СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ-ИНСТРУМЕНТОМ Российский патент 1997 года по МПК B23H3/00 B23H7/38 

Изобретение относится к области технологии машиностроения, к электрофизикохимической обработке деталей машин и касается способа электрохимической обработки деталей непрофилированным электродом-проволокой. Изобретение может быть использовано при электрохимической резке деталей в различных отраслях промышленности.

Известен способ электрофизикохимической обработки деталей машин, когда к электрод-инструменту и детали подключают основной источник технологического напряжения и дополнительный источник. При этом работу источников осуществляют последовательно [1]
Известны также устройства для электрохимической обработки деталей машин путем резки, которые включают непрофилированный электрод-проволоку, образующий совместно с деталью межэлектродный промежуток [2, 3] Устройство включает также источник технологического напряжения в соответствующей полярности, подключенный к межэлектродному промежутку. Имеются также механизм перемотки и рабочей подачи электрода-инструмента, система подачи в межэлектродный промежуток рабочей жидкости-электролита.

К недостаткам известных технических решений относятся малая производительность, нестабильность процесса, особенно при электрохимической резке относительно толстых заготовок. Это обусловлено сложностью оптимального обеспечения рабочей жидкостью зоны обработки и трудностью эффективной эвакуации продуктов анодного растворения материала заготовки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является техническое решение [4] выбранное авторами в качестве прототипа. В известном изобретении электрохимическую резку ведут непрофилированным электродом-проволокой, на межэлектродный промежуток подают технологическое напряжение, а рабочую жидкость-электролит подают в зону обработки через сопло. Устройство для осуществления известного способа обработки включает непрофилированный электрод-проволоку, источник технологического напряжения, механизмы перемотки и рабочей подачи электрода-проволоки и обрабатываемой детали, систему прокачки рабочей жидкости. Недостатки прототипа в целом такие же, какие были отмечены при рассмотрении аналогов изобретения.

Целью изобретения является повышение производительности и стабильности процесса электрохимической резки непрофилированным электродом-проволокой, упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается созданием оптимальных магнито-гидродинамических сил в межэлектродном промежутке, что сопровождается повышением эффективности обмена рабочей жидкости в зоне обработки и, как следствие, повышением производительности и стабильности процесса. При этом в известном способе, когда электрод-инструмент и деталь подключают к источнику технологического напряжения, подают в зону обработки электролит и осуществляют перемотку электрода-проволоки и его рабочую подачу к детали, предлагается через электрод-инструмент в зоне обработки дополнительно пропустить униполярный ток для создания дополнительного давления прокачки, а величину тока определять по формуле:

где ε₃ электрохимический эквивалент, кг/Кл;
ρ_з плотность материала заготовки, кг/м³;
l_п периметр профиля электрода-инструмента, м;
b_з длина участка электрода-инструмента в рабочей зоне, м;
P_пр дополнительное давление прокачки рабочей жидкости, Па;
v_п скорость подачи электрода-инструмента, м/с.

Проведенный литературный и патентный анализ показывает, что отсутствуют аналоги отличительных признаков заявляемого технического решения, которые квалифицируются как существенные.

Изобретение поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого технического решения. Рабочая зона при электрохимической резке - межэлектродный промежуток поз. 1 заполнен рабочей жидкостью электролитом. Между обрабатываемой деталью поз. 2 и проволочным электрод-инструментом поз. 3 с радиусом r_п имеется зазор a. При обработке между электродами поз.2 и поз. 3 протекает технологический ток плотностью J. Электрод-инструмент поз. 3 имеет рабочую подачу по направлению к детали, причем за ним образуется область реза поз. 4.

В соответствии с сущностью изобретения по проволочному электрод-инструменту поз. 3 пропускают дополнительно униполярный ток I_д. За счет наличия тока I_д вокруг проволочного электрод-инструмента поз. 3 формируется круговое магнитное поле с индукцией . На основании закона электромагнитной силы на каждый малый объем электролита поз. 5 действует сила , причем [5]

Следовательно, в рабочей жидкости, окружающей проволочный электрод-инструмент поз. 3 создаются объемные силы , которые действуют вдоль поверхности инструмента. Благодаря этому в межэлектродном промежутке создается усилие, обеспечивающее повышение эффективности прокачки электролита через межэлектродный промежуток и эвакуации продуктов анодного растворения материала детали. На фиг. 1 электрод-инструмент поз. 3 показан в виде проволоки кругового сечения, что является лишь частным случаем широкого класса непрофилированных электрод-инструментов [4] Естественно, что заявляемое техническое решение может быть реализовано для электрод-инструментов в виде ленты и др.

Дополнительные усилия для прокачки электролита от силы преимущественно формируются вблизи передней (фиг. 1) поверхности электрод-инструмента поз. 3, где плотность рабочего тока максимальная. За электрод-инструментом в области реза поз. 4 плотность тока существенно меньше, поэтому дополнительные усилия, воздействующие на электролит, невелики. Следовательно, на задней (фиг. 1) поверхности электрод-инструмента поз. 3 движение электролита малоинтенсивное, что способствует снижению негативного явления электрохимического растравливания поверхности детали.

На фиг. 2 представлено устройство для осуществления заявляемого способа электрохимической резки. Устройство включает проволочный электрод-инструмент поз. 3, традиционные узлы механизмы перемещения и перемотки электрод-инструмента, систему подачи рабочей жидкости в зону обработки (для упрощения последние на фиг. 2 не показаны). Источник технологического напряжения поз. 6 подключен к детали поз. 2 и электрод-инструменту поз. 3. Дополнительный источник поз. 7, создающий ток I_д, подключен к электрод-инструменту поз. 3 в двух местах вне зоны обработки таким образом, что источники поз. 6 и поз. 7 имеют только одну общую точку. Следовательно, электрические цепи этих источников работают независимо. Деталь поз. 2 и электрод-инструмент поз. 3 размещены в рабочей жидкости-электролите поз. 8. Устройство снабжено дополнительным источником питания, подключаемым так, чтобы не создать общей электрической цепи с технологическим источником питания.

Межэлектродный зазор a между деталью и электрод-инструментом можно считать имеющим цилиндрическую форму на передней поверхности инструмента. При обработке плотность тока составит:

где U технологическое напряжение источника питания поз. 6;
Φ_а и Φ_к анодное и катодное падение напряжения;
σ электропроводность раствора электролита.

Поскольку электрод-инструмент имеет подачу в направлении к детали, на передней кромке электрод-инструмента плотность тока составляет:

где ρ_з и ε_з соответственно плотность и электрохимический эквивалент материала заготовки;
A выход по току.

Магнитная индукция в межэлектродном промежутке согласно закону полного тока равна:

где μ_o магнитная постоянная;
r расстояние от оси инструмента (фиг. 1).

В выражении (5) расстояние r от оси инструмента изменяется в пределах r_п≅r≅r_п+a, где r_п радиус проволочного электрод-инструмента. Поэтому среднее значение магнитной индукции в межэлектродном промежутке составит:

Среднее значение объемной силы с рабочей стороны электрод-инструмента равно:

На длине межэлектродного промежутка b_з создается давление прокачки электролита:
P_пр f_срb_з. (8)
По полученным выражениям можно определить величину тока I_д, обеспечивающего необходимое давление прокачки:

Направление тока I_д должно быть таким, чтобы дополнительное ускорение раствора совпадало с направлением перемотки проволоки и направлением принудительной прокачки.

Для оценки эффективности заявляемого изобретения проведены теоретические исследования. Известно [3] что пороговое значение тока, при котором возможна эффективная прокачка, определяется критерием Гартмана:

где η динамическая вязкость раствора электролита;
v_э.ср средняя скорость электролита.

По полученным данным, чем меньше отношение J_a/v_э.ср, тем слабее гидродинамические ограничения скорости подачи. Прокачка интенсифицируется с ростом зазора a, снижением вязкости электролита, увеличением тока I_д. В реальных условиях электрохимической резки отношение J_a/v_э.ср 0,1.10 А.с/м². Поэтому эффективность изобретения повышается при обеспечении условия:

В общем случае электрода-инструмента любого профиля, например квадратного, прямоугольного (ленточного) и прочих, среднюю магнитную индукцию B_ср можно также рассчитать по формуле (6). Поскольку согласно закону полного тока индукция B_ср определяется длиной контура, то вместо радиуса в формуле (6), (7), (9) следует подставлять эквивалентную величину l_п/2π где l_п длина периметра любого профиля сечения электрода-инструмента. Например, для ленточного электрода, у которого длина сторон профиля c и d, длина периметра l_п 2(с+d).

Пример. Заявляемое техническое решение было реализовано в лабораторных условиях на модернизированной электрохимической установке. Обрабатывали образцы листовой стали 45 ГОСТ 1050-74 толщиной 10 мм в 10%-ном растворе нитрата натрия при температуре 22^oC. Технологическое напряжение составляло 10 В, скорость подачи электрод-инструмента 1 мм/мин. Для получения дополнительного тока применялся понижающий трансформатор, имеющий на второй обмотке выпрямительный диодный мост и проволочный резистор. Использовался проволочный латунный электрод-инструмент диаметром 1 мм, к которому на расстоянии 20 мм вне зоны обработки подключали дополнительный источник питания. Дополнительный ток, как показали оценки, должен составлять порядка 100 А из следующих соображений: плотность материала (железо) - 7,8•10³ кг/м³, радиус инструмента 0,5 мм 5•10^-4 м, электрохимический эквивалент 0,29•10^-6 кг/Кл, толщина детали 10 мм•10^-2 м, скорость инструмента 1 мм/мин 1,7•10^-5 м/с, давление прокачки 1,5•10⁵Па. Результаты проведенных опытов в сравнении с прототипом показали, что процесс электрохимической резки проволочным электрод-инструментом протекает стабильно, с высокой эффективностью удаления из межэлектродного промежутка продуктов растворения. Более того, при небольших скоростях подачи инструмента можно вообще отказаться от принудительной прокачки электролита через зону обработки. Для толстых заготовок заявляемое техническое решение может обеспечить увеличение производительности за счет роста подачи инструмента.

Использование: электрохимическая резка деталей электродом-проволокой. Сущность изобретения: проволочный электрод-инструмент и деталь подключают к источнику технологического напряжения, подают в зону обработки электролит и осуществляют перемотку электрода и его рабочую подачу к детали. При этом через электрод-инструмент в зоне обработки дополнительно пропускают униполярный ток для создания дополнительного давления прокачки. При пропускании дополнительного тока, величина которого определяется по приведенной зависимости, вокруг проволочного электрода возникает магнитное поле, воздействующее на электролит и приводящее к повышению эффективности прокачки электролита через межэлектродный промежуток и эвакуации продуктов анодного растворения. 2 ил.

Способ электрохимической резки проволочным электродом-инструментом, при котором электрод-инструмент и деталь подключают к источнику технологического напряжения, подают в зону обработки электролит и осуществляют перемотку электрода-проволоки и ее рабочую подачу к детали, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и стабильности процесса, через электрод-инструмент в зоне обработки дополнительно пропускают униполярный ток для создания дополнительного давления прокачки, а величину тока определяют по формуле

где ε_з электрохимический эквивалент, кг/Кл;
ρ_з плотность материала заготовки, кг/м³;
l_п периметр профиля электрода-инструмента, м;
b_з длина участка электрода-инструмента в рабочей зоне, м;
P_пр дополнительное давление прокачки электролита, Па;
v_п скорость подачи электрода-инструмента, м/с.