ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК B23H3/04 B23H7/22 

Изобретение относится к области технологии машиностроения, изготовлению двигателей и энергетических установок, в частности к электрофизической и электрохимической обработке деталей машин, и касается конструкции инструмента для электрохимической обработки.

При реализации электрохимических процессов нормальный режим требует эффективного удаления из зоны обработки продуктов анодного растворения детали, обеспечение необходимого температурного режима, а также гидродинамических условий.

Решение этих задач производится за счет оптимизации конструкции каналов для транспортировки рабочего электролита, совершенствования рабочей поверхности электрод-инструментов. Имеются также технические решения по созданию определенных гидродинамических условий, например создание противодавления электролита /1/.

Размерная электрохимическая обработка деталей машин характеризуется определенными особенностями, в частности, диспергирование (съем) материала с поверхности заготовки осуществляется на атомарном уровне. В то же время точность обработки характеризуется 8-9 квалитетами, шероховатость обработанной поверхности не лучше R_a 1,25.2,5 мкм. Невысокие качественные показатели электрохимической обработки во многом объясняются нестабильностью гидродинамических условий в зоне обработки.

Эффективность процесса электрохимической обработки деталей машин может быть повышена за счет совершенствования конструкции электрод-инструментов, что обеспечивает интенсификацию снабжения электролитом рабочей зоны. В известных технических решениях предлагается закручивание потока электролита за счет применения каналов специальной формы. К недостаткам аналогов относится прежде всего сложности их использования при электрохимической обработке с вращением электрод-инструмента. В последнем случае при определенных условиях вследствие действия центробежных сил возможен "разрыв" сплошности потока электролита в рабочей зоне. Причем эти силы увеличиваются при удалении конкретного участка рабочей поверхности электрод-инструмента от оси его вращения. Таким образом могут быть объяснены нестабильности процесса электрохимической обработки, ухудшение качественных характеристик.

Известно также выбранное авторами в качестве прототипа техническое решение. В известном решении электрод-инструмент имеет трубчатую форму с рабочей поверхностью на торце и центральным каналом для подачи электролита в зону обработки. При этом глубина канала у периферии рабочей торцевой поверхности электрод-инструмента до пяти раз меньше, чем в его центральной части при равной ширине канала. Таким образом реализуется сбалансированная подпитка свежим электролитом всех участков обрабатываемой поверхности детали, противолежащих рабочей торцевой поверхности электрод-инструмента. В то же время при электрохимической обработке деталей машин с вращением электрод-инструмента не исключается возможность "разрыва" потока электролита, поэтому форму каналов нельзя признать оптимальной.

Целью заявляемого изобретения является повышение эффективности и стабильности процесса электрохимической обработки деталей машин из труднообрабатываемых материалов при реализации обработки с вращением электрод-инструмента, имеющего рабочую торцевую поверхность. Поставленная цель достигается тем, что в известном электрод-инструменте для электрохимической обработки с вращением и осевой подачей по направлению к заготовке, выполненном в виде трубы, имеющей рабочий торец с каналами для электролита убывающей глубины от центра к периферии, электрод-инструмент снабжен на торце каналами для электролита параболической формы, глубина которых на периферии равно нулю, а в центральной части выбираются из соотношения:

где
r_о радиус центрального отверстия электрод-инструмента,
n число каналов для электролита на торце электрод-инструмента,
b ширина каналов для электролита,
К₁= 2. 3 коэффициент, учитывающий интенсивность прокачки электролита в рабочей зоне (меньшее значение для интенсивной прокачки под высоким давлением),
К₂= 0,3.0,6 коэффициент, учитывающий частоту вращения электрод-инструмента при электрохимической обработке.

Литературный и патентный анализ показывает, что аналогов отличительным признакам заявляемого технического решения, которые квалифицируются как существенные, нет.

На фиг. 1 представлен чертеж общего вида заявляемого электрод-инструмента для электрохимической обработки деталей машин из труднообрабатываемых материалов с каналами для электролита на рабочей торцевой поверхности. На фиг. 2 представлен вид на рабочую торцевую поверхность электрод-инструмента.

Электрод-инструмент, как показано на фиг. 1, имеет вид трубы 1 с центральным отверстием 2 для подачи электролита в межэлектродный промежуток. Электрод-инструмент имеет рабочее вращение ω_и, осевую подачу, а радиус отверстия для электролита равен r_о. На рабочей торцевой поверхности электрод-инструмента расположены каналы для электролита 3, электрохимической обработке подвергается заготовка 4.

На фиг. 2 представлен вид с торца на рабочую поверхность заявляемого электрод-инструмента. Последний имеет центральное отверстие 2 для подачи электролита в зону обработки и расположенные в радиальном направлении каналы для электролита 3.

Для нормального протекания процесса электрохимической обработки между электрод-инструментом и деталью 4 поддерживается межэлектродный зазор "а".

Объемная плотность центробежной силы, действующая на электролит, пропорциональна текущему значению радиуса r поэтому имеем:
f_ц=K_ц•r(2)
где
К_ц коэффициент, зависящий от плотности электролита и угловой частоты вращения электрод-инструмента ω_и,
За счет действия центробежной силы формируется дополнительное местное давление прокачки электролита, что в свою очередь требует его повышенного местного расхода Q по сравнению с расходом через центральное отверстие электрод-инструмента Q_о Удельная сила сопротивления вязкости может быть определена, как:

где
К_с коэффициент, зависящий от вязкости электролита и величины межэлектродного промежутка,
Q расход электролита через сечение потока радиуса r.

В случае нарушения сплошности потока электролита, его перемещение в межэлектродном промежутке осуществляется за счет действия центробежных сил. В сечении потока радиуса r расход электролита составит:
Q=Q_о+n(Q_к.о-Q_к), (4)
где
Q₀ расход электролита через центральное отверстие электрод-инструмента (поз. 2, фиг. 1),
Q_ко расход электролита в начальной зоне канала при r=r_о,
Q_к расход электролита в канале при r=r_к,
n число каналов для электролита на рабочей торцевой поверхности электрод-инструмента.

С учетом полученных выражений (2).(4) расход электролита через один из каналов может быть определен, как:

Из полученной формулы (5) следует важный вывод о том, что с увеличением значения радиуса r расход электролита в канале должен уменьшаться. Следовательно, площадь сечения канала F_к с удалением от оси вращения электрод-инструмента должна убывать, а именно:
F_к=F_к.о-K_F•r²(6)
где
К_F коэффициент, зависящий от площади сечения,
F_к.о. площадь сечения канала для электролита при r=r₀.

На основании полученных зависимостей в конце рабочего торцевого участка электрод-инструмента, когда r= r₁ (фиг. 1), должно обязательно выполняться условие: F_к=0.

Практика использования электрохимической обработки деталей машин в промышленности показывает, что для электрод-инструментов характерны каналы преимущественно прямоугольной формы, тогда площадь их равна
F_К=b•h (7)
где
h глубина канала для электролита,
b ширина канала.

На основании выражения (7) площадь сечения канала для электролита на рабочем торце электрод-инструмента может быть легко изменена при соответствующей подборе величин "b" и "h". При этом площадь сечения канала F_к.о. (когда r= r_о) должна быть не меньше определенного предела, чтобы обеспечить требуемый расход электролита Q_к на основании выражения (5). Точность и стабильность процесса электрохимической обработки деталей машин могут быть обеспечены, когда гидростатические давления электролита в рабочей торцевой части электрод-инструмента при одинаковом радиусе также были бы одинаковы.

На практике каналы для электролита на торце электрод-инструмента выполняются путем фрезерования дисковыми или концевыми фрезами, в связи в чем целесообразно, чтобы ширина каналов была постоянной b=const. Следовательно, площадь его сечения F_к будет уменьшаться за счет изменения глубины канала, а именно:
h=h_о-К_h•r² (7')
где
h_о глубина канала для электролита вблизи центрального отверстия электрод-инструмента, где r=r₀,
К_h постоянный коэффициент, зависящий от параметров электрохимической обработки и величины отверстия для электролита.

На периферийных участках, когда r=r₁, должно выполняться условие h=0, таким образом получаем:
h_о=K_h•r², (8)
Полученное выражение характеризуют параболическую форму канала для электролита на рабочем торце электрод-инструмента, а именно:
h = K_h(r21

- r2o) (9)
Оптимальный расход электролита, обеспечивающий стабильный гидродинамический режим электрохимической обработки, требует определенного соотношения между площадями сечений отверстий и каналов для электролита, следовательно:
F_отв≥K₁(F_мэп+n•F_к.о.), (10)
где
К₁= 2. 3 коэффициент, учитывающий интенсивность прокачки электролита (меньшее значение для более интенсивной прокачки под высоким давлением),
F_отв= π•r2o площадь сечения центрального отверстия для прокачки электролита в электрод-инструменте,
n число каналов для электролита,
F_мэп= 2π•r_o•a -площадь кольцевого сечения межэлектродного промежутка (мэп), куда поступает электролит из центрального отверстия электрод-инструмента, "а" величина мэп.

F_к.о.=b•h сечение канала для электролита на торце электрод-инструмента в центральной части, когда r=r_о.

Для реальных условий электрохимической обработки в установившемся режиме при постоянной осевой подаче электрод-инструмента на основании рекомендаций можно считать, что а 0,05.0,01 мм, в результате чего можно получить:
F_мэп=K₂•r_о(11)
где
К₂ 0,3.0,6 мм коэффициент, определяющий зависимость от скорости вращения электрод-инструмента (меньшее значение для средней и небольшой скорости вращения).

Путем преобразования выражения (10), получаем:

Величина К₁ 2.3 выбрана из следующих соображений, которые подтверждены экспериментально. Если К₁ <2, увеличивается сечение каналов для электролита на рабочей торцевой поверхности электрод-инструмента. При этом возможно снижение эффективности удаления из рабочей зоны продуктов электрохимического растворения материала заготовки. В противном случае, когда К₁ > 3, ухудшаются показатели качества и стабильности электрохимической обработки.

Оценка показала следующее. Для электрохимической обработки с вращением электрод-инструмента при частоте 500 об/мин (на основании вышеизложенного, принимаем К₂ 0,33 мм) и давлении электролита 0,4 МПа (по рекомендации принимаем значение К₁ 3), при диаметре центрального отверстия для электролита 8 мм (соответственно с этим радиус r₀ 4 мм), число каналов на торце n 4 и их ширине b 2 мм каждый, получает глубину каналов вблизи центрального отверстия h_о≅ 1,94 мм. Естественно, что на периферии глубина каждого канала равна нулю. Полученная оценка приемлема при проектировании, изготовлении и эксплуатации электрод-инструментов для электрохимической обработки деталей машин с вращением и осевой подачей.

Использование: электрохимическая обработка деталей машин из труднообрабатываемых материалов вращающимся электродом - инструментом. Сущность изобретения: электрод - инструмент выполнен в виде трубы 1 с рабочей торцевой поверхностью, на которой выполнены каналы 3 для электролита убывающей глубины от центра к периферии. Каналы выполнены в радиальном направлении, имеют параболическую форму, а их глубина на периферии равна нулю. Глубина каналов определяется выражением:
h_o≅ πr2o

-K₁•K₂•r_o/K₁•n•b ,
где
K₁= 2 ... 3, K₂=0,3 ... 0,6 мм, n - число каналов на рабочем торце, b - ширина каналов, r₀ - радиус центрального отверстия электрода в начале канала до нуля на периферии, при этом ширина каналов "b" вдоль радиуса выполнена постоянной. 2 ил.

Электрод-инструмент для электрохимической обработки деталей с вращением и осевой подачей, выполненный в виде трубы, на рабочей торцевой поверхности которой радиально расположены каналы для электролита, прямоугольные в сечении, перпендикулярном радиусу, и с уменьшающейся вдоль радиуса от центральной части к периферии глубиной, отличающийся тем, что дно каналов в радиальном направлении сформировано в виде параболы с вершиной на оси электрода, обеспечивающей изменение глубины канала от h_o на расстоянии r_o от оси электрода, определяемой из выражения

где К₁ 2.3;
К₂ 0,3.0,6 мм;
n число каналов на рабочем торце;
b ширина каналов;
r_o радиус центрального отверстия электрода в начале канала до нуля на периферии,
при этом ширина каналов b вдоль радиуса выполнена постоянной.