В работе приведен обзор способов и технологий микроэлектроэрозионной обработки, выявлены их достоинства и недостатки, рассмотрены проблемы дальнейшего развития этого направления в технологии микромашиностроения.

Введение

С развитием современной промышленности растет интерес к миниатюризации изделий, что прежде всего связано с необходимостью повышения их потребительских свойств. При формировании микромасштабных элементов наукоемких изделий из труднообрабатываемых материалов возникают сложности в связи с подбором методов и технологий, обеспечивающих технические требования. К таким изделиям, например, относят: микрореакторы, топливные элементы, топливные насосы, микромедицинские компоненты и теплообменники. Они широко используются в автомобильной, авиационно-космической и информационной технике. Считается, что микрообработка используется для производства миниатюрных изделий с размерами менее 1 мм (от 1 до 999 мкм).

1. Методы и технологии микроэлектроэрозионной обработки

В современном машиностроении существует ряд проблем, связанных с микрообработкой: при производстве форсунок двигателей нового поколения требуются высококачественные отверстия диаметром менее 100…150 мкм [1], отверстия диаметром 100…1000 мкм используют в конструкции лопаток турбин и других деталях горячей части двигателей в авиационно-космической промышленности; струйные принтеры содержат ряд маленьких конических отверстий размерами 28 мкм, медицинские микроиглы диаметром 200–300 мкм и длиной менее 78 мкм используются для инъекции широкого спектра различных низкомолекулярных лекарств и терапевтических средств [2].

В последнее время при решении технологических задач микрообработки все чаще применяют электрофизические, электрохимические методы, лазерную обработку, аддитивные технологии и комбинированные методы обработки [3].

Судя по публикациям в специальной литературе, интенсивно развивается технологическое направление, связанное с применением метода электроэрозионной обработки в микромашиностроении. Учитывая масштабный фактор, будем в дальнейшем говорить о методе микроэлектроэрозионной обработки (МЭЭО), на основе которого созданы и создаются способы и технологии, объединенные общим для них процессом электрической эрозии материалов и использованием этого процесса для формообразования микроизделий и микроэлементов конструкций изделий.

Таким образом, процесс МЭЭО — это успешная адаптация процесса ЭЭО при значениях энергии разряда 10^–7…10^–6 Дж. Выделяют четыре основных операции МЭЭО: прошивочную, фрезерную, шлифовальную и копировально-прошивочную.

Микроэлектроэрозионная прошивка отверстий

Эта операция широко используется при изготовлении отверстий в топливных форсунках дизельного двигателя. Отверстие должно иметь обратную конусность: это улучшает коэффициент разрежения и снижает кавитацию. Для решения данной задачи в работе [5] была разработана технология прошивки конических отверстий. В работе [3] предложен метод интегрированной обработки, сочетающий в себе последовательно выполняемые операции лазерной прошивки и микроэлектроэрозионной калибровки. Основной проблемой операции электроэрозионной прошивки отверстий является эвакуация из межэлектродного промежутка продуктов электрического разряда: газовых включений и продуктов разрушения материала электродов. Эта проблема усугубляется при прошивке микроразмерных отверстий [6]. Для ее решения электроду придается планетарное движение в плоскости отверстия. Это приводит к меньшему износу его рабочей поверхности и минимизирует нежелательную конусность и волнистость [7]. Из-за лучшей эвакуации продуктов эрозии в результате планетарного движения скорость обработки материала возрастает более чем в 4 раза.

Важно отметить непосредственное влияние состава диэлектрической жидкости на износ электрода и скорость удаления материала. Так, при применении минерального масла продукты термического распада загрязняют диэлектрическую жидкость и вызывают нежелательные разряды. Деионизированная вода не вызывает таких проблем и способствует сокращению времени удаления материала (рис. 1). В [8–10] приводятся результаты экспериментальных исследований влияния планетарного движения и состава диэлектрической жидкости на скорость удаления материала.

Рис. 1. Влияние состава диэлектрической жидкости на скорость обработки [10]
 

Другая проблема, характерная для микроэлектроэрозионной прошивки, — это образование шейки на выходе из отверстия (рис. 2). Шейка 1 возникает из-за того, что в конце операции прошивки инструментом 2 диэлектрическая жидкость 3 вытекает через выходное отверстие. Это уменьшает количество эрозионных частиц, взвешенных в диэлектрике, и, следовательно, снижает боковую вторичную эрозию.

Рис. 2. Этапы формирования шейки (1 — шейка; 2 — инструмент; 3 — диэлектрическая жидкость)
 

Следует отметить, что из-за относительно высокого износа электродов-инструментов при микрообработке их замена в течение цикла обработки приводит к появлению погрешности установки, что заметно снижает точность обработки отверстий. Поэтому большинство прецизионных станков для микрообработки оснащены устройством заточки инструмента непосредственно на станке.

Для эффективного прошивания массива микроотверстий с высоким соотношением глубины прошивания к диаметру отверстия в [11] разработан микроинструмент, позволяющий за один проход получить массив из 100 отверстий квадратного сечения. Микроэлектрод для такой операции представляет из себя массив 10×10 квадратных микростержней; ширина каждого стержня и расстояние между ними 21 и 24 мкм соответственно. Кончики микростержней скруглены радиусом 8…50 мкм, а на кончике предусмотрен плоский выступ в 1 мкм. Это необходимо, чтобы снизить износ и избежать заусенцев в обрабатываемых отверстиях (рис. 3а). Инструмент изготавливался методом проволочного электроэрозионного шлифования. В работе [12] представлена технология одновременной прошивки 580 отверстий ромбического сечения с диаметром вписанной окружности 250 мкм в 
деталях типа «фильтр» (рис. 3б). Многостержневой инструмент изготовлен на операции электроэрозионной проволочной вырезки.

а) 

б) 

Рис. 3. Электрод-инструмент (а) и изделие с комплектом отверстий (б)

Основными преимуществами микроэлектроэрозионной прошивки являются точность и простота реализации, а к недостаткам относят относительно низкую производительность, значительный износ электрода и наличие зоны термического влияния. В ряде работ отмечается перспективность комбинирования микроэлектроэрозионной прошивки с другими методами микрообработки. Так, например, комбинированная лазерно-электроэрозионная микрообработка позволяет заметно улучшить технологические результаты и решить ряд специальных технологических задач, а применение электрохимической обработки — удалить слой материала, подверженный термическому воздействию.

Микроэлектроэрозионное фрезерование

Этот способ и соответствующие технологии основаны на применении вращающегося стержневого инструмента, как правило, цилиндрической формы. Этот инструмент совершает трехкоординатное перемещение в рабочей зоне станка с ЧПУ для создания трехмерных полостей. Первое устройство для фрезерной электроэрозионной обработки запатентовано компанией Charmilles Technologies SA в 1993 году. В настоящее время эта операция используется в основном для производства микролитейных форм для литья под давлением. Ее применяют также в производстве специальных стальных пластин для топливных элементов микрореакторов [13]. Операция микроэлектроэрозионного фрезерования пластины микрореактора представлена на рис. 4. В качестве диэлектрика используется деионизированная вода.

Рис. 4. Микрофрезерование пластины микрореактора [13]
 

В этой операции используются электроды диаметром менее 0,8 мм. При таком размере электроды являются маложесткими: это сказывается на точности обработки. Для придания инструменту дополнительной жесткости используют динамический эффект вращающегося с высокой скоростью инструмента. В работе [14] представлена оптимальная зависимость скорости вращения электрода-инструмента от его диаметра, данная зависимость обусловлена теоремой Штейнера (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость частоты вращения электрода при микроэлектроэрозионном фрезеровании от его диаметра: а — полый электрод; б — стержневой электрод [14]

Энергия разряда определяет разрешение обработки, шероховатость поверхности, минимальный обрабатываемый размер и износ электрода. Поэтому снижение энергии разряда является ключевым фактором для дальнейшей миниатюризации процесса.

В процессе фрезерования из-за износа рабочей части инструмента происходит заточка торцевой части инструмента, приводящая к уменьшению его диаметра, и его укорочению из-за износа в осевом направлении. Основными задачами повышения точности операции микроэрозионного фрезерования являются учет и корректировка влияния износа, а также изучение влияния параметров режима на износ.

Для микроэлектроэрозионного фрезерования прямоугольных углублений используются ЭИ прямоугольного поперечного сечения. При обработке таким инструментом существует проблема его заточки, связанная с неравномерным износом. В целях стабилизации износа конца рабочей части инструмента в работе [15] предложена методика оптимизации глубины и траектории резания, критерием оптимизации служит шероховатость обработанной поверхности.

Несмотря на использование современных контроллеров, систем ЧПУ и высокую степень автоматизации электроэрозионных станков, существующие CAM-системы не способны варьировать глубину и траекторию резания в зависимости от износа инструмента. Это накладывает некоторые ограничения на применение микроэлектроэрозионного фрезерования. В работе [16] предложен алгоритм для снижения шероховатости и компенсации износа инструмента в автономном режиме. Данный алгоритм учитывает износ вдоль траектории движения инструмента и, по утверждению авторов, пригоден для интеграции в CAD/CAM.

Микроэлектроэрозионное шлифование

Операция микроэлектроэрозионного шлифования используется для изготовления микроинструментов для ЭЭО диаметром до 5 мкм. Используют несколько способов ее реализации.
Профилирование инструмента с помощью электрода-пластины применяют для получения инструментов цилиндрической или конической формы в продольном сечении (рис. 6а). Другой способ предполагает использование вращающегося дискового электрода для заправки стержня (рис. 6б). На некоторых станках для заправки стержневого инструмента в качестве электрода используют тонкую бесконечную проволоку, перематывающуюся между двумя катушками (рис. 6с). Этот процесс в иностранной литературе носит название «Wire Electric Discharge Grinding». Использование кинематики относительного перемещения инструмента (рис. 6) и малые размеры рабочей зоны позволяет изготавливать инструменты различной сложности. Так, например, в [17] была успешно изготовлена и протестирована концевая фреза из поликристаллического алмаза диаметром 20 мкм со сферической поверхностью на рабочем торце.

    а)             б)             с)
Рис. 6. Устройства для шлифования электродов [11]
 

Чтобы избежать ошибок при изготовлении микроинструмента вне станка, его изготавливают сразу на станке. В исследованиях [44–45] для изготовления микроинструмента был использован электроэрозионный станок Panasonic MG-ED82 W производства Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Операция микроэлектроэрозионного шлифования широко используется не только для изготовления инструмента, но и для других операций, например, комбинированной микроультразвуковой обработки.

Микроэлектроэрозионная копировально-прошивочная обработка

Эту операцию применяют при микрообработке пространственно-сложных трехмерных полостей, в частности, форм для литья под давлением. Так, в работе [19] выделен ряд основных проблем микроэлектроэрозионного копирования, связанных с износом электродов.

В большей степени износу подвергаются острые кромки копировального электрода, что, в свою очередь, отражается на обрабатываемой поверхности.

На стадии проектирования авторы особенно выделяют необходимость разработать оптимальную форму рабочего электрода с учетом его износа в процессе обработки. Решается задача [20] создания методики прогнозирования геометрии инструмента и заготовки, которая будет точно учитывать износ инструмента путем включения более подробной информации об изменениях его формы и размеров на микроуровне. Дополнительный объем материала позволит компенсировать износ и добиться требуемой формы поверхности заготовки.

Возможность более точного прогнозирования износа инструмента позволит разработать эффективную стратегию обработки [21]. Так, в работах [21–23] представлена новая структура теоретического моделирования износа на основе неоднородных рациональных B-сплайнов — NURBS. Это говорит о том, что развитие исследований процесса микроэлектроэрозионной копировально-прошивочной обработки идет по пути, предложенному еще в 90-е годы [15].

2. Микроэлектроэрозионное осаждение. Аддитивное производство

Процесс ЭЭО характеризуется прежде всего высокой точностью и относительно низкой производительностью. Благодаря высокой точности ЭЭО находит все большее применение в микрообработке, несмотря на проблемы, связанные с учетом износа инструмента в процессе формообразования. В последние годы развивается новое направление в микрообработке — микроэлектроэрозионное осаждение, которое основано на принципах, разработанных ранее [24]: рабочая среда — воздух, анодная полярность инструментального электрода, низкий ток, короткая длительность разряда и относительно длительный интервал паузы между импульсами.

Исследования в этом направлении проводятся в Харбинском технологическом институте [24–26]. Так, на основе результатов исследований [24] получен спиральный элемент с внешним диаметром 0,20 мм, 
толщиной спирали 0,11 мм и высотой до 3,8 мм, время осаждения при этом составило 360 мин. Анализ показал, что между частицами осажденного материала имеется надежное сцепление, а его химический состав соответствует материалу электрода-инструмента.

Результаты исследований показывают, что при осаждении материала на поверхности изделия может образовываться окалина и другие соединения осаждаемого материала с элементами внешней среды [26, 27]. Поэтому становится актуальной стратегия последовательного выращивания и дальнейшей размерной микроэлектроэрозионной обработки. Комбинированный процесс включает в себя три этапа: изготовление инструмента, микроэлектроэрозионное осаждение материала и этап выборочной размерной микроэлектроэрозионной обработки (рис. 7).

Рис. 7. Алгоритм комбинированного выращивания детали [28]
 

Такая стратегия имеет явные преимущества: высокая точность, гибкость к требованиям обработки [28] и высокая повторяемость [25]. Можно удалять некоторое количество материала, получать различные углубления и поверхности, а потом снова осаждать для придания более сложной формы (рис. 8, 9).

Рис. 8. Электроэрозионное осаждение с интеграцией электроэрозионного прошивания [26]

Рис. 9. Электроэрозионное осаждение с интеграцией выборочного микроэлектроэрозионного фрезерования [26]
 

Систематические исследования нового метода аддитивной и интегрированной обработки проводятся во многих странах, однако в России подобные работы пока не организованы.

Вывод

Микроэлектроэрозионная обработка является одним из первых и самых перспективных процессов, используемых для микрообработки. Перспективность данного метода обусловлена широкой номенклатурой способов обработки.

При этом микроэлектроэрозионная обработка характеризуется наличием нерешенных проблем:
— низкая производительность. Решение этой проблемы идет по пути комбинирования микроэлектроэрозионной обработки с другими методами микрообработки;
— высокий износ инструмента. Проблему решают путем оптимизации режимов и траектории обработки;
— необходимость полностью адаптированных для микрообработки CAD/CAM-систем. Это позволит в автоматическом режиме генерировать оптимальные траектории обработки, снизить износ инструмента и повысить точность формообразования;
— необходимость разработки специальных методов и средств контроля размеров и качества обработки изделий микромашиностроения.

Литература
1. Li, L., Diver, C., Atkinson, J., Giedl-Wagner, R. and Helml, H.J., 2006. Sequential laser and edmmicro-drilling for next generation fuel injection nozzle manufacture. CirpAnnals-ManufacturingTechnology, 55 (1). Рp.179–182.
2. Kim YC, Park JH, Prausnitz MR. Microneedles for drug and vaccine delivery. AdvDrugDelivRev. 2012;64 (14):1547–68
3. S. Z. Chavoshi, SauravGoel, Paul Morantz, Current trends and future of sequential micro-machining processes on a single machine tool. Materials and Design, Vol. 127, 5 August 2017, Рp. 37–53 DOI: 10.1016 / j.matdes.2017.04.04.057
4. Pham, D. — T., Dimov, S. — S., Bigot, S., Ivanov, A., Popov, K., 2004, Micro-EDM — Recent Developments and Research Issues, Journal of Materials Processing Technology, 149: 50–57.
5. Diver, C., Atkinson, J., Helml, H. — J., Li, L., 2004, Micro-EDM Drilling of Tapered Holes for Industrial Applications, Journal of Materials Processing Technology, 149/1–3: 296–303.
6. Masuzawa T., Cui X., Taniguchi N., 1992, Improved Jet Flushing for EDM, Annals of the CIRP, 41/1:239–242.
7. Altan T., Lilly B. W., Kruth J. P., Konig W., Tonshoff H. K., Van Luttervelt C. A,, Khairy A. B., 1993, Advanced Techniques for Die and Mold Manufacturing, Annals of the CIRP, 42/2:707–716.
8. Yu Z., Rajurkar K. P., Narasimhan J. Effect of machining parameters on machining performance of micro EDM and surface integrity //Proceedings of Annual ASPE Meeting. — 2003.
9. Gil R, Sanchez JA, Ortega N, Plaza S, Izquierdo B, Pombo I. High aspect ratio micro-pin manufacturing using Inverse Slab Electrical Discharge Milling (ISEDM) process. Int J AdvManufTechnol 2013; 65:1459–69.
10. Yu, Z. Y., Rajurkar, K. P. and Shen, H., «High aspect ratio and complex shaped blind micro holes by micro EDM», CIRP Annals-Manuf. Technol., vol. 51/1, pp. 359–362, 2002
11. Chen S. T. Fabrication of high-density micro holes by upward batch micro EDM //Journal of Micromechanics and Microengineering. — 2008.  Т. 18.  № . 8.  С. 085002.
12. Груздев А. А., Моргунов Ю.А, Саушкин Б. П., Хомякова Н. В. Электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра при наложении ультразвука. Часть 2. Технологии многоэлектродной обработки отверстий / Электронная обработка материалов. 2019. 
13. Hung, J. C.; Yang, T. C.; Li, K. Studies on the Fabrication of Metallic Bipolar Plates — Using Micro Electrical Discharge Machining Milling. J. Power Sources. 2011, 196 (4), 2070–2074. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.10.001.
14. Richard J and Demellayer R. Micro-EDM-milling development of new machining technology for micro-machining. Proced CIRP 2013; 6: 292–296
15. Yu Z, Masuzawa T, Fujino M (1998) 3D micro-EDM the simple shape electrode. Int J Electr Mach 3:7–12.
16. Zhao, W., Yang, Y., Wang, Z., Zhang, Y., 2004, A CAD/CAM system for micro-ED-milling of small 3D freeform cavity, Journal of Materials Processing Technology, 149 (1–3), Рp. 573–578.
17. Zhang Z, Peng H, Yan J (2013) Micro-Cutting Characteristics of EDM Fabricated High-Precision Polycrystalline Diamond Tools. International Journal of Machine Tools and Manufacture 65:99–106.
18. Morgan CJ, Vallance RR, Marsh ER (2007) Micro-machining and micro-grinding with tools fabricated by micro electro-discharge machining. Int J Nanomanuf 1 (2):242–258.
19. Bigot S, Bissacco G. AndValentinčič J. Die-Sinking Micro EDM for Complex 3D Structuring — Research Directions. Int. Conf. on Multi-Material Micro Manufacture, (2009), Stuttgart, Germany.
20. Bissacco G, Valentincic J, Hansen HN, Wiwe B (2010) Towards the effective tool wear control in micro-EDM milling. Int J AdvManufTechnol 47 (1–4):3–9
21. Surleraux A, Pernot JP, Elkaseer A, Bigot S (2016) Iterative surface warping to shape craters in micro-EDM simulation. EngComput 32 (3):517–531. https://doi.org/10.1007/s00366–016–0439–0
22. S. Bigot, J-P. Pernot, A. Elkaseer, A. Surleraux, Micro- EDM numerical simulation and experimental validation, Proceedings of the 10th International Conference on MultiMaterial Micro Manufacture, 4M 2013, San Sebastian, Spain.
23. Surleraux A, Pernot JP, Elkaseer A, Bigot S (2016) Iterative surface warping to shape craters in micro-EDM simulation. EngComput 32 (3):517–531. https://doi.org/10.1007/s00366–016–0439–0
24. Peng Z.; Chi G.; Wang Z. Micro electrical discharge machining deposition in air for fabrication of micro spiral structures. Chin. J. Mech. Eng. 2010, 23, 154–160
25. Wang, Z. L., Jin, B. D., Cao, G. H., Wei, Z. W., & Zhao, W. S. (2007). Technique of Brass Spiral Structure Deposition Using Micro EDM in Gas. KeyEngineeringMaterials, 329, 595–600.
26. Peng, Zilong, Zhenlong Wang, Yinghuai Dong, and Hui Chen. "Development of a reversible machining method for fabrication of microstructures by using micro-EDM." Journal of Materials Processing Technology 210.1 (2010): 129–136.
27. Muralidharan, B., and H. Chelladurai. "Experimental analysis of electro-discharge deposition process." The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 76.4 (2014): 69–82.
28. Peng, Zi Long, and Yi Nan Li. “The Deposition and Removal Process for Micro Machining Based on Electrical Discharge.” Advanced Materials Research, vol. 472–475, Trans Tech Publications, Ltd., Feb. 2012, pp. 2448–2451.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2020