СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕГО КАНАЛА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ И ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК B23H3/00 B23H3/04 B23H9/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки каналов, например стволов артиллерийских орудий путем электрохимического шлифования или полирования.

Известен способ электрохимикомеханической обработки (А.С. СССР №1085734. МПК В23Р 1/04, Способ электрохимикомеханической обработки. Опубл.: 15.04.1984), где съем припуска по длине канала осуществляется за счет ударного возвратно-поступательного действия инструмента.

Недостатком данного способа является низкое качество обработки поверхности детали, поскольку используются силовые механические воздействия на поверхностный слой материала детали.

Известен способ электрохимической обработки отверстий и электрод-инструмент (патент RU №2166416, МПК В23Н 5/06, опубл.: Бюл. №13, 2001 г.), в котором используют биполярный катод-инструмент, выполненный из чередующихся абразивных и токопроводящих брусков на его формообразующей части, при этом катоду-инструменту одновременно сообщают вращение и вибрацию с обеспечением контакта анода-детали и катода-инструмента.

Известен также способ и устройство для обработки внутренних поверхностей каналов (патент РФ №2251472. МПК В23Н 5/06, опубл.: Бюл. №13, 2005). Способ включает перемещение вдоль оси обработки штанги с электродом-инструментом. При этом устройство для электрохимико-механической обработки каналов включает штангу с электродом-инструментом, содержащим рабочую часть, переднюю направляющую и калибрующий элемент с прорезями.

Известен также электрод-инструмент для электрополирования внутренней поверхности артиллерийских орудий или стволов стрелкового оружия. (патент DE 4419864. МПК C25D 7/04. Uniform thickness internal chromium plating for gun barrels and chambers. 1995 г.) Способ использует кооксиально расположенный относительно внутренней поверхности ствола электрод-инструмент, посредством которого при подаче в ствол электролита производят обработку его внутренней поверхности.

Однако известные способы и устройства не обеспечивают высокое качество и однородность обработки внутренних поверхностей каналов металлических деталей.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа способа является способ анодно-абразивного полирования отверстий (патент РФ №2588953, МПК В23Н 5/06, опубл. Бюл. №19, 2016 г.), Способ включает перемещение электрода-инструмента по внутренней поверхности канала, вдоль его оси при подключении детали к аноду, а электрода-инструмента к катоду.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа устройства, является электрод-инструмент для электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали (патент РФ №2588953, МПК В23Н 5/06, опубл. Бюл. №19, 2016 г.). Электрод-инструмент содержит корпус, выполненный из эластичного материала, снабженный во внутренней полости по крайней мере одним электродом и устройством для возвратно-поступательного движения относительно обрабатываемой поверхности канала и прижатия к внутренней поверхности канала.

Однако известные способ и устройство (патент РФ №2588953) не обеспечивают высокого качества и однородности обработки внутренних поверхностей каналов металлических деталей, либо при очистке их от нагара или загрязнений, либо при их шлифовании, либо при их полировании

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества и однородности обработки внутренних поверхностей каналов металлических деталей, либо при очистке их от нагара или загрязнений, либо при их шлифовании, либо при их полировании за счет обеспечения равномерного взаимодействия обрабатывающего электрода-инструмента с обрабатываемой поверхностью канала детали.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества и однородности обработки внутренних поверхностей каналов металлических деталей.

Технический результат достигается за счет того, что в способе электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали, включающем перемещение электрода-инструмента по внутренней поверхности канала, вдоль его оси при подключении детали к аноду, а электрода-инструмента к катоду, в отличие от прототипа в качестве электрода-инструмента используют выполненный из диэлектрического материала контейнер, заполненный электропроводящими гранулами, снабженный контактирующими с ними электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности канала детали, причем перед началом обработки упомянутый контейнер вводят в обрабатываемый канал, обеспечивая контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемой поверхностью канала, а также с электродами контейнера, подключают электропроводящие гранулы через электроды к катоду, а деталь к аноду и проводят процесс последовательной обработки внутренней поверхности канала, перемещая электрод-инструмент по всей подлежащей обработке поверхности канала до получения требуемой шероховатости поверхности.

Кроме того, возможно использование следующих приемов: в качестве обработки используют процесс полирования; в качестве обрабатываемого канала используют канал артиллерийского орудия или стрелкового оружия, в котором качестве обработки используют либо процесс очистки от нагара или загрязнений, либо процесс шлифования, либо процесс полирования; полирование проводят при вибрации электрода-инструмента от 10-50 Гц с амплитудой 0,5-2,5 мм, а в качестве гранул используют, либо сферические частицы диаметром от 0,1 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,1 до 1,4 мм; используют пористые гранулы из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы.

Технический результат достигается также за счет того, что электрод-инструмент для электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали, содержащий корпус, выполненный из эластичного материала, снабженный во внутренней полости по крайней мере одним электродом и устройством для возвратно-поступательного движения относительно обрабатываемой поверхности канала и прижатия к внутренней поверхности канала, в отличие от прототипа корпус выполнен из диэлектрического материала в виде контейнера, заполненного электропроводящими гранулами и выполненного с возможностью обеспечения при обработке поверхности канала постоянного контакта электропроводящих гранул между собой, с электродом и с обрабатываемой поверхностью канала при полном заполнении электропроводящими гранулами обрабатываемого участка канала.

Кроме того возможны следующие признаки: контейнер выполнен с возможностью его раскрытия в зоне контакта электропроводящих гранул с обрабатываемой поверхностью канала; контейнер выполнен из сетки, предотвращающей истечение электропроводящих гранул из контейнера и обеспечивающего их контакт с обрабатываемой поверхностью канала через ячейки сетки; контейнер выполнен в форме цилиндра, обеспечивающего обработку каналов цилиндрической формы.

Изобретение поясняется принципиальной схемой процесса электрохимической обработки электропроводящими гранулами внутренней поверхности канала металлической детали, на которой обозначено: 1 - обрабатываемая металлическая деталь с каналом; 2 - канал в детали; 3 - участок обрабатываемой поверхностью канала; 4 - электрод-инструмент; 5 - контейнер с электропроводящими гранулами; 6 - электропроводящие гранулы; 7 - устройство для перемещения электрод-инструмента; 8 - электроды контейнера. (Стрелкой показано главное направление движение контейнера с электропроводящими гранулами, парой стрелок - возвратно-поступательное движение электрода-инструмента).

Заявляемый способ электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали Осуществляется следующим образом. Электрод-инструмент 4, включающий в себя контейнер 5 с электропроводящими гранулами 6 вводят в обрабатываемый канал 2 детали, обеспечивая контакт электропроводящих гранул 6 между собой и с обрабатываемой поверхностью канала 2, а также с электродом 8 контейнера 5. Подключают электропроводящие гранулы 6 через электроды 8 к катоду, а деталь 1 к аноду и проводят процесс последовательной обработки внутренней поверхности канала 2 перемещая электрод-инструмент 4 по всей подлежащей обработке поверхности канала 4 до получения требуемой шероховатости поверхности. Перемещение электрода-инструмента 4 по внутренней поверхности канала 4, вдоль его оси при подключении детали 1 к аноду, а электрода-инструмента 4 к катоду производят при помощи устройства 7 для перемещения электрода-инструмента. В качестве электрода-инструмента 4 используют выполненный из диэлектрического материала контейнер 5, заполненный электропроводящими гранулами 6, снабженный контактирующими с ними электродами 8 и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул 6 между собой и с обрабатываемым участком 3 внутренней поверхности канала 2 детали 1.

Обработка канала 2 детали 1 может производиться в режиме электрополирования. Полирование проводят при вибрации электрода-инструмента от 10-50 Гц с амплитудой 0,5-2,5 мм, а в качестве гранул используют, либо сферические частицы диаметром от 0,1 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,1 до 1,4 мм. При этом могут использоваться пористые гранулы 6 из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы.

Колебательные движения электропроводящих гранул 6 позволяют обеспечить равномерное воздействие на всю обрабатываемую поверхность канала 4 детали 1 и тем самым повысить ее качество и однородность. Кроме того, за счет создания однородных условий для всего объема гранул обеспечивается равномерное протекание электрических процессов, в частности ионного переноса при обработке канала 2 детали 1.

При осуществлении способа происходят следующие процессы. При колебании массы электропроводящих гранул 6 происходят их столкновения с обрабатываемой поверхностью канала 2 детали 1. При этом столкновения между электропроводящими гранулами 6 происходят также и во всем объеме контейнера, создавая таким образом равномерные условия протекания электрических процессов. При этом электрические процессы между деталью 1 (анодом) и электропроводящими гранулами 6 (катодом) происходят за счет контакта массы электропроводящих гранул 6 друг с другом и с находящимся под отрицательным потенциалом введенного в массу электропроводящих гранул 6 электрода 8 (катода). При столкновениях электропроводящих гранул 6 с микровыступами на обрабатываемой поверхности канала 2 детали 1 происходит ионный унос материала с микровыступов, в результате чего происходит выравнивание поверхности, уменьшается ее шероховатость и происходит полирование поверхности канала 2 детали 1.

Если в качестве обрабатываемого канала 2 используют канал артиллерийского орудия или стрелкового оружия, то в зависимости от конкретных задач в качестве применяемого вида обработки может быть использован либо процесс очистки от нагара, либо процесс шлифования, либо процесс полирования.

Электрод-инструмент 4 для электрохимической обработки внутреннего канала 2 металлической детали 1, содержит корпус, выполненный из эластичного материала, снабженный во внутренней полости по крайней мере одним электродом 8 и устройством для возвратно-поступательного движения 7 относительно обрабатываемой поверхности 3 канала 2 и прижатия к внутренней поверхности канала 2. Корпус выполнен из диэлектрического материала в виде контейнера 5, заполненного электропроводящими гранулами 6 и выполненного с возможностью обеспечения при обработке поверхности канала 2 постоянного контакта электропроводящих гранул 6 между собой, с электродом 8 и с обрабатываемой поверхностью канала 2 при полном заполнении электропроводящими гранулами 6 обрабатываемого участка 3 канала 2. Контейнер может быть выполнен с возможностью его раскрытия в зоне контакта электропроводящих гранул 6 с обрабатываемой поверхностью канала 4. Контейнер также может быть выполнен из сетки, предотвращающей истечение электропроводящих гранул 6 из контейнера и обеспечивающего их контакт с обрабатываемой поверхностью канала 2 через ячейки сетки. Контейнер может быть выполнен в форме цилиндра, обеспечивающего обработку каналов цилиндрической формы.

Пример 1. Обработке подвергали сквозной внутренний канал диаметром 40 мм и длиной 600 мм в детали из титанового сплава марки ВТ9. В обрабатываемый канал вставляли электрод-инструмент с сетчатым контейнером (размеры ячеек 0,6×0,6 мм), заполненным пористыми сферическими электропроводящими гранулами размерами от 0,8 до 1,2 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. В качестве электролита-заполнителя гранул использовали водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - 6 г/л и KF - 33 г/л. Прикладывали к детали положительное, а к гранулам (через электрод контейнера) - отрицательное напряжение. Процесс полирования проводили при скорости перемещения контейнера 10 мм/мин при возвратно-поступательном его движении и при непрерывном колебательном движении гранул амплитудой 22 кГц. Процесс полирования проводили при плотности тока 1,8 А/см².

Аналогичная деталь из титанового сплава марки ВТ9 со сквозным внутренним каналом диаметром 40 мм и длиной 600 мм была обработана по способу-прототипу (патент РФ №2588953). Исходная шероховатость поверхности каналов составляла Ra 0,72 мкм. После обработки разброс шероховатости на различных участках поверхности каналов составлял: для прототипа от Ra 0,14 мкм до Ra 0,22 мкм, для обработанных по предлагаемому способу от Ra 0,10 мкм до Ra 0, 14 мкм.

Кроме того, были проведены исследования следующих режимов обработки каналов в деталях из титановых сплавов (ВТ-1, ВТ3-1, ВТ8), из никелевых сплавов (ЭК151-ИД, ЭК152-ИД, ЭП975-ИД), из легированных сталей (40ХНМА, 25Х3М3НБЦА-Ш, 0ХН3МФА). За отрицательный результат при электрополировании принимался режим обработки, дающий разброс значений шероховатости по поверхности детали более ΔRa 0, 05 мкм.

Были также обработаны каналы диаметром 20 мм длиной 300 мм в деталях из сталей 25Х3М3НБЦА-Ш, 0ХН3МФА. В последнем случае электрохимическая обработка велась следующими процессами: очистка от нагара, шлифование, полирование.

Результаты обработки показали следующее. Очистка канала от нагара-удовлетворительный результат (У.Р.) шлифование- (У.Р.), полирование- (У.Р.).

Вибрации электрода-инструмента: 8 Гц (Н.Р.), 10 Гц (У.Р.), 25 Гц (У.Р.), 30 Гц (У.Р.), 40 Гц (У.Р.), 50 Гц (У.Р.), 55 Гц (Н.Р.). Амплитуда вибрации электрода-инструмента: 0,5-2,5 мм 0,3 мм (Н.Р.), 0,5 мм (У.Р.), 1,5 мм (У.Р.), 2,5 мм (У.Р.), 3,0 мм (Н.Р.).

Размеры и форма гранул: сферические частицы диаметром: менее 0,1 мм (Н.Р.), 0,1 мм (У.Р.), 0,6 мм (У.Р.), 0,8 мм (У.Р.), 1,2 мм (У.Р.), 0,14 мм (Н.Р.). Овальные частицы размерами от менее 0,1 (Н.Р.), 0,1 мм (У.Р.), 0,3 мм (У.Р.), 0,6 мм (У.Р.), 1,0 мм (У.Р.), 1,4 мм (У.Р.), 0, 16 мм (Н.Р.).

Таким образом, предложенный способ электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали и электрод-инструмент для осуществления способа позволяют повысить качество и однородность обработки внутренних поверхностей каналов металлических деталей.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки каналов путем электрохимического шлифования или полирования. Способ включает перемещение электрода-инструмента по внутренней поверхности канала, вдоль его оси при подключении детали к аноду, а электрода-инструмента - к катоду. В качестве электрода-инструмента используют выполненный из диэлектрического материала контейнер, заполненный электропроводящими гранулами, снабженный контактирующими с ними электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности канала детали. Перед началом обработки упомянутый контейнер вводят в обрабатываемый канал, обеспечивая контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемой поверхностью канала, а также с электродами контейнера. Подключают электропроводящие гранулы через электроды к катоду, а деталь - к аноду, и проводят процесс последовательной обработки внутренней поверхности канала, перемещая электрод-инструмент по подлежащей обработке поверхности канала до получения требуемой шероховатости поверхности. Изобретение обеспечивает повышение качества и однородности обработки внутренних поверхностей каналов металлических деталей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали, включающий перемещение электрода-инструмента по внутренней поверхности канала вдоль его оси при подключении детали к аноду, а электрода-инструмента - к катоду, отличающийся тем, что в качестве электрода-инструмента используют выполненный из диэлектрического материала контейнер, заполненный электропроводящими гранулами, снабженный контактирующими с ними электродами и обеспечивающий контакт электропроводящих гранул между собой и с обрабатываемым участком внутренней поверхности канала детали, причем перед началом обработки упомянутый контейнер вводят в обрабатываемый канал, обеспечивая контакт электропроводящих гранул между собой, с обрабатываемой поверхностью канала и с электродами контейнера, подключают электропроводящие гранулы через электроды к катоду, а деталь - к аноду, и проводят процесс последовательной обработки внутренней поверхности канала путем перемещения электрода-инструмента по всей подлежащей обработке поверхности канала до получения требуемой шероховатости поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве обрабатываемого канала используют канал артиллерийского орудия или стрелкового оружия, а обработку осуществляют в виде процесса очистки от нагара или загрязнений, процесса шлифования или процесса полирования.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку осуществляют в виде процесса полирования.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полирование проводят при вибрации электрода-инструмента от 10-50 Гц с амплитудой 0,5-2,5 мм, а в качестве гранул используют либо сферические частицы диаметром от 0,1 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,1 до 1,4 мм.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что используют пористые гранулы из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы.

6. Электрод-инструмент для электрохимической обработки внутреннего канала металлической детали, содержащий корпус, выполненный из эластичного материала, снабженный во внутренней полости по крайней мере одним электродом и устройством для возвратно-поступательного движения относительно обрабатываемой поверхности канала и прижатия к внутренней поверхности канала, отличающийся тем, что корпус выполнен из диэлектрического материала в виде контейнера, заполненного электропроводящими гранулами и выполненного с возможностью обеспечения при обработке поверхности канала постоянного контакта электропроводящих гранул между собой, с по крайней мере одним электродом и с обрабатываемой поверхностью канала при полном заполнении электропроводящими гранулами обрабатываемого участка канала.

7. Электрод-инструмент по п. 6, отличающийся тем, что контейнер выполнен с возможностью его раскрытия в зоне контакта электропроводящих гранул с обрабатываемой поверхностью канала.

8. Электрод-инструмент по п. 6, отличающийся тем, что контейнер выполнен из сетки, предотвращающей истечение электропроводящих гранул из контейнера и обеспечивающего их контакт с обрабатываемой поверхностью канала через ячейки сетки.

9. Электрод-инструмент по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что контейнер выполнен в форме цилиндра, обеспечивающего обработку каналов цилиндрической формы.