11 ноября 2010 года исполнилось 100 лет со дня рождения Бориса Р. Лазаренко. Общепризнано, что Борис вместе с женой Натальей изобрёл электроэрозионную обработку. В честь этой даты — история о том, как всё началось.
Эта статья основана на воспоминаниях Моисея Коренблюма — человека, который лично работал с Лазаренко в 1960-х и был активным участником последующего развития EDM в СССР.
Как это начиналось
До Второй мировой войны Лазаренко занимались проблемой долговечности контактов электрических реле. Слабое место таких контактов было известно давно: при размыкании цепи возникает дуговой разряд, который постепенно разрушает поверхности. Это явление впервые описал английский учёный Джозеф Пристли ещё в 1768 году. В ходе исследований Лазаренко установили неожиданный факт: погружение контактов в жидкость ускоряет эрозию по сравнению с работой в воздухе. В 1938 году Б. Р. Лазаренко опубликовал статью «Исследование переноса металла и коррозии под действием электрических разрядов на размыкающихся контактах» — она стала отправной точкой открытия.
Суть изобретения проста и элегантна: Лазаренко превратили недостаток — эрозию контактов — в инструмент, создав процесс, в котором эрозия происходит в управляемых условиях. Они собрали цепь из источника постоянного тока, конденсатора и резистора, подключили медный стержень к отрицательному полюсу, заготовку — к положительному, погрузили оба в керосин и начали медленно сближать их с помощью механизма подачи. Б. Р. Лазаренко вспоминал памятный момент 1942 года, когда его жена впервые прошила вольфрамовую пластину медным электродом и затем обработала резец из твёрдого сплава вместе с державкой.
Источник питания того первого станка — RC-генератор. Конденсатор заряжается от источника постоянного тока через резистор. Когда зазор между электродом и заготовкой становится достаточно малым, конденсатор разряжается, оставляя микрократеры на обеих поверхностях. Разряд прекращается, когда энергия конденсатора исчерпана, — затем цикл повторяется. Глубина воздействия определяется ёмкостью конденсатора, частота разрядов — сопротивлением резистора. Никакой электронной коммутации — только физика.
3 апреля 1943 года Б. Р. и Н. И. Лазаренко зарегистрировали открытие нового метода (авторское свидетельство СССР № 70010). В 1944–1946 годах вышли три их публикации: «Электрическая эрозия металлов. Выпуск I и II» и «Физика метода электроискровой обработки металлов». В 1946 году метод был запатентован в США, Великобритании, Франции, Швейцарии и Швеции — на имя Лазаренко, но права на патенты принадлежали советскому правительству.
Уже в военные годы технология нашла боевое применение: на уральском заводе электроэрозия использовалась при производстве легендарных «Катюш» и для обработки отверстий в танковой броне.
Первые станки и два конкурирующих подхода
Один из первых прошивных электроэрозионных станков управлялся вручную: оператор поддерживал зазор маховиком — примерно как на сверлильном станке. Те, кто пробовал работать с ручным сервоприводом, знают, что занятие это не из лёгких. Ручные приводы вскоре уступили место электромагнитным.
О первом практическом применении электроэрозионной обработки в СССР до сих пор нет единого мнения. Одни источники указывают на танковое производство, другие — на удаление сломанных метчиков и свёрл. Скорее всего, было и то, и другое.
В 1948 году постановлением правительства СССР была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория электрообработки материалов — ЦНИЛ-Электром. Б. Р. Лазаренко руководил ею с 1948 по 1961 год. В 1965 году лаборатория вошла в состав ЭНИМС — Экспериментально-научного института металлорежущих станков, ведущего института отрасли, известного далеко за пределами СССР.
В период до 1960 года в стране параллельно развивались две конкурирующие технологии.
Электроискровая технология использовала короткие импульсы с малым коэффициентом заполнения и отрицательной полярностью электрода. Основой служили RC-генераторы. В 1947–1948 годах Ленинградский карбюраторный завод (ЛКЗ) выпустил полуавтоматические станки для изготовления форсунок дизельных двигателей диаметром 0,01–0,15 мм — электроэрозия вытеснила механическое сверление и повысила производительность в 300 раз. Всего ЛКЗ изготовил более 1000 станков 48 моделей: для обработки твёрдых сплавов, резки узких пазов медными и латунными лентами, полировки шейки инструмента.
Электроимпульсная технология работала на длинных импульсах с большим коэффициентом заполнения и положительной полярностью электрода — преимущественно для обработки стали графитовыми электродами. Для черновых операций применялся генератор на основе асинхронного двигателя с коллекторным генератором, дававший однополярные импульсы частотой до 3 кГц. По сравнению с электроискровыми станками производительность по стали выросла в 5–10 раз, износ электродов снизился в 5–20 раз. Для получистовых и чистовых режимов использовались ламповые генераторы.
Эта моторно-генераторная технология была уникальной разработкой советских инженеров.
Транзисторные генераторы и технология низкого износа
С 1966 года началось внедрение транзисторных генераторов — разработка М. С. Отто, с которым Коренблюм работал многие годы. Транзисторные генераторы позволяли гибко управлять пиковым током, длительностью импульса и коэффициентом заполнения, объединив в одном устройстве возможности обеих технологий — электроискровой и электроимпульсной.
Специализированный завод в Троицке (Урал) серийно выпускал электроэрозионное и электрохимическое оборудование. Транзисторные генераторы ШГИ-40-440 — основная тема работы Коренблюма — производились 15 лет и были установлены на более чем 4000 станков.
Именно на электроимпульсных станках с большой длительностью импульса было обнаружено явление низкого износа: при определённых условиях работы с положительной полярностью электрода его износ при обработке стали оказывался минимальным. Впоследствии это наблюдение легло в основу современных технологий малого износа. В 1978 году Коренблюм и Отто опубликовали брошюру «Выбор режима и эксплуатация транзисторных источников питания для электроэрозионной обработки».
С 1950-х годов в электроимпульсных станках применялись графитовые электроды — они лучше работали с импульсами большой энергии и заложили основу для дальнейшего развития графитовых технологий.
Зародыши мировой отрасли
Российские технологические разработки, зафиксированные в многочисленных советских публикациях, стали фундаментом для ускоренного развития электроэрозии по всему миру. В 1953 году Киёси Иноуэ создал в Японии исследовательскую лабораторию и компанию JAPAX. Примерно тогда же швейцарские компании AGIE и Charmilles начали производство EDM-станков — их руководители лично посещали ЭНИМС в те годы. В 1976 году ведущие специалисты JAPAX основали компанию Sodick.
Несмотря на все достижения, развитие станков с ЧПУ в СССР шло на удивление медленно. До 1990 года выпускались лишь единичные специальные станки с простейшими NC-системами на энкодерах и цифровых индикаторах. Эмбарго холодной войны, закрывавшее доступ к многокоординатным технологиям, вынуждало советских инженеров разрабатывать всё самостоятельно.
Рождение проволочной электроэрозии
Толчком к созданию проволочного EDM стала оборонная задача: производство сверхвысокочастотных вакуумных ламп для радаров требовало резки микроскопических пазов. Исследования возглавил В. И. Ставицкий — ученик Б. Р. Лазаренко — в НИИ-160, позднее известном как «Исток».
Первые опыты проводились в керосине, но для деталей вакуумных ламп требовались диэлектрики с меньшим содержанием углеводородов. Решением стала смесь воды с этанолом.
К концу 1953 года впервые удалось прорезать пазы шириной 50–60 мкм вольфрамовой проволокой диаметром 30–40 мкм — в медных диафрагмах клистронов для радиорелейных линий. В начале 1954 года был создан первый в мире проволочно-вырезной станок: проволока диаметром 20–40 мкм, точность резки 2 мкм, шероховатость поверхности Ra не более 0,25 мкм.
В 1959 году К. Гулярян из «Истока» предложил оригинальную схему профилирования: заготовка и мастер-шаблон с нужным контуром крепились на столе станка, проволока двигалась вдоль шаблона, а сервопривод в поперечном направлении удерживал нужный зазор. Эта схема была реализована на станке «Электром-15», впоследствии ставшем моделью 4531.
В 1964 году на базе той же модели 4531 в ЦНИЛ-Электром был создан первый в мире проволочно-вырезной станок с ЧПУ — разработчики Г. И. Алкин и Д. Ю. Длугач.
В середине 1960-х на станки «Истока» были установлены тиратронные генераторы с биполярными импульсами — они позволяли работать с обычной водопроводной водой без деионизации. Нулевая постоянная составляющая напряжения исключала электрохимические реакции между водой и заготовкой. Генераторы развивали пиковый ток до 500 А при длительности импульса менее 1,5 мкс.
В 1970–80-х годах Швейцария, Япония и США совершили ряд прорывов в проволочной электроэрозии. В СССР параллельно шла разработка многокоординатных систем ЧПУ: сначала трёхкоординатное управление наклоном проволоки, затем полноценные пятиосевые системы для деталей с разным профилем в верхней и нижней плоскостях. В середине 1980-х скорость резки удалось значительно повысить за счёт коаксиальной подачи диэлектрика в зазор и высокоскоростной перемотки проволоки.
Российские технологические разработки в области EDM на протяжении десятилетий оставались в тени холодной войны — малоизвестными за пределами СССР. Эта история восстановлена благодаря Моисею Коренблюму — одному из немногих живых свидетелей того, как рождалась технология, на которой сегодня работает весь мир прецизионного производства.