Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исследований по электрохимической и комбинированной обработке по шаблонам деталей с различной обрабатываемостью 9
1.1 .Область использования и технологические показатели 9
1 2.. Закономерности протекания процесса 25
1.3 .Анализ технологичности при изготовлении заготовок из листа 38
1.4.Технологические режимы разделения листовых материалов по шаблонам 43
1.5.Обоснование применения электрохимической и комбинированной обработки для получения заготовок 48
Глава 2. Пути и способы решения поставленных задач 55
2.1. Рабочие гипотезы 55
2.2. Новые способы и устройства для достижения поставленной цели
2.3. Техническое оснащение 66
2.4. Обоснование выбора шаблонов для разделения неоднородных материалов 69
2.5. Программа проведения работы 69
Выводы 70
Глава 3. Механизм разделения заготовок с анизотропными свойствами и различной обрабатываемостью 71
3.1. Физическая модель 71
3.2. Механизм процесса разделения 73
3.3 .Управление полем через металлический шаблон 78
3.4.Технологические показатели при обработке по шаблонам материалов с различной обрабатываемостью 80
Выводы 84
Глава 4. Технологические режимы и процессы разделения металлических листов на точные заготовки 86
4.1. Оптимизация процесса разделения листовых материалов в гибкоструктурном производстве 86
4.2. Расчет и проектирование шаблонов 89
4.3. Технология изготовления шаблонов 92
4.4. Технология разделения материалов на единичные заготовки 94
4.5. Создание специального оборудования для разделения материалов 99
4.6. Примеры использования и перспективы применения исследуемых технологических процессов 104
Выводы 115
Заключение 116
Список использованных источников 118
Приложения 129
- Закономерности протекания процесса
- Новые способы и устройства для достижения поставленной цели
- Механизм процесса разделения
- Расчет и проектирование шаблонов
Введение к работе
Актуальность темы. В работах электротехнологов России сформировалось новое научное направление - управление процессом локальной обработки параметрами основного и вспомогательного электрического поля по многослойным шаблонам. В результате разработаны новые конструкции шаблонов, содержащих элементы с различными свойствами, в том числе с токопроводящими слоями, подключенными к напряжению. Как известно, при разделении листовых заготовок точность деталей зависит от толщины листа и резко снижается при углублении паза более чем на 0,3 мм. Однако даже при двухстороннем разделении (что весьма сложно и ненадежно) толщина листа для точных заготовок не превышает 0,6-0,7 мм. Использование многослойных шаблонов (в том числе токопроводящих) позволяет расширить технологические возможности разделения до толщины листа 0,8-1,0 мм, но при этом возрастает зазор между катодом и заготовкой (анодом), что влияет на величину погрешности контура по глубине. Главным недостатком существующих методов разделения заготовок по однослойным и многослойным шаблонам является необходимость нанесения на обрабатываемую поверхность токсичных покрытий, а после выполнения операции- их удаление травлением в токсичных растворах, необходимых для растворения, в частности, титановых слоев металлических шаблонов. Травители могут воздействовать на полученную деталь и " нарушить ее точность. Использование .тонких диэлектрических шаблонов возможно только при их неподвижном закреплении на заготовке. Попытки многократного использования подобных шаблонов с установкой их на инструменте-катоде показали, что из-за специфического характера электрического поля на границе контура детали возникает «размыв» места разделения и получение качественных изделий становится невозможным.
Эксперименты показали, что положение металлических шаблонов зависит от обрабатываемости элементов заготовки и связано с переходными границами участков. Без учета этого фактора не удается получить детали требуемой точности при разделении листовых материалов с переменной толщиной или различной обрабатываемостью участков материала. К таким
изделиям относятся детали, получаемые из листа (взамен штамповки) с переменной толщиной, а также из листов, состоящих из участков с различной обрабатываемостью (соединение элементов пайкой, сваркой из однородных или различных материалов). Потребность в подобных деталях резко возрастает при современном развитии гибкоструктурных производств, особенно с созданием малых предприятий, выпускающих многономенклатурную продукцию, где многие способы разделения заготовок из листа (штамповка, разрезка и другие) оказываются экономически не эффективными из-за высоких затрат на технологическую оснастку при малом тираже выпуска и ограниченных возможностей по получению деталей со сложным точным контуром.
Результаты работ отвечают современным требованиям по созданию конкурентоспособной техники с привлечением малых предприятий для выпуска новой продукции с быстрой адаптацией к запросам потребителя, в том числе востребованной зарубежными фирмами. Выход на мировой рынок промышленной продукции отвечает задачам, поставленным в государственных программах РФ, соответствует научному направлению АТН РФ «Развитие новых высоких промышленных технологий на 2000-2010 годы».
Целью работы является обоснование возможности и разработка технологии, средств технологического оснащения для чистового разделения материалов с переменными характеристиками по многослойным шаблонам.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка схемы размещения многослойных шаблонов с
металлическими слоями при чистовом разделении листовых металлов с
переменными физико-механическими и геометрическими характеристиками.
Создание технологии изготовления многослойных шаблонов с заданным профилем и защитой от разрушения при разделении материалов.
Установление механизма воздействия электрического поля на неоднородную заготовку при различном воздействии поля шаблона.
4. Установление закономерностей изменения интенсивности
электрического поля на электролизере при продвижении поля вглубь
границы разделения материалов.
5. Изучение поведения несвязанных с неоднородной заготовкой
металлических слоев тонких шаблонов.
6. Создание технологии и средств технологического оснащения для
работы с оборудованием, оснащенным адаптивным управлением плотностью
тока по глубине разделения листовых материалов с переменными
характеристиками и обрабатываемостью.
Методы исследований." При выполнении работы соискатель
использовала классические закономерности электрического поля,
гидродинамики, сопромата, а также теоретические положения
комбинированных и электрохимических процессов, материаловедения, теорию покрытий.
Достоверность полученных результатов подтверждена в процессе эксплуатации оборудования, используемого и созданного для машиностроения России и ряда зарубежных стран.
Научная новизна работы включает: 1.Модель механизма действия электрических полей от независимых источников для получения требуемых границ разделения неоднородных ,j ,5 материалов. В модели установлены закономерности"»формирования, стсїіок.і паза по глубине при различных сочетаниях полей и внешней защите части паза по адаптивной программе управления электрическим полем.
2. Закономерности адаптивного управления устойчивостью тонких многослойных шаблонов в потоке рабочей среды с различной, интенсивностью при их регулируемом прижиме, обеспечивающем устойчивость и не нарушающем качества диэлектрических слоев.
Практическая значимость включает:
1. Создание эффективного технологического процесса разделения листовых материалов с переменной толщиной и обрабатываемостью по многослойным шаблонам с минимальной толщиной, не достижимой при известном способе разделения, что значительно ускоряет и удешевляет
процесс получения заготовок из листа. Кроме того, применение таких шаблонов расширило возможности изготовления деталей из листа толщиной 1,2-1,5 мм с точностью, близкой к деталям, получаемым вырубкой на штампах, но в несколько раз дешевле и в десятки раз быстрее, что отвечает требованиям современного гибкоструктурного производства. Способ управления электрическими полями при использовании многослойных шаблонов признан изобретением, на что подана заявка на патент.
2. Модернизировано оборудование с управляющими адаптивными координатами по изменению характеристик электрического поля, гидродинамических режимов перемещения рабочей среды, что позволило стабилизировать показатели по точности деталей, в том числе из листов с переменными характеристиками, толщиной более 1 мм.
Расширена область использования технологии разделения листовых материалов на детали, имеющие участки с различной интенсивностью анодного растворения и элементы, обрабатываемые при переменной плотности тока с условием сохранения высокой точности границы разделения, что повысило гибкость производства, особенно для малых предприятий приборостроения, бытовой техники.
Исключено вредное воздействие на персонал и окружающую среду токсичных травителей, применяемых для очистки деталей от одноразовых шаблонов.
Соискатель защищает: 1. Механизм управления электрическим полем и течением рабочей среды при использовании для разделения листовых материалов с переменными характеристиками по шаблонам.
Технологию разделения листовых материалов из заготовок с различной обрабатываемостью для получения деталей высокой точности, особенно из заготовок повышенной толщины.
Структуру построения технологического процесса изготовления многослойных шаблонов с защитой рабочей части от анодного растворения и управлением процессом по адаптивным координатам.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению точности формирования границ разделения неоднородных материалов, что позволило резко снизить потребность в вырубных штампах, не окупающих затраты на их производство в гибкоструктурном производстве.
Апробация работы. В течение 1995-2008 года работа докладывалась на конференциях различного уровня: на международных (ССП-2005, г.Воронеж, 2005 г.; «Развитие производства авиационных поршневых двигателей», г.Воронеж, 2005 г.; ССП - 2007, г.Воронеж, 2007 г. и др.), региональных («100 лет русскому автомобилю», Москва, 1996 г. и др.), на кафедре ТМ ВГТУ, НПП "Гидротехника". Результаты работы вызвали интерес у специалистов и были одобрены.
Использование результатов работы Работа прошла промышленную проверку на предприятиях Казани, Воронежа и внедрена для изготовления малотиражных деталей из листа с переменной толщиной и участками с различной обрабатываемостью.
Публикации По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе по списку ВАК РФ - 2 работы., 5 патентов РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в работе [1]- разработка технологии разделения материалов с переменными характеристиками: в [2]-обоснование целесообразности использования предложенного способа для изготовления точных деталей; в [3] - разработка структуры модели формирования кромки при переменной обрабатываемости участков заготовок; в [4]- установление связей технологических режимов с показателями процесса покрытия; в [6] - механизм разделения заготовок с переменными характеристиками; в [9] — разработка пути оптимизации структуры специального оборудования; в [10]- приведение структуры технологического процесса для получения точных листовых деталей; в [12]-разработка пути достижения высокой точности контура разделения по глубине.
Структура и содержание диссертации Работа содержит 133 страницы машинописного текста, 48 рисунков, 12 таблиц; список литературы из 116 наименований; 3 приложения.
Закономерности протекания процесса
Из [92; 47; 48; 85] известно физическое и математическое моделирование процессов, протекающих при управлении электрическим полем для достижения требуемой формы и качества разделения материалов. При рассмотрении физической модели установлено, что за счет локального изменения интенсивности поля возможно плавно повернуть поток охлаждающей среды на угол до 35. Дальнейшее увеличение угла поворота неосуществимо, т.к. в месте установки токопроводящего шаблона со стороны заготовки при наложении на него положительного полюса тока плотность тока на выходе отверстия из заготовки при значительной толщине материала становится ниже предельной величины, необходимой для анодного растворения материала заготовки, т.е. боковой съем, обеспечивающий поворот оси отверстия, прекращается. Процесс формирования каналов зависит от гидродинамики потока, т.к. на скорость массовыноса в глубоких каналах влияет давление жидкости на входе в зону обработки. Стойкость шаблона определяется величиной силы от воздействия электролита воздействующей на него со стороны заготовки, поэтому требуется определить минимальное давление, достаточное для массовыноса продуктов обработки, но не вызывающее отрыва шаблона от обрабатываемой поверхности.
Приведенная в работе [85] физическая модель учитывает особенности электрических, гидравлических процессов и механические свойства шаблонов (жесткость, прочность, адгезию и др.). На рисунке 1.12 показано исходное состояние перед обработкой пазов с односторонним (рисунок. 1.12, а) и двухсторонним (рисунок. 1.12, б) размещением шаблонов, из которых один (2 на рисунке 1.12) является диэлектрическим. Смещение шаблонов на рисунке 1.12, б позволяет совместить наклонные пазы, формируемые с двух сторон листовой заготовки. На рисунке. 1.13 дано изменение электрического поля (5 на рисунке 1.13) и форма углубления 6 при подаче напряжения на электроды 1; 3 и токопроводящий шаблон 4. При двухстороннем положении шаблонов картина не изменится, только пазы будут формироваться по встречным направлениям вдоль их оси. ,
В результате обработки (рисунок. 1.14) получается паз с большим углом наклона боковой поверхности со стороны шаблона 4. Таким образом возникает возможность создать конфузорный паз с осью, расположенной под углом а. В действительности среднее сечение паза имеет криволинейный профиль, но угол атаки рабочей среды (а) практически не зависит от изгиба оси по высоте паза. Наличие шаблона 4 снижает поднутрение профиля с правой (рисунок. 1.14) стороны отверстия, хотя под шаблоном 2 слева поднутрение возрастает по сравнению с обработкой без установки шаблона 4. Поток рабочей среды во время анодного растворения паза проникает в углубление, теряя при этом скорость. При известном профиле боковых стенок отверстия можно смоделировать течение электролита и установить минимальное давление жидкости на входе в межэлектродный зазор. Угол уклона р может быть около 90 с допуском ±3, хотя в рассматриваемом случае желательно иметь его меньше —.
На базе физической модели [47; 48; 92] разработана математическая модель. Расчетная схема процесса приведена на рисунке 1.15. В модели приняты допущения, что ось и стенки паза прямолинейны, а изменение электрического поля по глубине зависит только от расстояния So. При таких допущениях можно найти угол поворота пазов а (обозначения см. нарис. 1.15).
В работах [49;82] учитывается двухмерность электростатического поля в зазоре при допущениях потенциальности этих полей, электронейтральности межэлектродного пространства и равномерности поляризации электродов. Течение электролита описывается с затеканием его в зону подтравливания. При этом имеет место резкое искривление траекторий частиц, приводящее к возрастанию инерционных сил, действующих на частицу, по сравнению с силами вязкости. Принято описание такой движущейся среды моделью идеальной несжимаемой жидкости. Поток считается в окрестности кромки плоскопараллельным и потенциальным с выполнением в нем закона Бернулли. Расчет прочностных характеристик выполняется в рамках теории сопротивления материалов. Разработаны алгоритмы расчета подтравливания и механического воздействия. Результаты расчетов используются при выборе технологических режимов обработки.
В работе [48] приведены расчеты, выполненные на основе нескольких модельных схем при допущениях значительного превышения величины съема над величиной подтравливания и их соизмеримости, а также при однослойном и двухслойном покрытии анодной поверхности.
Новые способы и устройства для достижения поставленной цели
В последние годы в России ведутся интенсивные исследования по электрохимическому и комбинированному разделению металлических листовых материалов. Эти работы не затрагивают обработку заготовок с переменной толщиной, но имеющиеся (в основном в Воронежской научной школе) новые способы и устройства (патенты [65] - [68]) являются базой для развития научного направления и решения задач по разделению материалов при малом тираже выпуска деталей.
В патенте 2257981 (РФ) поставленная задача достигается тем, что в способе электрохимической обработки отверстий в листовых заготовках с использованием диэлектрических трафаретов в проточном электролите и электродов-инструментов, подключаемых к источнику постоянного тока, где анодом является заготовка, новым является то, что на первом этапе при подключении одного из электродов-инструментов к отрицательному полюсу источника тока электрохимическую обработку ведут через трафарет, находящийся на заготовке со стороны этого электрода - инструмента, до глубины обработки, равной (0,75 - 0,8) толщины заготовки, после чего на втором этапе электрохимическую обработку ведут при отключении первого электрода - инструмента и подключении второго электрода - инструмента, до получения отверстия размером, заданным по чертежу. При проведении электрохимической обработки трафареты устанавливают соосно и согласно положению обрабатываемого отверстия, при этом трафарет, используемый при обработке с помощью первого электрода — инструмента, выполняют с рабочим контуром, эквивалентным контуру обрабатываемого отверстия PI уменьшенным на величину бокового-уширения= отверстия, а другой трафарет - с рабочим контуром, повторяющим профиль обрабатываемого отверстия, соответствующим заданному по чертежу, кроме того, толщина первого трафарета в два раза тоньше толщины второго трафарета.
Здесь обработка ведется в два этапа. На первом этапе к отрицательному полюсу источника тока подключают одни из электродов - инструментов и продолжают процесс в течение расчетного времени первого этапа до достижения глубины отверстия 0,75 - 0,8 от толщины заготовки, после чего в углублении остается припуск, затем на втором этапе отрицательный полюс переключают на второй электрод - инструмент и продолжают процесс в течение расчетного времени второго этапа до удаления припуска в углублении со стороны второго электрода - инструмента. На рисунке 2.1 токопроводящая листовая заготовка 1 толщиной h имеет диэлектрический трафарет 2 толщиной t Т] и размером контура Hn , и трафарет 3 толщиной t Т2 и размером контура Н Т2 , равным заданному размеру отверстия по чертежу, толщина tTi первого трафарета в два раза тоньше толщины tj2 второго трафарета, на расстоянии S0 от заготовки расположены электроды-инструменты 4 и 5 - исходное положение заготовки, трафаретов и электродов-инструментов.
Положение инструментов в конце обработки отверстия Ввиду малой величины толщины необработанной части отверстия и удвоенной толщине второго трафарета по сравнению с первым, размер контура отверстия со стороны трафарета 3 равен размеру НТ2 отверстия, заданному по чертежу и размеру Н Т2 контура обработанной части со стороны трафарета .
Способ осуществляют следующим образом: на заготовку 1 накладывают или наносят диэлектрические трафареты 2 и 3 с отверстиями, аналогичными контуру, заданному по чертежу, при этом трафарет 2 имеет размеры контура отверстия на величину уширения меньше по сравнению с соответствующим размером, заданным по чертежу, а трафарет 3 повторяет контур и размеры отверстия, заданные по чертежу, и имеет толщину, в два раза превышающую толщину трафарета 2; трафареты 2 и 3 совмещены по осям и положению на заготовке; электроды-инструменты 4 и 5 устанавливают с зазором S0 относительно заготовки 1; через зазоры прокачивают электролит, электрод-инструмент 4 подключают к отрицательному полюсу источнику тока, а заготовку 1 - к положительному полюсу источника тока.
На первом этапе (рисунок 2.2) обработку ведут с выполнением под трафаретом 2 углубления на глубину (0,75-0,8)h. Выбор этой глубины выполняется из условия, что погрешность процесса электрохимической обработки по глубине прошивки составляет - 10%, то есть минимально возможная толщина припуска в конце обработки на первом этапе составляет 0,2 толщины заготовки. С учетом погрешностей измерения глубина обработки после первого этапа изменяется в диапазоне (0,75-0,8)h.
После первого этапа обработки на заготовке остается припуск со стороны трафарета 3. На втором этапе переключают напряжение (рисунок 2.3) с электрода-инструмента 4 на электрод-инструмент 5 и удаляют оставшуюся часть металла заготовки 1. В результате размер контура отверстия со стороны трафаретов 2 и 3 практически повторяет размеры контура, заданные по чертежу, то есть обеспечивается высокая точность обработки. Трафарет 2 рассчитывают с учетом уширения АН по контуру отверстия.
Механизм процесса разделения
Применительно к схеме на рисунке 3.1 ,а необходимо обеспечить условия, при которых время анодного растворения на глубину hi было бы равным времени на разделение участка с толщиной h2. Из [109] для схемы с неподвижными электродами известно, что время окончания операции по разделению рассматриваемых участков 1 и 2 составит Ti=Js lzs _ (зл) 2TJ-Z&-AU) У т2= (S+h -S2 , (3.2) 2r?-X(U,-AU) Г где Т], т2 - время разделения фрагментов заготовки с толщиной h] и h2; її -выход по току. Принимаем, что перепад толщин hb h2 не значителен, поэтому величина т] - изменяется не существенно, а- электрохимический эквивалент сплава заготовки; у- плотность материала заготовки; % -удельная проводимость рабочей среды; Ui; U2 - напряжение, подаваемое на секции инструмента-катода 1 (рисунок 3.1); AU - потери напряжения, которые зависят от расстояния от инструмента до начала и конца зоны разделения. Если принять перепад толщин заготовки незначительным, то можно считать величину AU одинаковой для всех фрагментов заготовки.
Рекомендации по выводу Ui приведены в [90]. При использовании схемы на рисунке 3.1, б начальный зазор S2 не может быть меньше толщины диэлектрического шаблона (или суммарной толщины шаблонов), размещенных в зазоре S2. Предельная толщина разделяемого материала оценивается по величине h2. При этом существенно нарушается геометрия переходного участка от толщины hi к толщине h2. По [90] предельное расстояние (S2+h2) при одностороннем расположении инструмента-катода (рисунок 3.1; индекс 1) не может превышать 0,8 - 1,0 мм.
В случае разделения заготовки с двухсторонним выступом (рисунок 3.1; в) использование одностороннего инструмента - катода возможно, но при условии и, ипред. (3.7) где ипред - наименьшее значение напряжения на электродах, при котором может эффективно протекать процесс разделения .листовых материалов. Укрупнено можно использовать рекомендации по [90]: (S2+h2) 0,8 1,0мм (3.8) Тогда расчет величины U2 сводится к (3.6). Однако практически более приемлема для случая «в» (рисунок 3.1) схема разделения с двухсторонней установкой инструмента-катода, т.к. в этом случае становится возможной обработка заготовок удвоенной толщины (соответственно с большими размерами ступеней перехода толщин).
Аналогичные рекомендации могут быть даны для случая «г» (рисунок 3.1). Если переходная ступень размещена на заготовке со смещением «1» (рисунок 3.1,д), то можно использовать только схему двухсторонней установки инструмента и рассчитывать технологические режимы из условия А, окончания процесса разделения в плоскости на расстоянии — от тонкой части листа. Принимаем, что начальный межэлектродный зазор на выступающих частях заготовки у обоих инструментов-катодов Sb напряжение на участке "а", (рисунок 3.1) равно Ui, на участке «b» - U2, «с» -U3, на «d» - U4.
Обрабатываемость материалов с наложением электрического поля зависит от электрических свойств заготовки. В частности, требуется разделить разнородные листы, состоящие из фрагментов, соединенных неразъемным токопроводящим соединением (сваркой, пайкой, токопроводящими клеями и др.).
Если требуется разделить листы (рисунок 3.2), имеющие составляющие фрагменты с различной обрабатываемостью, то необходимо обеспечить технологические режимы, обеспечивающие время анодного растворения, одинаковое для всех составляющих. Проще всего это найти для случая «S» (рисунок 3.2), где возможно ускорить или замедлить процесс в зависимости от величины электрохимических эквивалентов, материалов, составляющих заготовку (для «S» фрагменты 1 и 2). Если имеется присадочный материал («а» на рисунке 3.2), то свойства составляющих элементов (1;2;3) зависят от марки материалов, их состояния, поэтому скорость анодного растворения составляющих может значительно различаться, что приводит к неконтролируемому анодному растворению контура и нарушению точности зоны разделения материалов. Случаи «в» и «г» (рисунок 3.2) можно свести к рассмотренным на рисунке 3.1, но здесь накладывается фактор снижения обрабатываемости за счет свойств материалов (например,скорости анодного растворения одного из фрагментов при диффузионной сварке медных и алюминиевых сплавов).
При изготовлении металлических деталей из листа используются однослойные и многослойные диэлектрические и токопроводящие шаблоны (рисунок 3.5).
Наибольшее применение в мелкосерийном производстве получили шаблоны из диэлектриков, наносимые на заготовку методом фотохимии в виде фоторезистов Технология их изготовления достаточно проста, однако стойкость таких шаблонов обеспечивает получение одной детали из листа толщиной не более 0,5 мм. При этом брак достигает 20-30%. Способ применим при единичном и мелкосерийном производстве тонких листовых деталей средней точности.
Известны попытки [85] применения многоразовых диэлектрических шаблонов из специальной бумаги и дьезопленки, однако их использование позволило получить только достаточно мелкие углубления (до 0,05 мм) с нестабильной шириной паза, что ограничило область их техологического приложения для мелкого маркирования. Это связано в основном с минимальной величиной начального межэлектродного зазора (Smin), который складывается из толщины шаблона (hin), расстояния между шаблоном и электродом для прокачки электролита (пэ).
На рисунке ЗГ6 показано влияние SK на суммарную погрешность профиля 5. Если принять толщину пленки 0,1 мм, пэ=0,1 мм, то на пл фактически не остается размера. Исходя из стандартов на листовые заготовки (8-9 квалитет ГОСТ), можно применять съемные шаблоны для деталей с размерами сечения более 50 мм, что редко применяется в точном машиностроении. Кроме того при сечении свыше 5 мм шаблоны и пьезопленки теряют устойчивость и перестают быть носителем размеров.
Расчет и проектирование шаблонов
В гибкоструктурном современном производстве большое количество деталей из листа выполняют по индивидуальным проектам в единичных количествах. Особенно это касается развивающейся системы малых предприятий машиностроительного профиля. Выбор метода разделения зависит от толщины листа, марки материала, технических требований к детали. Для толщины более 0,2-0,3 мм при простом контуре детали применяют вырезание на ножницах. Если контур достаточно сложен, то используют разделение металлическим инструментом или лучевым методом по командам блока ЧПУ. Однако стоимость такого оборудования достаточно велика, а выполнение индивидуальных заказов на стороне резко повышает себестоимость, сроки изготовления продукции, что нередко приводит к утрате рынков сбыта товаров.
Наиболее совершенный способ разделения листовых материалов вырубкой в штампах экономически рентабелен при программе в десятки и сотни тысяч (в зависимости от сложности контура) деталей, толщине листа более 0,1 мм и эффективен для невязких материалов. В гибкоструктурных производствах, особенно в малых предприятиях, вырубка применяется в ограниченных случаях. Разработанный в Уфе, Казани, Воронеже электрохимический способ разделения листовых металлических материалов по шаблонам позволил быстро получать единичные заготовки из листа толщиной до 1 мм, что охватывает основную часть номенклатуры вырубных деталей в общем машиностроении, радиоэлектронике, приборостроении. Однако фотохимическое нанесение шаблонов на заготовку сложно осуществить для больших листов. Это вызывает однократное использование шаблонов, потерю точности обработки контура из-за индивидуального рисунка каждой детали (профиль формируется при нанесении рисунка контура на фотослой). После изготовления детали возникает необходимость в последующей трудоемкой операции по удалению диэлектрического шаблона, что может вызвать погрешности профиля детали и брак изделия.
Для обеспечения требуемой точнострі детали толщина диэлектрического шаблона должна быть не более 0,2 мм, при которой современные диэлектрики не могут обеспечить необходимой жесткости системы без адгезионной связи с заготовкой. Попытки прижать диэлектрические шаблоны к заготовке внешней силой не дали желаемого результата, т.к. для надежного контакта требовалось иметь контур прижима аналогичный профилю шаблона с равномерным смещением границ, что практически трудно осуществимо. Для индивидуальных заказов изготовление таких прижимов оказалось экономически не обоснованным, что начало сдерживать электрохимическое изготовление листовых деталей при малом тираже выпуска. Разработан многослойный шаблон, в котором первый слой (из диэлектрика) нанесен на заготовку из листового материала фотохимическим методом, а внешний (металлический) установлен (или наклеен) на первый. При этом носителем размеров детали является первый слой, а внешний металлический может только приближенно повторять контур детали и не позволяет обеспечить плотный контакт между слоями и заготовкой. Порядок проектирования технологического процесса включает: -подбор рабочей среды, пригодной для анодного растворения всех материалов, включенных в заготовку (рисунок 3.2); -назначение скорости прокачки рабочей среды; -расчет давления среды на входе в межэлектродный зазор; -выбор напряжения на электродах, рекомендованного в [3] для марок материалов, входящих в заготовку; при этом учитываются свойства всех фрагментов, включая присадочный материал, припой, токопроводящий клей; -выбор из справочников величины потерь напряжения: -выбор электрохимического эквивалента (/,) и плотности (Г.) материалов; -расчет напряжения на фрагментах заготовки; -построение технологической схемы обработки неподвижными электродами (односторонняя, двухсторонняя), выбор варианта изготовления, размещения и подключения шаблонов; -расчет по зависимостям типа(ЗЛ) и (3.2) времени разделения заготовки. При использовании многослойных шаблонов с управляемым электрическим полем удалось снизить погрешность профиля заготовок с переменной толщиной до требований, соответствующих 8-10 квалитету ГОСТ (рисунок 3.4). 4.3 Технология изготовления шаблонов
В промышленности освоен метод получения одноразовых шаблонов фотохимическим нанесением контура [85], где толщина слоя (фоторезиста) составляет 10-20 мкм. Фоторезисты могут наноситься различными способами, но для последующего анодного разделения материалов необходима толщина шаблона, выдерживающего действие потока электролита в течение времени прохождения тока. Это время рассчитывается с учетом принятых технологических режимов, начального межэлектродного зазора и толщины листа заготовки.
Для толщин листа до 0,1 мм слой резиста не может быть менее 5-6 мкм, что допускает использование для изготовления шаблонов центрифугирования, аэрозольного напыления, полива, окунания, многослойного наращивания.
В технике освоено изготовление электрохимическим методом листовых деталей с толщиной до 1,0 мм, где шаблоны имеют толщину 10-20 мкм. Здесь используют покрытие поливом, окунанием заготовки, тампонный метод, аэрозольное напыление с одним или несколькими слоями, центрифугирование.
Форма шаблона переносится в масштабе с чертежа контура детали, где 1 закрепляется (например, обжигом). Современный технологический процесс получения шаблона включает: - создание на прозрачной пленке в масштабе чертежа детали с минимальной шириной линий контура, но с наибольшей контрастностью. Чертежные инструменты позволяют получить ширину не менее 0,2-0,3 мм, машинная графика - до 0,05 мм; - подготовку поверхности заготовки к нанесению светочувствительного вещества (резиста). Сюда входит удаление загрязнений (а иногда и окислов); промывка; в некоторых случаях - создание искусственной шероховатости с использованием механических щеток, травителей; повышение адгезии поверхности путем обработки ее в парах адгезивов, в частности гексаметилдисилазана; - подбор светочувствительного покрытия, гидрофобного к материалу заготовки. В литературе имеются указания на возможность получения качественных диэлектрических слоев диоксида и нитрида кремния, фоторезисторов типа фотоэмульсии, применяемой в фотографии; і - нанесение светочувствительного слоя. В радиотехнике используют фотолитографию с ультрафиолетовым излучением; рентгеновское ионное облучение. Но в технике для электрохимического разделения материалов применяют, в основном, фотолитографию, позволяющую получить покрытия достаточно устойчивые к действию потока электролита. Известно (см. гл.1) много способов нанесения эмульсии (центрифугами, пульверизаторами, окунанием, поливом, электростатическим методом, иногда путем накатки сухого резистора.
