СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ФАСОННЫХ ПОЛОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК B23H3/00 

Изобретение относится к области размерной электрохимической обработки металлов и может быть использовано, например, для формирования внутренней поверхности корпусов испарительных теплообменников (испарителей).

Известен электрохимический способ формирования регулярного рельефа на внутренней поверхности трубы путем перемещения электрода-инструмента относительно обрабатываемой детали с принудительной подачей электролита в зону обработки (А.с. № 1775249, В 23 Н 9/04, 1992 г.) В известном способе с целью получения фасонных полостей с наименьшим расстоянием между ними формообразование осуществляют электродом-инструментом, рабочие участки которого расположены вдоль электрода с определенным шагом в зависимости от шага обрабатываемого рельефа и объединены в секции. При этом площадь рабочих участков в каждой секции уменьшается от ряда к ряду против направления подачи электрода-инструмента.

К недостаткам известного способа можно отнести следующее. Известный способ не обеспечивает необходимую геометрическую точность фасонных полостей из-за размывов внешнего контура сферообразных лунок, а также не позволяет получать высокую чистоту обработки, так как шероховатость поверхности лунок в значительной степени зависит от ширины и ступенчатости токопроводящих колец электрода-инструмента.

Известен способ электрохимической обработки фасонных полостей, включающий анодную обработку детали электродом-инструментом с принудительной подачей электролита в зону обработки и предварительным экранированием наружной поверхности детали диэлектрическим трафаретом, отверстия которого соответствуют по контуру фасонным полостям и выполнены с фасками под углом 45-55°, при этом принудительную подачу электролита осуществляют через полые элементы электрода-инструмента с помощью отверстий, выполненных в стенках указанных элементов (патент РФ № 2161551, МКИ В 23 Н 3/00, 2001 г.).

Известно устройство для электрохимической обработки фасонных полостей, включающее электрод-инструмент, снабженный полыми элементами с отверстиями для подачи электролита, электрододержатель, диэлектрический трафарет, основание с токоподводящим элементом, и электролизную ванну, при этом диэлектрический трафарет, экранирующий наружную поверхность детали, имеет отверстия, соответствующие по контуру фасонным полостям и выполненные с фасками под углом 45-55° (патент РФ № 2161551, МКИ В 23 Н 3/00, 2001 г.).

Недостатком известного способа, а также устройства является недостаточно высокая чистота обработки поверхности, так как значения величины параметра шероховатости обработанной поверхности составляют Ra=1,25-2,5 мкм.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ электрохимической обработки фасонных полостей, обеспечивающий высокую чистоту обработанной поверхности.

Поставленная задача решена в способе электрохимической обработки фасонных полостей, включающем анодную обработку детали электродом-инструментом с принудительной подачей электролита в зону обработки и отвода из нее, а также с предварительным экранированием осуществляют поверхности детали диэлектрическим трафаретом, в котором в процессе обработки осуществляют принудительные колебания электрода-инструмента относительно заготовки с амплитудой, равной 0,30-0,34 мм, синхронизированные с подачей импульса технологического напряжения длительностью 2150-2200 мкс, который заканчивается при максимальном сближении электрода-инструмента и заготовки, с линейной скоростью подачи электрода-инструмента относительно заготовки 0,24-0,27 мм/мин и амплитудным значением напряжения 10-11 В, а подачу и отвод электролита осуществляют через отверстия в диэлектрическом трафарете, выполненные форме щелей.

Поставленная задача также решена в устройстве для электрохимической обработки фасонных полостей, содержащем электрод-инструмент, электрододержатель, диэлектрический трафарет и основание с токоподводящим элементом, в котором в качестве токоподводящего элемента использован ложемент, диаметр которого равен наружному диаметру заготовки, а диэлектрический трафарет имеет щель для подачи электролита в зону обработки и щель для его отвода и снабжен пазом, ширина которого выбрана из условия обеспечения перемещения электрода-инструмента внутри паза по скользящей посадке по квалитету H8/h7, при этом диаметр трафарета выбран из условия обеспечения скользящей посадки внутри заготовки по квалитету H7/h7.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ электрохимической обработки фасонных полостей, в частности внутренних поверхностей корпусов испарительных теплообменников, и устройство для его осуществления, в котором используют принудительные колебания электрода-инструмента, синхронизированные с импульсом технологического напряжения, который заканчивается при максимальном сближении электрода-инструмента и заготовки, с соблюдением заявляемых интервалов значений технологических параметров, при этом диэлектрический трафарет и основание выполнены конструктивно, как предлагается авторами.

Как известно, электрохимическую обработку внутренней поверхности цилиндрических труб осуществляют либо при неподвижном электроде-инструменте (в этом случае вращается заготовка), либо при его поступательном движении относительно оси заготовки. Авторами предлагается применить электрохимическую обработку с принудительными колебаниями электрода-инструмента в импульсно-циклическом режиме, что позволяет минимизировать межэлектродный зазор и, как следствие, значительно повысить чистоту обработки поверхности за счет снижения ее шероховатости. При этом авторами экспериментально были определены значения технологических параметров способа, позволяющие достигнуть нужного технического результата. Так, при длительности импульса подачи технологического напряжения менее 2150 мкс величина удельного съема металла заготовки уменьшается, а следовательно, уменьшается скорость растворения и скорость подачи инструмента, при длительности импульса более 2200 мкс происходит дополнительный съем металла не в зоне обработки, то есть точность обработки и качество обрабатываемой поверхности заготовки снижаются.

Использование принудительных колебаний электрода-инструмента с амплитудой менее 0,30 мм не позволяет за время цикла полностью удалить продукты обработки из межэлектродного зазора, а увеличение амплитуды более 0,34 мм ведет к увеличению межэлектродного пространства и, следовательно, к уменьшению точности обработки.

При скорости подачи электрода-инструмента менее 0,24 мм/мин наблюдается увеличение межэлектродного зазора вследствие более быстрого растворения металла заготовки, что приводит к потере точности обработки, а при скорости подачи более 0,27 мм/мин наблюдается уменьшение межэлектродного зазора вследствие более медленного растворения металла заготовки, что ведет к механическому соприкосновению электрода-инструмента и заготовки и последующему короткому замыканию.

Амплитудное значение напряжения более 11 В ведет к разрушению поверхностного рельефа электрода-инструмента, к увеличению межэлектродного зазора и потере качества обработки, а амплитудное напряжение менее 10 В ведет к уменьшению межэлектродного зазора, затрудняющего вынос продуктов растворения из зоны обработки, и короткому замыканию.

Экспериментально установлено, что при подводе тока к цилиндрической детали одним или двумя токоподводящими элементами, расположенными в разных частях заготовки по длине, не удается получить отверстие строго цилиндрической формы, поэтому авторами предлагается конструкция устройства, основание которого имеет ложемент, обеспечивающий равномерный подвод технологического тока к заготовке, прикрепленной к основанию с помощью прижимов, по всей ее длине. Подача и отвод электролита в зону обработки через щели, выполненные в диэлектрическом трафарете, позволяет создать противодавление в межэлектродном зазоре, что улучшает гидродинамику процесса и обеспечивает удаление продуктов растворения из зоны обработки.

Конструктивное выполнение диэлектрического трафарета, когда его диаметр обеспечивает скользящую посадку внутрь заготовки, и наличие в нем паза, который обеспечивает перемещение электрода-инструмента внутри паза по скользящей посадке, так же способствует повышению чистоты обработки поверхности, поскольку минимизированы потери электролита, то есть условия прокачивания раствора электролита через межэлектродный зазор оптимальны.

Устройство для осуществления предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая схема и на фиг.2 изображены отдельные элементы устройства. Электрододержатель (1) служит для крепления, с одной стороны, к суппорту станка, а с другой стороны, для крепления и точного позиционирования электрода-инструмента (4) относительно обрабатываемой поверхности, а также служит для подвода электролита к зоне обработки. На краях электрододержателя (1) вскрыты отверстия (2), обеспечивающие при помощи болтов (3) со скользящей посадкой H7/h6 крепление электрода-инструмента (4) точно вдоль оси электрододержателя (1). Через накопительную камеру (5), трубки (6) и каналы (7) электролит подают в зону обработки. Отверстия (8) и штифты (9), выполненные по квалитету H7/h6, обеспечивают базировку электрододержателя относительно основания (10). Основание (10) служит для точного позиционирования обрабатываемой заготовки (11) относительно электрода-инструмента (4) и обеспечения к ней токоподвода через ложемент (12), диаметр которого равен наружному диаметру заготовки (11). Заготовка (11) крепится к основанию (10) при помощи прижимов (13). Электрод-инструмент (4) представляет собой стальной параллелепипед со шлифованными на плоскопараллельном шлифовальном станке гранями. Рабочая грань электрода-инструмента (4) обработана на резьбошлифовальном станке таким образом, чтобы получить необходимый рельеф при обработке сегмента внутренней поверхности заготовки (11), цилиндрической трубы с подготовленной к обработке внутренней поверхностью. Диэлектрический трафарет (14) экранирует ³/₄ внутренней поверхности заготовки (11) и обеспечивает через щель (15) подачу электролита в зону обработки и через щель (16) отвод электролита из зоны обработки. Диаметр диэлектрического трафарета (14) обеспечивает скользящую посадку внутрь заготовки (11) по квалитету H7/h7. Диэлектрический трафарет (14) имеет паз (17), внутри которого перемещается электрод-инструмент (4) по скользящей посадке по квалитету H7/h7. Это позволяет обеспечить необходимую жесткость взаимного положения электрода-инструмента (4) и заготовки (11) при работе в импульсно-циклическом режиме с боковым подводом электролита, а следовательно, повысить точность обработки и избежать короткого замыкания. Базировочное кольцо (18) обеспечивает четырехкратный поворот заготовки (11) относительно электрода-инструмента (4) на 90°. Все элементы устройства, за исключением диэлектрического трафарета (14) и электрода-инструмента (4), изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, диэлектрический трафарет (14) изготовлен из оргстекла или поликарбоната, электрод-инструмент - из стали 30Х13.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

После закрепления электрододержателя (4) к суппорту станка, с помощью штифтов (9) устанавливают на столе станка основание (10), которое закрепляют к столу прижимами. Затем собирают узел обработки, состоящий из электрода-инструмента (4), заготовки (11), диэлектрического трафарета (14) и базировочного кольца (18). Крепят узел обработки при помощи болтов (3) к электрододержателю (1), с одной стороны, и ложементу (12) основания (10) при помощи прижимов (13), с другой стороны. Затем включают насос подачи электролита, подают технологическое напряжение на электрод-инструмент (4) и заготовку (11) и задают амплитуду колебаний электрода-инструмента (4), синхронизированные с подачей импульса технологического напряжения. В качестве электролита используют 10%-ый водный раствор азотнокислого натрия с плотностью 1,067 г/см³. Амплитуда колебаний электрода-инструмента (4) составляет 0,30-0,34 мм и синхронизирована с подачей импульса технологического напряжения длительностью 2150-2200 мкс, который заканчивается при максимальном приближении электрода-инструмента (4) к поверхности заготовки (11). Способ характеризуется следующими технологическими параметрами: среднее значение напряжения равно 2,8 В; амплитудное значение напряжения равно 10-11 В; давление электролита перед зоной обработки равно 6 атм; линейная скорость электрода-инструмента относительно заготовки составляет 0,24-0,27 мм/мин.

После включения насоса подачи электролита и задания вибраций электроду-инструменту (4) начинают поступательное движение стола станка с закрепленной на нем заготовкой (11) относительно электрода-инструмента (4). После первого механического контакта рабочей поверхности электрода-инструмента (4) с внутренней поверхностью заготовки (11) автоматически формируется и синхронизируется импульс технологического напряжения между электродом-инструментом (4) и заготовкой (11) длительностью 2150-2200 мкс. Предлагаемые условия ведения обработки позволяют минимизировать межэлектродный зазор до 0,02 мм, что позволяет значительно повысить точность, с которой получают требуемый рельеф обрабатываемой поверхности, и чистоту обработки.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Обрабатывают внутреннюю поверхность 10 корпусов испарителей из стали 12Х18Н10Т с ⊘_внеш.=18 мм, ⊘_внутр.=16,4 мм, длиной 200 мм. Необходимо получить на всей внутренней поверхности кольцевые канавки треугольного сечения с шагом 0,3 мм; углом 50° и радиусом округления вершин не более 0,03 мм. Обработку ведут на станке ЭС-4000 в импульсно-циклическом режиме с принудительной подачей электролита в межэлектродный зазор. Используют в качестве электролита 10%-ый раствор азотнокислого натрия с плотностью 1,067 г/см³. Технологические параметры обработки: амплитуда колебаний электрода-инструмента 0,32 мм; длительность импульса технологического напряжения - 2150 мкс; дискретное значение напряжения - 18 В; угол открытия импульса технологического напряжения - 120°; угол закрытия - 160°; среднее значение напряжения - 2,8 В; значение технологического тока - 140 А; амплитудное значение напряжения - 10 В; давление электролита - 6 атм; линейная скорость подачи электрода-инструмента - 0,24 мм/мин; глубина обработки - 0,3 мм; время обработки одного корпуса - 20 мин. Обработаны 10 корпусов теплообменников. Внутренняя поверхность корпусов соответствует предъявленным требованиям.

Пример 2. Обрабатывают внутреннюю поверхность 10 корпусов испарителей из стали 12Х18Н10Т с ⊘_внеш.=18 мм, ⊘_внутр.=16,4 мм, длиной 200 мм. Необходимо получить на всей внутренней поверхности кольцевые канавки треугольного сечения с шагом 0,3 мм; углом 50° и радиусом округления вершин не более 0,03 мм. Обработку ведут на станке ЭС-4000 в импульсно-циклическом режиме с принудительной подачей электролита в межэлектродный зазор. Используют в качестве электролита 10%-ый раствор азотнокислого натрия с плотностью 1,067 г/см³. Технологические параметры обработки: амплитуда колебаний электрода-инструмента 0,32 мм; длительность импульса технологического напряжения - 2200 мкс; дискретное значение напряжения - 18 В; угол открытия импульса технологического напряжения - 120°; угол закрытия - 160°; среднее значение напряжения - 2,8 В; значение технологического тока - 150 А; амплитудное значение напряжения - 11 В; давление электролита - 6 атм; линейная скорость подачи электрода-инструмента - 0,27 мм/мин; глубина обработки - 0,3 мм; время обработки одного корпуса - 20 мин. Обработаны 10 корпусов теплообменников. Внутренняя поверхность корпусов соответствует предъявленным требованиям.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает обработку внутренних поверхностей тонкостенных труб с геометрической точностью в пределах 0,02-0,025 мм и шероховатостью обработанной поверхности Ra=0,63-l,25 мкм.

Изобретение может быть использовано при размерной электрохимической обработке фасонных полостей, в частности, для формирования внутренних поверхностей корпусов испарительных теплообменников. Производят анодную обработку детали электродом-инструментом при его поступательном движении относительно заготовки с принудительной подачей электролита в зону обработки и предварительным экранированием поверхности детали диэлектрическим трафаретом. Подачу и отвод электролита осуществляют через отверстия в форме щелей в диэлектрическом трафарете. Диаметр трафарета обеспечивает его скользящую посадку внутрь заготовки по квалитету H7/h7. Трафарет снабжен пазом, ширина которого обеспечивает перемещение электрода-инструмента внутри него по скользящей посадке по квалитету H8/h7. В качестве токоподводящего элемента устройства использован ложемент, диаметр которого равен наружному диаметру заготовки. Изобретение обеспечивает высокую чистоту обрабатываемой поверхности за счет оптимизации условий прокачивания раствора электролита через межэлектродный зазор. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ электрохимической обработки фасонных полостей, включающий анодную обработку детали электродом-инструментом с принудительной подачей электролита в зону обработки и отвода из нее, а также с предварительным экранированием поверхности детали диэлектрическим трафаретом, отличающийся тем, что в процессе обработки осуществляют принудительные колебания электрода-инструмента относительно заготовки с амплитудой, равной 0,30-0,34 мм, синхронизированные с подачей импульса технологического напряжения длительностью 2150-2200 мкс, который заканчивается при максимальном сближении электрода-инструмента и заготовки, с линейной скоростью подачи электрода-инструмента относительно заготовки 0,24-0,27 мм/мин и амплитудным значением напряжения 10-11 В, а подачу и отвод электролита осуществляют через отверстия в диэлектрическом трафарете, выполненные в форме щелей.2. Устройство для электрохимической обработки фасонных полостей, содержащее электрод-инструмент, электрододержатель, диэлектрический трафарет и основание с токоподводящим элементом, отличающееся тем, что в качестве токоподводящего элемента использован ложемент, диаметр которого равен наружному диаметру заготовки, а диэлектрический трафарет имеет щель для подачи электролита в зону обработки и щель для его отвода и снабжен пазом, ширина которого выбрана из условия обеспечения перемещения электрода-инструмента внутри паза по скользящей посадке по квалитету H8/h7, при этом диаметр трафарета выбран из условия обеспечения скользящей посадки внутри заготовки по квалитету H7/h7.