способ электрохимической корректировки геометрических размеров деталей типа "кольцо"

Формула изобретения

1. Способ электрохимической корректировки геометрических размеров сложнопрофильных деталей, при котором электрохимическую обработку выполняют секционным электродом-инструментом, через секции которого, имеющие каждая собственный токоподвод от импульсного источника питания, пропускают различное количество электричества путем изменения длительности и количества импульсов технологического тока и через межэлектродное пространство непрерывно прокачивают электролит, причем параметры технологических импульсов тока для каждой секции назначают с учетом расстояния между торцевой рабочей поверхностью каждой секции и соответствующей этой секции обрабатываемой части поверхности детали, отличающийся тем, что для обработки деталей типа "кольцо" электрод-инструмент изготавливают в виде четырех секционных катодов, два из которых, одинаковых между собой, предназначены для корректировки внутренней поверхности кольца, а два других, одинаковых между собой, - для корректировки внешней поверхности кольца, катоды для внутренней поверхности кольца собирают из n одинаковых секций-секторов шайб с центральным углом 160^o, катоды для внешней поверхности кольца - из m одинаковых секций-секторов шайб с центральным углом 175^o, толщину секций выбирают из соотношений

_{min внешн.}<H/m<2_{min внешн.},

_{min внутр.}<h/n<2_{min внутр.},

где _{min внешн.} - минимальная величина межэлектродного технологического зазора между внешней поверхностью корректируемого кольца и внешним секционным катодом;

_{min внутр.} - минимальная величина межэлектродного технологического зазора между внутренней поверхностью корректируемого кольца и внутренним секционным катодом;

H - высота корректируемой зоны на внешней поверхности кольца;

h - высота корректируемой зоны на внутренней поверхности кольца,

внешний радиус n - шайб устанавливают равным

(r_{k min}+_{min внутр.}),

где r_{k min} - минимальное расстояние от центра кольца до его внутренней поверхности, измеренное в горизонтальной проекции, внутренний диаметр m - шайб устанавливают равным

(R_{k max}+ _{min внешн.})

где r_{k max} - максимальное расстояние от центра кольца до его внешней поверхности, измеренное в горизонтальной проекции,

сборку выполняют через диэлектрические прокладки малой толщины в четыре отдельных горизонтальных пакета, на каждую секцию подают импульсное биполярное напряжение с различными амплитудно-временными параметрами импульсов, корректировку геометрических размеров ведут при неподвижных электродах, фиксируя протекающий через межэлектродный зазор ток, и прекращают корректировку по достижении током пороговой величины 0,2 I_max, где I_max - амплитудная величина тока в начале процесса корректировки, причем при назначении параметров технологических импульсов тока для каждой секции соблюдают следующие условия: длительность импульса технологического тока при данной амплитудной плотности тока равна времени достижения потенциала растворения материала корректируемого кольца на расстоянии

(_min+),

где _min - величина минимального межэлектродного зазора на соответствующем данной секции участке поверхности корректируемого кольца;

- необходимая максимальная величина съема материала на соответствующем участке,

длительность и амплитуда импульса тока противоположной полярности должны быть необходимы и достаточны для обеспечения ускоренной релаксации поляризации соответствующего участка поверхности до нулевого значения, длительность паузы между окончанием импульса противоположной полярности и началом импульса технологического тока равна времени промывки межэлектродного зазора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное напряжение необходимых параметров подают на каждую секцию последовательно от программируемого одновыходного источника питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрофизических и электрохимических методов обработки, а именно к способам электрохимической размерной обработки фасонных поверхностей.

Известен способ электрохимической обработки внутренних цилиндрических поверхностей, при котором формообразование внутреннего оребрения цилиндрических поверхностей ведут перемещаемым вдоль обрабатываемой поверхности электродом-инструментом, состоящим из рабочих участков и нерабочих изолированных участков, развертка на плоскости рабочих участков которого представляет собой коаксиальные кольца шириной А, каждое из которых состоит из наружного нетокопроводящего кольца и внутреннего токопроводящего кольца, причем ширину токопроводящих колец устанавливают в зависимости от необходимой геометрии получаемых лунок [SU N 1592779, МКИ⁴ B 23 H 3/04, 1991 г.].

Недостатками известного способа являются сложная конструкция электрода-инструмента, требующая инженерных расчетов при проектировании, невозможность регулирования результирующей формы лунок ни перенастраиванием электродной системы, ни изменением параметров технологического тока.

Известен способ электрохимической обработки, при котором с целью повышения качества обработки используют электрод-инструмент с дискретной формообразующей поверхностью, рабочая часть которого выполнена из отдельных токоподводящих элементов в виде пакета параллельных пластин с возможностью вертикального перемещения и установленных с промежутком относительно друг друга при помощи разделительных шайб меньшего горизонтального размера, чем токоподводящие пластины [SU N 1815040, МКИ⁴ B 23 H 7/22, 1993 г.].

Недостатком известного способа является сложность создания избыточного давления электролита в межэлектродном зазоре, а также опасность возникновения турбулентных завихрений при течении электролита.

Совпадающим признаком известного технического решения [SU N 1592779] и заявляемого технического решения является обработка при постоянно удаляющейся границе раздела "анод-электролит" и обработка каждым рабочим участком катода своего участка поверхности анода. В известном техническом решении этот признак преследует цель - получение на внутренней поверхности трубы оребрения (лунок) заданных геометрических параметров в заданное технологическое время, в предлагаемом - растворение выступающих за пределы допуска участков поверхности корректируемого кольца за счет использования возможностей "саморегулирования" по точности обработки процесса импульсной размерной обработки.

Близким по сути признаком известного технического решения [SU N 1815040, МКИ⁴ B 23 H 7/22, 1993 г.] и заявляемого технического решения является то, что рабочая часть электрода-инструмента выполнена из отдельных токоподводящих элементов в виде пакета параллельных пластин. В известном техническом решении этот признак используют для повышения качества обработки, а в предлагаемом - дополнительно для селективного растворения необходимых участков поверхности сложного профиля корректируемого кольца.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ размерной электрохимической обработки, при котором с целью повышения точности обработки на все секции электрода-инструмента в начале каждого цикла обработки одновременно подают импульс тока, запоминают его амплитуду через каждую секцию и подают на секции импульсы технологического тока, причем количество электричества через каждую секцию выбирают пропорционально отношениям амплитуд первых импульсов тока через каждую секцию к максимальной величине первого импульса тока [А. с. СССР N 1426714, МКИ⁴ B 23 H 3/02, 1988 г.] - (прототип).

К недостаткам способа следует отнести:

- необходимость пропускания дополнительных импульсов тока через каждую секцию электрода-инструмента в начале каждого цикла обработки;

- необходимость запоминания амплитуд "тестирующих" импульсов тока и их сравнение с количеством пропускаемого электричества через каждую секцию электрода-инструмента;

- необходимость многих циклов обработки для получения конечной детали, так как обработку ведут в импульсно-циклическом режиме.

Техническая задача изобретения - повышение точности обработки и расширение технологических возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что при обработке сложнопрофильных деталей типа "кольцо" используются четыре секционных катода (А, Б, В, Г), два одинаковых между собой - А и Б - для корректировки внутренней поверхности кольца, и два одинаковых между собой - В и Г - для корректировки внешней поверхности кольца, состоящие, соответственно, из "n" одинаковых секций-секторов шайб для корректировки внутренней поверхности кольца, и "m" одинаковых секций-секторов шайб для корректировки внешней поверхности кольца, каждая из которых имеет собственный токоподвод от импульсного источника питания, собранных через диэлектрические прокладки пренебрежимо малой толщины в четыре отдельных горизонтальных пакета, соответственное расположение катодов относительно корректируемых участков поверхности кольца, непрерывное прокачивание электролита через межэлектродное пространство, подача на каждую секцию своего импульсного биполярного напряжения, различающегося амплитудно-временными параметрами импульсов, причем параметры импульсов тока для каждой секции назначаются, исходя из расстояния между торцевой рабочей поверхностью каждой секции и соответствующей этой секции обрабатываемой части поверхности детали-кольца, соблюдая следующие условия: - длительность импульса технологического тока при данной амплитудной плотности тока равна времени достижения потенциала растворения материала корректируемого кольца на расстоянии (_min+), где _min - величина минимального межэлектродного зазора на соответствующем данной секции участке поверхности корректируемого кольца, - необходимая максимальная величина съема материала на соответствующем участке;

- длительность и амплитуда импульса тока противоположной полярности необходимы и достаточны для обеспечения ускоренной релаксации поляризации соответствующего участка поверхности до нулевого значения;

- длительность паузы между окончанием импульса противоположной полярности и началом импульса технологического тока равна времени промывки межэлектродного зазора;

причем секции катодов А и Б выполнены в виде секторов шайб с центральным углом 160^o, а секции катодов В и Г - в виде секторов шайб с центральным углом 175^o, толщина секций выбирается из соотношений:

_{min.внешн}< H/m < 2_{min.внешн};

_{min.внутр}< h/n < 2_{min.внутр},

где _{min.внешн} - минимальная величина межэлектродного технологического зазора между внешней поверхностью корректируемого кольца и внешним секционным катодом, _{min.внутр} - минимальная величина межэлектродного технологического зазора между внутренней поверхностью корректируемого кольца и внутренним секционным катодом, H - высота корректируемой зоны на внешней поверхности кольца, h - высота корректируемой зоны на внутренней поверхности кольца, внешний радиус "n"-х шайб устанавливают равным (r_Kmin + _{min.внутр}), где r_Kmin- минимальное расстояние от центра кольца до его внутренней поверхности, измеренное в горизонтальной проекции, внутренний диаметр "m"-х шайб устанавливают равным (R_Kmax + _{min.внешн}), где R_Kmax - максимальное расстояние от центра кольца до его внешней поверхности, измеренное в горизонтальной проекции. Корректировка ведется при неподвижных электродах, фиксируется протекающий через межэлектродный зазор ток, и корректировка прекращается при достижении током пороговой величины 0,2 I_max, где I_max - амплитудная величина тока в начале процесса корректировки.

На чертеже представлена схема взаимного расположения электродов-инструментов и корректируемой детали типа "кольцо", где цифрами обозначены: 1 - корректируемая деталь; 2, 3 - соответственно секционный катод А и Б для корректировки внутренней поверхности кольца; 4, 5 - соответственно секционный катод В и Г для корректировки внешней поверхности кольца; 6 - отдельные токоподводы к каждой секции катода; 7 - диэлектрические прокладки между секциями; 8 - направление прокачивания электролита через межэлектродный зазор; 9 - зоны износа по внутренней поверхности кольца; 2 - зоны износа по внешней поверхности кольца.

Суть способа можно пояснить следующим образом. Электрохимическая размерная обработка импульсами тока, длительность которых соизмерима с продолжительностью нарастания поляризации растворяемого анода (это, как правило, импульсы тока микросекундного диапазона длительностей), позволяет получить высокую локализацию процесса растворения только на необходимых участках анода определенным выбором амплитудно-временных параметров импульсов технологического тока [1] . Потенциал обрабатываемого электрода является функцией тока, протекающего через границу раздела электрод-раствор электролита. Выбором амплитуды и длительности импульсов можно добиться формирования потенциала анодного растворения только на участках, наиболее близких к поверхности катода. Величину этого участка можно изменять (в большую сторону) увеличением амплитуды и длительности импульса. При поддержке постоянными этих параметров при неизменном расположении анода и катода относительно друг друга граница раздела анод-раствор электролита будет удаляться от катода вплоть до прекращения процесса растворения при превышении величиной межэлектродного зазора определенного критического значения, установленного заранее. То есть процесс является саморегулирующимся. Однако, осуществление процесса локального растворения и его восстановление от импульса к импульсу возможно лишь при условии полной релаксации свойств среды и величины анодной поляризации в паузе между импульсами технологического тока. Чем длиннее пауза, тем полнее процессы релаксации, тем выше и локализация процесса растворения, хотя его производительность при этом уменьшается. Кроме того, процесс релаксации поляризации в зависимости от параметров импульсов может быть очень длительным во времени (до 0,5- 1 с). Поэтому вместо значительного увеличения скважности импульсов технологического тока в момент паузы целесообразно подавать импульсы тока противоположной полярности, длительность и амплитуда которых необходимы и достаточны для обеспечения ускоренной релаксации поляризации соответствующего участка поверхности до нулевого значения.

Использование секционных катодов вызвано необходимостью обработки сложнопрофильных поверхностей деталей типа "кольцо", например колец прядильных машин для производства пряжи из натурального и химического волокна. Подача на каждую секцию импульсов тока соответствующих амплитудно-временных параметров позволяет независимо обрабатывать различные участки поверхности, требующие в каждом конкретном случае различной степени корректировки, которая определяется предварительными геометрическими замерами формы кольца.

Толщина секций-шайб выбирается на основании соотношений

_{min.внешн}< H/m < 2_{min.внешн};

_{min.внутр}< h/n < 2_{min.внутр},

таким образом, чтобы обеспечить перекрытие соседних зон обработки, расширить возможности корректировки поверхностей любой сложности формы за счет высокой дискретности.

Прекращение корректировки при достижении током пороговой величины 0,2 I_max, где I_max - амплитудная величина тока в начале процесса корректировки, обуславливается тем, что при выполнении этого условия в протекающем через межэлектродный промежуток токе практически отсутствует фарадеевская составляющая, а весь ток тратится на заряжение емкости двойного электрического слоя и побочные электрохимические реакции.

Примеры конкретного исполнения

Операция - электрохимическая корректировка геометрических размеров (некруглости) колец прядильных машин хлопчатобумажного производства. Материал колец - сталь 2Х13. Некруглость, образовавшаяся в процессе износа при трении бегунка по поверхности кольца, составляет в зоне износа величину 0,15 мм (см. фиг. 1). Ширина зоны износа по периметру кольца составляет 2,00 мм. Высота кольца - 10 мм. Для корректировки некруглости в зоне износа используются секционные катоды-инструменты в виде собранных в пакет плоских секторов шайб толщиной 0,5 мм. Материал шайб - нержавеющая сталь Х18Н9Т. Шайбы разделены между собой тонким слоем диэлектрического лака или полимера. Количество катодных секций для корректировки внутренней поверхности кольца n = 4 (по 4 на катодах А и Б), количество катодных секций для корректировки внешней поверхности кольца m = 4 (по 4 на катодах В и Г).

Величины _{min.внешн} и _{min.внутр} составили величину 0,5 мм, они устанавливаются аппаратурно. Величины на соответствующих участках в рассматриваемом примере составили:

_m1 = 0,08 мм; _m2 = 0,15 мм; _m3 = 0,10 мм; _m4 = 0,07 мм;

_n1 = 0,10 мм; _n2 = 0,15 мм; _n3 = 0,10 мм; _n4 = 0,06 мм.

Величины на соответствующих участках в рассматриваемом примере составили:

_m1 = 0,5 мм; _m2 = 1,1 мм; _m3 = 1,8 мм; _m4 = 2,5 мм;

_n1 = 0,5 мм; _n2 = 0,9 мм; _n3 = 1,3 мм; _n4 = 1,7 мм.

Скорость прокачивания электролита - 0,1 м/с, используемый электролит - водный раствор хлорида натрия 80 г/л. Выбор состава электролита обусловлен тем, что в этом электролите наиболее замедлены процессы поляризации электрода и при соответствующем выборе амплитудно-временных параметров импульсов технологического тока можно обеспечить необходимую в нашем случае величину локализации процесса растворения [2, 3].

Параметры импульсов напряжения для одинаковых секций катодов А и Б устанавливаются одинаковыми (то есть эти секции электрически соединены между собой). Аналогично и для соответствующих секций катодов В и Г. На каждую катодную секцию подаются импульсы напряжения своих амплитудно-временных параметров от многоконтурного источника питания, либо последовательно от программируемого одноконтурного источника питания. Временная зависимость импульсов следующая: импульс положительной полярности длительностью t_имп и амплитудой I_имп, первая пауза длительностью t_п1, импульс отрицательной полярности длительностью t_{имп.отр} и амплитудой I_{имп.отр}, вторая пауза длительностью t_п2. Фиксируется амплитудное значение тока, протекающего через межэлектродный зазор, и корректировку по данной секции катода прекращают при достижении током пороговой величины 0,2 I_max, где I_max - амплитудная величина тока в начале процесса корректировки. Параметры импульсов следующие:

m₁: I_имп = 6 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 1,8 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

m₂: I_имп = 12 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 3,4 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

m₃: I_имп = 17 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 4,2 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

m₄: I_имп = 20 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 5,0 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

n₁: I_имп = 7 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 2,0 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

n₂: I_имп = 10 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 3,0 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

n₃: I_имп = 14 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 3,8 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

n₄: I_имп = 16 А; t_имп = 1 10^-4 с; t_п1 = 5 10^-5 с; I_{имп.отр} = 4,0 А; t_{имп.отр} = 5 10^-5 с; t_п2 = 5 10^-5 с;

Время обработки по секциям составило:

T_m1 = 45 с; T_m2 = 47 с; T_m3 = 34 с; T_m4 = 38 с;

T_n1 = 21 с; T_n2 = 41 с; T_n3 = 39 с; T_n4 = 29 с;