Конспект лекций Бордусов

МАТЕРИАЛЫ

к дисциплине

"ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРОН-

НОЙ ТЕХНИКИ"

	1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ	3
1. Ультразвуковые электротехнологические установки	6
1.1. Области применения и технологические возможности оборудования
для ультразвуковой обработки (УЗО)	6
1.2. Классификация и состав оборудования	8
1.3. Основные технические характеристики ультразвуковых
электротехнологических установок	9
1.4. Примеры типовых схем и работы оборудования для УЗ обработки	11
1.5. Оборудование для ультразвуковой размерной обработки	12
1.6. Универсальные ультразвуковые станки	12
1.7. Конструктивные и технологические особенности инструмента
для УЗО	13
1.8. Типовые конструкции инструментов для УЗО	14
1.9. Материалы инструментов	18
1.10. Форма и размеры рабочей части УЗ инструмента	19
1.11. Расчет геометрических размеров концентраторов-инструментов	20
1.12. Порядок проектирования технологических процессов при УЗ-
обработке	23
2. Оборудование для электроэрозионной обработки металлов	24
2.1. Классификация видов электроэрозионной (ЭЭ) обработки	24
2.2. Технологическое использование оборудования и процессов ЭЭО	26
2.3. Компоновка и состав электроэрозионного оборудования	27
2.4. Элементы и системы электроэрозионного оборудования	28
2.5. Электроды-инструменты	34
3. Оборудование для размерной электрохимической обработки	37
3.1. Особенности процессов размерной ЭХО	37
3.2. Области применения электрохимической размерной обработки	37
3.3. Типовая структура оборудования для ЭХО	39
3.4. Конструктивные особенности станка для электрохимической
обработки	40
3.5. Источники технологического тока	41
3.6. Токоподводы установок электрохимической обработки	42
3.7. Системы управления оборудованием ЭХО	43
3.8. Виды и компоновка станков для ЭХО	48
4. Оборудование для электроннолучевой обработки материалов	50
4.1. Технологические возможности и состав установок	50
для электронно-лучевой обработки	50
4.2. Электромеханический комплекс	51
4.3. Энергетический комплекс электронно-лучевой установки	58
4.4. Управление электронно-лучевой обработкой	58
4.5. Виды систем управления электронно-лучевыми установками	59

2
4.6. Автоматизированная электронно-лучевая установка	60
для сварки и размерной обработки	60
5. Лазерное технологическое оборудование	65
5.1. Технологические особенности оборудования для лазерной
обработки материалов	65
5.2. Применение лазерного технологического оборудования в
производстве РЭС	65
5.3. Структура и состав оборудования для лазерной обработки	66
5.4. Виды лазерных технологических установок	67
5.5. Компоновочные решения лазерных технологических устройств	69
6. Оборудование электроимпульсной обработки пластическим
деформированием	73
6.1. Оборудование электроимпульсной обработки	73
6.2. Установки магнитно-импульсной обработки металлов	74
7. Оборудование для плазменной обработки материалов и изделий
электронной техники	80
7.1. Плазменное технологическое оборудование неравновесной плазмы	80

3

ВВЕДЕНИЕ

Технология — наука по изучению процессов производства различных изделий и устройств. Слово «технология» образовано от двух греческих слов: «техно» — мастерство и «логос» — учение. Технология всегда связана с процессами переработки или обработки материалов, т.е. изменения их свойств или формы.

Совокупность действий, в результате которых сырье, материалы или полуфабрикаты превращаются на предприятии в готовую продукцию, называется «производственным процессом».

«Технологическим процессом» называется часть производственного процесса, связанная с непосредственным изменением формы или состояния материала, свойств отдельных деталей или их сборкой.

В широком смысле слова «технология» — это способ освоения человеком материального мира посредством социально организуемой деятельности.

При этом необходимо 3 компонента:

—научные принципы;

—орудия труда;

—люди, владеющие профессиональными навыками.

Электрофизические и электрохимические методы обработки появились сравнительно недавно: некоторым из них 50 лет, другим не более 10…15.

Новые методы начали интенсивно развиваться в связи с созданием современных отраслей промышленности (космической, атомной, электронной), стремительным ростом приборостроения, энергетического и химического машиностроения, инструментальной промышленности и др. С развитием этих отраслей создавались новые высокопрочные материалы, которые трудно поддаются классическим методам обработки резанием. Интенсивное внедрение в промышленность обработки давлением, точного литья, пластмасс увеличило потребность в штампах, литейных формах, пресс-формах и других изделиях сложной конфигурации.

В связи с созданием новых конструкций машин и приборов, тенденцией к миниатюризации в микроэлектронике и приборостроении требуется осуществлять уникальные технологические операции, невыполнимые или трудновыполнимые обычными методами обработки резанием.

Для многих из этих отраслей серьезной проблемой стало создание высокопроизводительных методов резки и раскроя листового материала при минимальном количестве отходов.

Решение многих проблем развития современного производства было найдено в создании, разработке и совершенствовании электрофизических и электрохимических методов обработки материалов. В основе этих методов лежит использование различных физико-химических процессов энергетического воздействия на заготовку для формообразования или обработки детали, либо материала.

Существуют несколько вариантов классификации методов электрофизико-

4

химической обработки:

а) по виду и характеру энергетического воздействия на обрабатываемый материал:

—электроразрядные;

—электрохимические;

—ультразвуковые;

—лучевые;

—комбинированные.

б) по характеру явлений, происходящих вследствие воздействия на заготовку электрического тока — основного вида энергии, затрачиваемого на осуществление обработки:

—химическое воздействие электрического тока (разновидности электрохимической обработки);

—теплового воздействия электрического тока (электроэрозионная обработка, плазменная, лучевые методы обработки, лазеры);

—механическое воздействие электрического тока или электромагнитного поля (УЗО, электрогидролиз);

—сочетание различных воздействий электрического тока и электромагнитного поля одновременно друг с другом, а также с различными процессами механической обработки.

в) по виду об работки:

—с применением инструмента (электроэрозионный, электрохимический, ультразвуковой);

—обработка с использованием высококонцентрированных потоков энергии (электроннолучевая, светолучевая, плазменная, электровзрывная, магнитоимпульсная);

—комбинированные методы (анодно-механический, электроэрозионнохимический, обработка с наложением ультразвуковых колебаний, электролазерный и др.).

Общей объединяющей основой всех этих методов является использование электрической энергии в процессе формообразования или обработки.

Необходимость применения и развития указанных методов обработки обусловлена тремя специфическими особенностями развития современных отраслей промышленности.

1.В конструкциях машин и приборов все шире применяются твердые, жаропрочные и другие специальные сплавы и стали с различными легирующими добавками, трудно обрабатываемые классическими методами механообработки.

2.Все чаще к формообразованию деталей приборов и устройств предъявляются специальные требования — обработка детали с точностью 1 мкм, прорезание пазов шириной 5…7 мкм, образование отверстия с криволинейной осью или конической поверхностью и др.

3.В связи с широким развитием вычислительной, полупроводниковой и электронной техники появилась необходимость массовой обработки миниатюрных деталей: обработка тонкостенных деталей, деталей объемом

5

меньше 1 см2 и др.

Примеры использования электрофизикохимических методов обработки в производстве изделий электронной техники:

электроэрозионная обработка — обработка полостей кованых штампов и пресс-форм, формообразование анодных блоков магнетронов, электроэрозионная вырезка деталей вакуумной и электронной техники (сеток, решеток, пазов и др.), прошивание мелкоразмерных отверстий в корпусах, деталях плазменных устройств, обработка мелких деталей из нержавеющей стали, вырезание спиралей ламп бегущей волны и т.д.;

электрохимическая обработка — обработка внутренних полостей сложной формы, сверление глубоких отверстий, полирование поверхности деталей сложной формы, снятие заусенцев на деталях после механической обработки, изготовление печатных плат;

ультразвуковая — очистка деталей, подложек ИС; сверление отверстий в полупроводниковых и диэлектрических подложках, приварка проволоки к контактным площадкам ИС и т.д.;

лазерная сварка — выводы диодов, миниатюрных реле (в частности герконовых), выводы для солнечных элементов, лазерная сварка баллонов для электронных ламп и корпусов полупроводниковых приборов;

лазерная резка — заготовок из алмаза, формы из керамических подложек, скрайбирование кристаллов и т.д.;

лазерное сверление, закалка и т.д. электронно-лучевая обработка — испарение материалов с целью нанесения тонких пленок, подгонка элементов ИС, зонная плавка с целью роста монокристаллов кремния и германия, точечная сварка, сварка деталей из разнородных материалов (вольфрам и молибден, никель и сталь), электронно-лучевая литография и т.д.;

плазменные методы — микрофрезерование, нанесение тонких пленок, резка, наплавка и т.д.;

электровзрывная — формирование отражателей приемно-передающих антенн и т.д.

Однако наряду с положительными особенностями или свойствами электрофизикохимических методов им присущи и некоторые недостатки или ограничения, которые обусловлены их физической сущность и спецификой.

Основные недостатки их следующие:

1)повышенная энергоемкость процессов при равнозначных с механической обработкой производительности и качественных показателях;

2)относительная громоздкость применяемого технологического оборудования и оснастки, а также необходимость применения специальных источников питания электрическим током, устройств для подачи, сбора, хранения и очистки рабочей жидкости;

3)необходимость размещения технологического оборудования в отдельных помещениях, связанная зачастую с учетом повышенной пожарной опасности и выполнением специфических требований безопасности труда.

6

1.Ультразвуковые электротехнологические установки

1.1.Области применения и технологические возможности оборудования

для ультразвуковой обработки (УЗО)

Современное развитие ультразвуковой техники открывает широкие возможности для применения ультразвука при интенсификации различных технологических процессов.

В общем случае можно представить три варианта ультразвуковых установок, классифицируемых по виду воздействия ультразвука на технологический объем.

	Воздействие ультра-		Объект
	звука, физические,	Технологическая
			технологического
	химические и прочие	среда
			воздействия
	воздействия

а

	Воздействие ультра-	Объект
	звука, физические,
		технологического
	химические и прочие
		воздействия
	воздействия

б

Воздействие	Химическое	Физическое
ультразвука	воздействие	воздействие

Технологическая

среда

Объект

технологического

воздействия

в

Рис. 1.1. Варианты построения ультразвуковых установок по виду воздействия ультразвука на технологический объект

7

По первой схеме осуществляется обработка изделия через промежуточную технологическую среду, служащую передаточным звеном между источником воздействия и объектом воздействия. Примером служат: ультразвуковая абразивная обработка (УЗАО), ультразвуковая очистка жидкости (УЗОч), диспергирование и др.

По второй схеме воздействие оказывается непосредственно на объект, без использования промежуточной технологической среды. Такие процессы происходят при воздействии на твердую среду, и реже — на жидкую. Примером могут служить операции соединения (сварка, пайка); снятие остаточных напряжений после термической обработки металла; дегазация расплавов и т. д.

По третьей схеме осуществляется комбинированное воздействие ультразвука и на объект, и на технологическую среду. Примерами являются: ультразвуковая очистка абразивным инструментом, очистка изделий при контактном возбуждении ультразвуком, механическая обработка режущим инструментом, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания и т.д.

Наиболее широко в производстве изделий электронной техники представлены технологические процессы и установки, в которых обработка объекта ультразвуком осуществляется через технологическую среду. Они объединены в две большие группы:

—ультразвуковая абразивная обработка свободными абразивными зернами;

—УЗО, основанная на кавитационных явлениях.

УЗАО свободными абразивными зернами

Ультразвуковая	УЗ вырезание	УЗ объемное
отрезка (УЗОт)		копирование

…

...

Рис. 1.2. Разновидности операций процесса ультразвуковой абразивной обработки

Методами УЗО свободными (незакрепленными) абразивными зернами, в основном, обрабатываются твердые хрупкие материалы.

При осуществлении этих операций, определяющим является воздействие УЗК, на абразивную суспензию, подаваемую в зазор между рабочей поверхностью УЗ-инструмента и заготовкой.

8

Процессы УЗО, основанные на кавитационных явлениях

Очистка заготовок и деталей от загрязнений

Очистка абразивных (алмазных) инструментов от шлама

Интенсификация химического травления

Интенсификация нанесения гальванических покрытий

Интенсификация процесса пропитки смолами

Рис. 1.3. Разновидности операций процесса ультразвуковой обработки, основанные на кавитационных явлениях

Этот весьма краткий обзор методов обработки с использованием УЗК и реализуемых только по одной схеме организации технологических процессов и построения оборудования показывает на существование широкой разновидности оборудования, в основу работы которого положены ультразвуковые колебания.

1.2. Классификация и состав оборудования

Классификация ультразвуковых установок может осуществляться по различным признакам:

1)по схеме воздействия ультразвука на объект технологической обработки (обработка объекта ультразвуком через технологическую среду; непосредственное воздействие ультразвука на объект; комбинированное воздействие);

2)по областям применения (очистка, механическая обработка, ультразвуковая сварка, диспергирование, эмульгирование и т.д.);

3)по конструктивному оформлению оборудования, связанного с характером обслуживания (автоматизированные, полуавтоматизированные, с ручным обслуживанием и с применением малой механизации);

4)по использованию установок в общем цикле производства (установки индивидуального исполнения, установки встраиваемые в поточные линии, агрегаты и т.п.);

5)по техническим возможностям (универсальные, рассчитанные на производство операций при значительной номенклатуре обрабатываемых изделий; специализированные, предназначенные для обработки определенного вида изделий или группы однотипных изделий);

6)по габаритным размерам (стационарные и переносные).

9

Любая ультразвуковая установка представляет собой комплекс, состоящий из одного или нескольких ультразвуковых генераторов, предназначенных для преобразования энергии тока промышленной частоты в энергию тока высокой частоты, ультразвуковых преобразователей, преобразующих энергию тока высокой частоты в энергию механических колебаний, и технологического устройства, в котором энергия механических колебаний активно воздействует на обрабатываемый объект. Кроме этого в установках могут быть механизмы перемещения детали, подачи колебательной системы, устройства и системы охлаждения, смазки и т.д.

1.3. Основные технические характеристики ультразвуковых электротехнологических установок

Ультразвуковые установки обладают электрическими и неэлектрическими характеристиками.

К электрическим относятся:

—рабочая частота или диапазон частот;

—мощность ультразвуковой частоты;

—потребляемая мощность;

—режим работы (непрерывный, импульсный);

—уровень индустриальных радиопомех. Неэлектрические характеристики:

—производительность;

—конструктивные особенности (определяются габаритами и массой установки, удобством обслуживания и ремонта, требованием хорошего естественного или принудительного теплоотвода, теплостойкость и влагостойкость деталей и узлов, устойчивость к внешним воздействиям);

—уровень шумов;

—эксплуатационные, экономические и энергетические показатели.

1.3.1.Электрические характеристики

Рабочая частота или диапазон частот устанавливается в зависимости от назначения ультразвуковых установок. Для установок с ламповым генератором

в соответствии с ГОСТ 13952 —	выделены	следующие	полосы частот:
18 1,35 кГц, 22 1,65 кГц, 44 4,4 кГц,	66 6,6 кГц,	440 11 кГц,	880 8,8 кГц и

1760 44 кГц. Для установок с транзисторными генераторами в соответствии с ГОСТ 16165 — выделены полосы частот 18 1,35 кГц, 22 1,65 кГц, 44 4,4 кГц и

66 6,6 кГц.

Эти же частоты используются для УЗ установок с генераторами на тиристорах и машинными генераторами.

Под мощностью УЗ установок понимают электрическую мощность ультразвуковой частоты, подводимую к электроакустическим преобразователям. В соответствии с ГОСТ 9865 — установлен следующий ряд номинальных мощ-