Устройство для прошивания прецизионных отверстий в гаскетах ячеек с алмазными наковальнями

Предлагаемое техническое решение относится к электроэрозионной обработке, а именно к устройству для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий малого диаметра деталей, изготовленных из тонкого листового металла, и может быть использовано для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий малого диаметра широкой номенклатуры деталей, например, гаскетах ячеек с алмазными наковальнями, в микроэлектронике, или изготовлении прецизионных деталей машин.
В настоящее время известны прецизионные устройства для прошивания отверстий в деталях из тонкого листового металла, которые достигают высокой точности за счет особых устройств позиционирования деталей (SU865588A1, EP1184123A1) и подачи электрода-проволоки (SU379352 A1), либо за счет использования дополнительных воздействий ультразвуком или вибрацией (RU2522864C2, US20130248495A1). Как правило, они предназначены для широкого диапазона размеров обрабатываемых деталей и отверстий (SU486887A1), что влечет за собой особые требования системе позиционирования детали и системе подачи электрода, и приводит к высокой сложности конструкции в целом и ее удорожанию.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система микроэрозионной обработки металлических деталей, в том числе гаскет, - устройство Microelectricdischarge machining system (model #MEDM01) производства Hylozoic products (Seattle, Washington, США), (http://geoweb.princeton.edu/archival/duffy/private/-EDM_3-2-09.pdf, документ PDF создан 22.07.2010), выбранное заявителем в качестве прототипа. Устройство подразумевает контроль процесса сверления с помощью оптического микроскопа, зафиксированного на стационарной опоре (Stationary base plate). Стационарная опора устанавливается на резиновые ножки (rubber foot) для предотвращения скольжения и электрической изоляции. Само устройство вращается на поворотной платформе (Rotating base plate) на угол ±45° относительно стационарной опоры вокруг поворотного болта (Base plate pivot bolt) на подшипнике (Base plate bearing pad). Это позволяет визуально контролировать процесс с разных сторон, поворачивая устройство относительно микроскопа. Устройство прикрепляется к поворотной платформе с помощью двух вертикальных фиксированных опор (Main column), на которых установлен верхний корпус (Upper housing) со смонтированными в нем рабочими частями устройства. Рабочий инструмент (электрод, tool) закрепляется в держателе инструмента (tool holder), который крепится к верхнему корпусу с помощью штока (tool rod). К штоку в верхнем корпусе прикреплены высоковольтные провода, оптический энкодер и сервопривод, последний позволяет точно перемещать инструмент по высоте. Инструмент закрепляется в держателе перед помещением в установку, с помощью вспомогательного приспособления.
Обрабатываемая деталь находится в чаше с диэлектрической жидкостью (dielectric fluid cup) и прикреплена с помощью специального держателя ко дну и высоковольтному подводящему проводу держателя обрабатываемой детали (Workpiece holder lead wire). Диэлектрическая чаша закреплена на двухкоординатном трансляторе (stage), перемещаемом в горизонтальной плоскости с помощью двух прецизионных актуаторов (stage actuator). Двухкоординатный транслятор закреплен на металлической пластине - опоре транслятора (stage plate), которая в свою очередь прикрепляется к двум стойкам держателя обрабатываемой детали (workpiece holder mounting post). Эти стойки могут перемещаться по высоте в держателях (post holder), при этом положение штоков фиксируется прижимными болтами (klamping konb). На поверхности верхнего блока установлен разъем для соединительного кабеля к блоку электроники (connector cable to electronics unit DB9), подключающего генератор и блок управления инструментом, а также органы управления генератором высокого напряжения: полярностью (polarity switch) для выбора обработки детали в держателе закрепленного инструмента, или отключения высокого напряжения, энергией импульса тока (Discharge energy switch) и максимальным напряжением в импульсе тока (Peak power switch).
Блок генератора и управления инструментом (блок электроники) содержит генератор высокого напряжения, выключатель общего питания (Power switch) и органы управления инструментом.
Устройство по прототипу имеет функционал создания выемок сложной формы в детали, а также ответных к выемкам инструментов, позволяет точно следить за глубиной обработки детали, величиной зазора и параметрами тока благодаря наличию прецизионной установки позиционирования рабочего инструмента, блока электроники, предоставляющего возможность варьирования режимов работы блока питания рабочего инструмента, а также возможности использования микроскопа для контроля за процессом прошивания деталей. Однако в случае электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий малого диаметра в деталях малого размера, выполненных из тонкого листового материала, в том числе гаскетах (англ. gasket) - тонкой прокладке между алмазными наковальнями в ячейках высокого давления, отсутствует необходимость обрабатывать инструмент, необходимость точно следить за параметрами тока и за величиной зазора, а при прошивании детали насквозь, как в случаях с гаскетами, - и за заданной глубиной обработки, использование такого дорогостоящего и сложного оборудования нецелесообразно.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью, является создание нового экономически выгодного, конструкционно лаконичного и простого в использовании устройства для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий малого размера деталей, изготовленных из тонкого листового металла, в том числе гаскетах ячеек с алмазными наковальнями, расширяющего арсенал устройств для электроэрозионного прошивания деталей.
Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, в том числе исключении из него высокоточных дорогостоящих элементов, поскольку заявляется устройство, предназначенное исключительно для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий малого размера малых деталей, изготовленных из тонкого листового металла, прошиваемых насквозь в местах обдавливания. Технический результат также состоит в расширении ассортимента устройств для электроэрозионного прошивания отверстий в деталях.
Техническая проблема решается, и технический результат достигается заявляемым устройством для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий малого размера деталей, изготовленных из тонкого листового металла, в том числе гаскетах ячеек с алмазными наковальнями, включающего горизонтальную стационарную опору с закрепленной на ней вертикальной опорой, к которой горизонтально перпендикулярно закреплена регулируемая по высоте относительно вертикальной опоры опора транслятора с расположенным на ней содержащим ориентированные друг относительно друга под углом 90º прецизионные актуаторы двухкоординатным транслятором, на котором расположена чаша с диэлектрической жидкостью для размещения в ней обрабатываемой детали, над чашей расположен закрепленный к вертикальной опоре механизм подачи электрода, состоящий из подсоединенного к электронному блоку управления рабочим инструментом двигателя с закрепленным на нем держателем рабочего инструмента со вставленным рабочим инструментом, который, равно как и обрабатываемая деталь, соединен посредством подводящего провода с генератором.
Особенность заявляемого в качестве полезной модели устройства состоит в том, что в качестве прецизионных актуаторов используют микрометрические винты, в качестве двигателя - шаговый двигатель, держателя рабочего инструмента - выполненный из диэлектрического материала полый корпус с отверстием на конце для размещения в нем рабочего инструмента (электрода), в качестве которого используют проволоку из тугоплавкого материала (например, вольфрама, рения или иридия), в качестве электронного блока управления рабочим инструментом - микроконтроллер.
Схема заявляемого устройства представлена на фигуре.
Устройство состоит из горизонтальной стационарной опоры 1 с закрепленной на ней под прямым углом вертикальной опорой 2 - стойкой, к которой при помощи фиксирующего винта (не пронумерован на фигуре) горизонтально закреплена опора транслятора 3, местоположение которой регулируется по высоте относительно вертикальной опоры 2. На платформе 3 размещен двухкоординатный транслятор 4, с двумя микрометрическими винтами в качестве прецизионных актуаторов 5, расположенными друг относительно друга под углом 90º. На двухкоординатном трансляторе 4 расположена чаша 6 с диэлектрической жидкостью. Положение чаши 6 регулируется в горизонтальной плоскости при помощи микрометрических винтов 5. На вертикальной опоре 2 расположен механизм подачи рабочего инструмента, состоящий из двигателя 7 с закрепленным через муфту на винте скольжения держателем 8 рабочего инструмента, в который вставлен рабочий инструмент 9 (электрод) - проволока. Двигатель 7 подсоединен к электронному блоку 10 управления рабочим инструментом, который управляет напряжением на электроде-проволоке (рабочем инструменте 9), а также вращением двигателя. Рабочий инструмент 9 (проволока) соединен подводящим проводом с генератором 11, так же, как и обрабатываемая деталь 12, помещенная в чашу 6 с диэлектрической жидкостью.
Работа заявляемого устройства проиллюстрирована на конкретном примере реализации устройства для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий в гаскете.
Для конкретного устройства были использованы:
в качестве горизонтальной стационарной опоры 1 и вертикальной опоры 2 (стойки) - лабораторный штатив,
в качестве опоры транслятора 3 - алюминиевая пластина толщиной 2мм,
двухкоординатный транслятор 4 может быть опционно (как в примере реализации устройства) закреплен фиксирующим винтом на опоре транслятора 3 и представляет собой линейные трансляторы (в нашем случае MT1, Thorlabs, свободный ход 12мм) с актуаторами, расположенными друг относительно друга под углом 90º, управляющими положением в горизонтальной плоскости обрабатываемой детали, в которой прошиваются отверстия (например, гаскеты ячеек для алмазных наковален);
в качестве актуаторов 5 - микрометрические винты (микрометрические головки, например, 150-801 Mitutoyo или Thorlabs DRV8);
в качестве чаши 6 с диэлектрической жидкостью - стеклянная чашка Петри, наполненная уайт-спиритом;
в качестве двигателя 7 - шаговый двигатель Tamagawa TS3216N17E1, 800 шагов на оборот, с гибкой переходной муфтой и винтовым штоком;
в качестве держателя 8 рабочего инструмента используют полый корпус из диэлектрического материала с отверстием на конце, размер которого подходит для размещения рабочего инструмента внутри держателя 8 рабочего инструмента (мы использовали распечатанный на 3D-принтере корпус из ABS пластика, либо корпус от шариковой ручки);
в качестве рабочего инструмента 9 - вольфрамовую проволоку диаметром 0.1 мм;
в качестве электронного блока 10 управления рабочим инструментом - микроконтроллер на базе arduino uno;
в качестве генератора 11 - самодельный высоковольтный источник питания (стандартная RC-схема, напряжение на выходе не более 2000 В).
Подготовку гаскеты можно разбить на две стадии: обдавливание (англ. indentation) и сверление (англ. drilling). На стадии обдавливания гаскета толщиной 0.2 - 0.5 мм сжимается между наковальнями для получения отпечатка калетты (обычно толщиной несколько десятых миллиметра). В результате наружу выдавливается избыток металла, формируя кольцевой валик, фиксирующий положение гаскеты и наковален. После обдавливания в полученном отпечатке необходимо просверлить отверстие - камеру для образца. Наиболее простым и дешевым методом сверления является электроэрозионное прошивание отверстий.
Для электроэрозионного прошивания прецизионного отверстия размещают предварительно обдавленную деталь 12 (гаскету) в чаше 6 заявляемого устройства. В чашу 6 заливают диэлектрическую жидкость так, чтобы гаскета полностью была покрыта ею. Рабочий инструмент 9 (проволоку) закрепляют в нижнем отверстии держателя 8 рабочего инструмента и соединяют проводом, расположенным внутри держателя 8 рабочего инструмента с генератором 11 высокого напряжения. Обеспечивают контакт обрабатываемой детали 12 с подводящим проводом от генератора 11, например, с помощью пайки или механического зажима. Устанавливают держатель 8 рабочего инструмента на винт скольжения, соединенный через муфту с двигателем 7. Подводят чашу 6 с диэлектрической жидкостью под 9 (проволоку), предварительно для лучшей визуализации выдвинув рабочий инструмент 9 (проволоку) из держателя 8 рабочего инструмента на несколько миллиметров. Визуально контролируя, например, с помощью микроскопа, лупы или камеры смартфона, положение чаши 6 с диэлектрической жидкостью с размещенной в ней обрабатываемой деталью 12 (гаскетой), с помощью прецизионных актуаторов 5 - микрометрических винтов подводят обдавленную гаскету 12 максимально точно под рабочий инструмент 9 (проволоку) так, чтобы рабочий инструмент 9 - проволока оказалась в центре валика выдавленного металла. Визуально контролируя, например, с помощью микроскопа, лупы или камеры смартфона положение рабочего инструмента 9 опускают держатель 8 рабочего инструмента с помощью шагового двигателя 7 по винтовой передаче. Скорость перемещения рабочего инструмента 9 регулируют электронным блоком 10 управления рабочим инструментом путем изменения на обмотках.
В отличие от дорогостоящих сложных конструкций для электроэрозионного прошивания прецизионных отверстий, таких, как, например, в прототипе, где перемещение электрода происходит так, чтобы значение силы тока и напряжения лежали в определенных диапазонах, в заявляемом устройстве электронный блок 10 управления рабочим инструментом контролирует только плавность хода, а расстояние между проволокой и обрабатываемой деталью, скорость подачи рабочего инструмента 9 контролируют визуально, поскольку из-за того, что прошиваемая деталь выполнена из тонкого листового металла, отпадает необходимость соблюдения высокой точности по вертикали, а также требование высокой точности генератора высокого напряжения.
В отличие от прототипа, контроль сверления и расположения детали относительно инструмента производится полностью визуально оператором. Визуальный контроль осуществляется с помощью камеры смартфона в макро-режиме, лупы или оптического микроскопа. В отличие от прототипа положение наблюдателя не фиксировано, поэтому проконтролировать положение обрабатываемой детали 12 (гаскеты) можно быстрее и проще, не вращая всю установку на поворотной платформе, как в прототипе. Регулирование положения рабочего инструмента 9 по высоте также происходит визуально, что позволяет избавиться от оптического энкодера, используемого в прототипе.
Так как заявляемое устройство предназначено исключительно для прошивания прецизионных отверстий малого диаметра в деталях, выполненного из тонкого металлического материала малого размера, - размеры и толщина гаскеты заранее известны и находятся в диапазоне диаметр - примерно 10 мм, толщина - до 0,5 миллиметра, - то необходимости в особом креплении обрабатываемой детали 12 (гаскеты) в чаше 6 с диэлектрической жидкостью нет, достаточно просто обеспечить контакт обрабатываемой детали 12 с подводящим проводом от генератора 11, например, с помощью пайки или механического зажима. Это также является отличием от устройства по прототипу, где используется специальное болтовое крепление детали к чаше 6 с диэлектрической жидкостью, и в котором подводящий провод от генератора 11 соединен и непосредственно с обрабатываемой деталью 12, и с чашей 6 с диэлектрической жидкостью. Следует отметить и отличие в держателе 8 рабочего инструмента. В прототипе используется держатель рабочего инструмента, который требует специального приспособления для крепления и размещения рабочего инструмента в держателе рабочего инструмента, а также позволяет закреплять инструменты сложной формы. В заявленной полезной модели используется конструкционно простой пластиковый держатель 8 рабочего инструмента, а ток подводится непосредственно к рабочему инструменту 9 - электроду-проволоке, что позволяет избавиться от сложных вспомогательных инструментов. Проволока выдерживает импульсы тока благодаря тому, что обрабатываемая деталь тонкая, а толщину рабочего инструмента 9 - проволоки специально подбирают заранее таким образом, чтобы она не перегорела в процессе работы.
Таким образом, заявлено новое устройство для электроэрозионного прошивания деталей малого размера, изготовленных из тонкого листового материала, недорогое, конструкционно простое и удобное в использовании, расширяющее арсенал известных устройств указанного назначения. Предлагаемое устройство позволяет использовать существенно более дешевые элементы для позиционирования деталей (два транслятора с микрометрическими винтами в качестве актуаторов) и подачи электрода-проволоки (шаговый двигатель с микроконтроллером на базе Arduino, полый пластиковый корпус с отверстием для рабочего инструмента) за счет своей узкой специализации - с учетом размеров (толщины) обрабатываемой детали, специального предварительного обдавливания гаскеты, сквозного прошивания, не требующего контроля глубины сверления детали, и визуального контроля за прошиванием отверстия (через микроскоп, или даже камеру смартфона). Так как для деталей диаметром меньше 50 мм и толщиной менее 2 мм не требуется дорогих прецизионных установок позиционирования электрода и особых режимов работы генератора, конструкция и блока питания, и электрода максимально упрощена.