СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ КАНАЛА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ Российский патент 2022 года по МПК B23H5/06 B23H5/12 C25F3/16 B82Y30/00 

Изобретение может быть использовано в приборостроении и машиностроении для полирования каналов малого сечения в изделиях, изготовленных из мягких материалов, а также токопроводящих покрытий, выполненных в каналах.

Известен способ электрохимического полирования мягких материалов - серебро, никель, медь - в растворах кислот постоянным током плотностью 35-50 А/дм2 или импульсным током при плотности 70-2000 А/дм2. (Электрохимическое полирование меди и ее сплавов. см. https://chem21.info/info/1758112/).

Недостатком метода является низкая экологическая безопасность из-за применения растворов кислот, трудность полирования каналов малого сечения большой длины и сложной формы.

Известен также способ комбинированной обработки каналов сложной формы (RU2764538), включающий анодно-абразивную обработку канала в проточном электролите с абразивными частицами в качестве которых используют токопроводящие электрически поляризованные магнитоабразивные заряженные частицы, выполненные на основе композиционных материалов, включающих ферромагнитные или магнитные материалы, модифицированные высокотокопроводящими наночастицами графена и/или графеновых нанотрубок (УНТ), на которые воздействуют внешним магнитным полем с возникновением вибрационных колебаний магнитоабразивных электрически поляризованных частиц или обрабатываемой детали. Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа является сложность обработки изделий из мягких материалов, ввиду шаржирования обрабатываемой поверхности и образования рисок, снижающих качество обработки.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества поверхности путем устранения шаржирования при анодно-абразивном полировании, а также обеспечение равномерности шероховатости в различных направлениях.

Поставленная задача решается тем, что в способе комбинированной обработки канала сложной формы, включающем анодно-абразивную обработку в проточном электролите с электрически поляризованными заряженными абразивными композитными частицами, выполненными из ферромагнитных или магнитных материалов, при одновременном воздействии внешним магнитным полем с возникновением вибрационных колебаний у абразивных композитных частиц, либо у обрабатываемой детали, согласно изобретению, абразивные композитные частицы выполнены в виде сферических эластичных гранул, в центре которых размещены ферромагнитные или магнитные частицы, окруженные оболочкой, выполненной из пластмассы, модифицированной графеном и графеновыми нанотрубками, причем графеновые нанотрубки размещены на внешнем слое пластмассовой оболочки.

В качестве пластмассы для оболочки эластичных гранул применяют полиуретан, или полистирол, или фторопласт, или полиэтилен.

В качестве материла для магнитных частиц применяют NdFeB.

В качестве материла для ферромагнитных частиц применяют FeB или Fe₃C или FeB₂.

Технический результат, заключающийся в устранении шаржирования обрабатываемой поверхности и обеспечении равномерной шероховатости поверхности в изделиях из немагнитных мягких материалов, обеспечивается за счет мягкого механического воздействия эластичных гранул на обрабатываемую поверхность под действием импульсных и стационарных токов.

Графен, углеродные нанотрубки или их сочетание, обладают высокой электроемкостью 184-1235 Ф/г, электропроводностью, и низковольтной эмиссией ЗВ. Углеродные нанотрубки могут быть диаметром 20-80 нм, с высоким модулем упругости 462-546 ГПа (см. А.С. Соенко., A.M. Зиатдинов. Строение и магнитные свойства нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом метана / Вестник ДВО РАН, 2012, №5), а также rhttps://starwiki.ru/wiki/Mechanical_properties_of_carbon_nanotubes#Hardness).

Применение магнито-пластмассовых электрически поляризованных заряженных композитных гранул, выполненных на основе матрицы из полиэтилена, полиуретана, полистирола или фторопласта, делает электролит не только токопроводящей, но и магнитной рабочей средой с эластичными полирующими композитными гранулами или кластером гранул, так как гранулы могут объединяться за счет своих магнитных свойств, при воздействии на них внешним магнитным полем, совершающим осциллирующее, вращающее или совмещенное движение, например, вертикально-вращающее, периодические продольные и поперечные колебания и т.д. Это позволяет повысить эффективность анодного комбинированного полирования каналов различной конфигурации, выполненных из мягких материалов (меди, латуни, и других) эластичными полирующими композитными гранулами, а также специальных покрытий из серебра, золота, за счет устранения шаржирования и образования рисок, и обеспечения равномерности шероховатости обрабатываемой поверхности в различных направлениях. Также может производиться уплотнение защитных и токопроводящих покрытий для повышения их функциональных свойств. Магнито-пластмассовые поляризованные электрически заряженные эластичные композитные гранулы могут совершать вращательное, поступательное и вибрационное движение под действием внешнего вращающегося и перемещающегося вдоль канала магнитного поля, а также горизонтальной и вертикальной вибрации обрабатываемой детали. Полирование может производиться в нейтральных растворах электролита на основе NaNO₃, NH₄NO₃, Na₂SO₄ и др. в зависимости от обрабатываемых материалов.

На фиг. 1 представлена схема процесса, реализующего заявленный способ. На фиг. 2 показана магнитоабразивная, обладающая электрической емкостью, композитная гранула.

На схеме (фиг. 1) изображены: обрабатываемая деталь 1, выполненная из немагнитных мягких материалов - меди или латуни, изолятор 2, кольцевые отрицательно заряженные электроды 3, патрубок резиновый 4, эластичные композитные гранулы 5 в потоке электролита (2-3% NH₄NO₃+3-6% гранул), постоянный магнитный наконечник 6 из неодимового магнита (NdFeB), совершающий вращение и продольное перемещение вдоль обрабатываемой детали, положительно заряженный электрод 7, магнитный электровибратор 12, позволяющий накладывать на обрабатываемую деталь вертикальные и продольные колебания. Сферические эластичные гранулы 5 представляют собой абразивный композитный материал, имеющий в центре ферромагнитные или магнитные частицы 9, (фиг. 2), окруженные оболочкой 8 из пластмассы, модифицированной графеном 11, причем внешний слой гибкой оболочки дополнительно модифицирован графеновыми нанотрубками 10. Известна технология изготовления литых магнитопластов с применением полимеров. По этой технологии полимеры смешивают с порошком неодим - железо-бор, а затем выдавливают в форму: круглую, овальную, цилиндрическую (см. electrik.info/main/news/984-neodimoveye-nmagnity.html).

Магнитные частицы могут быть выполнены из NdFeB и других редкоземельных неодимовых магнитных частиц.

Ферромагнитные частицы выполняют из FeB, Fe₃C, FeB₂.

Желательно использовать графеновые нанотрубки, которые могут выдерживать давление 25 ГПа без пластической остаточной деформации.

Процесс полирования реализуется следующим образом: электролит 2-3% NH₄NO₃+3-6% электрически поляризованных предварительно заряженных магнитных эластичных композитных гранул 5, содержащих пластмассовую оболочку 8, модифицированную графеном 11 и УНТ 10, заряженных отрицательно, поступают через шланг 4 и кольцевые отрицательно заряженные электроды 3, которые соединены через изоляторы 2, с каналом обрабатываемой детали 1, на которую накладывается потенциал (+) через электрод 7. Графен и углеродные нанотрубки предварительно заряженные отрицательно обладают низковольтной эмиссией ЗВ, что позволяет использовать низкое напряжение на электродах - 4-6 В. При этом на магнитные эластичные гранулы, имеющие внедренные углеродные наночастицы в пластмассовую оболочку, оказывает воздействие вращающееся и перемещающееся навстречу потоку электролита магнитное поле со стороны наконечника магнитного 6. Отрицательно заряженные гранулы подходят к обрабатываемой поверхности, концентрируют отрицательный заряд создают импульсы тока, за счет которых происходит локальное анодное растворение микронеровностей, с обеспечением более низкой шероховатости поверхности и сохранение исходной точности канала. При непосредственном соприкосновении с поверхностью обрабатываемой детали 1 магнитоабразивные электрически поляризованные эластичные гранулы заряжаются положительно (+), а также оказывают механическое влияние. При вращении гранулы механически воздействуют на микронеровности и образующиеся оксидные пленки, удаляя их под действием вертикальной и продольной вибрации, создаваемой электровибратором 12. Заряженные магнитные эластичные гранулы могут отскакивать от обрабатываемой поверхности, менять свой заряд с (+) на (-), так как токоподводом для них является электролит, заряженный отрицательно. При этом будет проявляться би-полярный эффект и создаваться импульсный ток совместно с постоянным, который проходит через электролит. Под действием вибрации с частотой 20-50 Гц и амплитудой 0,2-0,4 мм возможно обновление эластичных магнитных поляризованных заряженных гранул при взаимодействии их с микронеровностями.

Графен быстрее накапливает электрический заряд и быстрее перезаряжается, за счет подвижности электронов обладает большей электроемкостью, чем УНТ. УНТ отличаются от графена более высокой твердостью по отношению к обрабатываемому материалу, поэтому внешний слой гибкой оболочки может быть дополнительно модифицирован графеновыми нанотрубками.

Концентрация их электрического заряда при импульсном токе, локализация процесса анодного растворения позволяют снизить шероховатость обрабатываемой поверхности с сохранением исходной точности канала, получить гладкую поверхность без ее шаржирования за счет избирательного воздействия плотности импульсного тока при би-полярном эффекте, а также механических и эластичных свойств композитных гранул, обладающих абразивными свойствами, присущими углеродным нанотрубкам и пластмассовой матрице.

Пример 1. Канал длиной 80 мм сечением 3×4 мм, выполненный из меди М₀, с толщиной стенки 1,2 мм с исходной шероховатостью поверхности Ra0,16-0,12 мкм подвергается полированию под напряжением U=4B в растворе электролита 2% NH₄NO₃+6% магнитных заряженных эластичных гранул, оболочка которых выполнена из полиэтилена модифицированного графеном и углеродными нанотрубками. Размер гранул 80-200 мкм. Применялось вращающее магнитное поле, создаваемое магнитным наконечником 6, n=60 об/мин, магнитной индукцией 0,5Тл, скорость продольного перемещения магнита 0,67 мм/мин, поперечная вибрация обрабатываемой детали 20 Гц. Время полирования 2 мин. Шероховатость поверхности составила Ra0,8-0,6 мкм, шаржирование обработанной поверхности отсутствует.

Пример 2. Канал длиной 120 мм сечением 5x5 мм, выполненный из латуни ЛС-59, с толщиной стенки 2 мм с исходной шероховатостью поверхности Ra0,25-0,2 мкм полировался при напряжении U=5B раствором электролита 5%NH₄NO₃+3% магнитных заряженных эластичных гранул, оболочка которых выполнена из полиуретана, модифицированного графеном и УНТ. Размер гранул 80-200 мкм. Вращение магнитного наконечника постоянного магнитного поля 50-60 об/мин, магнитная индукция 0,8Тл, поперечная вибрация обрабатываемой детали 50 Гц. Время обработки 3 мин. Шероховатость поверхности после обработки составила Ra0,12-0,8 мкм, шаржирование обрабатываемой поверхности отсутствовало.

Пример 3. Канал длиной 60 мм, размером 7×3 мм, выполненный из меди M₁ внутри покрытый серебром толщиной 5 мкм. Исходная шероховатость поверхности Ra=0,63 мкм. Полировался при U=4B в электролите 3% NaNO₃+4% магнитных эластичных гранул, оболочка которых выполнена из полиэтилена, модифицированная графеном и УНТ. Размер гранул 80-200 мкм. Вращение магнитного поля 20 об/мин, поперечная вибрация 30 Гц, магнитная индукция 0,5 Тл, время обработки 30 с, шероховатость поверхности после полирования составила Ra 0,32-0,2 мкм, риски отсутствовали, поверхность гладкая, шероховатость равномерная.

Способ комбинированной обработки каналов сложной формы в изделиях из немагнитных мягких материалов позволяет устранить шаржирование обрабатываемой поверхности, обеспечить равномерную шероховатость поверхности за счет действия импульсных и стационарных токов и мягкого механического воздействия гранул на обрабатываемую поверхность, при снижении энергоемкости процесса в 1,8-2,2 раза. Данный способ позволяет повысить экологическую безопасность процесса.

Изобретение относится к обработке канала сложной формы и может быть использовано в приборостроении и машиностроении при полировании каналов малого сечения в изделиях, изготовленных из мягких материалов, а также токопроводящих покрытий, выполненных в каналах. Способ включает анодно-абразивную обработку канала в проточном электролите с электрически поляризованными заряженными абразивными композитными частицами при одновременном воздействии внешним магнитным полем с возникновением вибрационных колебаний у абразивных композитных частиц или у обрабатываемой детали. При этом применяют абразивные композитные частицы, выполненные в виде сферических эластичных гранул (5), в центре которых размещены ферромагнитные или магнитные частицы (9), окруженные оболочкой (8), выполненной из пластмассы, модифицированной графеном и графеновыми нанотрубками (10), причем графеновые нанотрубки размещены на внешнем слое пластмассовой оболочки. Технический результатом является устранение шаржирования обрабатываемой поверхности и обеспечение равномерной шероховатости поверхности в изделиях из немагнитных мягких материалов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

1. Способ комбинированной обработки канала сложной формы, включающий анодно-абразивную обработку в проточном электролите с электрически поляризованными заряженными абразивными композитными частицами, включающими ферромагнитные или магнитные материалы, при одновременном воздействии внешним магнитным полем с возникновением вибрационных колебаний у абразивных композитных частиц или у обрабатываемой детали, отличающийся тем, что применяют абразивные композитные частицы, выполненные в виде сферических эластичных гранул, в центре которых размещены ферромагнитные или магнитные частицы, окруженные оболочкой, выполненной из пластмассы, модифицированной графеном и графеновыми нанотрубками, причем графеновые нанотрубки размещены на внешнем слое пластмассовой оболочки.

2. Способ комбинированной обработки по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластмассы для оболочки эластичных гранул применяют полиуретан, или полистирол, или фторопласт, или полиэтилен.

3. Способ комбинированной обработки по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материла для магнитных частиц применяют NdFeB.

4. Способ комбинированной обработки по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материла для ферромагнитных частиц применяют FeB, или Fe₃C, или FeB₂.