Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 11
1.1. Анализ объекта исследования 11
1.2. Классификация микрообъектов и изделий 13
1.3. Анализ методов микроформообразования 19
1.3.1. Механические методы микроформообразования 20
1.3.2. Термомеханические методы микроформообразования 23
1.3.3. Лазерное микроформообразование 24
1.3.4. Ультразвуковое микроформообразование 26
1.3.5. Электроэрозионная микрообработка 28
1.3.6. Химическое микроформообразование 30
1.3.7. Электрохимическое микроформообразование 31
1.4. Анализ путей повышения точности электрохимического микроформообразования 36
1.5. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 49
ГЛАВА 2. Теоретические исследования электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 51
2.1. Определение коэффициента локализации на основе огибающих кривых по максимумам импульсов тока в пакете 51
2.2. Разработка математической модели процесса электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 55
2.2.1. Анализ влияния нагрева электролита на электрохимическое микроформообразование 56
2.2.2. Анализ влияния газонаполнения зашламления межэлектродного промежутка на электрохимическое формообразование 60
2.3. Выводы по главе 2 78
ГЛАВА 3. Разработка технологического обеспечения для электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 79
3.1. Разработка системы перемещения и позиционирования 80
электрода–инструмента 80
3.2. Выбор 3-координатного стола подходящей конфигурации 82
3.3. Выбор линейного позиционера высокой точности 85
3.4. Проектирование и изготовление электрододержателя 87
3.5. Проектирование и изготовление электродов–инструментов и тестовых образцов 89
3.6. Разработка системы энергообеспечения электрохимической ячейки 91
3.7. Разработка системы автоматического управления и синхронизации экспериментальной электрохимической установки 101
3.8. Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 111
4.1. Комплексная методика проведения экспериментальных исследований для изучения ЭХМФО на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 111
4.1.1. Разработка методики получения, оцифровки и анализа осциллограмм пакетов импульсов тока при ЭХМФО 112
4.1.2. Разработка методики ЭХМФО, с последующим анализом точностных характеристик полученных полостей 115
4.1.3. Разработка методики получения мультиплицированных полостей и геометрических элементов поверхности 118
4.2. Исследование ЭХМФО на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 119
4.2.1. Исследования формы пакетов импульсов тока, протекающего в электрохимической ячейке и огибающих кривых 120
4.2.2. Исследование электрохимического микроформообразования на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения 132
4.3. Выводы по главе 4 148
Общие выводы 150
Список литературы
- Анализ методов микроформообразования
- Разработка математической модели процесса электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения
- Проектирование и изготовление электрододержателя
- Разработка методики получения, оцифровки и анализа осциллограмм пакетов импульсов тока при ЭХМФО
Анализ методов микроформообразования
Микросистемные технологии рассматриваются сегодня как ключевые технологии с экономическим потенциалом, сравнимым с экономическим потенциалом технологии, основанной на микроэлектронике. Согласно результатам маркетинговых исследований особенно активно эти технологии развиваются в США, Японии и Германии. В США, где сильно развита микроэлектроника, особенно развивается производство комплектующих на базе микросистем, в Германии большое развитие получили прикладные направления и микросистемные технологии, встраивающиеся в производственные процессы для удешевления конечного продукта и улучшения его потребительских свойств. В Японии миниатюризация всегда была приоритетным направлением в развитии производства, поэтому сегодня практически в каждой крупной японской компании есть научное подразделение, которое занимается проблемами микросистемных технологий в режиме свободного поиска [51].
В последнее десятилетие рынок микродеталей и микрокомпонентов развивается наиболее динамично, демонстрируя рекордные темпы роста: если в 2000 году его объем составлял порядка 30 млрд долл., то на 2008 год он достиг 60 млрд долл., и это не предел [52].
Так, например, в 2012 году был подписан документ: «Программа развития инновационного территориального кластера. Территориальный кластер «Зеленоград», который регламентирует развитие отечественной промышленности в области лазерной, медицинской техники, микроэлектроники и микроизделий в городе Зеленоград. В частности, изготовлением деталей на микроуровне занимается ОАО «НИИМЭ и Микрон» - научно-производственное предприятие, входящее в состав дивизиона «Микроэлектроника» АФК «Система». При этом в 2011 году совокупная выручка участников кластера составила 24,7 млрд руб., из которых на исследования и разработки было потрачено 4,9 млрд руб. Объем инвестиций на период до 2017 г. должен составить 153 млрд. руб. [1]. Окупаемость порядка 400 % делает рынок микроэлектроники и микроизделий наиболее привлекательным на сегодняшний день в области научно-технических инноваций.
Преимущества микротехнических изделий очевидны: повышенная функциональная точность, меньшая масса детали или узла, обладающих при этом более высокими эксплуатационными возможностями. Тенденцией последних лет стало увеличение потребности не только в самих деталях, но и в составленных из нескольких таких деталей микрокомпонентах, располагаемых в более крупных деталях и узлах. Это обусловлено массовым переходом на модули, в которых функции нескольких деталей или подсистем не могут осуществляться посредством только одного узла, даже достаточно сложного.
Наибольшее распространение микродетали и микрокомпоненты получили в медицинской и биомолекулярной технике и электронике. Очевидна потребность в подобных деталях в медицине, где от их размеров (и размеров, изготовленных из таких деталей приборов, например, кардиостимуляторов) нередко зависят возможность выполнения операций и время выздоровления пациентов. Авиационная промышленность также нуждается в миниатюрном крепеже, фитингах и датчиках, приборах для контроля потока воздуха и жидкости. В автомобилестроении вполне реально использование сверхмалых электродвигателей и исполнительных органов для систем безопасности, обеспечения удобства водителей и т. д. В сложных системах впрыска топлива и их элементах микродетали также находят свое место [53, 51].
Процесс миниатюризации изделий активно начался в 70-80-х гг XX в. При этом точность и качество обработанных изделий стремительно растет, а размеры типовых деталей уменьшаются. Однако оптимальный выбор размеров изделия представляет собой компромисс между возможностями технологии и затратами на его изготовление. На сегодняшний день уровень техники достиг небывалых высот, например, точность механической обработки на специальных токарно-фрезерных центрах достигает 5 – 10 мкм, при этом существует специальный инструмент и оснастка, позволяющие проводить такую обработку. Существуют минисверла с покрытием Miracle, выпускаемые фирмой Mitsubishi Carbide для прецизионного микросверления, диаметрами 0,1–2,0 мм с градацией 0,01 мм и диаметрами 2,0 – 3,0 мм с градацией 0,05 мм, а также сверла типа MINI-MZ, начиная с диаметра 1,0 мм. Эти сверла имеют каналы для подачи СОЖ [67,51]. Однако, как можно заметить, при микрометровой точности данный инструмент не позволяет обрабатывать микроизделия, размер которых меньше размера самого инструмента, да и стоимость инструмента оставляют желать лучшего.
Учитывая вышесказанное, возникает острая необходимость в технологическом решении, позволяющем получать высокое качество обработанной поверхности исключительную точность, порядка 1 – 5 мкм, которое при этом позволит изготавливать микроизделия в диапазоне размеров 50 – 300 мкм.
Разработка математической модели процесса электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения
Проектирование и изготовление электрододержателя
В работе [103] исследован процесс локализации электрохимического растворения металла в растворах нитрата натрия различной концентрации с применением микросекундных импульсов (и 1 мкс). Показано, что обработка микросекундными импульсами методом прямого копирования имеет определенные преимущества по сравнением с обработкой импульсами наносекундного диапазона (и 100 нс) элементов конструкции площадью более 1 мм2. Сделан вывод, что повышенная локализация съема материала в этих условиях связана с локальным разогревом электролита под рабочим торцом инструмента, что подтверждают данные работы [98].
В работе [101] для исследования использовались микроэлектроды с изоляцией толщиной 5 – 8 мкм, нанесенной на боковую стенку. Процесс проводился с вибрацией электрода, фаза которой синхронизирована с подачей электрического импульса; длительность импульсов напряжения 20 мкс, скважность 2, напряжение на электродах 6,4 В. В качестве электролита использовали водный раствор хлората натрия. Показано, что размеры и конусность отверстия, прошитого инструментом с изоляцией боковой стенки, значительно меньше, чем в случае применения неизолированного инструмента. На рис. 1.10,а,б показаны отверстия треугольного сечения, прошитые с применением указанных инструментов, а на рис. 1.10,в,г – инструмент для одновременной прошивки 121-го отверстия квадратного сечения в никелевой фольге толщиной 100 мкм и прошитые отверстия.
В работе [100] проведено исследование биполярной обработки на зазоре 100 мкм с наложением микро- и наносекундных импульсов. Показана возможность достижения точности 300 – 500 нм с шероховатостью поверхности Ra порядка 20 нм. Предложен комбинированный способ ультразвуковой импульсной микрообработки. Согласно этому способу ЭИ колеблется с частотой 20 кГц, и при сближении его с заготовкой подается короткий импульс тока.
Электрохимическое формообразование проводилось на станке с ЧПУ вращающимся цилиндрическим электродом с целью получения объемных микроструктур [104]. При величине МЭЗ около 10 мкм влияние добавок и частоты вращения электрода исследовалось экспериментально при получении отверстий диаметром 30 мкм. Примеры различных объемных структур, полученных электрохимическим микрофрезерованием, показаны на рис. 1.11.
Проведенный анализ технической литературы позволяет признать электрохимический метод обработки как самый перспективный в области изготовления микрообъектов и микроизделий по множеству показателей, таких, как: неизменность формы электрода-инструмента во время обработки; практически полное отсутствие каких-либо воздействий на поверхностный слой; обеспечение высокой производительности, а также возможность непосредственного управления величиной снимаемого припуска, однако существует необходимость повышения точности электрохимической микрообработки. Несмотря на достигнутые результаты, необходимо отметить, что все перспективные исследования и работы выполнены за рубежом. При этом ни технологические схемы, ни технологическое оснащение для электрохимического микроформообразования не доступны на территории Российской Федерации. Несмотря на то, что имеющаяся элементная база позволяет создать и серийно выпускать такое оборудование с ЧПУ, однако такого производства не существует, вследствие чего его приобретение и использование в различных целях невозможно. Также остается открытым вопрос о повышении точности электрохимического микроформообразования при использовании электродов–инструментов с большей площадью.
Анализ путей повышения точности электрохимического микроформообразования Проведенный анализ научно-технической литературы выявил два основных направления повышения точности микроЭХО: уменьшение межэлектродного зазора [11,21,34,38,42,43,58] и уменьшение длительности энергетического воздействия на заготовку [19,31,41,43,45,73,75,76,78]. Причем последнее связано с быстрым достижением ограничений при переходе на сверхмалые межэлектродные зазоры. Данное условия привело к тому, что электрохимическая обработка вышла из области постоянного введения энергии в рабочую зону. На данный момент оптимальным технологическим решением с точки зрения ограничения длительности энергетического воздействия признано использование импульсно циклических схем при электрохимической обработке. Такое утверждение подтверждается большим количеством работ по данной тематике [31,45,75,76], а также ориентацией производителей электрохимического оборудования на использование именно импульсных схем ЭХО [73,84].
Автором работы [43] приводятся данные (табл. 1.4) по различным вариантам подачи электрода–инструмента, однако достигаемая точность ЭХО не превышает 30 мкм, что явно недостаточно для достижения поставленных задач.
Известны способы электрохимической обработки с применением биполярных импульсов напряжения. Например, в работе [41] рассмотрены вопросы электрохимической обработки деталей из WC-CO - твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона, при этом получаемая шероховатость Ra достигала значения 0,04 мкм, однако о точности формообразования ничего не сказано.
Разработка методики получения, оцифровки и анализа осциллограмм пакетов импульсов тока при ЭХМФО
Целью данной главы является разработка технологического обеспечения для проведения экспериментальных исследований процесса электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.
Для достижения данной цели решались следующие задачи: 1. Разработка системы перемещения и позиционирования электрода–инструмента, позволяющей проводить электрохимическую обработку в мультиплицирующем режиме и при этом обеспечивающей высокоточное позиционирование электрода инструмента. 2. Проведение анализа различных конфигураций оборудования и выбор 3-координатного стола подходящей модели для позиционирования электрода–инструмента по трем координатам. 3. Проведение анализа различных технологических схем для высокоточного позиционирования электрода–инструмента и выбор линейного позиционера, обеспечивающего точность перемещений 500 нм. 4. Разработка электрододержателя, отвечающего всем требованиям по функциональным возможностям и точности. 5. Разработка электродов–инструментов и тестовых образцов для экспериментальной обработки. 6. Разработка системы энергообеспечения электрохимической ячейки, обеспечивающей возможность использования пакетов микросекундных импульсов напряжения. 7. Разработка системы автоматического управления и синхронизации экспериментальной электрохимической установки и системы энергообеспечения электрохимической ячейки. 3.1. Разработка системы перемещения и позиционирования электрода–инструмента
Для реализации режимов обработки, определенных в результате математического моделирования, необходимо использовать оборудование, которое позволило бы с высокой точностью позиционировать электрод– инструмент относительно заготовки. С учетом того, что область данного исследования микроэлектрохимической обработки лежит в диапазоне сверхмалых МЭЗ, необходимо принять во внимание тот факт, что общая погрешность перемещений ЭИ должна быть на порядок меньше погрешности самого межэлектродного зазора. Принимая, что минимальный применяемый МЭЗ при проведении исследований будет равен 5 мкм, погрешность установки МЭЗ не должна превышать 500 нм.
Проведенный анализ серийно-выпускаемого оборудования позволил сделать вывод о невозможности применения готовых технологических решений. В связи с этим возникла потребность в проектировании, изготовлении и сборке из готовых модулей экспериментальной электрохимической установки, удовлетворяющей всем требованиям для проведения данного исследования.
Технико-экономическая оценка различных систем перемещений и позиционирования показала, что использование высокоточных приводов с разрешением перемещений менее 1 мкм накладывает ограничения на диапазон перемещений по осям X, Y и Z. Так, например, моторизованная платформа 8MTF2 имеет диапазон перемещений по трем координатам всего 20 мм с точностью 1,25 мкм [71]. При этом использование высокоточных моторизированных линейных позиционеров для трех координат многократно увеличивает стоимость разрабатываемой установки.
Учитывая вышесказанное, было предложено использовать систему позиционирования, схема которой представлена на рис. 3.1 [16]. Рис. 3.1. 3D - модель экспериментальной электрохимической установки: 1-система энергообеспечения процесса микроЭХО; 2-приводы линейных перемещений по осям X,Y,Z 3D-стола; 3-линейный позиционер высокой точности; 4-электрододержатель с токоподводом; 5- электрод–инструмент; 6-заготовка; 7-ванна с электролитом; 8-прижимное приспособление с токоподводом Предлагаемая установка включает в себя систему энергообеспечения процесса микроЭХО 1, которая должна обеспечивать электрохимическую ячейку импульсами напряжения (пакетами импульсов) необходимой амплитуды, длительностью и частотой следования. Приводы линейных перемещений по осям X, Y и Z 3D - стола предназначены для перемещения и позиционирования ванны 7 с заготовкой 6 и электрода–инструмента 5 со средней точностью порядка 50 мкм. Более точное позиционирование электрода–инструмента 5, закрепленного в электрододержателе 4, а также выставление и поддержание МЭЗ должны осуществляться прецизионным моторизированным линейным транслятором с точностью не менее 500 нм. При этом ход данного позиционера может не превышать 10 мм. Приспособление 8 предназначено для закрепления заготовки и выполнения функции токоподвода. Предложенная компоновка системы перемещения электрода– инструмента позволит с высокой точностью позиционировать электрод– инструмент относительно заготовки, высокоточный привод, в свою очередь, обеспечит возможность выставлять и управлять величиной межэлектродного зазора в процессе микроЭХО.
