Введение к работе
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:
-
Разработать теоретическую основу, модели и методики исследований процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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, вероятностно-статистический 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, дифракто-метра 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 научно-практической 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 международ-
6 ной 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 –XXIвеку», 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.
