Система многостержневых электродов нано- и субмикронных диаметров для электроэрозионной обработки поверхностей твердых тел

 

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки, а именно к стержневым электродам специального назначения, и может быть использовано в различных отраслях электронного машиностроения при формировании дискретных зон легирования высокотемпературных сверхпроводников и нанесении металлических нанокластеров на поверхности полупроводников и диэлектриков, а также модификации свойств тонкопленочных изделий. В качестве многостержневых электродов нано- и субмикронного диаметров для электроэрозионной обработки поверхностей твердых тел применяют металлические реплики с трековых мембран. Это позволяет повысить эффективность электроэрозионной обработки больших и сложных по профилю поверхностей твердых тел, включая и внутренние, при малой энергоемкости аппаратуры. 3 ил.

Изобретение относится к области электроэрозионной обработки, а именно к стержневым электродам специального назначения, и может быть использовано с целью улучшения износостойкости, формирования дискретных зон легирования высокотемпературных сверхпроводников, нанесения металлических нанокластеров на поверхности полупроводников и диэлектриков, а также модификации свойств тонкопленочных изделий и т.п.

С помощью электроэрозионной обработки производят нанесение металлических слоев на поверхность твердого тела, резку и формирование углублений различного геометрического профиля. С этой целью используются электроды различного профиля - дисковые, стержневые, трубчатые или проволочные [1]. В основном эти электроды применяются для макрообработки, т.е. имеют размеры (диаметр, толщина) как минимум в десятки-сотни микрометров. Поэтому площадь единовременной (в период действия одного импульса тока) обработки поверхности твердых тел составляет более 100 мкм2. Кроме того, существующими макроэлектродами трудно или практически невозможно обрабатывать внутренние поверхности деталей и поверхности сложного профиля.

В последнее время в связи с интенсивным развитием нанотехнологии применительно к задачам микроинженерии, микромеханики, микроэлектроники и т.п. встали вопросы обработки поверхностей микродеталей, тонкопленочных изделий, а также модификации поверхности ансамблями металлических кластеров нано- или субмикронного диаметров и высокой плотности.

В этой связи встает вопрос о разработке многостержневых электродов нано- или субмикронного диаметров, возможности которых исключили бы следующие недостатки аналогов: - отсутствие стержневых электродов субмикронного и тем боле наномикронного диаметра, - невозможность нанесения металлических кластеров нано- или субмикронного размеров заданной плотности на обрабатываемую поверхность твердого тела, - трудноосуществимое автоматическое удержание заданного межэлектродного зазора, - сложность прецизионной процедуры сканирования электрода по поверхности объекта, особенно в условиях сложного профиля его обрабатываемых поверхностей, - наличие сложной и энергоемкой аппаратуры для реализации высоких уровней напряженности электрического поля на электродах, особенно для формирования дугового разряда, - невозможность контролировать массу переносимого материала электрода в процессе электроэрозионной обработки, особенно при физическом контакте электрод-объект.

Изобретение решает задачу повышения эффективности электроэрозионной обработки путем обработки больших и сложных по профилю поверхностей твердых тел (включая внутренние) при малой энергоемкости аппаратуры.

Сущность изобретения заключается в применении металлических реплик с трековых мембран, изготовленных на базе известного способа [2], используемых для электронно-микроскопического анализа профилей травленых каналов в трековых мембранах, впервые в качестве системы многостержневых электродов (СМСЭ) нано- и субмикронных диаметров для электроэрозионной обработки поверхности твердых тел, что соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 изображены принципиальные схемы формирования самонесущей системы многостержневых электродов, изготовленных по методике гальванического выращивания металлических (медных) реплик с каналов трековых мембран различного профиля на металлической подложке (1): a - длина электродов (2) равна толщине трековой мембраны (ТМ) (3), б - длина электродов (2) меньше толщины ТМ (3), в - электроды (2) с "грибками" на концах.

В качестве материала металлических реплик (МР) могут быть любые чистые металлы или их сплавы, способные к гальваническому осаждению. Диаметр СМСЭ, их плотность, длина и геометрический профиль определяются соответствующими параметрами каналов в ТМ. Выходные концы СМСЭ могут быть заглублены в каналах ТМ, быть на уровне ее поверхности или выступать над поверхностью ТМ в виде "грибков". Кроме того, СМСЭ может быть и без материала ТМ, после ее растворения в щелочи.

На фиг.2 изображены схемы применения предлагаемых СМСЭ для электроэрозионной обработки с целью формирования ансамбля металлических кластеров нано- или субмикронного размеров на поверхностях различных твердых тел: 1 - металлическая подложка, 2 - микроэлектроды, 3 - трековая мембрана, 4 - изолирующий дистанционатор, 5 - межэлектродная среда (вакуум, газ, жидкость), 6 - обрабатываемый электропроводящий объект, 7 - обрабатываемый изолятор (полупроводник), 8 - металлизированный слой (фольга). В качестве материала подложки (1) обычно используют медную фольгу толщиной 0,05-0,1 мм.

СМСЭ, состоящий из металлической подложки (1) и ТМ (3) с микроэлектродами (2), присоединяется к положительному потенциалу на генераторе импульса тока и плотно прижимается к обрабатываемой поверхности электропроводящего объекта (6) или к "сэндвичу" металлический слой(8) + изолятор(7), присоединенные к отрицательному потенциалу источника импульсов. После этого включается генератор импульсного тока заданной величины и длительности. В течение длительности импульса тока в пространстве между СМСЭ и обрабатываемой поверхностью развивается электрическая дуга или искра (при физическом контакте концов микроэлектродов с поверхностью твердого тела). В результате действия дуги или искры "горячие" микрокапли материала СМСЭ переносятся на обрабатываемую поверхность объекта. Из-за их высокой температуры они "вплавляются" в его поверхность, формируя на ней соответствующий ансамбль металлических кластеров.

Естественно, размер металлических кластеров и их плотность на обрабатываемой поверхности определяются соответствующими диаметром и плотностью микроэлектродов в ансамбле, а также амплитудой и длительностью импульса. Заметим, что в результате импульса в условиях формирования "искры" электроды "выгорают", прерывая электрическую цепь, что исключает повторного их действия.

Вышеописанный процесс может осуществляться в любой окружающей среде (вакуум, жидкость или газ).

На фиг. 3(а-г) приведены электронно-микроскопические изображения медных кластеров субмикронного размера на поверхностях Al, Mo, Si и фторопластовой пленки. В данном эксперименте использовалась МР с диаметром электродов 0,05 мкм, длиной 10 мкм и плотностью 3109 см2. На фиг.3д приведен спектр рентгеновского микроанализа кластера размером около 0,1 мкм на поверхности Si, свидетельствующий о том, что он является медным кластером.

Использование известной металлической реплики в качестве системы многостержневых электродов нано- или субмикронного диаметров для электроэрозионной обработки поверхности твердых тел имеет следующие преимущества: - обеспечивается контроль и воспроизводимость размера, объема и плотности металлических нанокластеров на обрабатываемой поверхности объекта, - обеспечивается возможность одновременной обработки больших площадей любого геометрического профиля, в том числе и внутренних полостей, - имеется возможность для электроэрозионной обработки тонкопленочных объектов,
- минимальные энергозатраты и малый расход электродного материала.

Литература
1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Под редакцией В.А.Волосатова. Л., Машиностроение. 1988.

2. С.Н.Дмитриев, В.Ф.Реутов, А.С.Сохацкий. Способ получения металлических реплик для анализа нанометричесих каналов в трековых мембранах. Патент РФ 2115915, 23.07.96.


Формула изобретения

Применение металлических реплик с трековых мембран в качестве системы многостержневых электродов нано- и субмикронного диаметров для электроэрозионной обработки поверхностей твердых тел.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электрохимическим методам обработки и может быть использовано в машиностроении

Изобретение относится к области электрофизических и электрохимических методов обработки, в частности, к электродам-инструментам (ЭИ) для электрохимической обработки

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и предназначено для прорезки большого количества узких близко расположенных пазов, например в решетках неподвижных ножей электробритв роторного типа
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к электродным материалам для электроискрового легирования (ЭИЛ) металлических поверхностей, и может быть использовано при упрочнении режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электрохимической обработке

Изобретение относится к электрическим методам обработки токопроводящих материалов и может быть использовано для электрохимической размерной обработки различных пазов, каналов и уступов

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении полостей в металлических деталях из любых видов заготовок, например, при изготовлении рабочего профиля пресс-форм, ковочных штампов, прошивке полостей переменного сечения

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению спеченного электрода и разрядной обработке поверхности с его помощью

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления электрода для поверхностной обработки разрядом. Состав, включающий электропроводный смешанный материал с размером частиц менее 5 мкм, содержащий первый порошок, полученный с помощью по меньшей мере любого процесса, выбранного из группы, состоящей из метода распыления, метода восстановления и карбонильного метода, и второй порошок, полученный методом измельчения, и связующее, причем электропроводный смешанный материал содержит второй порошок с долей 10-65 вес.%, подвергают инжекционному формованию с получением сырой заготовки. Заготовку нагревают для удаления связующего и спекают при температуре и времени выдержки, необходимых для получения электрода с электрическим сопротивлением от 1×10-3 до 3×10-2 Ом∙см. Обеспечивается высокое качество спекания и устранение вероятности пережога. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при прошивке отверстий преимущественно малого диаметра в металлических заготовках. Электрод-инструмент содержит металлическую рабочую часть с рабочим и технологическим торцами, выполненную с возможностью подачи в зону обработки жидкой рабочей среды. Также он содержит диэлектрическую направляющую, выполненную с возможностью перемещения вдоль по металлической рабочей части, которая выполнена с продольными пазами, один из которых предназначен для подачи жидкой рабочей среды к рабочему торцу в зону обработки через гидравлический коллектор, патрубок и отверстие в металлической рабочей части, а один или несколько пазов предназначены для обеспечения полного вытекания со стороны рабочего торца из зоны обработки жидкой рабочей среды и продуктов обработки через скосы, выполненные напротив этих пазов в диэлектрической направляющей. Причем на внутренней поверхности диэлектрической направляющей со стороны технологического торца выполнены выступы, закрывающие выход рабочей среды из упомянутых пазов в сторону технологического торца. Предложенный электрод-инструмента позволяет повысить точность обработки и качество поверхностного слоя независимо от глубины прошиваемых отверстий. 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к способу изготовления проволочного электрода-инструмента для электроэрозионной обработки и может быть использовано при электроэрозионном прошивании отверстий малого диаметра с большой глубиной в металлических материалах. Закрепляют конец электрода-инструмента в подвижной стойке, а противоположный конец - в неподвижной стойке. К концам электрода инструмента прилагают усилие растяжения, величина которого не превышает предел прочности материала электрода-инструмента на разрыв. Осуществляют нагрев электрода-инструмента до достижения температуры отжига. Фиксируют начало удлинения электрода-инструмента. Затем закаливают электрод-инструмент путем подачи жидкой среды с одновременным снижением силы растяжения пропорционально скорости охлаждения электрода-инструмента. Изобретение позволяет повысить прямолинейность и жесткость электродов-инструментов из проволоки малого диаметра с большой длиной. 1 ил.

Изобретение относится к области размерной электрохимической обработки и может быть использовано, например, при финишной обработке профиля двигательной лопатки. При осуществлении способа используют стержневой электрод-инструмент, содержащий цилиндрическую державку с центральным каналом для подвода электролита, переходящую в рабочую часть электрод-инструмента, выполненную с эксцентриситетом относительно продольной оси державки, при этом на поверхности рабочей части со стороны максимального эксцентриситета рабочей поверхности от продольной оси державки выполнен продольный боковой паз для прокачки электролита, который также сообщается с центральным каналом для подвода электролита. Рабочая часть электрода-инструмента имеет цилиндрическую или полусферическую форму. В способе стержневому электроду-инструменту задают вращательное движение относительно его продольной оси и осуществляют подачу относительно детали, перемещают по заданным координатам криволинейной поверхности детали и подают на электрод-инструмент импульсы технологического тока с заданной длительностью и частотой в момент минимального зазора между поверхностью рабочей части электрода-инструмента и поверхностью детали по направлению движения электрода-инструмента. В момент увеличения межэлектродного промежутка перпендикулярно вектору движения электрода-инструмента по криволинейной траектории промывают продукты растворения. Причем частоту импульсов технологического тока задают кратной частоте вращательного движения электрода-инструмента, а подачу технологического тока синхронизируют с направлением вектора перемещения рабочей части электрода-инструмента. Изобретение позволяет повысить точность 3-мерной финишной обработки по всей поверхности детали. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электрохимической обработки и может быть использовано для прорезки узких криволинейных пазов и щелей в деталях из высокопрочных сталей и сплавов. В способе электрохимическую обработку осуществляют многокоординатным перемещением в несколько последовательных переходов вращающимся электродом-инструментом, выполненным в виде закрепленной с обоих концов длинной упругой пластины постоянного поперечного сечения с существенно различным соотношением габаритных размеров в направлении осей симметрии, вращающихся вокруг продольной оси. При этом в способе первый переход может быть осуществлен на постоянном напряжении, при этом оси начального и конечного одноименных поперечных сечений пластины повернуты относительно друг друга, вокруг продольной оси, на определенный угол сдвига γ, обеспечивая создание винтовой закрутки электрода-инструмента. Также первый переход может быть осуществлен на импульсном напряжении, без предварительной закрутки пластины при угле сдвига γ=0, при этом изменяют фазу включения импульса напряжения или группы импульсов напряжения в каждом обороте электрода-инструмента в зависимости от направления вектора подачи, обеспечивая включение импульса или группы импульсов в момент, когда ось симметрии, параллельная длинной стороне поперечного сечения электрода-инструмента образует с вектором подачи заданный угол ϕ, меньший 90 градусов, а выключают напряжение после поворота электрода-инструмента на угол 2ϕ от момента включения. Причем последующие переходы осуществляют в пазе, предварительно полученном на первом переходе, при этом импульсы напряжения подают синхронно с вращением электрода-инструмента, но со смещением фазы включения импульса и фазы выключения импульса на 90 градусов относительно вектора скорости подачи в направлении к обрабатываемой начисто поверхности паза. Технический результат: обеспечение большой глубины прорезаемого паза, возможность сложноконтурной вырезки с переменными углами наклона образующей. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 пр.
Наверх