СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК B23H3/02 

Описание изобретения

Настоящее изобретение относится к области электрохимической обработки (ЭХО) металлов и сплавов, в частности, к прецизионной размерной электрохимической обработке и предназначено для формирования на сложнофасонной поверхности регулярного нано- и микрометрического слоя.

Важнейшими преимуществами ЭХО по сравнению с методами, основанными на применении механической и тепловой энергии, являются: отсутствие износа инструмента, независимость производительности от прочности и твердости обрабатываемых материалов и др. Однако до последнего десятилетия ЭХО редко применялась на операциях финишной обработки деталей, т.к. не обеспечивала требуемой точности копирования и качества обработанной поверхности. Например, технические требования, связанные со снижением погрешности обработки менее 10 мкм и шероховатости поверхности ниже Ra 0,1 мкм в целом ряде случаев были недостижимы.

Эффективным решением этих проблем явилось использование технологических схем ЭХО, обладающих высокой степенью прерывистости кинематико-геометрической характеристики. Перспективным направлением в этой связи является рассматриваемая в настоящем изобретении импульсная электрохимическая обработка вибрирующим электрод-инструментом (ЭИ).

Известен способ электрохимической обработки [United States Patent, Patent Number 4213834, B23H 3/02; B23H 3/00; B23P 1/14 Jul. 22, 1980], при котором для ведения процесса на малых межэлектродных зазорах используют сигнал, характеризующий искажение формы импульса напряжения (при использовании источника тока). В частности, используют сигнал пропорциональный максимальному значению второй производной по напряжению на электродах в импульсе.

Недостатком данного способа, является то, что при обработке деталей с большими площадями боковых поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток, сигнал, характеризующий искажение формы импульса, вызванное процессами в торцевом межэлектродном промежутке (МЭП), будет весьма мал. Например, такие ситуации возникают на стадии врезания сложнопрофильного трехмерного электрода-инструмента (ЭИ) в заготовку, или при прошивке отверстий малого диаметра трубкой с неизолированными боковыми поверхностями и др. Другой проблемой является недостоверная информация о величине зазора, вызванная тем, что характерные искажения формы импульса напряжения зачастую возникают не вследствие изменения межэлектродного зазора (МЭЗ), а вследствие кавитационных явлений, либо локальных изменений проводимости электролита, вызванных появлением застойных зон и др.

Известен также способ [авторское свидетельство СССР N 717847, кл. В23Н 3/02, 1977] электрохимической размерной обработки, в котором при использовании импульсного источника питания с крутопадающей вольтамперной характеристикой, обработку выполняют при вибрации одного из электродов и подаче импульсов напряжения в фазе сближения электродов, при котором контролируют текущее значение импульсов напряжения, выделяя выбросы напряжения на участках сближения и удаления электродов, значения которых регулируют, изменяя давление электролита на входе межэлектродного зазора.

Основным недостатком данного способа является то, что не учитываются особенности критической ситуации, возникающие при реализации процесса на (<0,02 мм) малых МЭЗ при ЭХО относительно больших площадей (особенно >15 см²) обработки, которые проявляются внешне в виде искажения осциллограммы импульса напряжения, сопротивления или тока. Эти особенности протекания процесса отражают проявление конкретных динамических характеристик и податливости механической системы станка при ЭХО на малых МЭЗ, в частности в виде существенного искажения синусоидального закона колебаний электрода и соответственно закона изменения МЭЗ на участке траектории электрода, прилегающей к фазе его нижнего положения. Причем эти особенности протекания процесса, которые внешне проявляются, например, в виде искажения правильной формы осциллограммы определенных параметров, являются предвестниками короткого замыкания в МЭП.

Однако известный способ не позволяет учитывать при ведении процесса на малых МЭЗ аварийную ситуацию в МЭП из-за отсутствия характерного показателя (сигнала), информирующего о наступлении критической ситуации в МЭП. Отсутствие такой информации не позволяет обеспечить стабильность технологического результата по основным выходным показателям, вынуждает вести обработку на повышенных МЭЗ, что также снижает абсолютные значения показателей процесса по производительности, точности и качеству обработки и повышает энергоемкость процесса ЭХО.

Известен также способ [патент RU №2038928 В23Н 3/02, Опубл. 1995.07.09] электрохимической размерной обработки с использованием импульсного источника питания с крутопадающей вольтампериой характеристикой. Обработку выполняют при вибрации одного из электродов и подаче импульсов напряжения в фазе сближения электродов, контролируя текущее значение напряжения импульса, особо выделяя выбросы напряжения по переднему фронту на участке сближения и по заднему фронту импульса на участке разведения электродов, и регулируют момент подачи импульса относительно момента максимального сближения электродов, соблюдая при этом равенство выбросов по переднему и заднему фронтам, причем задерживают подачу импульса при преобладании выбросов напряжения на участке сближения и подают импульсное напряжение с опережением при преобладании выброса на участке разведения, при этом скорость подачи электрода-инструмента или заготовки увеличивают до образования третьего локального экстремума напряжения в середине импульса и поддерживают эту скорость при соблюдении соотношения

где U_л.э. - амплитуда напряжения третьего локального экстремума,

U_min - минимальное значение напряжения.

Недостатком данного способа, равно как и предыдущих является попытка оценить состояние межэлектродной среды и/или величину межэлектродного зазора по косвенным электрическим параметрам, которые существенно зависят от целого ряда гидродинамических и теплофизических состояний межэлектродной среды. В результате система управления процессом производит регулирование на основе недостоверной информации, что приводит к невозможности обработки на минимально возможных межэлектродных зазорах.

Известно устройство для размерной ЭХО с вибрирующим ЭИ, содержащее приводимый от электродвигателя через угловую шарнирную муфту эксцентриковый вал, соединенный посредством рессоры со штосселем, несущим электрод-инструмент, форма колебаний и скорость движения которого задается неравномерным вращением ведомой вилки муфты, обеспечивая выдержку на минимальном зазоре, что позволяет увеличивать время пропускания технологического тока [Авторское свидетельство СССР №1839372, кл. В23Н 7/26, 20.04.1996].

Недостатком данного устройства является сложность конструкции а также неизменность закона неравномерного вращения эксцентрикового вала, что ограничивает возможность подачи импульса тока на оптимальном МЭЗ и давлении электролита.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ электрохимической обработки в нейтральных электролитах на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания, соответствующими максимуму давления электролита в межэлектродном промежутке, при этом для заданной частоты и амплитуды форму колебания инструмента и скорость сближения электродов выбирают таким образом, чтобы продолжительность импульса повышенного давления была равна или превышала длительность импульса тока, а максимальная амплитуда давления достигалась на минимально возможном межэлектродном зазоре, а давление в межэлектродном промежутке оценивают по величине усилия подачи, отнесенной к рабочей площади электрода-инструмента, при этом фазу подачи импульса тока относительно максимума давления регулируют, таким образом, чтобы площадь ограниченная кривой изменения электрического сопротивления межэлектродного промежутка за время действия импульса тока была минимальной (заявка на изобретение РФ №2008132342, В23Н 7/30, 10.02.2010).

Недостатком ближайшего аналога является отсутствие регулирования максимальной величины давления электролита в межэлектродном промежутке при сближении электрода-инстурмента (осцилляции), что снижает точность и производительность обработки.

Задачей изобретения является повышение точности, не снижая производительности электрохимической обработки вибрирующим электродом-инструментом, за счет регулирования максимальной величины давления, получения возможности подачи импульсов тока в моменты достижения оптимального сочетания минимально возможного межэлектродного зазора и наибольшего давления электролита.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в способе электрохимической обработки деталей из металлов и сплавов вибрирующим электродом-инструментом, включающем обработку деталей в нейтральном электролите на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента, соответствующими максимуму давления электролита в заданном межэлектродном промежутке, при этом для заданной частоты и амплитуды колебания электрода-инструмента регулируют скорость сближения электродов, согласно изобретению, скорость сближения электродов выбирают таким образом, чтобы величина максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)_max не превышала допустимой для заданного минимального зазора, площади обработки и жесткости технологической системы максимальной величины давления электролита в межэлектродном промежутке [P_max].

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в способе электрохимической обработки деталей из металлов и сплавов вибрирующим электродом-инструментом, включающем обработку деталей в нейтральном электролите на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента, соответствующими максимуму давления электролита в заданном межэлектродном промежутке, при этом для заданной частоты и амплитуды колебания электрода-инструмента регулируют скорость сближения электродов, согласно изобретению, при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)_max больше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [P_max], скорость сближения электродов уменьшают, а при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)_max меньше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [P_max], скорость сближения электродов увеличивают, удерживая величину максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)_max в пределах P(t)_max≥0,8[P_max] и P(t)_max≤[P_max].

Кроме того, согласно изобретению, при использовании гармонических синусоидальных колебаний электрода - инструмента при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)_max больше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [P_max] уменьшают частоту колебаний электрода-инструмента а при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)_max меньше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [P_max] частоту колебаний электрода-инструмента увеличивают.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлены графики зависимостей распределения давления в межэлектродном промежутке от времени при нерегулируемой скорости сближения электродов (осцилляции электрода-инструмента), первый вариант. На фиг.2 представлены графики зависимостей распределения давления в межэлектродном промежутке от времени при регулируемой скорости сближения электродов (осцилляции электрода-инструмента), второй вариант.

Изобретение реализуют следующим образом:

Через межэлектродный промежуток под давлением Р_о прокачивают электролит (водный раствор нейтральной кислородосодержащей соли). Электрод-инструмент совершает колебания S(t) соосное с направлением подачи. Заготовка с электродом-инструментом соединены с импульсным униполярным источником питания, имеющим «крутопадающую» вольт-амперную характеристику. Результаты экспериментов и расчетов показывают, что при сближении электрода-инструмента и детали в области предшествующей фазе нижнего положения электрода-инструмента за счет вязкого трения, вытесняемого из МЭП электролита, давление достигает максимального значения P(t)_max (фиг.1). В процессе обработки текущее значение давления электролита P(t), определяемое как отношение контролируемой силы подачи электрода-инструмента к площади обработки, сравнивают с допустимой величиной максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [P_max]. Для конкретных условий и режимов электрохимической обработки

[P_max]=k₁·J·S_min/F, где

[P_max] - допустимое максимальное значение давления, Мпа,

k₁ - коэффициент, определяемый формой и размерами обрабатываемой поверхности и способом подвода электролита в МЭП,

J - жесткость технологической системы, Н/мм,

S_min - заданный минимальный зазор, мм,

F - площадь обработки, мм².

По первому варианту, если по окончанию переходного процесса, соответствующему полному внедрению рабочей части электрода-инструмента в заготовку величина максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max превышает допустимую величину [P_max], то скорость сближения электродов уменьшают таким образом, чтобы обеспечивалось ограничение P(t)_max<[P_max]. По второму варианту скорость сближения электродов регулируют, удерживая величину P(t)_max в пределах P(t)_max≥0,8[P_max] и P(t)_max≤[P_max] (фиг.2). Регулирование скорости сближения электродов может осуществляться как изменением частоты колебаний, так и длительности фаз колебаний в течении одного периода при неизменной частоте.

Пример конкретной реализации изобретения.

На станке ЕТ500, осевая жесткость которого J=40000 Н/мм, производилась электрохимическая обработка заготовки из высоколегированной хромистой стали 40×13 в 10%-ном водном растворе азотно-кислого натрия с использованием цилиндрического электрода-инструмента площадью 400 мм².

Перед началом обработки без подачи импульсов технологического тока при давлении электролита на входе межэлектродного промежутка Ро=0,25 МПа колеблющийся электрод-инструмент и обрабатываемую заготовку сближают до касания и отводят на заданную величину минимального межэлектродного зазора [S_min]=0,01 мм. В этих условиях при центральном (через отверстие в электроде- инструменте) подводе электролита в МЭП допустимое максимальное давление электролита

[P_max]=k₁·J·S_min/F=1,1·40000·0.01/400=1.1 МПа

Первоначально установленный режим обработки: скорость подачи 0,15 мм/мин; температура электролита 18°C; частота импульсов тока и колебаний электрода-инструмента 67 Гц; длительность импульсов тока 2,5 мс; размах колебаний электрода-инструмента на холостом ходу 0,24 мм, амплитуда импульса напряжения в момент максимального давления электролита в МЭП 10 В.

В процессе обработки помимо тока и напряжения измерялись усилие подачи и изменение межэлектродного зазора, минимальная величина которого по завершении переходного процесса увеличилась примерно на 17%. При этом подача импульса технологического тока в момент P(t)_max сопровождалась выбросом напряжения U_max на фронтах импульса, и в конечном счете погрешность обработки по сравнению с обработкой на частоте 47,5 Гц (оптимальный режим - табл., соответствующий условию P(t)_max≥0,8[P_max] и P(t)_max≤[P_max]) увеличилась Примерно на 20%.

Таблица. f, Гц [P_max], МПа P(t)max, МПа S(t)min, мм Umax, В 67 1,1 2,4 0,023 18 47,5 1,1 1 0,014 13

Таким образом, обработка на оптимальной частоте колебаний электрода - инструмента (оптимальной скорости сближения электрода-инструмента из условий максимума давления электролита в межэлектродном промежутке и минимального изменения заданного межэлектродного зазора) обеспечивает более высокую точность электрохимической обработки, не снижая при этом ее производительности.

Итак, настоящее изобретение позволяет повысить точность при сохранении производительности электрохимической обработки вибрирующим электродом-инструментом, за счет регулирования максимальной величины давления, получения возможности подачи импульсов тока в моменты достижения оптимального сочетания минимально возможного межэлектродного зазора и наибольшего давления электролита.

Изобретение относится к электрохимической обработке металлов и сплавов, предназначенной для формирования на сложнофасонной поверхности регулярного нано- и микрометрического слоя. Электрохимическую обработку осуществляют в нейтральном электролите на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента, соответствующими максимуму давления электролита в межэлектродном промежутке. Скорость сближения электродов выбирают так, чтобы величина максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max не превышала допустимой максимальной величины давления электролита в межэлектродном промежутке [Pmax]. При P(t)max больше [Pmax] скорость сближения электродов уменьшают, а при P(t)max меньше [Pmax] скорость сближения электродов увеличивают, при этом поддерживают величину максимального давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max в пределах P(t)max≥0,8 [Pmax] и P(t)max≤[Pmax]. Изобретения позволяют повысить точность и производительность электрохимической обработки вибрирующим электродом-инструментом за счет получения возможности подачи импульсов тока в момент достижения оптимального сочетания межэлектродного зазора и наибольшего давления электролита. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ электрохимической обработки деталей из металлов и сплавов вибрирующим электродом-инструментом, включающий обработку детали в нейтральном электролите на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента, соответствующими максимуму давления электролита в заданном межэлектродном промежутке, при этом для заданной частоты и амплитуды колебания электрода-инструмента регулируют скорость сближения электродов, отличающийся тем, что скорость сближения электродов выбирают таким образом, чтобы величина максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max не превышала допустимой для заданного минимального зазора площади обработки и жесткости технологической системы максимальной величины давления электролита в межэлектродном промежутке [Pmax].

2. Способ электрохимической обработки деталей из металлов и сплавов вибрирующим электродом-инструментом, включающий обработку детали в нейтральном электролите на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента, соответствующими максимуму давления электролита в заданном межэлектродном промежутке, при этом для заданной частоты и амплитуды колебания электрода-инструмента регулируют скорость сближения электродов, отличающийся тем, что при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке Р_max больше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [Pmax], скорость сближения электродов уменьшают, а при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max меньше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [Pmax], скорость сближения электродов увеличивают, при этом поддерживают величину максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max в пределах P(t)max≥0,8[Pmax] и P(t)max≤[Pmax].

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при использовании гармонических синусоидальных колебаний электрода-инструмента при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max больше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [Pmax] уменьшают частоту колебании электрода-инструмента, а при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max меньше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [Pmax] частоту колебаний электрода-инструмента увеличивают.