Способ изготовления изделий с длинномерными каналами Советский патент 1993 года по МПК B23K20/14 

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано при разработке конструкций и технологии изготовления узлов и элементов, включающих длинномерные каналы малой площади поперечного сечения, в частности, в технике капиллярных изделий, в узлах регулируемого дозирования газа или жидкости, в натека- телях вакуумных систем, в холодильной технологии и т.д.

Известен способ изготовления деталей с глубокими каналами, получаемыми методом электроэрозионной обработки. Способ заключается в формообразовании исходной металлической заготовки и выполнении в ней канала специальным электродом-инструментом в виде стержня с оболочкой из диэлектрического материала, относительно которой стержень имеет возможность осевого перемещения. Необходимый межэлек- тродный зазор h, определяемый в

зависимости от разницы наружного радиуса оболочки R и радиуса стержня г, определяет, очевидно, и диаметр получаемого отверстия,.

h(1,5...1,8)(R-r).

Недостатками в таком способе являются ограниченная номенклатура получаемых каналов; - в виде отверстий круглого поперечного сечения диаметром не менее нескольких десятых долей миллиметра, а также невысокое качество изделия вследствие малой точности формы канала и ограни- ченность способа по отношению к диэлектрическим материалам.

Известен способ изготовления изделий с каналами в виде отверстий, получаемыми лазерным сверлением. Способ заключается в том, что изделие, установленное соосно лазерному лучу, поворачивают вокруг двух осей, одна из которых перпендикулярна оси лазерного луча. На пересечении осей повоXI

45

4 О

рота изделия и лазерного луча есть точка, которая не перемещается относительно луча. Таким образом в детали вырезают отверстие в форме песочных часов. Способ позволяет получать каналы переменной по длине канала конфигурации,

Недостатками данного способа являются малый диапазон типоразмеров/получаемых каналов (только отверстия круглого поперечного сечения) и ограниченные технологические возможности способа, т.к. имеет место предельная длина канала (или глубина отверстия), на которую его можно выполнить для данного диаметра отверстия. Другими словами отношение L/d, где L - длина канала, a.d - его диаметр, имеет малую величину, например d (01002...0,005)мм составляет(0,1..Д2) мм.;

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят способ изготовления узлов с длинномерными каналами, который заключается в формообразовании исходной детали и выполнении в ней отверстия средствами механической обработки, в частности сверлением ;с помощью специально изготавливаемых сверл и использованием устройств, обеспечивающих минимапы-шй бой сверла и требуемую точность его ориентации и осевого перемещения. После выполнения в детали канала осуществляют финишную обработку изделия,; .

Недостатками способа-прототипа являются невысокое качество изделия вследствие малой точности канала (некруглость и конусность отверстия вследствие боя и де- формации сверл малого диаметра), а также, ограниченность номенклатуры и типоразмеров получаемых каналов, -только в виде отверстий круглого сечения со срэвнитель- , но малым соотношением L/d. Например для L (0.,1..ДЗ) мм диаметр d можно выполнить не менее десятых долей миллиметра, Кроме того вызывает большие сложности выполнение каналов в целом ряде материалов (керамика, стекло, твердые сплавы).

Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки,

Целью изобретения является повышение качества и расширение номенклатуры . изделий с длинномерными каналами.

Указанная цель достигается за счет то- ГО; что е способе изготовления изделий с длинномерными каналами, при котором в заготовке выполняют каналы с последующей механической обработкой изделия берут заготовку по меньшей мере из двух .деталей, на контактирующих поверхностях которых выполняют пазы глубиной (1,01- 1 ,Q6)h, где h - требуемая глубина паза заго

товки, совмещают детали по пазами осуще ствляют диффузионную сварку, причем при

механической обработке в качестве базовых

элементов используют выходные отверстия

полученных каналов.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в процессе изготовления изделия используют заготовку по меньшей мере из двух деталей на

0 контактирующих поверхностях каждой из которых выполняют пазы, исходя из вия, что при стыковке деталей по сопрягаемым поверхностям совмещенные пазы образуют длинномерный канал требуемой

5 конфигурации. При этом пазы выполняют с припуском (глубина паза составляет 1,01...1,06) от требуемой глубины), который учитывает деформацию при последующей диффузионной сварке исходных заготовок.

0 После сварки осуществляют,механическую обработку изделия, причем в качестве базовых элементов используют выходные отверстие канала на торцах изделия, что позволяет получить изделие, наружная кон5 фигурация которого строго ориентирована

относительно главного элемента, каким яв- ляется длинномерный канал. Эти отличия

позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию

0 новизна.. .

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с другими реше- нмями в данной и смежных областях техники показывает, что каждый из сущест5 венных признаков по отдельности известен, однако в той совокупности, последовательности и устойчивости взаимосвязи, как это представлено в техническом решении, стадо возможным;

0 - выполнение практически любой конфигурации поперечного сечения канала: - круглого, квадратного, ромбического, эллипсовидного и т.д. с полным отсутствием ограничений по соотношению длины и диа5 метра каналов;

- расширение круга применяемых в изделиях материалов, в том числе керамика, стекло, твердые сплавы и т.д.);

- получение криволинейных каналов (в 0 трех координатах) с высокой точностью и качеством выполнения.

Таким образом, все перечисленные признаки технического решения в совокупности обусловливают существенный 5 положительный эффект - цель изобретения, являются оптимальными, могут квалифицироваться как существенные признаки и обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию существенные отличия.

На фиг. 1 изображен общий вид заготовки с пазом: на фиг, 2 - процесс диффузионной сварки двух деталей с совмещенными пазами, образующими длинномерный канал; на фиг, 3 - финишная обработка изделия.

На фиг. 1,2 и 3 обозначены две исходные детали 1 и 2. На сопрягаемой поверхности 3 детали 1 выполнен паз 4, а на сопрягаемой поверхности детали 2 - паз 5. Возможным вариантом является выполнение пазов по ломаной линии 6 (либо криволинейной и т.д.). Паз 4, как правило, выполняется со стороны исходной поверхности 7, доводка и шлифовка которой позволяют получить паз 4 глубины h (1,01...1,06)h, где h - требуемая глубина паза и получить при этом поверхность 3. Детали 1 и 2 свариваются диффузионной сваркой по плоскости стыка 8 с размещением их на сварочной опоре. 9 и .приложении давления РСв- Сваренное изделие,установленное в фиксирующих узлах 10 и 11, базой для которых являются выходные отверстия канала 12 на торцах 13 и 14, обрабатывается до получения окончательного изделия 15.

. Предлагаемый способ заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих технологических операций.

Средствами механической обработки (точение, фрезерование, шлифовка) осуществляют изготовление по меньшей мере двух исходных деталей 1 и 2, Настоящее описание составлено для двух деталей, На сопрягаемых плоскостях (7 для детали 1) деталей 1 и 2 средствами механической обработки, в данном случае резанием или скрайбированием выполняют пазы 4 и 5, поперечное сечение которых одинаково для каждого паза по вези его длине. Одинаковая ориентация паза по отношению к своей детали обеспечивается вспомогательным инс- трументом - копирами, шаблонами, трафаретами и т.д. Далее получают паз заданной конфигурации и глубины h (1,01...1,06) h, где h -К требуемая глубина паза, посредством съема материала с плоскости контакта 7 на глубину А (для детали 1). что обеспечивает получение сопрягаемой поверхности 3. Аналогичная операция осуществляется и по отношению к детали 2. Конфигурация паза (на фиг. 1 и 2 в виде треугольника в поперечном сечении) обеспечивается инструментом, которым может являться алмазная пирамида, твердосплавный профилированный резец и т.д. Исходная глубина h паза определяется совместными операциями скрайбирования и съема материала на глубину Л Очевидно,

что эта операция съема материала не является принципиально необходимой. Она требуется, когда выполняемый паз должен иметь глубину единицы микрометра или 5 должен быть переменного сечения по длине. В общем виде возможно выполнение паза без операции съема материала с плоскости контакта, поэтому эта операция не фигурирует в качестве отличительного при10 знака,

На фиг. 1 и 2 показан канал в виде квадрата, образуемый двумя треугольными пазами. Очевидно, что конфигурация канала и, соответственно, пазов может быть самой

5 различной. Также очевидно, что на сопрягаемых поверхностях деталей 1 и 2 может быть несколько пазов, образующих несколько каналов, и может быть несколько (больше чем две) деталей, на попарно сопря0 гаемых поверхностях которых выполняются пазы, совмещаемые при последующей сварке всех деталей в изделие.

После выполнения пазов 4 и 5 непосредственно режущим инструментом (скрай5 бированием) или с применением вспомогательной операции доводки соединяемой плоскости, на которой выполнен паз, когда требуются пауы малых размеров в поперечном сечении (глубина составляет

0 микрометры), детали 1 и 2 собирают в сварочной оснастке .стыкуя сопрягаемые плоскости с обеспечением точного совмещения пазов 4 и 5, устанавливают их на сварочную опору 9 в камеру установки для диффузион5 ной сварки и производят диффузионную сварку деталей 1 и 2 по общей плоскости контакта 8 при нагреве их до требуемой температуры процесса и приложении необходимой величины сварочного давления

0 . Рев. Конкретные параметры сварки (температура и давление) определяются исходя из физико-механических свойств свариваемых материалов и технических требований к изделию экспериментальным путем или с по5 мощью справочной литературы. Диффузионная сварка связана с пластическими деформациями, которые являются необходимым элементом процесса и обеспечивают образование качественного сое0 динения. Требуемая для качественной сварки минимальная величина пластических деформаций выражается в долях от линейных размеров (по высоте) свариваемых деталей. Степень деформации для прецизи5 онного процесса сварки составляет величину (З.,.6%), т.е. (2...3)% от высоты деталей 4. Включая сюда высокопрочные-материалы (твердые сплавы, керамику), указанный диапазон можно расширить и оговорить как (1...6%). Вполне правомерно рассмэтривать данную степень деформации в отноше- нии паза, т.е. в отношении представляющей непосредственный интерес зоны деталей 1 и 2, и заложить эту величину в качестве припуска при исходном формообразовании паза.

Таким образом, выполнение пазов 4 и 5 глубиной h , составляющей(1,01 ...1,06)h, где h - требуемая глубина паза, обуславливается требованиями и особенностями процесса диффузионной сварки.

Очевидно, что припуск в указанном диапазоне значений определяется свойствами материала деталей 1 и 2 (пластичностью) и режимом сварки, который определяет деформацию за заданную величину,обеспечивающую получение в сварном изделии паза требуемой глубины. Для повышения точности и гарантированного обеспечения требуемой деформации в пределах (0,01...0,06)h возможно использование вспомогательных элементов, например ограничителей в составе сварочной оснастки.

Сваренный узел устанавливают в фиксирующие узлы 10 и 11 приспособления для финишной обработки изделия, используя в качестве базовых элементов выходные отверстия канала 12 на торцах 13 и14изделия, поскольку геометрия окончательно обработанного изделия определяется расположением канала 12 (фиг. 3), т.е. первичным элементом при изготовлении изделия является канал 12.

Окончательно обработанное изделие 15 может быть различной конфигурации, например иметь вид капиллярной трубки и т.д.

Пример. Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Способ использовали в СКВ АП НТО АН СССР при изготовлении длинноходовой кюветы фотометра и коллектора крана-переключателя жидкостных потоков.

Две пластины из титанового сплава обрабатывали по будущим плоскостям соединения по классу чистоту 0,08, складывали вместе и штифтовали, т.е. фиксировали между собой от возможных смещений посредством двух штифтов. В месте разъема пластины по наружной поверхности вскрывались гнезда под установку оптических окон (стекол). После этого, штифты вынимались, а пластины разъединялись и в каждой из них были выполнены пазы требуемой конфигурации, в частности, круглого сечения средствами механической обработки - резанием (скрэйбированием).

После выполнения необходимых пазов (канавок) производили вторичную доводку плоскостей разъема, убирая выпуклости металла, возникшие при выполнении пазов. Затем, готовые полуэлементы соединяли по

плоскостям разъема, опять же фиксируя штифтами и сваривали по этим плоскостям способом диффузионной сварки в вакууме. Качество сварки (герметичность) проверялось с помощью течеискателя ПТИ-10. После сварки устанавливались стекла в соответствующие гнезда и подсоединяли коммутирующие потом трубки. Таким образом можно изготавливать кюветы с практически неограниченной длиной оптического пути (основного канала) и различного профиля, конфигурации (в трёх координатах) и площади поперечного сечения. Изготовление коллектора крана-переключателя жидкостного потока выполняется аналогично вышеописанному способу, при этом коллектор также состоит из двух деталей, в одной из которых проводятся подводящие поток каналы и соединяющие их пазы, а второй

полуэлемент несет функцию герметизирующего полученных каналов.

Очевидно, что с наибольшим эффектом реализацию неразъемного соединения обеспечивает диффузионная сварка в вакууме, - малодеформационный процесс., в отличие от пайки или сварки плавлением не содержащий жидкий (припой или основной металл, соответственно), которая может попадать в отверстие и искажать его форму.

Кроме того, диффузионной сваркой свариваются практически все материалы с возможностью получения сварного соединения идентичного основному материалу по физико-механическим свойствам, что в ряде случаев весьма важно для узлов точного приборостроения.

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения заключается в следующем;

Появляется возможность выполнения практически любой конфигурации поперечного сечения - круглые, квадратные, эллипсовидные и более сложных форм. Это обеспечивается механическим способом

выполнения полуотверстия в виде паза с помощью режущего инструмента, доводкой поверхности на котором выполнено предварительно полуотверстие для получения требуемой точной формы, а также

возможностью расчленять отверстие требуемой формы на два полуотверстия в наиболее оптимальном варианте, тоже в виде двух неодинаковых пазов, которые выполняемые на различных полуэлементах в сборе дадут

отверстие нужной геометрии:

Отсутствуют ограничения по размерам отверстий, которые могут быть от нескольких микрометров до десчтых долей миллиметра, что обеспечивается доводкой:

Практически отсутствуют ограничения по соотношению длины и диаметра получае- мых отверстий;

Расширяется круг материалов, в которых могут выполняться отверстия, поскольку практически для-любого материала можно подобрать материал режущего инструмента;

Появляется возможность получения криволинейных отверстий, что в принципе невозможно иными известными способами.

Таким образом, технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении уровня технического обеспечения процесса

0

изготовления узлов с длинномерными каналами, расширении функциональных характеристик этих узлов, повышении технических характеристик приборов и агрегатов, в которых эти узлы используются. Экономический эффект на сегодняшний день определить не представляется возможным из-за отсутствия статистически обоснованных исходных и сравнительных данных.

В СКВ АП предлагаемый способ опробован при изготовлении длинномерных отвер- стий в опытной партии кювет и кранов-переключателей жидкостных хроматографов.

Фиг. 51

Использование: точное приборостроение, в частности капиллярные изделия, узлы регулируемого дозирования газа или жидкости, натекатели вакуумных систем, холодильника техника. Сущность изобретения: при изготовлении изделий с длинномерными каналами в заготовке выполняют каналы с последующей механической обработкой изделия.С целью повышения качества и расширения номенклатуры изделий берут заготовку по меньшей мере из двух деталей, на контактирующих плоскостях которых выполняют пазы глубиной (|,01-1,06)п, где h - требуемая глубина паза, совмещают детали по пазам и осуществляют их диффузионную сварку, а при механической обработке в качестве базовых элементов используют выходные отверстия каналов. 3 ил.

.Фм.3.