Электрохимическая микрообработка изделий

Классификация технологий микрообработки

Такие технологии можно классифицировать по нескольким основным признакам. Система важна — без нее легко запутаться в многообразии методов.

Одно-, двух- и трехмерная обработка

По количеству размеров изготавливаемого конструктивного элемента различают три типа микрообработки.

Одномерная микрообработка. Характерные объекты:

• ✓ Аэродинамические занижения на деталях авиационной техники глубиной 10–30 мкм
• ✓ Гальванические или иные покрытия

Двухмерная микрообработка. Объекты:

• ★ Глубокие отверстия с характерным размером сечения 10–200 мкм
• ★ Элементы маркировочных рисок и пазов глубиной 2–10 мкм и шириной 10–100 мкм

Трехмерная микрообработка. Сюда относят конструктивные элементы изделий микромашиностроения и элементы микроэлектроники.

Методы воздействия на материал

По применяемому методу выделяют:

Несмотря на большое количество опубликованных работ, выбор подходящей технологии затруднен. Главная причина — отсутствие систематизированной справочно-информационной базы.

Что это значит на практике? Технологи вынуждены проводить научно-исследовательские работы на стадии подготовки производства. Цель: выявить наиболее эффективный метод обработки.

Условия электрохимической микрообработки

Электрохимическая микрообработка интенсивно развивается. Такие технологии обеспечивают изготовление миниатюрных деталей с размерами порядка 1–10 мкм, а иногда и меньше.

Для этого необходимо:

• ✔️ Линейный идентифицируемый съем материала 0,1–1 мкм
• ✔️ Высотный параметр шероховатости того же порядка

Научный интерес подтверждается множеством публикаций на Международных симпозиумах по электрообработке (ISEM-11 – ISEM-14).

Удаление малых припусков: формулы точности

Для удаления малых припусков необходимо обеспечить условие:

vср · t ≤ δ

или при vуд = const:

iср · t = Δq ≤ q*

где:

• vср — средняя линейная скорость растворения по нормали к поверхности
• t — время обработки
• Δq — удельное количество пропущенного электричества
• q* — удельное количество электричества, соответствующее линейному съему, равному величине допуска на размер

Эти условия ограничивают минимальный идентифицируемый линейный съем материала анода. Определяют достигаемую точность размера.

Аналогия с точением: достигаемая точность определяется минимальной толщиной снимаемой стружки. Логично?

Поскольку минимальный съем обычно соответствует единичному импульсу, условие ограничивает удельное количество электричества за импульс. При прямоугольной форме импульса тока это связывает амплитуду с длительностью гиперболической зависимостью.

Шероховатость поверхности: критическая плотность тока

Для получения малого параметра шероховатости необходимо выполнить условия:

iкр ≤ i ≤ i*

q ≥ q*

где:

• i* — плотность тока, обеспечивающая шероховатость не ниже заданной
• iкр — критическая плотность тока, обусловленная паро- и газовыделением
• q* — количество электричества для выравнивания исходной шероховатости Ra₀ до требуемой Raк

Первое условие отражает наличие специфической шероховатости Raсп при формировании микрогеометрии. Второе характеризует процесс выравнивания исходной шероховатости.

Локализация процесса: точность копирования

Условие высокой локализации процесса растворения (точность копирования):

∂v/∂a 0 при a → a₁

при a > a₁: v = 0

Первое условие регламентирует крутопадающую зависимость скорости растворения от зазора. Второе ограничивает область рабочих зазоров сверху, обеспечивая высокую локализацию.

Ограничение по току:

I ≤ I*т

где I — сила тока через электрод-инструмент, I*т — критическая сила тока по условию теплового разрушения.

Для прошивки малых отверстий используют инструменты диаметром до 20 мкм и длиной 600–800 мкм. Силу тока необходимо ограничивать. Иначе инструмент разрушится.

Анализ показал: выполнение условий возможно только на сверхмалых зазорах (10–100 мкм) с применением импульсного тока.

Для эффективной эвакуации продуктов электролиза на электрод-инструмент накладывают механические колебания определенной амплитуды и частоты.

Модель импульсной обработки: короткими импульсами

Предложена модель электрохимической обработки короткими импульсами тока.

Суть: за счет малой длительности импульса обеспечивается повышенная локализация процесса анодного растворения. Причина — замедленное нарастание поляризации электрода в области больших зазоров.

Как это работает?

Анодный потенциал возрастает во времени при наложении тока. Чем больше локальный межэлектродный зазор, тем меньше скорость нарастания потенциала.

При достаточно коротком импульсе:

• ✦ Анодный потенциал φ₂ (больший зазор a₁) не превысит потенциала растворения
• ✦ Растворение на данном участке не произойдет
• ✦ В области малых зазоров (a a₁) потенциал φ₁ > φр — растворение будет

Выполняется условие локализации. Растворяется материал только в области малых зазоров. Это обеспечивает высокую точность копирования формы катода-инструмента.

Рис. 1. Схема поляризации анода импульсом тока прямоугольной формы

Разработана математическая модель. Предложено программное обеспечение для моделирования процессов на аноде и катоде.

Расчетным путем показана и экспериментально подтверждена адекватность модели. Зазор a₁, выше которого прекращается растворение, называют ограничивающим зазором.

Экспериментальная проверка: фрезерование электродом 100 мкм

Экспериментальная апробация проводилась по схеме электрохимического фрезерования цилиндрическим электродом-инструментом диаметром 100 мкм.

Параметры обработки:

• ✓ Электролит: 10%-ый раствор NaNO₃
• ✓ Материал: нержавеющая сталь
• ✓ Напряжение: 4–8 В
• ✓ Частота импульсов: 1–5 МГц
• ✓ Начальный зазор: 20 мкм
• ✓ Скорость подачи: 0,008–0,013 мм/с

Обрабатывались пазы длиной 1,5 мм, впадины и микроотверстия.

Экспериментальные данные показали: скорость подачи, напряжение импульса и его длительность оказывают существенное влияние на качество обработки. Остальные параметры заметного влияния не оказывают.

Получено хорошее соответствие теории и эксперимента. Это важно.

Микроканавки: елочный профиль внутри отверстия

Описаны результаты экспериментов по изготовлению микроканавок:

• ★ Ширина: 200 мкм
• ★ Глубина: 10 мкм
• ★ Расположение: внутренняя поверхность отверстия диаметром 1,5 мм
• ★ Материал: коррозионно-стойкая сталь

Канавки елочного типа наносили после ввода специального инструмента в предварительно подготовленное отверстие.

Процесс:

1. Цилиндрической частью инструмента — отделочная обработка отверстия до требуемой шероховатости
2. Профилированной частью — изготовление елочных канавок

Параметры режима электролиза:

Рис. 2. Электрод-инструмент (а), канавки (б), шевронные занижения на цилиндрической поверхности отверстия (в)

Изолированные электроды: снижение конусности

Использованы микроэлектроды с изоляцией толщиной 5–8 мкм, нанесенной на боковую стенку.

Процесс проводили с вибрацией электрода. Фаза синхронизирована с подачей электрического импульса.

Параметры:

• ✖️ Длительность импульсов напряжения: 20 мкс
• ✖️ Скважность: 2
• ✖️ Напряжение на электродах: 6,4 В
• ✖️ Электролит: водный раствор хлората натрия

Результат: размеры и конусность отверстия, прошитого инструментом с изоляцией боковой стенки, значительно меньше, чем при применении неизолированного инструмента.

Рис. 3. Отверстия треугольного сечения, полученные неизолированным (а) и изолированным (б) инструментами, инструмент (г) и полученные им отверстия в никелевой фольге

На рисунке показаны отверстия треугольного сечения, прошитые с применением указанных инструментов. Также показан инструмент для одновременной прошивки 121 отверстия квадратного сечения в никелевой фольге толщиной 100 мкм.

Изготовление микроэлектродов: инструмент 11 мкм

Важная проблема в технологии микрообработки — изготовление микроэлектродов.

Предложена технология изготовления путем электрохимического растворения исходной заготовки.

Результат: инструмент диаметром 11 мкм и длиной 600 мкм из никеля. Получен анодным растворением электрода в предварительно изготовленной матрице.

Таким электродом прошили отверстия:

• ☑️ Диаметр: 60 мкм
• ☑️ Длина: 100 мкм
• ☑️ Материал: никелевая фольга

Рис. 4. Микроэлектрод Ø11 мкм (а) и отверстия Ø60 мкм (б)

Проведена биполярная обработка на зазоре 100 мкм с наложением микро- и наносекундных импульсов.

Показана возможность достижения:

• ★ Точности: 300–500 нм
• ★ Шероховатости поверхности: Ra 20 нм

Предложен комбинированный способ ультразвуковой импульсной микрообработки. ЭИ колеблется с частотой 20 кГц. При сближении с заготовкой подается короткий импульс тока.

При величине МЭЗ около 10 мкм влияние добавок и скорости вращения электрода исследовалось экспериментально при получении отверстий диаметром 30 мкм.

Выполняли электрохимическое фрезерование на станке с ЧПУ вращающимся цилиндрическим электродом с целью получения объемных микроструктур.

3D-структуры: от микрон до нанометров

Примеры различных объемных структур, полученных электрохимическим микрофрезерованием, показаны на рисунках.

Рис. 5. Детали и элементы деталей, полученные электрохимической микрообработкой

Рис. 6. Микро и наноразмерные объемные элементы

С помощью вольфрамового инструмента получены трехмерные структуры на никелевом образце:

• ✦ Размеры: порядка 10–100 нм
• ✦ Глубина: 400 нм

Это удалось достичь путем применения ультракоротких импульсов тока длительностью около 2 нс.

Показана возможность изготовления микрорельефа поверхности путем электрохимического травления канавок шириной 30 мкм.

Разработана технология импульсной ЭХРО для изготовления режущего клина с радиусом закругления кромки, равным 600 нм.

Электроды-инструменты для технологий электрохимической обработки микрообъектов изготовляют с применением ионно-лучевых технологий и электрохимическим травлением.

Оборудование для электрохимической микрообработки

Представленные технологические результаты получены на опытно-экспериментальном оборудовании.

Установка для микрообработки включает:

• ✔️ Генератор импульсов
• ✔️ Устройство управления
• ✔️ Механическую конструкцию со столиком для установки заготовки
• ✔️ Сервоприводы
• ✔️ Рабочую головку с электродом-инструментом

Рис. 7. Опытно-экспериментальная установка для электрохимической микрообработки

Имеющаяся элементная база позволяет создать и серийно выпускать такое оборудование с КЧПУ в обозримом будущем.

Импульсная электрохимическая обработка, зародившаяся в конце 60-х годов прошлого века, стала мощным инструментом.

Результаты:

• ✦ Значительное повышение точности размера и формы макро- и микроразмерных тел
• ✦ Шероховатость поверхности до Ra = 10 нм

Дальнейшее развитие этого перспективного направления позволит выявить, исследовать и практически применить новые физико-химические эффекты.

Электрохимическая микрообработка — это не будущее. Это настоящее высокоточного производства.

Б.П. Саушкин

Литература:

1. Наукоемкие технологии машиностроительного производства: Физико-химические методы и технологии / Под ред. Б.П.Саушкина.– М.: Изд-во «Форум». 2013.– 930 с.
2. Wu W., Chang CH., Liu Sh. Experimental Study of Hydrodynamic Bearing Groove Machining Using Fixed Position Cathode Pulse / Proceeding of the International Symposium of Electro Machining (ISEM- ).– Shanhau, 2010.– P. 293–297.
3. Skoczypiec S., Ruszaj A., Lipiec P. Research on ECD Localization in Case of Micro Machining with Ultra Short Pulses / Proceeding of the 16th International Symposium on Electromachining. Shanghai, China. 2010. – P. 319–322.
4. Yong Li, Xiaoyu Ma, Gaihong Liu fnd others. Research of Micro ECM Using Micro Array Electrode/ Proceeding of the International Symposium of Electro Machining (ISEM-13).– Shanhau, 2010.– P. 319–322.
5. Ma X., Li Y. Research of Micro Electrode Fabrication Based on ECM / Proceeding of the 16th International Symposium on Electromachining. Shanghai, China. 2010. – P. 331–334.
6. Zaitsev A.N., Idrisov T.R. Aspects of Improving of ECM Accuracy/ Proceeding of the International Symposium of Electro Machining (ISEM- ).– Shanhau, 2010 P. 341–345.
7. Li Xiaohai, Zhao Lijie, Wang Xinrong. Micro ECM and its Influencing Factors / Proceeding of the 16th International Symposium on Electromachining. Shanghai, China. 2010. – P. 385–388.
8. Kozak J., Gulbinowicz Z., Rozenek. Selected Problems of Pulse ECM / Proceeding of the 16th International Symposium on Electromachining. Shanghai, China. 2010. – P. 299–305.
9. Электрохимическая обработка изделий авиационно-космической техники/ Под ред. Б.П.Саушкина. – М.: Изд-во «Форум». 2013.– 430 с.