Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий

Москва

ИНФРА-М

2019

ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 

И ОБОРУДОВАНИЕ 

ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПРОШИВКИ 

ПРЕЦИЗИОННЫХ МИКРООТВЕРСТИЙ

À.Ô. ÁÎÉÊÎ

МОНОГРАФИЯ

Бойко А.Ф.
Б77 
 
Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий  : монография / 
А.Ф. Бойко. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 298 с. — (Научная мысль). — 
www.dx.doi.org/10.12737/monography_5c7d01959b4771.94205042.

ISBN 978-5-16-013744-5 (print)
ISBN 978-5-16-107655-2 (online)

В монографии изложены результаты исследований и разработки высокопроизводительной технологии и оборудования для электроэрозионной 
прошивки прецизионных микроотверстий. Дается анализ мировых технологий получения микроотверстий, представлены результаты разработки 
новой эффективной элементной базы процесса и оборудования, предложены методы оптимизации параметров процесса электроэрозионной 
прошивки микроотверстий. Представлены результаты промышленного 
применения новой технологии и оборудования.
Предназначена для преподавателей вузов, докторантов, аспирантов, 
студентов специальности «Технология машиностроения», а также для инженерно-технических работников машиностроительных отраслей.

УДК 62-472(075.4)
ББК 34.633

УДК 62-472(075.4)
ББК 34.633
 
Б77

©  Бойко А.Ф., 2019 
ISBN 978-5-16-013744-5 (print)
ISBN 978-5-16-107655-2 (online)

Р е ц е н з е н т ы: 
Колесников А.Г., доктор технических наук, профессор Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана;
Пастухов А.Г., доктор технических наук, профессор Белгородского государственного аграрного университета имени В.Я. Горина;
Шарапов Р.Р., доктор технических наук, профессор Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 5 

ГЛАВА 1. Конструкторско-технологический анализ деталей
и изделий с микроотверстиями и проблем их производства .......... 13 

ГЛАВА 2. Сравнительный анализ мировых технологий
получения микроотверстий .................................................................. 30 

2.1. Механические методы получения микроотверстий ................. .30 
2.2. Ионно-оптический метод получения микроотверстий ............. 35 
2.3. Электронно-лучевой метод получения микроотверстий .......... 37 
2.4. Лазерная прошивка микроотверстий .......................................... 40 
2.5. Электрохимический метод получения микроотверстий .......... 44 
2.6. Струйная электрохимическая прошивка малых отверстий ...... 47 
2.7. Изготовление микроотверстий методом литья ......................... 49 
2.8. Получение микроотверстий методом сборки ............................ 50 
2.9. Групповой способ изготовления сварочных капилляров
с помощью вакуумного напыления ................................................... 52 
2.10. Электроэрозионная прошивка микроотверстий ...................... 54 

ГЛАВА 3. Анализ технологий и оборудования первого
поколения для электроэрозионной прошивки микроотверстий ... 61 

ГЛАВА 4. Физическая модель процесса электроэрозионной
прошивки микроотверстий .................................................................. 77 

ГЛАВА 5. Исследование и разработка новой эффективной
элементной базы процесса и оборудования
для электроэрозионной прошивки микроотверстий ..................... 101 

5.1. Создание нового транзисторного генератора импульсов
наносекундного диапазона ............................................................... 101 

5.1.1. Теоретическое обоснование преимущества
транзисторного генератора перед RC-генератором
импульсов для электроэрозионной прошивки
микроотверстий ........................................................................... 102 
5.1.2. Исследование и решение проблемы получения
сверхкоротких импульсов наносекундного диапазона с помощью
транзисторного ключа. Разработка принципиальной
схемы транзисторного генератора коротких импульсов .................. 112 
5.1.3. Исследование и оптимизация параметров
транзисторного генератора коротких импульсов ..................... 128 

5.1.4. Особенности расчета по мощности силовых
транзисторных ключей в генераторах импульсов
для электроэрозионной обработки ............................................. 149 

5.2. Исследование и разработка высокочастотного вибратора
электрода-инструмента с адаптивным управлением ..................... 160 
5.3. Исследование и разработка быстродействующего
двухканального регулятора подачи электрода-инструмента ........ 169 

ГЛАВА 6. Технологические исследования и оптимизация
параметров процесса электроэрозионной прошивки
микроотверстий .................................................................................... 183 

6.1. Зависимость производительности процесса и износа
электрода-инструмента от глубины его внедрения в деталь ........ 185 
6.2. Исследование зависимости производительности процесса
и износа электрода-инструмента от энергии импульсов. 
Оптимизация оперативной производительности и энергии
импульсов .......................................................................................... 193 
6.3. Исследование зависимости производительности процесса
и износа электрода-инструмента от частоты импульсов.
Оптимизация оперативной производительности и частоты
импульсов .......................................................................................... 207 
6.4. Оптимизация вылета электрода-инструмента ......................... 215 
6.5. Точность электроэрозионной прошивки микроотверстий ..... 221 
6.6. Исследование качества обработанной поверхности
микроотверстий ................................................................................. 226 

ГЛАВА 7. Промышленное применение новой технологии
и оборудования для электроэрозионной прошивки
микроотверстий .................................................................................... 243 

7.1. Типовой технологический процесс электроэрозионной
прошивки микроотверстий ............................................................... 244 
7.2. Методика выбора оптимальных режимов обработки ............. 246 
7.3. Оборудование для эффективной электроэрозионной
прошивки прецизионных микроотверстий ..................................... 255 
7.4. Технико-экономические показатели внедрения новой
технологии и оборудования ............................................................. 271 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................... 278 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................. 282 

ВВЕДЕНИЕ

К прецизионным микроотверстиям относят отверстия диамет
ром менее 0,1—0,3 мм, выполняемые с точностью от микрона до нескольких сотых долей миллиметра. При всей уникальности этого конструктивного элемента годовой объем производства изделий с микроотверстиями в настоящее время в мире насчитывает многие миллионы.

В России первым массовым изделием с микроотверстием стал

инструмент для микросварки и микропайки. Это был конец 60-х годов
прошлого
столетия. Шло
освоение
массового
производства
ин
тегральных микросхем, твердых гибридных схем и других полупроводниковых приборов. Для приварки проволочных выводов в приборах использовалась различного вида микросварка, в которой для осуществления процесса сварки применяли твердосплавной инструмент, 
содержащий высокоточное капиллярное отверстие. Тогда инструмент
в значительном объеме закупался в США по 80 долларов за единицу. 
Закупка осуществлялась по сложной схеме через третьи страны, т.к. 
инструмент для микросварки США относили к стратегической продукции и прямые поставки в СССР были запрещены из-за действия
пресловутой поправки Джексона—Вэника.

Для создания отечественного производства микроинструмента

по постановлению правительства СССР был построен специальный
завод «Контур» в г. Чебоксары, который в начале 70-х годов прошлого
столетия начал его серийное производство. Шли годы. При непосредственном участии автора этой работы поэтапно была разработана целая гамма технологических процессов и специализированного высокоточного электроэрозионного оборудования для прошивки прецизионных микроотверстий в инструменте. Первой работой этого направления, вошедшей в план важнейших работ Министерства электронной
промышленности, была ОКР под шифром «Капилляр»: «Разработка и
внедрение технологии и необходимых приспособлений для производства инструмента для микросварки, исключающих применение импортного оборудования и обеспечивающих выпуск на заводе «Контур» 
г. Чебоксары 60—70 тыс. единиц инструмента в год». Главным конструктором ОКР был назначен тогда еще молодой специалист, вы

пускник МВТУ им. Баумана и автор настоящей работы. Разработанные
поэтапно новые технологии и оборудование позволили к концу 80-х
годов прошлого столетия довести объем производства микроинструмента до двух млн штук в год. В настоящее время этот инструмент
изготавливают в необходимых объемах по цене 5—15 долларов США.

Наряду с микроинструментом в электронной промышленности

изготавливают также множество различных деталей электронных приборов с микроотверстиями: анодные узлы электронно-оптических систем видиконов, иконоскопов, супертиконов, потенциалоскопов, электроннолучевых трубок; детали магнитных блоков, волноводы, выводы
электроваккумных приборов и др.

В 90-х годах прошлого столетия в России на ряде заводов было

освоено массовое производство атравматических хирургических игл, в
которых прошивались микроотверстия. Объем производства игл в России в настоящее время превышает миллион штук в год.

В аэрокосмической и оборонной отраслях микроотверстия про
шиваются в деталях пневморегулирующей авиационной и ракетной
техники, в соплах дыхательных аппаратов подводников, космонавтов, 
в прецизионных датчиках расходомеров и др.

В инструментальных производствах обрабатывают микроотвер
стия
в
фильерах, волоках, твердосплавных
кондукторах, в
на
правляющих втулках для заточки малых сверл, в кернах для навивки
спирали ламп накаливания и др.

В производстве топливной аппаратуры — это форсунки, рас
пылители, дроссели; в приборостроении — диафрагмы электронных
микроскопов, детали гидро- и пневмоизмерительной аппаратуры и др.

Для
получения
прецизионных
микроотверстий
наибольшее

применение нашел электроэрозионный метод. Именно при использовании этого метода в полной мере выявляются такие преимущества, 
как незначительные механические усилия при обработке, отсутствие
необходимости в обрабатывающих инструментах более твердых, чем
обрабатываемый материал; возможность достижения высокого уровня
автоматизации процесса и оборудования, высокая повторяемость размеров обрабатываемых отверстий. Благодаря высоким качественным
показателям метод электроэрозионной прошивки остается на сего

дняшний день наиболее приемлемым для получения прецизионных
микроотверстий.

С развитием различных отраслей техники отмечается расши
рение номенклатуры и усложнение изделий с микроотверстиями, ужесточаются требования к точности и качеству поверхности отверстий, 
появилось множество изделий с микроотверстиями глубиной до 20—
30 диаметров, растут объемы производства таких изделий, возникла
потребность в более производительном оборудовании с более широкими технологическими возможностями для электроэрозионной прошивки микроотверстий.

Существующее отечественное и зарубежное оборудование уже

не могло удовлетворять вышеуказанным требованиям производства. 
Возникла
актуальная
проблема
по
созданию
нового
более
эф
фективного оборудования и технологии для электроэрозионной прошивки микроотверстий, которые должны решить следующие проблемные задачи:

- увеличить производительность процесса;
- снизить износ электрода-инструмента и тем самым, повысить

точность обработки;

- увеличить предельную глубину прошиваемых микроотверстий; 
- улучшить качество обрабатываемых поверхностей без сниже
ния производительности;

-улучшить экологию производства путем создания оборудова
ния, позволяющего вести процесс обработки в воде вместо керосина.

Так как вышеуказанная проблема не могла быть решена про
стым усовершенствованием существующего оборудования для электроэрозионной прошивки микроотверстий, базирующегося на использовании в качестве источника технологического тока RC-генератора
импульсов и в качестве рабочей жидкости — керосина, было принято
решение о проведении глубоких и всесторонних исследований и создании оборудования нового поколения, в котором подлежат фундаментальному обновлению все основные составляющие процесса: генератор импульсов тока, следящий регулятор подачи, вибратор электрода-инструмента, рабочая жидкость, система автоматизации процесса, 
методы технологической оптимизации, эргономика и дизайн оборудо

вания. Следует заметить, что проблема существенного повышения
эффективности технологии и оборудования для электроэрозионной
прошивки прецизионных микроотверстии не была исследована ни в
России, ни за рубежом.

Для разрешения вышеизложенных проблем после глубокого

анализа последних достижений в разрабатываемом направлении и
многолетнего личного опыта в создании и внедрении в производство
электроэрозионных процессов и оборудования были поставлены следующие научно-технические задачи:

- создать новый источник технологического тока независимого

типа: транзисторный генератор коротких импульсов наносекундного
диапазона, разработать принципиальную схему и методику расчета ее
элементов (существующие генераторы не обеспечивают получение
сверхкоротких импульсов тока и поэтому не могут быть использованы
для электроэрозионной прошивки микроотверстий);

- создать новый быстродействующий двухканальный следящий

регулятор подачи, обеспечивающий стабильность процесса обработки
в условиях микронных межэлектродных зазоров (взамен существующих инерционных одноканальных); 

- 
создать
новый
высокочастотный
вибратор
электрода
инструмента с адаптивным управлением, обеспечивающий высокопроизводительную электроэрозионную прошивку микроотверстий, т.ч. 
глубоких (взамен низкочастотных неадаптивных); 

- на базе созданного оборудования провести широкие техноло
гические исследования электроэрозионной прошивки микроотверстий
в неуглеводородной среде, разработать методы оптимизаций всех параметров процесса;

- разработать типовой технологический процесс высокопроиз
водительной электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий на оптимальных режимах обработки.

Для решения поставленных задач были проведены широкие тео
ретические
изыскания, связанные
с
анализом
разрабатываемого

направления, моделированием исследуемых процессов электроэрозионной прошивки микроотверстий, разработкой рабочих гипотез, а
также экспериментальные исследования: технологические, конструк

торские, физико-технические. Значительный объем занимают работы, 
связанные с поиском эффективных решений при разработке функциональных узлов нового электроэрозионного оборудования, в которых
были реализованы новые идеи, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Все научно-технические и практические результаты работы, из
ложенные в монографии, отражены в шести главах. В главе 1 подробно дается анализ типовых деталей с микроотверстиями, показаны конструктивные особенности отверстий и технические требования, предъявляемые к ним. Показаны проблемные моменты в их обработке, в т.ч. 
при прошивке глубоких отверстий, неудовлетворенность в ряде случаев производительностью процесса и точностью обработки прецизионных отверстий. В первом разделе главы 2 представлен обзор 10 методов получения микроотверстий, дается обоснование выбора электроэрозионного метода, как наилучшего для получения прецизионных
микроотверстий. И хотя некоторые методы по производительности
превосходят электроэрозионную прошивку (лазерный, электроннолучевой и др.), однако уступают по точности обработки и особенно по
точности формы обрабатываемых микроотверстий. Отмечены нерешенные проблемы выбранного метода: по производительности процесса, износу электрода-инструмента, по предельной глубине прошиваемых отверстий, по колоссальной зависимости производительности
от требований к шероховатости обработанной поверхности, по экологии производственного процесса. Во втором разделе главы 2 описываются предшествующие разработки по электроэрозионной прошивке
микроотверстий и проводится их сравнительный анализ, представлено
освещение степени разработанности проблемы создания более эффективного оборудования и технологии, определено место собственных
исследований и разработок, поставлены научно-технические задачи, в
том числе:

- разработать и исследовать эффективность применения высоко
частотного транзисторного генератора коротких биполярных импульсов наносекундного диапазона для электроэрозионной прошивки микроотверстий в воде, предложить методы оптимизации параметров элементов схемы генератора; 

- разработать и исследовать эффективность нового высокочув
ствительного быстродействующего двухканального следящего регулятора подачи электрода-инструмента с разработкой методики определения его эффективности;

- 
исследовать
влияние
параметров
вибрации
электрода
инструмента на показатели процесса, оптимизировать параметры, разработать и исследовать эффективность адаптивной системы управления вибрацией;

- исследовать физику процесса и разработать модель естествен
ной эвакуации продуктов эрозии из микронных межэлектродных промежутков; определить направление повышения эффективности процесса самоэвакуации продуктов эрозии; 

- провести всесторонние технологические исследования на раз
работанном оборудовании, предложить системный комплексный подход для определения оптимальных технологических режимов электроэрозионной обработки прецизионных микроотверстий в воде.

В главе 3 изложены новые результаты исследований физики

процесса электроэрозии и разработки по вышеизложенным задачам, 
связанным с созданием новой эффективной элементной базы оборудования нового поколения для электроэрозионной прошивки микроотверстий: транзисторного генератора импульсов, быстродействующего регулятора подачи, высокочастотного вибратора. На все устройства
разработаны методики расчета и оптимизации их основных параметров. Все разработки защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретение.

Новый научный результат представляют собой исследования

физики процесса естественной эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. Была выдвинута гипотеза о самоорганизации встречных гидродинамических потоков в диаметрально противоположных кольцевых боковых межэлектродных зазорах. Научный
эксперимент подтвердил эту новую идею.

В главе 4 изложены результаты широких технологических ис
следований и оптимизации параметров электроэрозионной прошивки
микроотверстий, в том числе производительности процесса, оперативной производительности, износа электрода-инструмента, шероховато