Способ электрохимического микроформирования

Изобретение относится к размерной электрохимической обработке металлов и может быть использовано при формировании сложнофасонных микрообъектов, например микроинструментария для нейрохирургии. Способ электрохимического микроформирования микрообъектов за счет анодного растворения заготовки электродом-инструментом характеризуется тем, что величину зазора выбирают на один, два порядка меньше самого минимального размера формируемого геометрического элемента микрообъекта. Микроформирование проводят в пленке низкоконцентрированных пассивирующих электролитов с дозированием энергии, обеспечивающим сохранение фазового агрегатного состояния электролита. При этом дозирование энергии осуществляется посредством применения импульсного напряжения с крутыми передними и задними фронтами, составляющими не более 1% от длительности всего импульса. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности микроформирования на сверхмалых межэлектродных зазорах с точностью обработки 0,005-0,01 мм с качеством поверхность Ra 01 мкм микроэлементов с размерами менее 0,5 мм. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам размерного электрохимического формирования и может быть использовано как при формировании сложнофасонных микрообъектов (плоских, объемных), так и микроэлементов поверхности в машиностроении, самолетостроении, приборостроении и в других отраслях промышленности, в частности, изобретение может быть использовано при изготовлении деталей, к которым предъявляются высокие требования к точности формы и качеству поверхности, например для микроинструментария, предназначенного для нейрохирургических операций.

Традиционные механические способы изготовления сложнофасонных деталей, могут обеспечить требуемую точность деталей (до 0,005 мм) и качество поверхности (Ra до 0,1 мкм), однако на макрообъектах, размеры которых более 1 мм. При механической обработке имеет место силовой контакт между инструментом и заготовкой, что влечет за собой недопустимое деформирование и структурное изменение материала.

Учитывая размеры микрообъектов и микроэлементов поверхности (диаметр меньше 0,5 мм; длина меньше 1 мм), малую их жесткость, из множества бесконтактных способов обработки выбран способ с наименьшим механическим воздействием - электрохимическая обработка (ЭХО).

Известны способы ЭХО на малых межэлектродных зазорах (МЭЗ) [1-5] (0,03 мм - 0,01 мм) с точностью обработки 0,05-0,12 мм при Rа=2,6-0,2 мкм, которые отличаются друг от друга способами управления электрохимическим процессом.

Известен способ ЭХО на малых МЭЗ, заключающийся в формировании сложнофасонных поверхностей [1], осуществляемый в проточном или неподвижном электролите неподвижным электродом-инструментом (ЭИ), устанавливаемым с некоторым начальным зазором (0,1-0,3 мм). При этом осуществляют рабочий съем до достижения МЭЗ не более 0,2-0,3 мм с последующим перемещением ЭИ при отключенном источнике питания до начального минимального зазора.

Этот способ характеризуется рядом ограничений по достигаемому результату, а именно:

- невозможность обеспечения контроля геометрии формы при размерах микродеталей (меньше 1мм) и микроэлементов поверхности (меньше 0,5 мм);

- интенсивность анодного растворения по всей поверхности заготовки не учитывается по мере увеличения межэлектродного зазора;

- имеет место интенсивное газовыделение в межэлектродном промежутке и его зашламление.

Указанные недостатки ограничивают широкое применение этого способа для микроформирования объектов и микроэлементов с размерами менее 1 мм.

Ко второму способу управления ЭХО на малых МЭЗ относится способ, использующий дискретную систему слежения за величиной МЭЗ посредством периодического ощупывания с подачей пакета импульсов напряжения в момент установления заданного МЭЗ [2].

Указанный способ применим только при МЭЗ более 0,03 мм, так как при уменьшении МЭЗ возникает опасность коротких замыканий. Данный способ позволяет контролировать МЭЗ и геометрию формируемой фасонной поверхности, обладающей большой жесткостью. Так как микродетали не обладают достаточной жесткостью, то при касании ЭИ они будут деформироваться. Кроме того, при микроформировании объектов и микроэлементов поверхности с размерами менее 0,5 мм оценить реальную геометрию заготовки в процессе ЭХО, применив дискретную систему слежения за величиной МЭЗ посредством периодического ощупывания, невозможно.

В известном способе ЭХО [3] с целью повышения качества обработанной поверхности с сохранением производительности и уменьшения энергозатрат процесса в электролит вводят различные добавки. Этот способ обеспечивает наилучшее качество поверхности Ra до 0,2 мкм, но не обеспечивает необходимую точность, которая необходима при микроформировании объектов и микроэлементов с размерами менее 0,5 мм. Данный способ применяется при электрохимическом шлифовании.

Известен способ локализации ЭХО [4], заключающийся в следующем: локальную зону анодного растворения создают посредством формирования в межэлектродном промежутке замкнутых объемов электролита занавесом из сжатого газа, подаваемого в зону обработки раздельно от электролита. Размеры локальной зоны анодного растворения устанавливают за счет изменения соотношения электролита и газа, подаваемых в МЭЗ.

Указанный способ обеспечивает локализацию процесса при формировании относительно больших фасонных поверхностей, однако при микроформировании объектов и микроэлементов поверхности с размерами менее 0,5 мм возникает сложность в изготовлении ЭИ, кроме того, давление газа может вызвать деформацию заготовки, что недопустимо.

Эти недостатки препятствуют применению рассмотренных способов для формования микрообъектов и микроэлементов поверхности.

Технической задачей является разработка способа электрохимического микроформирования на сверхмалых межэлектродных зазорах, обеспечивающего заданную точность обработки 0,005-0,01 мм и качество поверхности Ra 0,1 мкм микрообъектов и микроэлементов поверхности с размерами менее 0.5 мм.

Предлагаемый способ электрохимического микроформирования на сверх малых межэлектродных зазорах, позволяет достичь заданной точности формы и качество поверхности, получить обработанную поверхность без микротрещин и внутренних напряжений, уменьшить время на формование микродеталей и микроэлементов поверхностей, что позволит сократить расходы на изготовление и снизить стоимость изделия.

Указанные технические результаты достигаются тем, что при электрохимическом микроформировании на сверхмалых межэлектродных зазорах микрообъектов, с целью дальнейшей миниатюризации микрообъектов (элементов поверхности) и повышения точности их изготовления, процесс анодного растворения ведут в условиях жесткого дозирования энергии в зоне обработки с учетом объема удаляемого металла.

От количества подаваемой энергии зависит объем растворяемого металла и качество поверхности. При увеличении количества подаваемой энергии объем удаляемого материала возрастает, а качество поверхности ухудшается, так как идет интенсивное газовыделение, зашламление, нагрев МЭЗ, вероятность пробоя МЭП возрастает. Все это ведет к уменьшению точности и качества поверхности микроэлементов или полному прекращению процесса формования.

При уменьшении количества подаваемой энергии возможно, что процесс анодного растворения может прекратиться вследствие пассивации поверхности, или процесс формования микроэлемента поверхности будет осуществляться с минимальным объемом удаляемого металла.

Поэтому подача энергии в МЭП должна осуществляться коротко временными импульсами с крутыми передним и задним фронтами, составляющими от длительности импульса не более 1%, так как при невыполнении этого условия за время роста и спада импульса возможно образование оксидной пленки или увеличение зоны анодного растворения, что недопустимо.

Например, при микроформировании тела вращения (см. чертеж) со сложными сочетаниями аналитических поверхностей типа “сфера - цилиндр”, “сфера-конус” или “конус-цилиндр” объем удаляемого металла незначителен, а точность - основной контролируемый фактор. В этом примере подаются импульсы напряжения с крутыми передним и задним фронтами (длительность импульса 0,1 мкс; напряжение 2В) задача которых локально в точке растворить удаляемый материал.

Электрохимическую обработку на сверхмалых межэлектродных зазорах для достижения указанного технического результата с целью большей локализации процесса анодного растворения осуществляют электродом инструментом, размеры которого на 1-2 порядка меньше размеров минимального микроформируемого геометрического элемента на поверхности детали. Экспериментально определено, что, например, для изготовления тела вращения (см. чертеж) сфера ⊘0,1^-0,01 величина электрода инструмента (рабочий торец) должна быть ⊘0,005^-0,0002, что обеспечит необходимую точность формируемого размера за счет соотношения d_эи/d₃=1/20.

Необходимость уменьшения рабочей поверхности ЭИ по отношению к размерам формируемых микроэлементов обосновывается уменьшением зоны анодного растворения, а следовательно, увеличением точности ЭХО. При увеличении рабочей площади ЭИ зона анодного растворения возрастает (локальность обработки уменьшается), что ведет к увеличению погрешности формования.

При прочих равных условиях уменьшение рабочей поверхности ЭИ приводит к снижению количества подводимой энергии, так как она зависит в том числе от площади сечения ЭИ. При соотношении размеров микроэлементов поверхности и размеров рабочего торца ЭИ 10/1 и более задаваемая точность элементов микродетали будет обеспечена.

Для уменьшения дозы энергии процесс анодного растворения осуществляют в электролитах с минимальной концентрацией компонентов (до 0,1-1%), обладающих пассивирующими свойствами (например, NаNО₃). Если эти условия не выполняются, то значительное влияние на точность формы и качество поверхности оказывают вторичные факторы: газовыделение, нагрев МЭП, зашламление. Активные электролиты не применяются при микроформовании, так как зона анодного растворения в этом случае не контролируется, а на качество формируемой поверхности значительное влияние оказывают вторичные факторы: интенсивное газовыделение, зашламление МЭЗ и нагрев МЭП. Экспериментально доказано, что предлагаемый способ обеспечивает локализацию процесса за счет уменьшения геометрических размеров зоны рассеивания анодного растворения. Так, при формировании тела вращения (см. чертеж) использовался электролит от 1% до 0,1% NaNO₃, площадь анодного растворения электрода-заготовки соответствовала площади рабочего торца электрода-инструмента. Анодное растворение металла происходит без нагрева катода, анода и электролита, удаление шлама не оказывает существенного влияния на электрод-инструмент и электрод-заготовку, газовыделение незначительно.

Для достижения указанного технического результата обработку осуществляют в пленке электролита, наносимой непосредственно на зону обработки. Новизной разработки является подача электролита в межэлектродный зазор на заготовку в виде пленки, толщина которой равна межэлектродному зазору (0,005-0,015 мм), что позволяет максимально уменьшить зону распределения плотности тока в межэлектродном промежутке, при такой схеме отсутствуют или оказывает незначительно влияние динамика электролита, его давление на заготовку и электрод-инструмент, нагрев в межэлектродном зазоре. При каждом нанесении пленки электролита происходит удаление шлама из межэлектродного зазора. Периодичность нанесение пленки электролита зависит от интенсивности его расхода, возможно постоянное нанесение пленки электролита.

Обработку осуществляют на зазорах, на 0,3-1,0 порядка меньших требуемой точности формообразования. Данное условие обеспечивает достаточную зону анодного растворения для обеспечения требуемой точности формы микродетали. При увеличении межэлектродного зазора возможны прекращение анодного процесса растворения и уменьшение локальности обработки. При дальнейшем уменьшении зазора возможны пробои МЭП, что недопустимо. Экспериментально доказано, при изготовлении тела вращения (сферы) (см. чертеж) ⊘0,2^-0,01 величина межэлектродного зазора равна ⊘0,004-⊘0,006, такое соотношение формируемых размеров и зазора обеспечивает необходимую точность формируемого размера сферы.

При электрохимической обработке на сверхмалых межэлектродных зазорах для достижения указанного технического результата необходимое количество энергии, подаваемой в электрохимическую ячейку, определяется из условия стабильного протекания процесса в пленке электролита. Это связано, в первую очередь, с дозированием энергии, во-вторых, с подбором электролита, формы и размеров электрода-инструмента в зависимости от ожидаемого результата. На примере изготовления тела вращения (фигура 1) из материала 12Х18Н9Т был разработан и апробирован процесс электрохимической обработки на сверхмалых межэлектродных зазорах.

Полученные результаты изготовления микрообъектов и микроэлементов поверхности подтвердили, что для повышения точности формообразования и дальнейшей миниатюризации объектов обработку осуществляют перемещающимся точечным электродом-инструментом, размеры которого на 1-2 порядка меньше размеров формируемой поверхности, в электролите с пониженной концентрацией (до 0,01-0,05% компонента) при пленочной подаче электролита в зону обработки на межэлектродный зазор на 0,3-1,0 порядок меньше требуемой точности формирования.

В результате проведенных экспериментов установлено, что возможно использование изобретения, направленного на совершенствование формообразования микрообъектов и микроэлементов поверхности, для электрохимической обработки на сверхмалых межэлектродных зазорах. Электрохимическое микроформирование позволяет успешней разрабатывать и внедрять технологию получения микрообъектов и микроэлементов в различные области промышленности.

Источники информации

1. ОИ к АС 246245, кл. В 23 Р, 1/04, 1978.

2. ОИ к AC 493326, кл. В 23 р 1/04, 1976.

3. ОИ к AC 795844, кл. В 23 р 1/16, 1981.

4. ОИ к AC 561648, кл. В 23 р 1/04, 1977.

1. Способ электрохимического микроформирования микрообъектов за счет анодного растворения электродом-инструментом, устанавливаемым с начальным зазором, отличающийся тем, что величину зазора выбирают на один-два порядка меньше размеров самого минимального формируемого геометрического элемента микрообъекта, при этом микроформирование проводят в пленке низкоконцентрированных пассивирующих электролитов с дозированием энергии, обеспечивающим сохранение фазового агрегатного состояния электролита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дозирование энергии осуществляется посредством применения импульсного напряжения с крутыми передними и задними фронтами, составляющими не более 1% от длительности всего импульса.