф. Особенности расчета транзисторного генератора биполярных коротких импульсов для высокочастотной электроэрозионной прошивки в воде отверстий малого диаметра [Текст]/А.Ф. Бойко; Электронная обработка материалов.- Кишинев, 1988.- 21с.- Деп. в ВИНИТИ 26.10.88, № 7683-В88.
39. Бойко А.Ф. Исследование переходных процессов транзисторного генератора коротких биполярных импульсов для электроэрозионной прошивки в воде отверстий малого диаметра[Текст] /А.Ф. Бойко;Электронная техника.Сер.7,Технология,организация производства и оборудование.- Н. Новгород, 1989.- 12с.- Деп. в ЦНИИ Электроника, 1989, № Ц-5119.
40. Бойко А.Ф. Станки для скоростной электроэрозионной прошивки малых отверстий/[Текст] А.Ф. Бойко// Электронная промышленность.- 1990.- № 11.- С. 4-5.
41.Бойко А.Ф.Станки для скоростной электроэрозионной прошивки малых отверстий[Текст] /А.Ф.Бойко//Электронная обработка материалов.-1991.- № 1.-С.72-73.
42.Погонин А.А.Исследование переходных процессов при параллельном соединение тран- зисторных ключей в генераторах импульсов электроэрозионных станков[Текст] /А.А.Погонин, А.Ф. Бойко,Б.В. Домашенко//Вестник БГТУ.-2005.- № 11 (Спецвыпуск:Материалы Международной науч.-практ. конф.Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии).-С.368-376.
43.Погонин А.А. Исследование производительности электроэрозионной прошивки капиллярных отверстий[Электронный ресурс]/А.А. Погонин, А.Ф. Бойко, Б.В. Домашенко// Инструментальное и метрологическое обеспечение машиностроительных производств 2005: тез.докл. Междунар. науч.-техн. электронная интернет-конф., Тула, 2005г./ Тульский гос. ун-т.- Тула, 2005.- С.
17-23.- Режим доступа: 44.Погонин А.А. Оптимизация энергии импульса при электроэрозионной прошивке капиллярных отверстий[Текст] /А.А. Погонин, А.Ф.Бойко, Б.В. Домашенко//Механики - XXI веку:сб.
докл.V межрегион.науч.-техн. конф. с междунар.участ.,Братск,1-3 марта 2006г./Братский гос. унт.- Братск, 2006.- С. 256-261.
45.Погонин А.А. Влияние энергии и частоты импульсов тока на производительность электроэрозионной обработки капиллярных отверстий[Текст]/А.А.Погонин, А.Ф. Бойко, Б.В. Домашенко// Новые материалы и технологии в машиностроении:сб. докл. Пятая междунар. науч.-техн. конф., Брянск, 2006г./ Брянская гос. инж.-технол. акад.- Брянск, 2006.- С.133-136.
46. Погонин А.А.Влияние энергии и частоты импульсов тока на качество поверхности капиллярных отверстий, полученных в результате электроэрозионной прошивки[Текст] / А.А. Погонин, А.Ф. Бойко, Т.А. Блинова// Наука на рубеже тысячелетий: сб. мат-ов 5-й междунар. науч.практ. конф., Тамбов, 26-27 окт. 2008г./ ТГТУ.- Тамбов, 2008.-С.157-159.
47. Погонин А.А. Влияние состава рабочей жидкости на форму эрозионных лунок[Текст] / А.А.
Погонин, А.Ф.Бойко,Т.А.Блинова// Наука и устойчивое развитие общества:сб. мат-лов четвертой междунар. науч.-практ. конф.,Тамбов,25-26 сент.2009г./ ТГТУ.-Тамбов,2009.-С.386.
48.Погонин А.А. Погрешность установки электрода-инструмента и ее влияние на форму обработанной поверхности[Текст]/А.А. Погонин,А.Ф. Бойко,Т.А. Блинова// Наука на рубеже тысячелетий:сб.мат-лов шестой междунар.науч.-практ. конф.,Тамбов,26-27окт. 2009г. / Тамбов.гос. технич. ун-т.- Тамбов,2009.-С.217-218.
49.Погонин А.А.Зависимость производительности и износа электрода-инструмента от его материала при электроэрозионной прошивке капиллярных отверстий[Текст]/ А.А. Погонин, А.Ф.
Бойко, Т.А. Блинова//Наука на рубеже тысячелетий: сб. мат-лов шестой междунар. науч.-практ.
конф., Тамбов, 26-27 окт. 2009г./ Тамбов.гос.технич.ун-т.- Тамбов, 2009.-С.218-219.
50.Блинова Т.А. Технологические проблемы повышения качества изделий с малыми отверстиями[Текст]/Т.А.Блинова, А.Ф.Бойко,А.А.Погонин// Надежность и качество: труды межд.симп.:под ред.Н.К.Юркова.-Пенза:Изд-во ПГУ.-2010.-Т2.-С.444-446.
Авторские свидетельства и патенты 51.А.с.884923 СССР,М.Кл3. В 23 Р 1/02.Транзисторный генератор импульсов для электроэрозионной обработки[Текст] /А.Ф. Бойко,С.А.,Шаповалов (СССР).-№2876113/25-08;заявл.
30.01.80;опубл.30.11.81,Бюл.№ 44.-17с.
52.А.с. 952496 СССР,М.Кл3. В 23 Р 1/02.Генератор импульсов для электроэрозионной обработки[Текст]/ А.Ф.Бойко,С.А.Шаповалов (СССР).- №2983236/25-08; заявл. 09.07.80; опубл.23.08.82, Бюл. № 31.- 22с.
53.А.с.952503 СССР,М.Кл3.В 23 Р 1/14.Регулятор подачи электроэрозионного станка [Текст]/А.Ф.Бойко,С.А.Шаповалов,В.М. Коробцов (СССР).-№3228978/2508;заявл.31.12.80;
опубл.23.08.82, Бюл. № 31.- 27с.
54.Свид. на пром. обр. 23441 СССР, М.Кл3. В 23 Р 1/02. Электроэрозионный прошивочный станок[Текст] /А.П.Явтушенко, Л.И. Явтушенко, Ю.А. Хукаленко, А.Ф.Бойко (СССР).№40534/25-08; заявл.28.01.87;опубл.23.11.87,Бюл.№ 48.- 15с.
55.Пат. 63274 Российская Федерация, МПК В23Н1/00 Адаптивный электромеханический регулятор подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка[Текст] / Погонин А.А., Бойко А.Ф., Домашенко Б.В.; заявитель и патентообладатель Белгор. гос. технол. ун-т. - № 2006146420/22; заявл. 25.12.06; опубл. 27.05.07, Бюл. № 15.- 23с.55.
56.Пат.100443РФ. Устройство для электроэрозионной обработки [Текст]/ Т.А.Блинова, А.Ф.Бойко, Н.А. Архипова,А.А.Афанасьев,А.А.Погонин;заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО БГТУ им.В.Г.Шухова.-№2010121273;заявл.25.05.2010;опубл.20.12.2010, Бюл.№35.-17с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям