CC BY
101
УДК 621.9.047
К.В. Кувшинов, асп., 8-915-686-27-64, kostaspirant@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ И НСТРУМЕНТОВ С МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ
В результате проведённых исследований разработаны и реализованы технологии изготовления электродов-инструментов с микроэлементами на рабочей части для микроэлектроэрозионной обработки.
Ключевые слова: электрод-инструмент, миниатюризация, электроэрозионная обработка, электролитическое осаждение, рабочая часть.
Одними из направлений развития техники в настоящее время являются миниатюризация объектов, получение элементов с различными микропазами, микроотверстиями, микровыступами и т.д. Повышение требований, предъявляемых к качеству деталей с точки зрения улучшения точности и качества поверхности при их обработке, заставляет технологов и исследователей искать пути их обеспечения. При этом нужно отметить сверхминиатюрные размеры обрабатываемых деталей и сложность обрабатываемого контура, что требует поиска новых методов обработки и инструментов для их реализации [1-4].
Благодаря современным достижениям в области производства микроинструмента (микросверла диаметром до 0,05 мм и микрофрезы шириной до 0,1 мм [5]) становится возможным решение ряда подобных задач с помощью механической обработки. Однако изготовление подобных микроинструментов обходится дорого, поэтому возникает вопрос о целесообразности их применения, особенно, когда приходится иметь дело с труднообрабатываемыми материалами, а при обработке инструментальных материалов и твердых сплавов их использование практически невозможно.
Поэтому необходимо использовать более эффективные методы обработки, в частности, электроэрозионную обработку. Электроэрозионная обработка (ЭЭО) в настоящее время находит все большее применение в машино- и приборостроении. Кроме того, в последние годы значительно повысились технологические показатели электроэрозионной обработки -производительность, точность, качество поверхности [6].
В настоящее время для получения сложных микроэлементов на поверхности детали методом микроэлектроэрозионной обработки необходим специальный электрод-инструмент, к которому предъявляются высокие требования по качеству поверхности и точности формы (рис. 1). Кроме того, при микроэлектроэрозионной обработке (МЭЭО) возникает проблема вывода продуктов эрозии из зоны обработки, для этого на поверхности электрода-инструмента (ЭИ) необходимо создать специальные микроэлементы.
ÛQ
ti от 200мкм
Учитывая, что электроды-инструменты для микроэлектроэрозион-ной обработки могут иметь различную форму и конструкцию, их целесообразно разделить на следующие группы (см. рис. 1).
1. Электроды-инструменты для обработки микроотверстий как конической, так и цилиндрической форм. Такие ЭИ могут иметь продольное отверстие, через которое можно осуществить прокачку рабочей жидкости для вывода продуктов эрозии. Кроме того, для лучшего вывода продуктов эрозии данные ЭИ могут иметь микроэлементы на боковой поверхности.
2. Сетчатые ЭИ для получения микровыступов и микроуглублений заданной формы и размеров. По количеству микроэлементов на рабочей поверхности сетчатые электроды-инструменты делятся на одноэлементные (для обработки обнижений и выступов размерами от 50 мкм) и многоэлементные (для получения микрорельефа (размер микроэлементов от 50 мкм) на поверхности заготовки).
3. Тонкостенные электроды-инструменты могут также иметь различную форму (треугольную, цилиндрическую, квадратную и т.д.) и применяются для электроэрозионной микротрепанации. По конструктивным признакам данные ЭИ можно разделить на ЭИ без оправки и ЭИ на оправке. Оправка может быть, например, из алюминия, который впоследствии можно вытравить полностью или частично для обеспечения большей жесткости тонкостенного ЭИ.
4. Сложнофасонные объемные ЭИ имеют на своей поверхности сложнофасонные микровыступы или микровпадины, расположенные в заданном порядке. Такими электродами возможно получение сложных профилей с микроэлементами на поверхности различной формы (плоской, цилиндрической и т.д.)
Однако изготовление рассмотренных выше ЭИ традиционными методами обработки представляет серьезные трудности.
Целью исследования является разработка технологий получения электродов-инструментов с микроэлементами для микроэлектроэрозион-ной обработки.
Проведение исследований. Из анализа литературы и результатов предварительных исследований следует, что изготовление ЭИ с микроэлементами на рабочей части может быть реализовано в несколько этапов:
1) изготовление рабочей части ЭИ, на которой производится непосредственно электроэрозионная обработка, которая имеет на своей поверхности микроэлементы различной формы и размеров;
2) изготовление электрододержателя, на котором крепится рабочая часть электрода-инструмента и который имеет элементы для крепления к приводу станка;
3) операция сборки, на которой происходит соединение рабочей части микроЭИ с электрододержателем.
В результате проведенных исследований по формированию микроЭИ были разработаны следующие технологии получения электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки.
1. Технология изготовления трубчатых ЭИ для МЭЭО. Формирование трубчатого ЭИ для обработки микроотверстий может осуществляться несколькими способами:
а) формированием ЭИ заданной формы, основанным на гальваническом выращивании слоя меди с последующим вытравливанием оправки, которое необходимо осуществлять в следующей последовательности:
- изготовление оправки заданных размеров и формы;
- нанесение слоя меди толщиной S на алюминиевую оправку с предварительно подготовленной поверхностью;
- вытравливание алюминиевой оправки в 20 %-ном растворе КОН при температуре 70...80 °С;
б) получением ЭИ заданной формы, основанным на снятии полученного слоя с оправки, которое необходимо осуществлять в следующей последовательности:
- на латунную проволоку диаметром d с предварительно подготовленной поверхностью наносится слой никеля заданной толщиной S1 (10.100 мкм);
- на полученный слой никеля (с предварительно нанесенным разделительным слоем) наносится слой меди заданной толщины S2 (50.500 мкм) для формирования заданного диаметра ЭИ;
- механическое отделение полученного слоя меди с толщиной S2 от нанесенного слоя никеля толщиной S1;
в) методом электролитического осаждения возможно осуществить формирование спиралевидного паза заданной формы и размеров для вывода продуктов эрозии.
Для повышения производительности ЭЭО микроотверстий за счет улучшения условий эвакуации продуктов эрозии целесообразно на внешней поверхности ЭИ создать спиралевидные канавки.
Как показали результаты предварительно проведенных исследований, получение медного трубчатого электрода-инструмента диаметром D со спиралевидным пазом необходимо осуществлять в следующей последовательности:
- нанесение конструкционного слоя меди толщиной S1 на вольфрамовую проволоку, имеющую диаметр d с предварительно нанесенным разделительным слоем;
- намотка изолятора с круглым сечением диаметром d1 на конструкционный слой меди толщиной S1 и обезжиривание конструкционного слоя меди;
- наращивание формообразующего медного слоя толщиной S2;
- снятие изолятора с формообразующего слоя;
- снятие полученного слоя меди толщиной S3 с оправки.
Электроды-инструменты, полученные по данным технологиям,
можно непосредственно закреплять в цанговом патроне и крепить к приводу станка.
2. Разработанная технология изготовления сетчатых ЭИ для МЭЭО заключается в следующем. Сетчатые ЭИ состоят из рабочей части, на которой расположены микроэлементы различной формы и размеров, соединенной с электрододержателем. Микроэлементы на рабочей части могут располагаться в заданном порядке. Рабочая часть при этом может состоять из выступающих микроэлементов, а также микроотверстий заданной формы и размеров.
Микроотверстия на рабочей части электрода-инструмента можно получать двумя способами:
а) с применением субтрактивной технологии, из фольги толщиной от 50 до 100 мкм со сквозными микроотверстиями, имеющими заданную форму и размеры;
б) по аддитивной технологии путем выращивания слоя меди на поверхности подложки, не защищенной изолятором толщиной до 300 мкм (в зависимости от толщины изолятора), и впоследствии отделения его от поверхности подложки. В данном случае сквозные микроотверстия формируются непосредственно изолятором.
Предложено процесс формирования микроэлементов в медной фольге по субтрактивной технологии осуществлять в следующей последовательности:
- нанесение на поверхность металлической фольги фоторезиста;
- экспонирование в ультрафиолетовом свете нанесенного на поверхность фольги фоторезиста через фотошаблон с рисунком микроэлементов необходимых формы и размеров;
- проявление фоторезиста, в процессе которого неэкспонированные участки фоторезиста растворяются, оставляя при этом окна в фоторезисте заданного на шаблоне размера;
- растворение в 50 %-ном растворе FeQз•6H2O промежутков поверхности фольги незащищенных фоторезистом;
- удаление с подложки слоя фоторезиста.
Таким образом, подложка становится готовой для проведения следующего технологического этапа соединения рабочей части с основой (пайкой, сваркой лазером и т.п.).
Растворение окон, не защищенных изолятором, возможно также осуществлять методом электрохимической обработки (ЭХО) в 5 %-ном
растворе HF. При этом возможен некоторый подтрав под изолятор, который не превышает 10.15 % и зависит от условий травления и глубины обработки.
При формировании микроэлементов по аддитивной технологии первые 3 этапа осуществляются аналогично стадиям процесса формирования микроэлементов в медной фольге по субтрактивной технологии. Однако в качестве фотошаблона используется негативное изображение рисунка. Затем на области, не защищенные фоторезистом, наносится разделительный слой (масло, К2Сг207) для лучшего отделения сформированного слоя меди заданной толщины s от металлической подложки. Далее следует отделение сформированной рабочей части электрода-инструмента от металлической подложки.
Для обеспечения возможности обработки, сформированной рабочей частью ЭИ с микроэлементами, необходимо соединить ее с основанием электрода-инструмента, которое впоследствии будет крепиться к приводу станка. Основание ЭИ должно обладать повышенными тепло- и электропроводностью, для этого его стенки должны иметь толщину Ь больше 1 мм и обеспечивать крепление ЭИ к приводу станка.
После пайки излишек рабочей части ЭИ удаляется.
При формировании выступающих микроэлементов на торце электрода-инструмента необходимо, в первую очередь, отдельно на подложке сформировать микроэлементы, которые впоследствии будут соединены с основанием (стержнем) ЭИ. Этапы формирования микроэлементов подобны стадиям формирования микроэлементов по аддитивной технологии, рассмотренной выше.
3. Технологию получения тонкостенных ЭИ для микроэлектроэро-зионной трепанации и для формирования микропазов заданной формы можно осуществлять разными способами:
а) формированием слоя меди на стальной оправке, полученной механически с поверхностью, имеющей шероховатость Ra менее 0,8 мкм, и последующим отделением данного слоя специальным приспособлением. Стадии формирования ЭИ представлены на рис. 2.
Схема формирования слоя меди толщиной до 100 мкм на металлической оправке (рис. 2,а) состоит из оправки 6, часть которой защищена изолятором 5, который крепится через прижим 3 к планке 4. Планка 4 устанавливается на стенки ванны с электролитом 7. Токоподвод 1 крепится к оправке и прижимается гайкой 2.
Снятие нанесенного слоя с оправки происходит по схеме, представленной на рис. 2,б, где на оправку 6 одевается шайба 9 толщиной от 4 мм. Шайба 9 имеет внутренний диаметр, равный диаметру оправки, с учетом допуска, обеспечивающего возможность перемещения данной шайбы вдоль оправки, при этом допуск должен быть наименьший для увеличения контактной площади шайбы с нанесенным слоем 10. Сила F, обеспечи-
вающая снятие нанесенного слоя с оправки, возникает за счет давления планки 12 через переходную втулку 11 на шайбу 9. Давление планки 12 осуществляется за счет перемещения по резьбе, имеющейся на конце оправки.
Данным методом можно получать тонкостенные ЭИ с толщиной стенки менее 100 мкм.
б) формированием слоя меди на алюминиевой оправке, полученной механически с последующим вытравливанием алюминиевой оправки в 20 %-ном растворе КОН при температуре 70... 80 °С.
Для крепления сформированного слоя к приводу станка необходимо присоединить к нему электрододержатель в виде стержня.
/ 2 3 4
6/ 45
а б
Рис. 2. Стадии формирования тонкостенного ЭИ: а - стадия формирования меди на металлической оправке; б - стадия снятия слоя меди с оправки (1 - токоподвод, 2 - гайка, 3 - прижим, 4 - планка, 5 - изолятор, 6 - оправка, 7 - ванна с электролитом, 8 - аноды, 9 - шайба, 10 - нанесенный слой, 11 - переходная втулка, 12 - планка с резьбовым отверстием)
4. Получение профилированного ЭИ с фасонными микроэлементами на рабочей части можно осуществлять по следующим технологиям:
а) формирование профилированного ЭИ на металлической оправке следует осуществлять в следующей последовательности:
- формирование микроэлементов на металлической оправке;
- нанесение на оправку разделительного слоя (масло);
- нанесение слоя меди на металлическую оправку;
54
- припаивания к нанесенному слою электрододержателя и механическое отделение нанесенного слоя от оправки;
б) при формировании профилированного ЭИ на неметаллической оправке необходимо осуществить:
- формирование микроэлементов на неметаллической оправке;
- нанесение токопроводящего слоя на оправку ионно-плазменным методом;
- нанесение на токопроводящий слой разделительного слоя (масло);
- нанесение слоя меди на токопроводящий слой;
- припаивание к нанесенному слою электрододержателя и последующее отделение нанесенного слоя от оправки механически.
Результаты исследований. В результате экспериментальных исследований реализованы приведенные выше технологии. На рис. 3 представлены варианты полученных электродов-инструментов для микроэлек-троэрозионной обработки.
а б в
0,378 _
е
Рис. 3. Примеры полученных электродов-инструментов для МЭЭО: а - ЭИ квадратного сечения; б - ЭИ прямоугольного сечения; в - ЭИ с микроэлементам прямоугольной формы, полученными электролитическим формообразованием; г - ЭИ с микроэлементами в форме чешуек, полученными электрохимическим растворением; д - тонкостенный ЭИ; е - профилированный ЭИ (1 - рабочая часть ЭИ, 2 - электрододержатель)
В соответствии с разработанной технологией получены электроды-инструменты с различными микроэлементами на рабочей части для МЭЭО труднообрабатываемых материалов:
1) квадратного сечения со стороной внутренней части сечения размером 0,91 мм и внешней части сечения размером 1,92 (см. рис. 3,а);
2) прямоугольного сечения с размерами внутренней части 0,9x1,74 мм (см. рис. 3,б);
3) с сетчатой рабочей частью, с микроэлементами в форме прямо-угольнико, полученных по аддитивной технологии, расположенных на трубке диаметром 6 мм с толщиной стенки 1 мм. Толщина рабочей части ЭИ с микроэлементами равнялась 150 мкм (см. рис. 3,в);
4) с сетчатой рабочей частью, с микроэлементами в форме чешуи, полученными по субтрактивной технологии, расположенными на трубке диаметром 6 мм с толщиной стенки 1 мм. Толщина рабочей части ЭИ с микроэлементами составила 50 мкм (см. рис. 3,г);
5) тонкостенные электроды-инструменты для микроэлектроэрози-онной трепанации, примеры которых представлены на рис. 2,д, при dj,H = 10 мм, толщина стенки составляет 50 мкм (см. рис. 3,д);
6) профилированный ЭИ с фасонными микроэлементами на рабочей части. Гальванически выращенная рабочая часть имеет толщину 300 мкм (см. рис. 3,е).
Вывод. В результате проведённых исследований разработаны и реализованы следующие технологии:
- получения трубчатых электродов-инструментов различной формы для обработки микроотверстий с микроэлементами на боковой поверхности и без них;
- изготовления сетчатых электродов-инструментов с различными микроэлементами на поверхности ЭИ по субтрактивной и аддитивной технологии;
- получения тонкостенных ЭИ для микроэлектроэрозионной трепанации с толщиной стенки менее 100 мкм;
- получения профилированного ЭИ с фасонными микроэлементами на рабочей части.
Список литературы
1.Сундуков В.К., Тимофеев Ю.С., Кувшинов К.В. Получение профилированных электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки // Сб. трудов региональной НТК / ТулГУ. Тула, 2009. C.84-90
2. http://www.mikrotools.eom/apps/technolog:y.php
3. http://www.cimatron.com/SIP STORAGE/FILES/2/592.pdf
4. http://www.sodick.ru/publications/stati/uspech.html
5. http: //www .microbridge.cf.ac. uk/no de/17
56
6. http://www.vetki.ru/vetki-se/18.html
R.V. Kuvshinov
THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURE OF ELECTRODES-TOOLS WITH MICROELEMENTS
The technologies of obtaining electrodes-tools with microelements on the working part for micro-electro-discharge machining were developed and implemented as a result of the scientific research.
Key words: electrode-tool, miniaturization, electro-discharge machining, electrolytic deposition, the working part.
Получено 07.02.12
УДК 621.9.047
П.А.Бадалов, асп., +79101546991, bk919@bk.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЛИЯНИЕ ЭВАКУАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПАРАМЕТРЫ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Приведены результаты исследования влияния процессов эвакуации продуктов микроэлектроэрозионной обработки на точность и производительность. Разработаны рекомендации по получению глухих кольцевых микропазов в труднообрабатываемых материалах методом микроЭЭО.
Ключевые слова: электрод-инструмент, эвакуационные процессы, микроЭЭО, микрообработка, электроэрозионная обработка.
Введение. Существует огромная потребность в производстве микроэлементов и микроструктур в труднообрабатываемых материалах [1]. Учитывая преимущества бесконтактного и термического воздействия процесса микроэлектроэрозионной обработки (микроЭЭО), принято считать микро-ЭЭО эффективным методом обработки для изготовления микрообъектов [2]. Поскольку процесс микроЭЭО основан на термоэлектрической энергии между электродом-заготовкой и электродом-инструментом, в связи с миниатюризацией обрабатываемых объектов необходимо ограничивать энергию, вводимую в межэлектродный промежуток (МЭП), что, в свою очередь, приводит к его уменьшению. Так как разряд происходит в межэлектродном промежутке, который составляет 10.50 мкм и сопоставим с размером обрабатываемых микроэлементов на поверхности 50.200 мкм, то удаление продуктов эрозии и парогазовой среды, образующихся в процессе плавления и испарения в зоне обработки при мик-роЭЭО, является затруднительным и требует детального изучения. На ос-
57
