способ комбинированной электрохимической обработки

Формула изобретения

СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ деталей машин, при котором технологическое напряжение изменяют в процессе обработки, отличающийся тем, что используют трубчатый электрод-инструмент с алмазно-абразивным слоем на токопроводящей связке, сформированным на рабочем торце, при этом обработку осуществляют с осевой подачей вращающимся электродом-инструментом в три этапа, певый из которых при удалении поверхностного дефектного слоя ведут в режиме электроабразивной обработки, второй - в режиме электрохимической обработки, а на заключительном этапе при удалении перемычки между заготовкой и образующимся центральным выступом-керном технологическое напряжение отключают и обработку ведут в режиме механической обработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к электрофизикохимической обработке, и касается способов комбинированной электрохимической обработки. Изобретение может быть использовано при прошивке (трепанации) отверстий в деталях энергетических установок из труднообрабатываемых материалов.

Известны способы электрохимической обработки прошивки сквозных отверстий в деталях машин, при которых формообразование ведут полым электрод-инструментом с центральным отверстием для подачи электролита в зону обработки. К недостаткам известных способов относится то, что на заключительном этапе обработки при выходе электрод-инструмента из тела детали за счет вибраций, перекосов, нестабильностей гидродинамического режима и других факторов центральная часть заготовки, удаляемая при прошивке выступ (керн), может вызвать короткое замыкание. При этом возможен выход из строя электрод-инструмента или обрабатываемой детали. Кроме того, известные способы электрохимической обработки не могут обеспечить высокую эффективность при изготовлении деталей с поверхностным дефектным слоем (т.е. при начальном этапе обработки врезании электрод-инструмента).

Для устранения указанных недостатков предложены способы электрохимической обработки, когда центральную часть выступ (керн) фиксируют путем приклеивания к диэлектрической подложке или путем закрепления керна в специальном упругом диэлектрическом элементе, вмонтированном во внутреннюю полость электрод-инструмента. К недостаткам известных технических решений относится сложность их конструктивно-технологической реализации.

Известны также способы электрофизикохимической обработки деталей машин, когда обработку удаление поверхностного дефектного слоя (образуемого, например, при электрофизической резке заготовок), осуществляют нерабочей боковой поверхностью вращающегося дискового электрод-инструмента с абразивно-изоляционным, токонепроводящим покрытием. Недостатком известного технического решения являются технологические ограничения, возможность реализации при простейших операциях типа резки заготовок, что не дает возможность эффективного использования при прошивочных операциях.

Известно также выбранное в качестве прототипа техническое решение, когда для улучшения технологических показателей пpоцесса размерной электрохимической обработки деталей, имеющих поверхностный дефектный слой, снижения энергоемкости обработки, ее осуществляют в два этапа. На начальном этапе при удалении поверхностно дефектного слоя используют определенные оптимальные технологические режимы, а на втором этапе, когда производят растворение материала тела детали технологическое напряжение, уменьшают на 20-50% от величины, минимально необходимой для анодного растворения дефектного слоя. К недостаткам прототипа относится то, что его технологические возможности также ограничены и неприемлемы для прошивочных операций электрохимической обработки с получением центрального выступа.

Целью изобретения является повышение стабильности процесса электрохимической обработки деталей машин, расширение технологических возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе комбинированной электрохимической обработки деталей машин, когда обработку осуществляют поэтапно и изменяют величину технологического напряжения, первый этап обработку поверхностного дефектного слоя детали проводят без наложения на электроды технологического напряжения, необходимого для протекания анодного растворения материала, а достаточного для комбинированного процесса абразивного (алмазного) электрохимического процесса. Второй этап осуществляют при наложении на электроды технологического напряжения, достаточного для протекания нормального процесса размерной электрохимической обработки. При выходе электрод-инструмента из тела детали третий этап комбинированной обработки ведут без наложения на электроды технологического напряжения в режиме механической абразивной (алмазной) обработки. На всех этапах способа комбинированной электрохимической обработки в рабочую зону подают раствор рабочего электролита, который на первых этапах реализации анодного растворения материала детали, а на заключительном этапе играет роль СОЖ. Для снижение износа рабочего торца электрод-инструмента с абразивным (алмазным) покрытием на токопроводящей связке на первом этапе способа комбинированной электрохимической обработки, когда удаляется поверхностный дефектный слой, технологическое напряжение уменьшают в 2-10 раз по сравнению с величиной напряжения на следующем этапе обработки растворении материала тела детали.

На фиг. 1 представлена технологическая схема способа комбинированной электрохимической обработки деталей машин при реализации первого этапа удаления поверхностного дефектного слоя. На столе 1 электрохимического станка устанавливают и закрепляют деталь 2, имеющую поверхностный дефектный слой 3 толщиной Z₁. К детали подводят полый электрод-инструмент 4, имеющий центральное отверстие для подачи электролита в зону обработки. На рабочей торцевой поверхности электрод-инструмента 4 имеется абразивный (алмазный слой 5 на токопроводящей связке.

Источник технологического напряжения 6, имеющий ключи К1 и К2 и обеспечивающий режимы электрохимической обработки и алмазного (абразивного) электрохимического шлифования, в соответствующей полярности подключен к детали 2 и электрод-инструменту 4. В столе станка выполнена полость 7 для выхода электрод-инструмента в конце обработки.

Реализацию способа комбинированной электрохимической обработки осуществляют следующим образом.

Включают прокачку рабочего электролита, на электроды подают технологическое напряжение, электрод-инструменту 4 сообщают рабочее вращение и осевую подачу V_эи, равную скорости съема металла дефектного слоя 3. При этом включен ключ К1, а ключ К2 выключен, чем обеспечивается режим абразивного (алмазного) электрохимического растворения.

На фиг.2 показана технологическая схема, иллюстрирующая второй этап способа комбинированной электрохимической обработки детали.

Электрод-инструмент 4 заглублен в тело детали 2, расположенной на столе 1 электрохимического станка. Процесс ведут в режиме электрохимической обработки, поэтому у источника технологического напряжения 6 ключ К1 включен, а ключ К2 выключен. По мере осевого перемещения электрод-инструмента 4 формируется центральный выступ-керн 8.

На фиг.3 представлена технологическая схема для иллюстрации заключительного этапа обработки, когда на электроды не подают технологического напряжения от источника 6 и ключи К1 и К2 соответственно выключены. Рабочий торец 5 электрод-инструмента 4 осуществляет механическую обработку (абразивную или алмазную) остающейся перемычки детали 2, освобождая центральный выступ 8. На этом этапе снимается окончательный припуск Z₃ после соответствующего съема припусков Z₁ и Z₂ на предыдущих этапах. Естественно, что на заключительном этапе обработки (фиг.3) центральный выступ-керн имеет значительные размеры, массу, следовательно, при вибрациях, гидродинамической нестабильности процесса возможно появление коротких замыканий, выход из строя электрод-инструмента или детали. Поэтому целесообразно оставить перемычку Z₃, обеспечивающую необходимую жесткость системы выступ-деталь, причем обработку на третьем этапе ведут при выключенном технологическом напряжении. При этом ключи К1 и К2 выключают для реализации механической абразивной (алмазной) обработки, когда время обработки определяется по формуле

T_з=

(1) Толщину перемычки выбирают в диапазоне Z₃ 0,3 0,5 мм по следующим соображениям. Если Z₃ > 0,5 мм, то поскольку на третьем заключительном этапе способа комбинированной электрохимической обработки имеет место механический съем материала при отключении источника технологического напряжения, возможен значительный износ рабочей поверхности электрод-инструмента 4 (см. фиг. 3). В противном случае, когда Z₃ < 0,3 мм, имеет место недостаточная жесткость системы деталь-выступ (с учетом подачи под давлением в рабочий межэлектродный промежуток электролита).

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено что толщина дефектного слоя деталей машин Z₁ может быть 50 100 мкм. Скорость рабочего осевого перемещения вращающегося электрод-инструмента для прошивочных операций электрохимической обработки составляет порядка 2-4 мм/мин. Максимальное время удаления поверхностного дефектного слоя может быть определено, как

T₁=

(2) Оценки показывают, что время составляет порядка 0,02.0,05 мин, причем эту величину можно считать приемлемой для обеспечения стойкости электрод-инструмента.

На фиг. 4 показано изменение технологического напряжения при реализации трех этапов способа комбинированной электрохимической обработки, когда снимаются припуски Z₁, Z₂ и Z₃. Соответственно напряжение принимает значения U_аэхш, U_эхо и в конце обработки нуль.

Анализ показывает, что первый этап врезание электрод-инструмента 4 в деталь 2 и обработка дефектного слоя Z₁ сопровождается определенным износом торцевой рабочей поверхности электрод-инструмента. Для снижения износа, как это показано на фиг.4 первый этап обработки осуществляют в режиме абразивной (алмазной) электрохимической обработки при подаче на электроды технологического напряжения в 2-10 раз меньшего, чем напряжение электрохимической обработки, характерное для второго этапа. Оценки показывают, что величина технологического напряжения электрохимической обработки составляет порядка 12-24 В, поэтому на первом этапе величину технологического напряжения снижают до 1-6В.

Заявляемое техническое решение было реализовано на экспериментальной электрохимической установке, обеспечивающей вращение и осевую подачу электрод-инструмента, имеющего центральное отверстие для подачи электролита в зону обработки. В заготовках из сплава ЭИ-437 толщиной 35 мм вырезались отверстия диаметром 80 мм, причем образующиеся в результате обработки центральные выступы-керны в виде дисков диаметром 72 мм впоследствии использовались для металлографических анализов. Электрод-инструмент имел частоты вращения 50 с-1, скорость осевого перемещения 2 мм/мин: геометрические размеры инструмента: наружный диаметр 79,7 мм, внутренний 73 мм.

При обработке использовался электролит 15-ный водный раствор поваренной соли, подаваемый в зону обработки под давлением до 10 кгс/см² (до 1 МПа) при температуре 293-303К. На торцевой поверхности электрод-инструмента имелся слой алмазных зерен на никелевой связке. Источник технологического напряжения на втором этапе электрохимической обработки обеспечивал напряжения 15 В, плотность тока 70 А/дм², время обработки при этом 17,5 мин. На первом этапе при обработке дефектного слоя технологическое напряжение уменьшали до 5 В, время обработки 5 с. На заключительном этапе перемычка обрабатывалсь за 10-15 с. Шероховатость поверхности после обработки порядка R_a 2,5 мкм. По сравнению с прототипом изобретение обеспечивает повышение стабильности процесса при прошивочных операциях с образованием в заготовке центрального выступа-керна, расширение технологических возможностей.