Технология получения субмикроотверстий в керамических заготовках

Номенклатура деталей с субмикроотверстиями в современном машиностроении обширна. Это различного рода фильтры, втулки, лопатки энергетических машин, изделия радиоэлектроники и т.п. Не менее разнообразна и номенклатура методов обработки, используемых для формообразования данного вида отверстий. Причем около 95 % всех отверстий получают путем механической обработки, а остальные – при помощи так называемых «нетрадиционных» методов. К ним относятся лазерная, электронно-лучевая, ультразвуковая, электроэрозионная, электрохимическая и другие виды обработки. Активная замена металлических материалов на другие современные материалы при конструировании ставит сложную задачу перед технологами в подборе способов получения глубоких микроотверстий с высокими технико-экономическими показателями. В большинстве случаев указанные выше способы малоэффективны, обладают рядом отрицательных свойств. Так, например, при обработке керамических материалов лазерным лучом обугливание приповерхностной зоны распространяется на величину до 20 % диаметра. Применяемые в промышленности способы имеют также малую величину отношения глубины отверстия к его диаметру. Обычно этот показателей не превышает (50-60):1.

Исходя из вышеизложенного была поставлена задача создания метода получения глубоких микроотверстий с высоким качеством стенок и высокой эффективностью обработки в тонконепроводящих материалах.

Поставленная задача решалась в два этапа: аналитический синтез возможных схем обработки; отработка наиболее рациональной схемы формообразования.

Из анализа известных вариантов получения глубоких микроотверстий известно, что каналы глубиной до 200-300 диаметров могут быть получены путем химического растворения металлических стержней (проволоки). Однако данный метод имеет значительную трудоемкость и низкое качество стенок отверстий. Были предприняты попытки наложить на процесс растворения анодный процесс. Это давало возможность перевести обработку в менее токсичную среду, повысить скорость растворения и одновременно качество стенок каналов. Однако активное газовыделение на аноде прерывало процесс на глубинах порядка (25-30):1, что хорошо для нового способа, но не удовлетворяет поставленной задаче, выполнение которой связано с подбором способа интенсификации, позволяющего протекать анодному процессу до значительно больших глубин отверстия.

Известно, что в ячейках, содержащих капиллярные каналы и помещенных в ультразвуковое поле, наблюдается значительный подъем жидкости под высоким давлением по нормали к сечению канала. Эти исключительные свойства звукокапиллярного эффекта были использованы для интенсификации процесса электрохимического растворения металлических вставок. Опытная реализация метода показала его высокую эффективность и стабильность воспроизведения результатов. Сравнительные испытания с реализацией других схем интенсификации – перемешивание в магнитном поле, лазерная активация зоны растворения, принудительное прокачивание электролита вдоль зоны обработки – показали значительное преимущество выбранной схемы по технологическим показателям.

Рассмотрим особенности обработки керамических заготовок со вставками из тугоплавких металлов. Как известно, такие материалы активно растворяются в щелочных электролитах. При растворении вставок процентный состав электролитов не изменялся и в большинстве случаев составлял 10-15 % едкого натра или калия. Растворение вставок из вольфрама, молибдена или ниобия в керамических материалах позволяло получить на используемых технологических установках отверстия глубиной до 350-500 диаметров (в зависимости от схемы обработки). Было установлено, что растворы с меньшей концентрацией более приемлемы при обработке отверстий диаметром менее 100 мкм. Концентрированные электролиты вызывают увеличение содержания газопаровой фазы при использовании схемы с локализацией УЗП. Поэтому при обработке необходимо использовать рабочую частоту ниже или выше резонансной. Последнее определяется значительной генерацией кавитационных пузырьков в зону обработки.

Заготовки с установленными тугоплавкими вставками не вызывают особых затруднений при изготовлении ввиду практически совпадающих коэффициентов объемного расширения, что важно при получении заготовок с большим количеством одновременно обрабатываемых отверстий, а также с отверстиями высокой точности исполнительных размеров и ориентации в изделии.

В большинстве случаев обработка тугоплавких вставок в керамиках проходит при напряжении 12-16 В, но в случае использования значительной ультразвуковой мощности рекомендуются пониженные напряжения 9-12 В, что позволяет снизить эрозионное разрушение металла и зарождение микротрещин в керамике.

Для определения оптимальных режимов была разработана математическая модель процесса растворения, реализованная на ЭВМ. Алгоритм расчета позволяет определить напряжение (начальное) на электродах, начальный межэлектродный зазор, интенсивность ультразвукового поля, его частоту, время обработки отверстия необходимой глубины.

Как уже отмечалось выше, в заготовках устанавливались вставки из стали и цветных конструкционных материалов. Особенности обработки этих материалов определяются более широкой гаммой используемых электролитов, развитием питтингового разрушения вставок из сплавов (например, нихрома, латуни), способствующего лучшему удалению остатков вставок, разнообразными слоями окислов, покрывающих керамику внутри канала и т.д.

Для большинства пар керамика-металл оптимальное напряжение равно 19-21 В, начальный межэлектродный зазор 0,1-0,2 мм. Обработка термонестойких вставок обычно производится до окончательного высокотемпературного отжига и поэтому торцевая часть должна быть защищена от разрушающего действия эрозии. Это достигается нанесением на торцевую часть тонкого слоя вязкого материала (например, герметика) или защитой заготовки экраном в межэлектродном пространстве.

Интересно сравнение результатов по глубине обработки полученных в керамических и пластических материалах. Технология получения заготовок из пластмасс, в частности полистирола, не требует высоких температур и поэтому для таких материалов пригодны нетермостойкие вставки. При обработке пластмассовых заготовок на установках с общим озвучиванием достижимые глубины на 10-15 диаметров меньше аналогичных керамических. Однако при локализации ультразвуковой энергии разницы в достижимых глубинах практически не наблюдалось. Это показывает, что способ ЭХО с локализацией обработки в зоне растворения не зависит от материала заготовки и вставки и обладает значительной универсальностью.

Обработку пластмассовых заготовок можно производить при повышенных напряжениях. Эффективные значения технологического напряжения в оптимальных режимах равны 13-34 В. При таких напряжениях, как известно, активно развивается эрозионно-химический процесс, но он не оказывает отрицательного воздействия на качество получаемых каналов. Это обусловлено высокой вязкостью пластмасс и их малой склонностью к скалыванию. Пластические материалы обладают удовлетворительной стойкостью к кавитационной эрозии, поэтому защита торцевых участков заготовок в этих случаях практически не производится.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.375.826

Трофимов В.Т., Трофимов Ю.В., Юрьев М.Н.