СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ТИПА "ИГЛА" Российский патент 2001 года по МПК B23H9/08 B23H3/00 C25F5/00 

Изобретение относится к области электрофизических и электрохимических методов обработки, а именно к способам электрохимической размерной обработки фасонных поверхностей.

Известен способ электрохимической обработки с неподвижным катодом-инструментом с использованием источника питания со стабилизированным током [Основы теории и практики электрохимической обработки металлов и сплавов/ М. В. Щербак и др.: Библиотека технолога - М., Машиностроение, 1981. - с.159-160] . Совпадающим признаком указанного технического решения и заявляемого технического решения является обработка с неподвижными электродами при постоянно удаляющейся границе раздела "анод-электролит". В известном техническом решении этот признак преследует целью упрощение конструкции электрохимического станка и избежание возможности короткого замыкания между заготовкой и катодом-инструментом, а в предлагаемом - дополнительное значительное повышение точности копирования поверхности катода.

Недостатком известного способа является сравнительно невысокая точность обработки, так как при использовании постоянного тока происходит процесс растворения по всей поверхности заготовки, находящейся в контакте с электролитом, хотя и с различными скоростями.

Известен способ электрохимической обработки твердых сплавов, при котором с целью повышения производительности, чистоты и точности, обработку осуществляют прямоугольными биполярными импульсами со скважностью 1,1-1,5 и амплитудным значением напряжения импульсов прямой и обратной полярности не более 8 В, причем среднее значение напряжения импульсов обратной полярности выбирают в пределах 20-50% от среднего значения напряжения импульсов прямой полярности [А. с. СССР 229155, B 23 H, 12.10.1968]. Совпадающим по сути признаком указанного технического решения и заявляемого технического решения является осуществление обработки прямоугольными биполярными импульсами. В известном техническом решении этот признак используют для растворения оксидной пленки на поверхности обрабатываемого электрода, а в предлагаемом - дополнительно для ускорения спада потенциала до стационарного состояния в момент паузы между анодными импульсами технологического тока.

Недостатками известного способа являются малые диапазоны изменения амплитуды и скважности импульсов, невозможность независимых регулировок длительности и скважности импульсов, приводящие к невысокой точности обработки заготовки.

Близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ размерной электрохимической обработки [А. с. СССР 891299, B 23 P 1/04, 23.12.1981], при котором с целью повышения точности процесс анодного растворения ведут прямоугольными импульсами тока с длительностью в микросекундном диапазоне, длительность импульсов тока устанавливают не менее времени заряжения емкости двойного электрического слоя на аноде в точках, расположенных на минимальном расстоянии от катода, и не более времени заряжения емкости двойного электрического слоя на аноде в точках, расположенных на расстоянии от катода, равном максимально допустимой величине межэлектродного зазора, характеризующей допустимую погрешность копирования размера электрода-инструмента.

Указанный способ также имеет ряд недостатков. При определенных параметрах импульсов тока растворения материала анода не будет.

Причина этого заключается в следующем. Кроме процесса заряжения емкости двойного электрического слоя на аноде протекает фарадеевский процесс растворения материала анода. Растворение начинается после достижения потенциалом анода порогового значения, равного потенциалу растворения. После достижения потенциала растворения процессы заряжения емкости двойного электрического слоя и фарадеевский процесс протекают параллельно. Длительность процесса заряжения двойного электрического слоя и величина потенциала электрода, сформированного к моменту окончания импульса тока, определяются амплитудно-временными параметрами импульсов - как амплитудой, так и длительностью. Чем выше амплитуда тока в импульсе, тем быстрее и до большего значения зарядится емкость двойного электрического слоя. Чем ниже амплитуда тока в импульсе, тем медленнее и до меньшего значения зарядится емкость двойного электрического слоя. При незначительных амплитудах и длительностях импульсов тока возможно не достижение потенциала растворения. При незначительных амплитудах длительность импульса может быть продолжительнее процесса заряжения емкости двойного электрического слоя, а потенциал растворения материала анода может быть не достигнут. При прецизионных способах электрохимической обработки поверхности используются незначительные амплитудные плотности тока.

Способ не позволяет осуществлять прецизионную электрохимическую обработку с целью получения сложнопрофильной поверхности.

Это объясняется тем, что при установлении длительности импульсов не более времени заряжения емкости двойного электрического слоя, на аноде, в точках, расположенных на расстоянии от катода, равном максимально допустимой величине межэлектродного зазора, характеризующей допустимую погрешность копирования размера электрода инструмента, не всегда возможно сформировать в этих точках анодный потенциал, меньше потенциала растворения, так как процесс заряжения емкости двойного электрического слоя может происходить как до, так и после достижения потенциала растворения.

Наиболее близким аналогом заявленного способа можно считать способ аналогичного назначения, раскрытый в а.с. СССР 1484520, B 23 H 9/08, 07.06.1989. Однако, и он не обеспечивает высокой точности воспроизведения на заготовке-аноде профиля поверхности катода.

Задача изобретения - повышение точности воспроизведения на аноде поверхности катода.

Поставленная задача решается за счет того, что в отличие от прототипа, в котором используется неподвижный катод, повторяющий профилем своей поверхности профиль поверхности будущей детали и располагающийся коаксиально с неподвижной цилиндрической заготовкой-анодом на расстоянии межэлектродного зазора, через который непрерывно прокачивается электролит, на межэлектродный зазор подают униполярные или биполярные импульсы тока прямоугольной формы, амплитудно-временные параметры которых выбирают из условия достижения потенциала растворения материала анода на расстоянии от поверхности катода менее максимальной величины Δ межэлектродного зазора, продолжительность обработки устанавливается равной времени достижения всем межэлектродным зазором величины Δ, при этом Δ = r-δ, где r - радиус цилиндрической заготовки, мм, δ - минимальная величина межэлектродного зазора, мм.

Суть способа можно пояснить следующим образом. Электрохимическая размерная обработка импульсами тока, длительность которых соизмерима с продолжительностью нарастания поляризации растворяемого анода (это, как правило, импульсы тока микросекундного диапазона длительностей), позволяет получить высокую локализацию процесса растворения только на необходимых участках анода определенным выбором амплитудно-временных параметров импульсов технологического тока. Потенциал обрабатываемого электрода является функцией тока, протекающего через границу раздела электрод-раствор электролита. Выбором амплитуды и длительности импульсов можно добиться формирования потенциала анодного растворения только на участках, наиболее близких к поверхности катода. Величину этого участка можно изменять (в большую сторону) увеличением амплитуды и длительности импульса. При поддержке постоянными этих параметров при неизменном расположении анода и катода друг относительно друга граница раздела анод-раствор электролита будет удаляться от катода вплоть до прекращения процесса растворения при превышении величиной межэлектродного зазора определенного критического значения, установленного заранее. То есть процесс является саморегулирующимся. Однако, осуществление процесса локального растворения и его восстановление от импульса к импульсу возможно лишь при условии полной релаксации свойств среды и величины анодной поляризации в паузе между импульсами технологического тока. Чем длиннее пауза, тем полнее процессы релаксации, тем выше и локализация процесса растворения, хотя его производительность при этом уменьшается. Кроме того, процесс релаксации поляризации в зависимости от параметров импульсов может быть очень длительным во времени (до 0,5-1 сек). Поэтому вместо значительного увеличения скважности импульсов технологического тока в момент паузы целесообразно подавать импульсы тока противоположной полярности, длительность и амплитуда которых необходимы и достаточны для обеспечения ускоренной релаксации поляризации соответствующего участка поверхности до нулевого значения.

После достижения движущейся границей раздела "анод-электролит" огибающей формообразованной поверхности детали-анода, расположенной на расстояния от поверхности катода, равном Δ = r-δ, процесс самопроизвольно прекращается. Время, равное промежутку между началом обработки и самопроизвольным прекращением процесса, выбирается за время обработки.

Примеры конкретного исполнения
Операция - электрохимическое формообразование поверхности игл машин текстильного производства. Материал игл - нержавеющая сталь 12Х18Н9Т и углеродистая сталь У8. Взаимное расположение анода и катода указано на чертеже. Материал катода - нержавеющая сталь 12Х18Н9Т. Величина минимального межэлектродного зазора δ равна 0,5 мм, величина максимального межэлектродного зазора Δ = 1 = (δ+r). Скорость прокачивания электролита через межэлектродный зазор - 150 м/сек. Используемый электролит - водный раствор нитрата натрия концентрацией 120 г/л и водный раствор хлорида натрия концентрацией 100 г/л.

Выбор амплитудно-временных параметров импульсов технологического тока основывается на кривых нарастания и спада поляризации, полученных экспериментальным путем для обрабатываемых материалов в водных растворах нейтральных солей. Временная зависимость импульсов следующая: импульс положительной полярности длительностью t_имп и амплитудой I_имп, первая пауза длительностью t_п1, импульс отрицательной полярности длительностью t_{имп.отр} и амплитудой I_{имп.отр}, вторая пауза длительностью t_п2. Длительность периода следования импульсов тока Т следующая:
T = t_имп + t_п1 + t_{имп.отр} + t_п2.

При подаче униполярных импульсов импульс отрицательной полярности и вторая пауза отсутствуют. В этом случае длительность периода следования импульсов тока Т следующая:
T = t_имп + t_п1.

Пример 1.

Электролит - нитрат натрия. Материал анода - 12Х18Н9Т. Для обработки используются униполярные импульсы тока следующих параметров:
I_имп = 8 А/см; t_имп = 5•10^-5 сек; t_п1 = 5•10^-4 сек.

Участки поверхности анода, расположенные на различном расстоянии от поверхности катода, поляризуются до различных величин. На расстоянии Δ от поверхности катода (в верхней точке детали, где радиус заготовки равен радиусу детали) из-за большого сопротивления межэлектродной среды и, следовательно, минимального локального тока, потенциала растворения при импульсной анодной поляризации не достигается. В этом месте заготовка растворяться не будет. Величина поляризации участка анода на расстоянии δ от поверхности катода обеспечивает максимальную скорость растворения. Все промежуточные точки поверхности будут растворяться с меньшей скоростью, обратно пропорциональной величине межэлектродного зазора. В результате будет происходить движение границы раздела анод-электролит с постоянно убывающей во времени скоростью до момента достижения каждой точкой поверхности анода расстояния Δ от поверхности катода. Этот момент приравнивается времени обработки.

Время обработки составляет 5 минут.

Пример 2.

Электролит - нитрат натрия. Материал анода - 12Х18Н9Т. Так как скорость обработки в примере 1 незначительна из-за необходимости назначения длительной паузы t_п1 с целью обеспечения релаксации анодной поляризации, для увеличения производительности используется ускорение спада анодной поляризации в паузе за счет подачи импульса тока обратной полярности. Поэтому для обработки используются биполярные импульсы тока следующих параметров:
I_им = 8 А/см²; t_имп = 5•10^-5 сек; t_п1 = 2,5•10^-5сек; I_{имп.отр}=3,4 А/см²;
t_{имп.отр} = 5•10^-5 сек; t_п2 = 2,5•10^-5 сек.

Время обработки составляет 1 мин 20 секунд.

Пример 3.

Электролит - хлорид натрия. Материал анода - сталь У8. Для обработки используются униполярные импульсы тока следующих параметров:
I_имп = 6 А/см²; t_имп = 8•10^-5 сек; t_п1 = 10^-3 сек.

Время обработки составляет 9 минут.

Пример 4.

Электролит - хлорид натрия. Материал анода - сталь У8. Для обработки используются биполярные импульсы тока следующих параметров:
I_имп = 6 А/см²; t_имп = 8•10^-5 сек; t_п1 = 2•10^-5 сек; I_{имп.отр} = 4,6 А/см²;
t_{имп.отр} = 5•10^-5 сек; t_п2 = 2•10^-5 сек.

Время обработки составляет 1 минута 20 секунд.

Изобретение может быть использовано при электрохимической размерной обработке фасонных поверхностей. Неподвижный катод располагают коаксиально с неподвижной цилиндрической заготовкой-анодом на расстоянии межэлектродного зазора. Профиль поверхности неподвижного катода повторяет профиль поверхности будущей детали. Величину межэлектродного зазора выбирают в зависимости от радиуса цилиндрической заготовки. Производят подачу на межэлектродный промежуток униполярных или биполярных импульсов тока прямоугольной формы при непрерывном прокачивании электролита через межэлектродный зазор. Амплитудно-временные параметры импульсов тока выбирают из условия достижения потенциала растворения материала анода на расстоянии от поверхности катода менее максимальной величины межэлектродного зазора Δ. Продолжительность обработки устанавливают равной времени достижения всем межэлектродным зазором величины Δ. Способ позволяет повысить точность воспроизведения на аноде профиля поверхности катода. 1 ил.

Способ электрохимического формообразования сложнопрофильных цилиндрических деталей типа "игла", включающий использование неподвижного катода, профиль поверхности которого повторяет профиль образуемой детали, размещение его коаксиально с неподвижной цилиндрической заготовкой-анодом на расстоянии межэлектродного зазора, непрерывное прокачивание электролита через межэлектродный зазор, отличающийся тем, что на межэлектродный зазор подают униполярные или биполярные импульсы тока прямоугольной формы, амплитудно-временные параметры которых выбирают из условия достижения потенциала растворения материала заготовки-анода на расстоянии от поверхности катода менее максимальной величины Δ межэлектродного зазора, а продолжительность обработки устанавливают равной времени достижения всем межэлектродным зазором величины Δ, при этом Δ = r-δ, где r - радиус цилиндрической заготовки-анода, мм; δ - минимальная величина межэлектродного зазора, мм.