Способ электрохимической размерной обработки

 

Использование: электрохимическая размерная обработка деталей с обеспечением высокой точности формообразования. Сущность изобретения: задают колебательное движение одному из электродов, подают рабочие импульсы от источника питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, синхронизируя начало подачи импульсов с фазой сближения электродов. Контролируют текущее значение напряжения в импульсе и регулируют значение напряжения путем изменения режимов обработки. После установки равновесного межэлектродного зазора каждый контролируемый импульс делят с заданной дискретностью и в полученных одноименных точках соседних импульсов измеряют значения тока и напряжения, вычисляют и сравнивают сопротивления и последовательно регулируют скорость подачи электрода и / или выличину давления электролита на входе в межэлектродный промежуток, и / или момент подачи импульса тока с соблюдением условий , определяемых рядом математических зависимостей. 7 ил.

Изобретение относится к прецизионной электрохимической обработке металлов и сплавов, а именно к способам электрохимической размерной обработки.

Известен способ электрохимической обработки в проточном электролите в условиях периодических колебаний электрода-инструмента, синхронизированных с импульсами технологического тока, когда регулирование межэлектродного зазора производят по значениям электрических параметров, вызванным кавитацией электролита при колебании электродов, в частности по значению второй производной электрического сопротивления межэлектродного промежутка при отводе электрода-инструмента [1] Однако этот способ ограничен регулированием только величины межэлектродного зазора (МЭЗ).

Способ не указывает, как нужно поступать с влияющими на процесс параметрами в различных ситуациях. Следовательно, не позволяет оптимально регулировать значения влияющих на процесс факторов и тем самым не дает возможности увеличить производительность, повысить точность обработки и улучшить качество поверхности.

Известен также способ электрохимической размерной обработки с использованием импульсного источника питания с падающей вольт-амперной характеристикой, при котором 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 напряжения на участке разведения (2).

Однако при осуществлении существующих способов ЭХО регулирование значений влияющих факторов пpоизводят вручную, наблюдая за изменением формы импульса по осциллографу. А чтобы определить, какой фактор каким образом влияет на форму импульса напряжения в различных условиях, необходимо произвести сложные теоретические расчеты или получить данные на основе огромного объема научно-экспериментальных исследований. На практике же правильность принятых решений в различных ситуациях на основании формы осциллограммы напряжения зависит от квалификаций технолога и оператора, т.е. зависит от субъективных факторов.

Наиболее близким аналогом является способ электрохимической размерной обработки, в котором при использовании импульсного источника питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, обработку выполняют при вибрации одного из электродов и подаче импульсов напряжения в фазе сближения электродов, при котором контролируют текущее значение импульсов напряжения, выделяя импульсы напряжения на участках сближения и разведения электродов и регулируя их значения, изменяя давление электролита на входе в межэлектродный зазор [3] Недостатком известного способа является, во-первых, то, что он не позволяет получить полную информацию об опасной величине минимального межэлектродного зазора (МЭЗ) с точки зрения возникновения короткого замыкания, что не позволяет вести процесс на наименьших значениях МЭЗ и, следовательно, достичь максимальной производительности, точности и качества обработки. Во-вторых, в различных ситуациях может оказаться недостаточным диапазон изменения давления электролита на входе в МЭЗ для оптимизации процесса. Причем отсутствуют рекомендации по определению порядка и диапазона регулирования при одновременном действии (например, давления электролита, момента подачи импульса напряжения относительно момента достижения максимального сближения электродов, скорости подачи) нескольких параметров.

Кроме того, регулирование параметров в настоящее время осуществляют вручную, например, изменяют давление электролита путем регулирования производительности насоса подачи электролита или момента подачи импульса, или скорости подачи, визуально наблюдая за формой импульса напряжения по осциллографу. Это делает технолог или опытный оператор по своему усмотрению, т.е. всегда существует субъективный фактор, нет критерия для объективной оценки существующей ситуации в МЭП.

Таким образом, известные способы электрохимической размерной обработки в условиях применения колебательного движения электрода, синхронизированного с подачей импульсов напряжения, не во всех случаях обеспечивают достижение максимальной производительности, точности и качества обработки при формообразовании сложнофасонных поверхностей и прошивке полостей постоянного сечения в партии деталей, так как достижение максимальных значений выходных технолологических показателей зависит от квалификации технолога или оператора, т.е. от субъективных факторов.

В основу изобретения положен способ электрохимической размерной обработки с принудительным колебанием одного из электродов, синхронизированным с подачей на них импульсов напряжения, который обеспечивает возможность автоматизации регулирования оптимальных значений параметров и подобрать такое их сочетание и диапазоны их регулирования (например, давления электролита на входе в МЭП, момент подачи импульсов относительно момента максимального сближения электродов, скорости подачи) по надежным критериям, которое обеспечит автоматически без вмешательства опытного специалиста, высокие выходные технологические показатели процесса. Причем автоматизация процесса ускорит и повысит надежность внедрения электрохимических станков в производство.

Поставленная задача решается тем, что при электрохимической размерной обработке одному из электродов задают колебательное движение, подают рабочие импульсы от источника питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, синхронизируя начало подачи импульсов с фазой сближения электродов, контролируют текущее значение напряжения в импульсе и регулируют значение напряжения путем изменения режимов обработки, при этом после установки равновесного МЭЗ каждый контролируемый импульс делят с заданной дискретностью Δ t на N₁отрезков от момента максимального сближения электродов до начала импульса и на N₂ отрезков от момента максимального сближения электродов до конца импульса, в полученных одноименных точках соседних импульсов измеряют значения технологического тока и напряжения, вычисляют и сравнивают сопротивления и последовательно регулируют скорость подачи электрода и/или величину давления электролита на входе в межэлектродный промежуток, и/или момент подачи импульса тока из условия выполнения следующих соотношений: Δ R_i^j,j+1 R_i^j+1 R_i^j ≅ 0; Δ R_k^j,j+1 R_k^j+1 R_k^j ≅ 0 ≥ ≥ a (ΔR^j_i^,j+1)²-(ΔR^j_k^,j+1)² (U^j_i⁺¹-U^j_i)²;(U^j_k⁺¹-U^j_k)² принимали минимальные значения, близкие к нулю, где U_i^j; R_i^j; R_i^j+1;U_i^j+1 значения напряжений и сопротивлений (j+1) и j-того импульсов в i-й точке, выбранной в зоне сближения электродов; U_k^j; R_k^j; U_k^j+1; R^j+1 значения напряжений и сопротивлений (j+1) и j-того импульсов в k-той точке, выбранной в зоне удаления электродов; R значение сопротивления межэлектродного промежутка в момент максимального сближения электродов при подаче (j+1) и j-того импульсов.

Предлагаемый способ электрохимической обработки позволяет выполнять различные копировально-прошивочные операции и операции с использованием непрофилированного электрода-инструмента (ЭИ) в заготовках из труднообрабатываемых материалов с высокой производительностью, точностью и качеством обработки как при изготовлении партий сложнофасонных поверхностей, так и при прошивке полостей постоянного сечения.

На фиг. 1 изображена схема осуществления предлагаемого способа электрохимической обработки; на фиг. 2 временная диаграмма изменения параметров процесса (напряжения, сопротивления, тока) при колебательном движении ЭИ относительно поверхности обрабатываемой заготовки; на фиг.3 характер изменения межэлектродной среды в процессе колебания электрода; на фиг.4 форма импульсов напряжения и тока, подаваемых в момент максимального сближения электродов в начале обработки; на фиг.5 временные диаграммы при наличии выброса напряжения по заднему фронту импульса, соответствующего удалению друг от друга электродов; на фиг.6 временные диаграммы при наличии выброса напряжения по переднему фронту импульса, соответствующего сближению электродов; на фиг. 7 временная диаграмма изменения траектории движения ЭИ, импульса напряжения и давления электролита при малых зазорах.

Предлагаемый способ заключается в следующем. От источника 1 (фиг.1) питания на электрод, являющийся инструментом 2, и на электрод, являющийся обрабатываемой заготовкой 3, подают импульсы тока. Колебания инструмента 2 в направлениях, указанных стрелками, синхронизированы так, что импульс тока подается в фазе сближения электродов и в момент времени, когда инструмент 2 и обрабатываемая заготовка 3 расположены друг от друга на минимальном расстоянии S_мин (фиг.2а).

При электрохимической обработке в проточном электролите с давлением Р₁ (фиг. 1) на входе межэлектродного промежутка S инструмент 2 приближается к обрабатываемой заготовке 3 с высокой скоростью колебательного движения, создаваемого с помощью двигателя 4. Обрабатываемая заготовка 3 установлена на столе 5, перемещающемся в направлении к инструменту 2 со скоростью V. В результате быстрого пpиближения инструмента 2 к обрабатываемой заготовке 3 в межэлектродном зазоре S начинает повышаться гидродинамическое давление Р_s (фиг. 3) электролита, парогазовые пузырьки 6, содержащиеся в электролите и выделяющиеся при электрохимическом процессе, сжимаются и растворяются в электролите. Это приводит к тому, что в этих условиях процесс анодного растворения поверхности заготовки протекает в условиях значительного снижения вероятности пробоя межэлектродного зазора S из-за отсутствия парогазовых пузырьков 6. Это позволяет существенно повысить точность, производительность и качество обработки вследствие обеспечения возможности работы при чрезвычайно малых межэлектродных зазорах S.

При быстром отводе инструмента от обрабатываемой заготовки 3 давление Р_s резко падает. В межэлектродном зазоре S начинается интенсивный рост парогазовых пузырьков 6, растворенных в электролите, т.е. начинается кавитация, обусловленная падением давления электролита в межэлектродном зазоре S. Это вызывает резкое увеличение сопротивления межэлектродного зазора S и, следовательно, напряжения U₁ (фиг.2с).

При электрохимической обработке интенсивность образования парогазовых пузырьков 6 (фиг.3), вызываемых кавитацией при подводе и отводе инструмента относительно поверхности заготовки, зависит от синхронизации момента подачи импульса тока относительно момента максимального сближения S_мин (фиг.2а) электродов, и от величины давления электролита на входе межэлектродного зазора Р₁ (фиг.1). Поэтому в процессе электрохимической обработки с колебательным движением инструмента 2, синхронизированным с подачей импульсов тока, могут появляться выбросы U₂(R₂) (фиг. 2в) и U₁(R₁) (фиг.2с) напряжения (сопротивления) как по переднему, так и по заднему фронтам. Причем амплитуда выбросов U₂(R₂) и U₁(R₁) напряжений (сопротивлений) зависит также и от опережения или запаздывания момента подачи импульса тока относительно момента максимального сближения электродов. Эти выбросы U₁(R₁), U₂(R₂) напряжений (сопротивлений) связаны не только с изменением величины межэлектродного зазора S, но и с изменением гидродинамических условий в нем. Поэтому очень важное значение имеет синхронизация момента подачи импульсов тока с моментом создания оптимальных гидродинамических условий в межэлектродном зазоре S.

На фиг. 2в приведен случай, когда давление электролита на входе межэлектродного зазора больше оптимального, т.е. Р₁ > Р_опт. В этом случае при сближении электродов, когда межэлектродный зазор еще достаточно большой (S > S_мин) в электролите, протекающем с большой скоростью, в результате резкого изменения направления его течения ≈ 90^она входе в торцовый межэлектродный зазор образуется турбулентное течение с возникновением кавитационных явлений.

В результате образования парогазожидкостной смеси резко увеличивается сопротивление R₂ межэлектродной среды и падает технологический ток I₂ в межэлектродном зазоре. При этом происходит перераспределение напряжения между внутренним сопротивлением источника питания и сопротивлением межэлектродной среды. Это проявляется в виде искажения осциллограмм импульсов напряжения U₂ и технологического тока I₂ межэлектродном промежутке. В данном случае эффективно используется только середина и вторая половина импульса напряжения, поэтому технологические характеристики процесса (производительность, точность и качество обработки) невысокие.

На фиг. 2с показан случай, когда давление электролита на входе межэлектродного зазора меньше оптимального, т.е. Р₁ < Р_опт.
В данном случае из-за недостаточного расхода электролита через межэлектродный промежуток происходит его запирание продуктами электродных реакций (шламом, парогазожидкостной смесью) при подаче второй половины импульса. При этом резко повышается сопротивление R₁межэлектродного промежутка, следовательно, и напряжение U₁ и уменьшается плотность технологического тока I₁, происходит макроскопические пробои межэлектродного промежутка, приводящие впоследствии к короткому замыканию. Происходит ухудшение качества и снижение производительности обработки.

Таким образом, и в данном случае технологические показатели процесса также невысокие. Поэтому для оптимизации процесса с целью повышения технологических характеристик электрохимической обработки необходимо активно воздействовать на процесс обработки путем улучшения гидродинамических условий в межэлектродном промежутке. Это достигается путем увеличения или уменьшения давления электролита на входе межэлектродного зазора при осуществлении процесса. Вследствие улучшения гидродинамических условий в межэлектродном зазоре используется эффективно практически все количество электричества, приложенного импульсного тока.

Наиболее производительным, обеспечивающим высокую точность и качество обработки является случай, когда Р₁ Р_опт. В этом случае процесс электрохимического растворения происходит в оптимальных гидродинамических условиях и технологические характеристики процесса значительно выше, чем при рассмотренных выше случаях.

Это соответствует той ситуации, когда выбросы импульса электрического параметра (напряжения, сопротивления) по переднему и заднему фронтам, примерно имеют одно и то же значение.

В процессе электрохимической обработки с колебательным движением электрода 2 (фиг.1), синхронизированным с подачей импульсов, могут проявляться выбросы U₁(R₁) (фиг.5) и U₂(R₂) (фиг.6) напряжения (сопротивления) как по заднему, так и по переднему фронтам при подаче импульсов с запаздыванием или опережением относительно момента достижения минимального зазора между электродами. Причем амплитуда выбросов U₁ (R₁) и U₂(R₂) напряжений (сопротивлений) зависит как от гидродинамических условий, так и от времени опережения или запаздывания подачи импульса относительно момента максимального сближения электродов.

Проведенные исследования показали, что при приблизительном равенстве амплитуд выбросов U₁(R₁), U₂(R₂) напряжения (сопротивления) по заднему и переднему фронтам производительность, точность и качество обработки выше, чем при значительном превышении амплитуды одного из выбросов U₂(R₂), U₁(R₁) напряжения (сопротивления) по переднему и заднему фронту.

Поэтому, если при удалении друг от друга электродов регистрируют значительный выброс U₁(R₁) напряжения (сопротивления) по заднему фронту импульса, то это означает, что в межэлектродном зазоре S созданы плохие гидродинамические условия или процесс происходит при повышенных значениях межэлектродного зазора S, что проявляется в резком уменьшении тока I₁, и оптимальные условия обработки создаются при сближении электродов. Поэтому в этом случае импульс тока подают несколько раньше момента максимального сближения S_мин электродов. При этом момент создания оптимальных условий обработки определяют по величине выбросов напряжения (сопротивления), появившихся до момента максимального сближения S_мин электродов и после него. Амплитуды этих выбросов должны быть приблизительно равны по величине, но меньше заданного. Если при подборе давления электролита на входе МЭП и синхронизации момента подачи импульса напряжения с моментом сближения электродов переходят момент создания оптимальных условий обработки, то выброс U₂(R₂) (фиг.6) напряжения (сопротивления) появляется по переднему фронту импульса. Механизм возникновения этого выброса, связанного с гидродинамическими явлениями в межэлектродном зазоре, был рассмотрен выше.

Чтобы уменьшить амплитуду выброса U₂(R₂) напряжения (сопротивления) по переднему фронту и, следовательно, создать оптимальные условия обработки, подачу импульса тока осуществляют с некоторым запаздыванием относительно момента максимального сближения S_мин электродов или уменьшают давление, причем так, чтобы амплитуда выброса U₂(R₂) напряжения (сопротивления) по переднему фронту, соответствующего сближению электродов, и выброса U₁(R₁) (фиг.5) напряжения (сопротивления) по заднему фронту, соответствующего удалению друг от друга электродов, стали приблизительно равными.

Однако при обработке на малых межэлектродных зазорах могут возникнуть в межэлектродном промежутке аварийные ситуации, особенно при обработке поверхностей с площадью 15 см² и более с возникновением импульсного давления до 20-30 кг/см². Эта импульсная сила, приложенная к ЭИ и обрабатываемой заготовке, способна изменить естественный закон взаимного перемещения подвижных масс механической системы станка. Соответственно этому происходит искажение гармонического колебания ЭИ и изменение минимальной величины межэлектродного зазора S_мин (фиг.7). Так в момент времени (либо близкий к нему), при котором амплитуда Р_s' импульса давления максимальная, межэлектродный зазор S' на некоторое время возрастает, а при падении давления Р_s (фиг.3) вследствие отвода электрода-инструмента 2 от поверхности заготовки 3, зазор S_i' (фиг. 7) уменьшается (из-за действия механических упругих сил), а затем продолжает изменяться в соответствии с кинематической системой станка.

Проведенные исследования показали, что при ведении процесса на сверхмалых (0,01 мм и менее) значениях межэлектродного зазора или при резком уменьшении его из-за действия упругих сил наступает такой момент, когда в средней части импульса напряжения (сопротивления) образуется третий выброс U'(R'). Причем, если амплитуда выброса электрического параметра (напряжения, сопротивления) превышает заданное значение, то возникает опасность короткого замыкания между электродами.

Поэтому при осуществлении способа электрохимической обработки последовательно регулируют скорость подачи электрода и/или величину давления электролита на входе межэлектродного промежутка, и/или момент подачи импульса тока в результате анализа вышеприведенных соотношений.

П р и м е р. Производилась электрохимическая обработка заготовки из легированной инструментальной стали в 8%-ном водном растворе азотнокислого натрия на глубину 10 мм с площадью 2500 мм².

Перед началом обработки колеблющийся электрод-инструмент 2 (фиг.1) и обрабатываемую заготовку 3 сближают до взаимного касания при отсутствии на них напряжения и отводят на заданную величину минимального межэлектродного зазора S _мин (фиг.2а).

Затем устанавливают следующий режим обработки:
частота импульсов напряжения и колебаний ЭИ, (Гц) 30;
длительность импульса напряжения, (мс) 8;
амплитуда (А) колебания ЭИ, (мм) 0,2;
амплитуда импульса напряжения в момент наименьшего расстояния между электродами, (В) 10;
давление электролита на входе межэлектродного зазора, (мРа) 0,05;
температура электролита, (^оС) 18.

В начале обработки, после установления равновесного зазора, момент, при котором значение напряжения максимально, синхронизировался с моментом максимального сближения S_мин электродов (фиг.4). Затем по мере дальнейшего углубления электрода-инструмента 2 в заготовку 3 и образования выбросов U₂(R₂) (фг. 2в, 6) и U₁(R₁) (фиг.2с, 5) импульса напряжения в периоды сближения и удаления электродов и U' (фиг.7) в момент их максимального сближения плавно увеличивали давление электролита на входе МЭП и в каждом импульсе с дискретностью 0,01 мс измеряли значение технологического тока, напряжения. Вычисляли и сравнивали значения напряжений и сопротивлений двух рядом следовавших импульсов в соответствующих точках измерения. Измерения производили по всей длине импульса. При этом регулировали параметры процесса (скорость подачи, давление электролита на входе МЭП, момент подачи импульса относительно момента максимального сближения электродов таким образом, чтобы разность сумм напряжения в одноименных точках двух рядом следующих импульсов, соответствующих как удалению, так и сближению электродов относительно момента максимального сближения электродов (т.е. по всей длине импульса), стремилась к нулю. А разность сопротивлений в соответствующих точках каждых двух импульсов по всей длине импульса всегда была меньше или равна нулю. Причем разность между суммарными значениями сопротивлений при сближении и удалении электродов поддерживали больше нуля. При этом отношения сопротивлений в заданных точках к сопротивлению в точке максимального сближения электродов последующего импульса всегда были больше или равны отношениям соответствующих сопротивлений предыдущего импульса как при сближении, так и при удалении электродов.

Осуществление предлагаемого способа электрохимической обработки автоматическим регулированием указанных выше параметров обеспечивает достижение максимальной производительности, точности копирования инструмента 2 (фиг.1) в заготовке 3 и качества обработанной поверхности. Предлагаемый способ электрохимической обработки обеспечивает точность копирования сложных элементов электрода-инструмента 2 на поверхности обрабатываемой заготовки 3 до 0,01 мм при выполнении различных копировально-прошивочных операций и операций с использованием непрофилированного ЭИ в труднообрабатываемых токопроводящих материалах. При этом шероховатость поверхности достигает значений до 0,1 мкм и скорость подачи до 1 мм/мин.

Высокая точность формообразования обрабатываемых поверхностей практически снимает проблему расчета и корректировки ЭИ. Изготовив ЭИ один раз, можно обработать с его использованием большую партию деталей, отличающихся друг от друга не более чем на 0,015 мм.

Оптимальное сочетание гидродинамических условий, параметров импульсов тока и колебательного движения ЭИ и автоматическое управление процессом (регулирование значений влияющих факторов) путем ограничения выброса электрического параметра согласно изобретению гарантирует ведение процесса с минимальным значением зазора S_мин в пределах 0,01-0,03 мм без повреждения поверхностей электродов, причем предлагаемый способ электрохимической размерной обработки легко осуществляется с использованием известных в современной технике управляющих устройств.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ, при котором задают колебательное движение одному из электродов, подают рабочие импульсы от источника питания с крутопадающей вольтамперной характеристикой, синхронизируя начало подачи импульсов с фазой сближения электродов, контролируют текущее значение напряжения в импульсе и регулируют значение напряжения путем изменения режимов обработки, отличающийся тем, что после установки равновесного межзлектродного зазора каждый контролируемый импульс делят с заданной дискретностью Δt на N₁ отрезков от момента максимального сближения электродов до начала импульса и на N₂ отрезков от момента максимального сближения электродов до конца импульса, в полученных одноименных точках соседних импульсов измеряют значения технологического тока и напряжения, вычисляют и сравнивают сопротивления и последовательно регулируют скорость подачи электрода, и/или величину давления электролита на входе в межэлектродный промежуток, и/или момент подачи импульса тока из условия выполнения следующих соотношений:
ΔR^j_i^,j+1= R^j_i⁺¹-R^j_i ≅ 0;
ΔR^j_k^,j+1= R^j_k⁺¹-R^j_k ≅ 0;





принимали минимальные значения, близкие к нулю,
где U^j_i, R^j_i, R^j_i⁺¹, U^j_i⁺¹- значения напряжений сопротивлений (j+1)-го и j-го импульсов в i-й точке, выбранной в зоне сближения электродов;
U^j_k, R^j_k, U^j_k⁺¹, R^j_k⁺¹- значения напряжений и сопротивлений (j+1)-го и j-го импульсов в k-й точке, выбранной в зоне удаления электродов;
- значение сопротивления межэлектродного промежутка в момент максимального сближения электродов при подаче (j+1)-го и j-го импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7