CC BY
42
УДК 541.135; 519.713
К.В. Кувшинов, асп., 9156862764, kostaspirant@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.И. Курочкин, асп., 9207422149, a.i.kurochkin@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОЛУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Проведен анализ существующих технологических схем и режимов микроэлек-троэрозионной обработки. Осуществлен выбор оптимальной технологической схемы и режима микроэлектроэрозионной обработки. Разработана методика изготовления фасонных электродов-инструментов и создана экспериментальная установка для получения поверхностных микроэлементов методом микроэлектроэрозионной обработки. Получены поверхностные микроэлементы сложной формы на поверхности бронзовой заготовки.
Ключевые слова: микроэлектроэрозионная обработка, фасонный электрод-инструмент, технологическая схема обработки, технологические показатели обработки, межэлектродный промежуток, пакеты высокочастотных импульсов, поверхностные микроэлементы.
В настоящее время в связи с активным развитием науки и техники наблюдается устойчивая тенденция к миниатюризации различных технических систем, которая влечёт за собой существенное расширение номенклатуры микроизделий, выпускаемых промышленностью.
По мере усложнения конструкции выпускаемых микроизделий усложняются технологии их получения. Зачастую это влечёт существенное увеличение стоимости производства и снижение его экономической эффективности.
Таким образом, актуальной задачей является разработка новых технологий получения микроэлементов, которые обеспечивают улучшение технических характеристик получаемых изделий, технологических показателей процесса их получения и экономической эффективности производства.
Целью исследования является получение массива из поверхностных микроэлементов сложной формы на поверхностях бронзовой заготовки методом микроэлектроэрозионной обработки (МЭЭО) при обеспечении высоких показателей точности копирования формы (максимальная погрешность формообразования Дтэх < 0,05 мм), производительности формообразования ^ > 150-104 мкм3/мин) и шероховатости формируемой поверхности (Ra < 0,50 мкм).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1) выбрать оптимальную технологическую схему получения поверхностных микроэлементов;
2) изготовить электрод-инструмент (ЭИ);
3) определить оптимальный режим обработки, при котором будут достигнуты заданные технологические показатели;
4) разработать экспериментальное оборудование.
Выбор оптимальной технологической схемы получения поверхностных микроэлементов
В настоящее время для получения поверхностных микроэлементов методом МЭЭО в промышленности применяются две метода - микроэлек-троэрозионного объемного копирования и метод микроэлектроэрозионно-го фрезерования [4].
При микроэлектроэрозионном объёмном копировании микроэлементы формируется путем копирования рабочей поверхности профилированного ЭИ сложной формы на обрабатываемой поверхности заготовки (рис. 1, а). Главным достоинством данного метода является высокая производительность обработки, которая достигается благодаря тому, что заданный профиль обрабатываемой поверхности формируется за один проход. Недостатками данного метода являются невысокая точность из-за износа ЭИ в процессе обработки и трудности, связанные с изготовлением ЭИ сложной формы. В связи с этим в настоящее время метод микроэлектро-эрозионного объёмного копирования не получил достаточно широкого распространения в промышленности.
Рис. 1. Технологические схемы микроэрозионной обработки: а - микроэлектроэрозионное объемное копирование; б - микроэлектроэрозионное фрезерование;
1 - ЭИ; 2 - шпиндель; 3 - заготовка; 4 - источник питания;
5 - трубка подачи рабочей жидкости; 6 - рабочая жидкость
При микроэлектроэрозионном фрезеровании обработка ведется не-профилированным вращающимся ЭИ цилиндрической формы. Формирование профиля обрабатываемой поверхности осуществляется путём снятия материала заготовки при перемещении вращающегося ЭИ по сложной траектории (рис. 1, б). Достоинствами данного метода являются незначительное влияние износа ЭИ на технологические показатели обработки (так как
4
а
б
ЭИ является непрофилированным) и отсутствие необходимости изготовления ЭИ сложной формы. Главным недостатком данного метода является относительно невысокая производительность.
Для решения поставленной задачи была выбрана схема микроэлек-троэрозионного объемного копирования, так как она обеспечивает наилучшую производительность и точность копирования формы (при условии малого износа ЭИ). Устранение недостатков данной схемы обработки, таких, как сложность изготовления ЭИ и его высокий износ, является одной из задач данного исследования.
Изготовление электрода-инструмента
Для упрощения технологии изготовления фасонного ЭИ было решено сделать его составным.
Составной ЭИ состоит из двух деталей - основания и рабочей части (рис. 2, а).
Основание представляет собой медную трубку, к которой припаивается рабочая часть. Рабочая часть представляет собой медную сетку, ячейкам которой придана форма контура микроэлементов, которые необходимо сформировать на поверхности заготовки.
Схема процесса формирования микроэлементов фасонным ЭИ представлена на рис. 2, б.
Рис. 2. Схема процесса формирования микроэлементов фасонным ЭИ: а - фасонный ЭИ; б - схема обработки фасонным ЭИ; 1 - основание ЭИ; 2 - рабочая часть ЭИ; 3 - шпиндель электроэрозионного станка; 4 - формируемый микроэлемент; 5 - переходная втулка; 6 - заготовка; 7 - генератор импульсов;
8 - рабочая жидкость
Основание ЭИ 1 закрепляется на специальном переходнике 2, после чего переходная втулка с электродом-инструментом устанавливается в шпиндель электроэрозионного станка 3. Формирование поверхностных
179
микроэлементов 4 происходит в результате углубления ЭИ 1 за счёт снятия материала заготовки 6 в процессе электрической эрозии. При этом контуры микроэлементов повторяют форму ячеек сетки рабочей части электрода-инструмента 2, а их высота h определяется величиной заглубления ЭИ в заготовку 6.
Рабочая часть ЭИ изготавливается из медной фольги толщиной 50 мкм методом химического травления. Изготовление ЭИ производилось по следующей методике:
1) на поверхность металлической фольги наносится фоторезист, который может быть либо позитивный, либо негативный в зависимости от воздействия, оказываемого на него электронным лучом на следующем этапе;
2) к поверхности фольги с нанесенным фоторезистом прикладывается фотошаблон (рис. 3, а) с рисунком микроэлементов необходимой формы и размеров и осуществляется экспонирование структуры в ультрафиолетовых лучах;
3) осуществляется проявление фоторезиста, в процессе которого неэкспонированные участки фоторезиста растворяются, оставляя при этом окна в фоторезисте заданного на шаблоне размера (рис. 3, б);
4) окна, не защищенные фоторезистом, растворяются в растворе 50 % FeClз 6Н2О (рис. 3,в);
5) оставшийся слой фоторезиста удаляется с подложки, и подложка становится готовой для проведения следующего технологического этапа.
Рис. 3. Изготовление микроэлементов сложного профиля на поверхности рабочей части ЭИ: а - фотошаблон с рисунком микроэлементов необходимой формы и размеров; б - проявленный фоторезист с микроэлементами сложного профиля; в - сформированные микроэлементы на медной фольге
толщиной 50 мкм
в
При проявлении негативных фоторезисторов используют диоксан, хлорбензол, толуол и др. При проявлении позитивных фоторезисторов применяют растворы: (0,3...0,5) %-ный раствор КОН; (1...2) %-ный раствор тринатрийфосфата, органические щелочи — этанолатины;
Сушка фоторезиста выполняется при температуре 120.180 °С, которая должна достигаться плавно. При этой процедуре удаляются остатки проявителя и происходит тепловая полимеризация фоторезиста, улучшающая его защитные свойства.
Задубливание, которое проводится вслед за сушкой в течение 30.40 мин при 200.220 °С, обеспечивает полную полимеризацию фоторезиста.
Соединение рабочей части и основания осуществляется при помощи пайки оловянным припоем (рис. 4). Такое соединение обеспечивает хорошую тепло- и электропроводность между основанием и рабочей частью ЭИ.
Рис. 4. Соединение рабочей части: ЭИ с основанием:
1 - рабочая часть ЭИ с микроэлементами на поверхности;
2 - медная трубка; 3 - прижим
Определение оптимального режима обработки
На начальном этапе экспериментальные исследования по получению поверхностных микроэлементов проводились на электроэрозионном станке 4Г721. В процессе обработки на данном оборудовании наблюдался повышенный износ рабочей части ЭИ. Так как она изготовлена из фольги толщиной 50 мкм, величина износа ЭИ достигала 100 % даже на чистовых и доводочных режимах. Износ ЭИ приводил к снижению точности обработки (Дтах > 0,09 мм), в результате чего обеспечить заданные требования по точности не удалось.
Проведенные исследования показали, что для достижения заданных технологических показателей обработки необходимо применять специализированные режимы обработки и оборудование для МЭЭО.
Для обеспечения высокой производительности обработки при малой величине износа электрода-инструмента был использован режим обработки пакетами высокочастотных импульсов [1, 2] (рис. 5, а). Частота следования импульсов в пакете составляет 1.4 мГц, частота следования пакетов - 1.100 кГц.
При высокой частоте следования импульсов процесс образования проводящего плазменного канала после пробоя МЭП происходит иначе, чем при обработке на низких частотах. Образованный первым импульсом плазменный канал не успевает исчезнуть после его воздействия из-за малой длительности паузы между импульсами, и плазменный канал сохраняется на протяжении всей длительности пакета. В таких условиях искровой разряд переходит в другой вид электрического разряда - высокочастотный разряд [3].
При высокочастотном разряде величина тока в канале разряда на протяжении длительности пакета импульсов напряжения постоянно меняется, но не падает до нуля, то есть имеет постоянную составляющую (рис. 5, б).
б
Рис. 5. Пакеты высокочастотных импульсов при МЭЭО: а - пакеты импульсов и их основные характеристики; Тп - период следования пакетов; Ш - длительность пакета; п - длительность паузы между пакетами; Ти - период следования импульсов в пакете; Ш - длительность импульса в пакете; Ш' - длительность паузы между импульсами в пакете; Umax - амплитуда импульсов; N - количество импульсов в пакете; б - осциллограммы пакетов импульсов напряжения и тока в процессе
МЭЭО
Изменяя частоту импульсов внутри пакета, можно менять величину этой постоянной составляющей, и тем самым управлять током и температурой в канале разряда. Меняя длительность пакетов импульсов и длительность пауз между ними, можно менять время воздействия канала разряда на электроды, и тем самым управлять тепловыми процессами в зоне обработки. Таким образом, изменяя длительность пакетов и частоту импульсов внутри пакета, можно добиться оптимального распределения энергии между электродами, которое обеспечит достижение заданных технологических показателей.
Разработка экспериментального оборудования Для реализации данного режима обработки была разработана экспериментальная установка, функциональная схема которой представлена на рис. 6.
8 12
Рис. 6. Схема экспериментальной установки для МЭЭО: 1 - бак с рабочей жидкостью, 2 - фильтр; 3 - насос; 4 - заготовка; 5 - ЭИ; 6 - привод подачи; 7 - шаговый двигатель; 8 - блок управления шаговым двигателем; 9 - шунт для контроля импульсов тока;
10 - высокочастотный источник питания; 11 - плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП); 12 - персональный
компьютер
Установка включает в свой состав следующие системы:
- систему подачи рабочей жидкости (РЖ) в зону обработки;
- систему контроля процесса обработки;
- систему перемещения ЭИ;
- систему генерации рабочих импульсов;
Система подачи рабочей жидкости в зону обработки состоит из бака 1, из которого РЖ через фильтр 3 перекачивается насосом 3 непосредственно в зону обработки. Прокачка жидкости - через полый ЭИ 5 и зазор
между ЭИ и заготовкой 4. Подача жидкости в зону обработки и её слив обратно в бак осуществляется по системе шлангов.
Система контроля процесса обработки состоит из персонального компьютера 12 (ПК) и платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, подключённой к ПК по шине PCI. Плата считывает импульсы тока и напряжения во время процесса обработки и передаёт на ПК, где они обрабатываются специальным программным обеспечением (ПО) ADCLab.
Система перемещения ЭИ состоит из шарико-винтового привода подачи ЭИ 6, шагового двигателя (ШД) 7 и блока управления шаговым двигателем (БУШД) 8. На основе данных о токе и напряжении в МЭП, поступающих на ПК от платы АЦП, с ПК подаётся сигнал на БУШД о перемещении ЭИ шаговым двигателем на определённое расстояние с определённой скоростью. Обмен данными между ПК и БУШД осуществляется по интерфейсу RS232.
Система генерации рабочих импульсов состоит из высокочастотного источника питания и токоподводов. Высокочастотный источник питания является главным элементом всей установки. Его принципиальная электрическая схема представлена на рис. 7.
Рис. 7. Принципиальная электрическая схема высокочастотного источника питания для МЭЭО
Генератор V2 обеспечивает генерацию высокочастотных импуль-
184
сов. Умножитель ША обеспечивает умножение сигналов с генератора V2 и генератора V3, в результате чего на выходе умножителя формируются пакеты высокочастотных импульсов. Пакеты высокочастотных импульсов поступают на вход усилителя мощности. Усилитель мощности состоит из быстродействующих драйверов и2 и и3 и MOSFET-ключей Q1...Q4. Выход усилителя подключается к электроэрозионному промежутку через регулятор мощности, состоящий из резисторов RL..R21 и переключателей S1...S6. Соединяя переключатели S1...S6 в различных комбинациях, можно изменять сопротивление регулятора мощности и тем самым менять падение напряжения на МЭП и ограничивать максимальный ток, управляя величиной мощности, рассеиваемой в зоне обработки. Возможность регулирования мощности непосредственно в процессе обработки позволяет достичь оптимального соотношения показателей производительности обработки и качества обрабатываемой поверхности.
В ходе проведения экспериментов по получению микроэлементов фасонным электродом на разработанной установке удалось достигнуть величины износа рабочей части ЭИ менее 5 % при производительности обработки 200с104 мкм3/мин. Достигнуть таких показателей удалось за счёт применения разработанного режима обработки пакетами высокочастотных импульсов и подбора оптимального соотношения длительности пакета и частоты следования импульсов внутри пакета. На рис. 8 представлена фотография массива микроэлементов высотой 300 мкм на торцевой поверхности бронзовой заготовки площадью 7 мм2.
Результаты исследований. В результате проведённых исследований были получены поверхностные микроэлементы в форме чешуек высотой 300 мкм на торцевой поверхности бронзовой заготовки (рис. 8). Производительность обработки при этом составила 300с104 мкм3/мин, величина шероховатости обрабатываемой поверхности - Ra = 0,11 мкм.
Рис. 8. Поверхностные микроэлементы сложного профиля на торце
бронзовой заготовки
185
Выводы. В результате проведённых исследований были разработана технология получения поверхностных микроэлементов методом МЭЭО при помощи фасонного электрода. Также были разработаны необходимые для реализации данной технологии режимы, оборудование, электроды-инструменты и технология их получения. Выполнены все поставленные задачи и достигнуты заданные технологические показатели.
Работа выполнена в рамках Государственного задания 4312ГЗ на 2012 - 2014 гг.
Список литературы
1. Курочкин А.И. Повышение технологических показателей микроэрозионной обработки при высокочастотных режимах // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 3. С. 39-47.
2. Курочкин А.И., Любимов В.В. Анализ возможностей эффективного использования высокочастотных генераторов импульсов при электроэрозионной обработке // Современная электротехнология в промышленности центра России: труды X Региональной научно-технической конференции. Тула, 28 октября 2009 г. Тула: ТулГУ, 2009. С. 107 - 113.
3. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: физика. Техника эксперимента. Приложения. М.: Наука, 1995.
4. A Review of Micro-EDM / S. Mahendran [et. al.] // Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2010 Vol II, IMECS 2010. March 17 - 19, 2010, Hong Kong.
K. V. Kuvshinov, A.I. Kurochkin
MASHINING OF SURFACE TRACE ELEMENTS BY ¡EDM
This article analyzes the existing manufacturing schemes and regimes of ¡¿EDM. Select the optimal manufacturing scheme and the processing mode. Developed technology of manufacturing shaping tool electrodes and experimental technical equipment for machining surface trace elements by ¡EDM. Trace elements of complex shape are obtained on surface of bronze workpiece.
Key words: ¡EDM, shaping tool electrode, manufacturing scheme, surface quality, material removal rate, high-frequency pulse control signals, spark gap, surface trace elements.
Получено 14.05.12
