Описание изобретения

5 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 5 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 _Q 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.5 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, B23H3/02; B23H3/00; B23P1/14 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 ряда

5

деталей, имеющих значительные неизолированные боковые поверхности, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток. В этом случае сигнал, характеризующий искажение формы импульса, вызванное процессами в торцевом межэлектродном промежутке (МЭП),

10 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.

o n

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 25 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 > 15см ) 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

_] 5 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 N° 2038928 В23НЗ/02, Опубл. 1995.07.09] электрохимической размерной обработки с использованием 5 импульсного источника питания с крутопадающей вольтамперной 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 и _л.э - амплитуда напряжения третьего локального экстремума,

Umin - 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 JV°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, В23Н7/30, 10.02.2010).

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

Задачей изобретения является повышение точности 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.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в способе 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 определенным образом, согласно изобретению, скорость сближения электродов выбирают таким образом, чтобы величина максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max в межэлектродном промежутке не превышала допустимой для заданных условий обработки допустимой максимальной величины давления электролита в межэлектродном промежутке [Ртах] .

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в способе 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 определенным образом, согласно изобретению, при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max больше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [Ртах], 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 [Ртах], скорость сближения электродов увеличивают, удерживая величину максимума давления электролита в меЖЭЛеКТрОДНОМ Промежутке P(t)max В Пределах P(t)max>0,8[Pmax] и P(t)max<[Pmax]

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 [Ртах] уменьшают частоту колебан ий электрода-инструмента а при величине максимума давления электролита в межэлектродном промежутке P(t)max меньше допустимой величины максимального давления электролита в межэлектродном промежутке [Ртах] 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 Ро прокачивают электролит (водный раствор нейтральной кислородосодержащей соли). Электрод-инструмент совершает гармонические 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 P(t) в МЭП проходит через максимум (фиг.1). Для конкретных условий и режимов электрохимической ~* обработки, исходя из заданного минимального зазора [Smin], площади обработки F, жесткости технологической системы J устанавливают допустимое максимальное значение давления [Ртах], с которым в процессе обработки сравнивают текущее значение Pt давления в МЭП.

Ю [Ртах] = kl-J-Smin / F, где

[Ртах] - допустимое максимальное значение давления , Мпа,

ki - коэффициент, определяемый формой и размерами обрабатываемой поверхности,

J - жесткость технологической системы, Н/мкм,

15

Smin - заданный минимальный зазор, мм,

F- площадь обработки, мм (первый вариант).

Если P(t)>[Pmax], то скорость сближения электродов уменьшают, а если P(t)<[Pmax], то скорость сближения электродов увеличивают, 0 удерживая величину P(t)max В Пределах P(t)max>0,8[Pmax] И P(t)max<[Pmax]

(второй вариант) (фиг.2).

Пример конкретной реализации изобретения.

На станке ЕТ500, осевая жесткость которого J=40 Н/мкм, производилась электрохимическая обработка заготовки из высоколегированной хромистой стали 40x13 в 10%-ном водном растворе азотно-кислого натрия с использованием цилиндрического электрода- инструмента площадью 400мм . Перед началом обработки без подачи импульсов технологического тока колеблющийся электрод-инструмент и обрабатываемую заготовку сближают до касания и отводят на заданную величину минимального межэлектродного зазора [Smin] = 0,01 мм. Затем устанавливают следующий режим обработки: давления электролита на входе межэлектродного промежутка Ро = 0,25 МПа; скорость подачи 0, 15 мм/мин; температура электролита 18 °С; частота импульсов тока и колебаний электрода-инструмента 67 Гц; длительность импульсов тока ^ 2,5мс; размах колебаний электрода-инструмента на холостом ходу 0,24 мм, амплитуда импульса напряжения в момент максимального давления электролита в МЭП 10В. В процессе обработки помимо тока и напряжения измерялись усилие подачи и изменение межэлектродного Ю 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 Umax 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[Pmax] И P(t)max<[Pmax]) увеличилась примерно на 20%.

Таблица . 0

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 её 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.