ФГБОУ ВПО «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Диссертация на тему: ЭЛЕКТРОДЫ-ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ Кувшинов К. В. Научный руководитель: д. т. н. , проф. Сундуков В. К.
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ 2
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ 3
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА АНАЛИЗ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ПОВЕРХНОСТИ Микрофрезерная обработка Лазерная обработка Микроэлектроэрозионная обработка (МЭЭО) 4
Цель и задачи исследования Цель работы разработка комплексной технологии создания электродов-инструментов для микроэлектроэрозионного формообразования. Задачи исследования 1. Провести теоретические исследования теплового поля в стенках электродов-инструментов (ЭИ) малой толщины в результате нагрева при электроэрозионном микроформообразовании. 2. Разработать модели напряженности электрического поля в электролитических ячейках при формировании микроэлементов рабочей части электрода-инструмента по аддитивной технологии (методом гальванического осаждения) и по субтрактивной технологии методом (методом электрохимической обработки). 3. Разработать технологические схемы формирования микроэлектродов-инструментов и схемы электроэрозионного формообразования микроэлементов. 4. Разработать комплексные методики проведения экспериментальных исследований процессов и схем микроформообразования электродов-инструментов и микроэлектроэрозионного формообразования элементов различной конфигурации. 5. Провести комплексные экспериментальные исследования по формированию электродовинструментов для электроэрозионного микроформообразования по субтрактивной и аддитивной технологии, а также исследования по электроэрозионному формированию микроэлементов электродами-инструментами с заданными формой и размерами. 6. Разработать технологии изготовления микроэлектродов-инструментов для электроэрозионного формообразования микроэлементов на поверхности деталей из трудно обрабатываемых материалов. Научная новизна заключается в обосновании минимальной величины геометрических параметров электродаинструмента для микроэлектроэрозионной обработки за счет определения максимального теплового потока в стенках электродов, а также методов и технологических схем их изготовления. 5
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СХЕМЫ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ 1. Схема МЭЭО с охватываемым ЭИ 3. Схема МЭЭО, когда ЭИ является одновременно охватывающим и охватываемым 2. Схема МЭЭО с охватывающим ЭИ 1 – электрод-инструмент; 2 – рабочая жидкость; 3 - заготовка 6
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ 7
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИАГРАММА ВОЗМОЖНЫХ ГРАНИЦ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ 8
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА НА РАБОЧЕЙ ЧАСТИ ЭИ h=n 1 – электрод (анод); 2 – электролит; 3 – металлическая подложка (катод); 4 – изолятор, b 1 , b 2 , b 3 – ширина пробельных участков; s – ширина изоляции; h – толщина изоляции; H – расстояние между электродами; n – некоторая постоянная величина стадия начального формообразования h = 2×n h = 4×n h = 5×n стадия заращивания центральной части пробельного участка h = 6×n стадия выхода наносимого слоя за ширину изолятора h = 7×n 9
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ СХЕМА ЕДИНОВРЕМЕННОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОПРАВКИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ 1 – токоподвод; 2 – токопроводящее покрытие на поверхности приспособления для закрепления оправки; 3 – винт с шайбой; 4 – металлическая оправка (катод); 5 – электрод (анод); 6 – винт, выполненный из диэлектрического материала; 7 – ванна с электролитом; 8 – приспособление для закрепления оправки ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ МЕДИ НА КВАЗИПЛОСКОЙ ОПРАВКЕ 1 – ванна с электролитом; 2 – оправка (катод); 3 – электрод (анод) 10
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ h=L k=L h = 2×L k=d h = 2×L k = 2×L h = 1/2×L k=d h = 1/2×L k = 2×L h = 1/2×L k=d h=L k = 2×L 11
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В СТЕНКАХ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ МАЛОЙ ТОЛЩИНЫ Тепловой поток на поверхности ЭИ в зоне действия разряда задавался функцией: По результатам анализа распределения теплового потока, рассчитывался нагрев электрода-инструмента за счет тепла Джоуля-Ленца, которое выделяется при прохождении силы тока по его стенке: Схема МЭЭО с единичным разрядом 1 – электрод-инструмент; 2 – рабочая жидкость; 3 – заготовка (анод); 4 - электрическая энергия, накопленная в источнике питания; 5 – лунка с расплавленным металлом; 6 – канал разряда Распределение тепла на торце ЭИ 12
КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ВКЛЮЧАЕТ МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭИ: • трубчатых электродов-инструментов различной формы (квадратной, круглой, прямоугольной и т. д. ); • трубчатых поверхности; электродов-инструментов со спиралевидным пазом на • электродов-инструментов с микроэлементами на рабочей части заданной формы полученные: по субтрактивной технологии и по аддитивной технологии; • тонкостенных электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной трепанации и для формирования микропазов заданной формы; • профилированных электродов-инструментов микроэлементами на рабочей части для МЭЭО; • получения микроэлементов на поверхности электроэрозионного микроформообразования; с фасонными заготовки методом • измерений электродов-инструментов и получаемых с их помощью микроэлементов. 13
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ СТАДИИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАСОННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА С ЗАДАННОЙ ОБРАБОТКИ ГЕОМЕТРИЕЙ ВЫТРАВЛИВАНИЕМ ОПРАВКИ Примеры полученных электродов-инструментов а квадратного сечения б в прямоугольного сечения г а – изготовление алюминиевой оправки различной формы; б – нанесение формообразующего слоя; в – вытравливание алюминия; г – частичное вытравливание алюминия на длине “L” 1 – оправка; 2 – нанесенный слой меди толщиной “S” 1 – электрододержатель; 2 – рабочая часть ЭИ 14
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУЧЕННЫЕ ФАСОННЫМ ЭЛЕКТРОДОМ-ИНСТРУМЕНТОМ ОБРАБОТКИ Микроэлемент прямоугольной формы на заготовке из твердого сплава Т 15 К 6 Микроэлемент прямоугольной формы на заготовке из стали Х 18 Н 10 Т микроэлементы квадратной формы на заготовке из углеродистой стали ШХ 15 15
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ СТАДИИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАСОННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА МЕХАНИЧЕСКИМ ОБРАБОТКИ ОТДЕЛЕНИЕМ ОПРАВКИ Примеры полученных электродов-инструментов круглого сечения а ∅0, 21 ∅0, 48 б в а – нанесение промежуточного слоя никеля заданной толщиной “S 1” на оправку диаметром “d”; б – нанесение формообразующего слоя толщиной “S 2”; в – снятие формообразующего слоя; 1 – оправка; 2 – нанесенный слой меди толщиной “S” 1 – электрододержатель; 2 – рабочая часть ЭИ 16
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ СТАДИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭИ СО СПИРАЛЕВИДНЫМ ПАЗОМ НА ПОВЕРХНОСТИ ОБРАБОТКИ гальваническое формообразование конструкционного слоя 1 – вольфрамовая проволока диаметром “d”; 2 – нанесенный конструкционный слой меди толщиной “S 1”; 3 – изолятор с диаметром “d 1”; 4 – нанесенный формообразующий слой меди толщиной “S 1” нанесение изолятора нанесение формообразующего слоя меди снятие изолятора снятие сформированного слоя с оправки электрод-инструмент со спиралевидным пазом 17
ЭЛЕКТРОДЫ-ИНСТРУМЕНТЫ С МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ НА РАБОЧЕЙ ЧАСТИ ЭИ с охватываемыми микроэлементами ЭИ с охватывающими микроэлементами 1 – рабочая часть ЭИ, 2 – основание ЭИ, размер “а” менее 1 мм Способы изготовления рабочий части ЭИ с охватывающими микроэлементами: 1. Субтрактивная технология, электрохимического растворения фольги толщиной от 50 до 100 мкм со сквозными микроотверстиями, имеющими заданную форму и размеры; 2. Аддитивная технология, электролитического формообразования слоя меди на поверхности подложки, незащищенной изолятором толщиной до 300 мкм и впоследствии отделенного от поверхности подложки. 18
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ НА РАБОЧЕЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ ПО СУБТРАКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ: 1. Нанесение на поверхность металлической фольги фоторезиста и экспонирование в ультрафиолетовом свете нанесенного на поверхность фольги фоторезиста через фотошаблон с рисунком микроэлементов необходимой формы и размеров; Фотошаблон с рисунком на поверхности в форме чешуек 2. Проявление фоторезиста, в процессе которого неэкспонированные участки фоторезиста растворяются, оставляя при этом окна в фоторезисте заданного на шаблоне размера; Проявленный фоторезист с элементами на поверхности в форме чешуек 3. Растворение в растворе 50% Fe. Cl 3∙ 6 H 2 O промежутков поверхности фольги, незащищенных фоторезистоми удаление с подложки слоя фоторезиста. Микроэлементы в форме чешуек, сформированные в медной фольге толщиной 50 мкм методом травления в растворе 50% Fe. Cl 3∙ 6 H 2 O 19
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ СХЕМА СБОРКИ ОБРАБОТКИ ЭИ С ОСНОВАНИЕМ: РАБОЧЕЙ ЧАСТИ Сочетание микроэлементов треугольной и квадратной формы на рабочей части, полученных химическим растворением Микроэлементы в форме чешуек, полученные электрохимическим растворением на рабочей части Схема соединения рабочей части толщиной “s”, имеющей микроэлементы заданной формы, с основанием электрода-инструмента Микроэлементы на рабочей части прямоугольной формы, полученные электролитическим формообразованием 1 – рабочая часть ЭИ, 2 – электрододержатель 20
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ДЕТАЛИ С МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ В ФОРМЕ ЧЕШУИ ОБРАБОТКИ ЭИ из бронзы с выступающими микроэлементами Микроэлементы полученные на заготовке из стали ШХ 15 вид спереди вид сбоку 21
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ ОБРАБОТКИ стадия формирования слоя меди на металлической оправке стадия снятия слоя меди с оправки ЭИ на оправке ЭИ на медном стержне для крепления к приводу станка 5 мм 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 1 – оправка; 2 – нанесенный слой; 3 - электрододержатель 22
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПОЛУЧЕНИЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ С ОБРАБОТКИ ФАСОННЫМИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ НА РАБОЧЕЙ ЧАСТИ Технологии получения профилированных электродов-инструментов с фасонными микроэлементами на рабочей части на металлической оправке 1) механическое формообразование оправки 2) нанесение разделительного слоя (масло) на неметаллической оправке 1) формирование оправки методом фотополимеризации 2) ионноплазменное нанесение слоя электропроводящего материала 3) нанесение слоя меди (рабочей части ЭИ) 3) нанесение разделительного слоя (масло) 4) припаивание электрододержателя к рабочей части ЭИ 5) отделение рабочей части ЭИ от оправки 4) нанесение слоя меди (рабочей части ЭИ) 5) припаивание электрододержателя к рабочей части ЭИ 6) отделение рабочей части ЭИ от оправки 23
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПОЛУЧЕНИЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ С ОБРАБОТКИ ФАСОННЫМИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ НА РАБОЧЕЙ ЧАСТИ стадия электролитического формирования слоя меди на металлической оправке Примеры электродов-инструментов с фасонными микроэлементами 3 мм стадия соединения сформированного слоя меди со стержнем и отделения его от оправки 1 – сформированный слой, 2 – оправка, 3 – стержень 1 мм 1 – электрод-инструмент, 2 – оправка 1 – рабочая часть ЭИ, 2 – электрододержатель 24
Выводы по работе 1. В результате анализа современных методов получения микроэлементов на поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов установлено, что существующие методы обработки, такие как механическая, электрохимическая, лазерная, а также методы, основанные на комбинированном воздействии, имеют недостатки, связанные в основном с трудностями обеспечения точности и качества обработки. 2. На основании проведенной систематизации микроэлементов на поверхности детали предложено их различать по четырем критериям: форме, типу контура, количеству элементов, глубине и высоте отдельных элементов. 3. Разработанная классификация конструктивных особенностей электродов-инструментов для микроэлектроэрозионной обработки позволяет их разделить на следующие виды: охватываемые, охватывающие и электроды-инструменты c микроэлементами на поверхности для улучшения их свойств. 4. Анализ характеристик электродов-инструментов для электроэрозионного микроформообразования показал, что целесообразно их разделить по характеру формируемых поверхностей на ЭИ: для обработки микроотверстий, сетчатые, тонкостенные, сложнофасонные объемные. 5. Проведенные теоретические исследования процесса электролитического формирования выступающих микроэлементов на рабочей части электрода-инструмента показали, что при формировании по схеме с изоляцией на катоде для улучшения распределения потенциала на пробельном участке рабочей части электрода-инструмента необходимо, чтобы толщина изоляции была больше или равна ширине получаемого микроэлемента. Кроме того, можно рекомендовать уменьшение расстояния от изолятора до поверхности электрода, что однако усложняет прокачку электролита в межэлектродном зазоре. 6. В результате анализа зависимостей распределения потенциала при формировании рабочей части электродовинструментов толщиной менее 100 мкм на поверхности оправки заданной формы установлено, что равномерность распределения потенциала возрастает, в случае если длина анода меньше длины оправки. 7. Проведенные исследования теплового поля в стенках электродов-инструментов малой толщины в результате нагрева при электроэрозионном микроформообразовании показали, что температура большая температуры плавления меди на торце электрода-инструмента при единичном импульсе и при толщине стенки 20 мкм распределяется лишь на половину толщины ЭИ. Проведенное исследование позволяет рекомендовать при обработке с током разряда до 1 А электроэрозионное микроформообразование проводить электродом-инструментом с толщиной стенки не менее 20 мкм. 8. Разработана комплексная методика проведения экспериментальных исследований процессов и схем микроформообразования электродов-инструментов и микроэлектроэрозионного формообразования элементов различной конфигурации (трубчатых, сетчатых, сложнофасонных и т. д. ). 9. В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований даны рекомендации по формированию электродов-инструментов для электроэрозионного микроформообразования и по электроэрозионному формированию микроэлементов электродами-инструментами с заданными формой и размерами. 10. На основании проведенных исследований разработаны технологии получения ЭИ с микроэлементами на рабочей части, в частности, для обработки микроотверстий, объемного микроформообразования, микротрепанации, получения микропазов размерами менее 100 мкм. 25
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!!!
Скачать презентацию ФГБОУ ВПО «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Диссертация на тему:
Электроды-инструменты для микроЭЭО.ppt