Способ и устройство для электрохимической обработки

Изобретение относится к размерной электрохимической обработке металлов и сплавов для формирования на сложнофасонной поверхности регулярного нано- и микрометрического слоя. Способ включает электрохимическую обработку металлов и сплавов в нейтральных электролитах на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента φ^*, которые соответствуют максимуму давления электролита в межэлектродном промежутке, форму колебания инструмента и скорость сближения электродов выбирают таким образом, чтобы продолжительность импульса повышенного давления была равна или превышала длительность импульса тока. Устройство для электрохимической обработки импульсным током с периодическим изменением межэлектродного зазора, содержит вибратор, привод подач, состоящий из двигателя, тягового устройства в виде пары винт-гайка, полой пиноли, выполненной с возможностью вертикальной подачи по направляющим портальной стойки и датчика перемещений, при этом на нижнем конце полой пиноли на центрирующих мембранах подвешена несущая электрододержатель обойма с плоскими упорами, охватывающая подшипники эксцентриковой шейки вала вибратора с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении подачи. Изобретение позволяет повысить точность и производительность обработки вибрирующим электродом-инструментом, за счет снижения погрешностей в приводе подач электрода-инструмента, получения возможности подачи импульсов тока в моменты достижения оптимального сочетания межэлектродного зазора и наибольшего давления электролита. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электрохимической обработки (ЭХО) металлов и сплавов, в частности к прецизионной размерной электрохимической обработке, в частности для формирования на сложнофасонной поверхности регулярного нано- и микрометрического слоя.

Известен способ электрохимической обработки [United States Patent, Patent Number 4213834, B23H 3/02; B23H 3/00; B23P 1/14 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 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), 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.

Известен способ [авторское свидетельство СССР N 717847, кл. В23Н 3/02, 1977] 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 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 >15 см²) 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 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ [патент RU №2038928, В23Н 3/02, опубл. 1995.07.09] электрохимической размерной обработки с использованием импульсного источника питания с крутопадающей вольт-амперной 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 U_л.э. - амплитуда напряжения третьего локального экстремума,

U_min - 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 электрохимической обработки, содержащее отдельный привод подач стола с обрабатываемой заготовкой, а периодическое изменение МЭЗ обеспечивается вибратором, установленным на портале, содержащим связанный с электродвигателем эксцентриковый вал, соединенный посредством упругой рессоры шатуна со штосселем, возвратно-поступательно перемещаемым на шариковых направляющих и несущим ЭИ (каталог товаров Троицкого станкостроительного завода, электрохимический копировально-прошивочный станок модели 4420Ф11М).

Недостатком данного устройства является высокая энергоемкость и низкое быстродействие привода подач, перемещающего массивный стол с заготовкой. Кроме того, шариковые направляющие штосселя, совершающего возвратно-поступательное перемещение в направлении подачи с амплитудой и частотой колебаний ЭИ, подвержены повышенному износу и не обеспечивают необходимой центрации электрода-инструмента.

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 №1839372, кл. B23H 7/26, 1989|.

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 также устройство для ЭХО с использованием импульсного тока, обеспечивающее периодическое изменение МЭЗ, содержащее двигатель привода подач ЭИ, тяговое устройство в виде пары "винт-гайка", датчик перемещений и установленную с возможностью вертикальной подачи по направляющим портальной стойки полую пиноль, к нижнему концу которой на центрирующих мембранах подвешен электрододержатель, жестко соединенный со штоком шатуна, смонтированного на подшипниках качения эксцентриковой шейки вала вибратора, установленного на верхнем конце пиноли и приводимого от электродвигателя (патент DE №2903873, В23Н 7/30, 1979).

Недостатком этого устройства является то, что в приводе подач тяговое устройство соединяется с пинолью с помощью консольного кронштейна и от действия усилия подачи возникает опрокидывающий момент, вызывающий перекос оси пиноли, что снижает точность обработки. Кроме того, жесткое крепление нижнего конца штока шатуна и мембранной подвески электрододержателя при вращении эксцентрикового вала передает электроду-инструменту помимо осевых колебаний в направлении подачи также и радиальные смещения, которые отрицательно сказываются на достигаемой точности обработки. Длина шатуна вибратора, которая зависит от длины пиноли и при больших ее ходах может быть весьма значительной, увеличивает податливость и температурные деформации, вызывая погрешности расположения ЭИ относительно заготовки. Погрешность заданного расположения ЭИ относительно заготовки обусловлена и тем, что датчик перемещений контролирует только подачу пиноли, а изменения МЭЗ от работы вибратора оцениваются косвенно исходя из величины эксцентриситета и угла поворота вала вибратора без учета податливости его элементов.

Общим недостатком известных устройств и способов для ЭХО с вибрацией ЭИ является неопределенность положения электрода-инструмента в момент подачи импульсов технологического тока, сложность поддержания в процессе обработки постоянной амплитуды колебаний, оптимального давления электролита и минимального фиксированного значения МЭЗ в связи с наличием большого числа кинематических звеньев, податливости и инертности исполнительных механизмов, влиянием температурных деформаций.

Задачей изобретения является повышение точности и производительности обработки вибрирующим электродом-инструментом, за счет снижения погрешностей в приводе подач электрода-инструмента, получения возможности подачи импульсов тока в моменты достижения оптимального сочетания минимально возможного межэлектродного зазора и наибольшего давления электролита.

Поставленная задача решается тем, что:

- в способе электрохимической обработки в нейтральных электролитах на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с определенными фазами колеблющегося электрода-инструмента, в отличие от прототипа, импульсы тока синхронизируют с фазами колебания, которые соответствуют максимуму давления электролита в межэлектродном промежутке;

- кроме того, в отличие от прототипа, 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;

- кроме того, в отличие от прототипа, давление в межэлектродном промежутке оценивают по величине усилия подачи, отнесенной к рабочей площади электрода-инструмента;

- кроме того, в отличие от прототипа, 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;

- в устройстве для электрохимической обработки с использованием импульсного тока, обеспечивающем периодическое изменение межэлектродного зазора, содержащем вибратор, привод подач, состоящий из двигателя, тягового устройства в виде нары "винт-гайка", полой ниноли с возможностью вертикальной подачи по направляющим портальной стойки и датчика перемещений, при этом в отличие от прототипа на нижнем конце полой пиноли на центрирующих мембранах подвешена несущая электрододержатель обойма с плоскими упорами, охватывающая подшипники эксцентриковой шейки вала вибратора с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении подачи;

- кроме того, в отличие от прототипа, двигатель вибратора выполнен в виде малоинерционного синхронного электродвигателя переменного тока с возможностью регулирования в течение одного оборота угловой скорости вращения эксцентрикового вала;

- кроме того, в отличие от прототипа, линия измерения датчика перемещений, оси полой ниноли и винта тягового устройства в соответствии с принципом Аббе совпадают;

- кроме того, в отличие от прототипа подвижная часть датчика перемещений установлена внутри полой ниноли с возможностью измерения подачи ниноли и относительных колебаний электрододержателя;

- кроме того, в отличие от прототипа, между электрододержателем и обоймой введен динамометр усилия подачи;

- кроме того, в отличие от прототипа, динамометр усилия подачи может быть выполнен в виде пьезокерамического датчика;

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема и графики изменения параметров электрохимической обработки, на фиг.2 - устройство для электрохимической обработки, на фиг.3 - функциональная схема устройства.

Сущность изобретения СПОСОБ - заключается в следующем. Через межэлектродный промежуток (фиг.1) под давлением Р₀ прокачивают электролит (водный раствор центральной кислородосодержащей соли). Электрод-инструмент совершает гармонические колебания S(t), соосные с направлением подачи. Заготовка и ЭИ 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 ЭИ (φ_ls), за счет вязкого трения, вытесняемого из МЭП электролита, давление Р_e(t) в МЭП проходит через максимум. При повышении давления электролита уменьшается объем газовой фазы K_g(t) в межэлектродной среде (среда становится гомогенной) и увеличивается температура электролита T(t). Оба у казанных фактора способствуют повышению проводимости межэлсктродной среды (электролита) при протекании импульсов тока I(t) высокой плотности на малых межэлектродных зазорах S_t. Очевидно, что снижение электрического сопротивления МЭП R(t) при подаче импульса тока будет способствовать снижению энергоемкости процесса. В совокупности с высоким давлением в жидкости, мы при прочих равных условиях получим возможность работать на более высоких плотностях тока без опасности вскипания межэлектродной среды или заполнения МЭП газом. Возможность достигать более высоких плотностей тока на малых межэлектродных зазорах для большинства материалов гарантирует снижение шероховатости обработанной поверхности.

В отличие от способов-аналогов заданный технологом импульс тока I(t) и напряжение U(t) синхронизируются не с фазой наибольшего сближения ЭИ с заготовкой φ_ls, а с фазой колебания ЭИ φ*, в которой достигается максимум давления электролита Р_mах в МЭП. С физической точки зрения в окрестности фазы наибольшего теоретического сближения электродов S_min (точка минимума на синусоиде) уменьшается и скорость их взаимного сближения (V_k), а следовательно уменьшается до нуля скорость вытеснения электролита из МЭП. Давление в этот момент падает, увеличивается объем газовой фазы и вскипает электролит. Несмотря на малую величину МЭЗ, протекание тока через него затруднено и неэффективно с энергетической точки зрения. Последовательно изменяя скорость сближения электродов и фазу подачи импульса тока относительно максимума давления и вычисляя площадь, ограниченную кривой электрического сопротивления МЭП за время действия импульса тока, определяют такое значение фазы, при которой эта площадь будет минимальна. Таким образом, как отмечено выше, достигают оптимальных, с точки зрения энергоемкости, условий осуществления процесса ЭХО.

Сущность изобретения УСТРОЙСТВО - заключается в том, что для снижения ошибок от кинематических зазоров, нежесткости, температурных деформаций звеньев привода подач и вибратора, сохранения стабильной амплитуды колебательных движений в направлении подачи применяется привод подач, в котором, в соответствии с принципом Аббе, ось тягового устройства и линия измерения датчика перемещений совпадают с осью полой пиноли, используется бесшатунный эксцентриковый вибратор, обеспечивающий возвратно-поступательное перемещение электрода-инструмента строго в направлении подачи. Двигатель привода подач вибратора позволяет в течение одного оборота управляемо изменять угловую скорость вращения эксцентрикового вала. Введен динамометр усилия подачи, который контролирует изменение давления электролита, обеспечивая синхронизацию подачи импульсов технологического тока на фиксированном оптимальном межэлектродном зазоре.

Устройство (фиг.2) содержит основание 1, на котором через изоляционную проставку 2 установлен стол 3, закреплены стойки 4, стянутые поперечиной 5, на которой расположены направляющие 6 полой пиноли 7 и привод подач, содержащий тяговое устройство в виде пары "винт-гайка" 8, 9, электродвигатель 10 с датчиком перемещений 11. На нижнем торце полой пиноли закреплен электромеханический вибратор, который содержит эксцентриковый вал 12, соединенный с электродвигателем вибратора 13, в качестве которого может быть использован малоинерционный синхронный двигатель переменного тока с сервоприводом, позволяющим в течение одного оборота менять угловую скорость вращения ротора. Подшипники 14, смонтированные на эксцентриковой шейке вала, находятся в постоянном контакте с верхним 15 и нижним 16 упорами обоймы 17, охватывающей подшипники эксцентриковой шейки вала 12. К обойме 17, которая сцентрирована относительно оси пиноли 7 с помощью двух мембран 18, 19, закреплен динамометр усилия подачи 20 электрододержателя 21. Для защиты вибратора и направляющих от воздействия электролита используются кожух 22 и гофры 23. Датчик перемещений 11 и динамометр усилия подачи 20 (фиг.3) соединены со входом блока управления 24, выходы которого подключены к источнику технологического тока 25 и блоку управления 26, связанного с электродвигателем 13.

Устройство работает следующим образом.

Величина межэлектродного зазора, контролируемая датчиком перемещений 11, формируется в результате сложения подачи полой пиноли 7 по направляющим 6, осуществляемой тяговым устройством в виде пары "винт-гайка" 8, 9 от электродвигателя 10, с возвратно-поступательным движением электрододержателя 21 с обоймой 17, сцентрированной мембранами 18, 19 по оси полой пиноли 7 и охватывающей верхним и нижним упорами 15, 16 подшипники 14, смонтированные на эксцентриковой шейке вала 12, который приводится от электродвигателя вибратора 13. Изменение величины межэлектродного зазора с различной скоростью позволяет варьировать характером пульсации силы давления электролита, который фиксируется динамометром усилия подачи 20 и регистрируется блоком управления 24, определяющим оптимальный для подачи импульса технологического тока момент времени.

Пример конкретной реализации способа.

Производилась электрохимическая обработка заготовки из высоколегированной хромистой стали 40Х13 в 10%-ном водном растворе азотнокислого натрия с использованием электрода-инструмента площадью 200 кв.мм. 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 (см. фиг.1). Затем устанавливают следующий режим обработки: давление электролита на входе межэлектродного промежутка 0,25 МПа; температура электролита 18 С°; частота импульсов тока и колебаний электрода-инструмента 50 Гц; длительность импульса тока 4 мс; амплитуда колебаний электрода-инструмента 0,2 мм; амплитуда импульса напряжения в момент максимального давления электролита Р_mах в МЭП 10 В.

В начале обработки, в процессе врезания электрода-инструмента в заготовку до глубины 0,3-0,5 мм, амплитуду напряжения синусоидальной формы синхронизировали с моментом максимального сближения электродов. Затем по мере дальнейшего углубления электрода-инструмента в заготовку и образования выбросов импульса напряжения подачу импульсов тока осуществляли с опережением, синхронизируя с моментом максимального давления электролита Р_mах в МЭП. При этом значение выбросов напряжения по переднему и заднему фронтам импульса равнялось 12 В. Максимальное значение выброса напряжения в середине 11 В. Процесс образования этих выбросов напряжения наблюдали и фиксировали но осциллографу.

Получены следующие выходные показатели технологического процесса: погрешность формы при копировании 1…5 мкм, повторяемость размеров в партии из 10-ти деталей 2…10 мкм; шероховатость торцовой поверхности улучшилась до Ra=0,16 мкм (т.е. на 15% ниже чем достигаемая по способу-аналогу), при этом максимальная скорость подачи достигала 0,8 мм/мин, т.е. увеличилась на 13%.

Оптимальное сочетание параметров импульса напряжения с фазой максимального давления электролита гарантирует ведение процесса с минимальным значением S_min зазора в пределах 0,01-0,02 мм без повреждения поверхности электрода инструмента и обрабатываемой заготовки, причем предлагаемый способ легко осуществляется с использованием известных в технике контролирующих и управляющих устройств.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность и производительность обработки вибрирующим электродом-инструментом, за счет снижения погрешностей в приводе подач электрода-инструмента, получения возможности подачи импульсов тока в моменты достижения оптимального сочетания минимально возможного межэлектродного зазора и наибольшего давления электролита.

Кроме того, изобретение позволяет осуществлять прецизионную размерную электрохимическую обработку, в частности для формирования на сложнофасонной поверхности регулярного нано- и микрометрического слоя.

1. Способ электрохимической обработки металлов импульсным током, включающий обработку металлов в нейтральных электролитах на малых межэлектродных зазорах с применением импульсов тока, которые синхронизируют с определенными фазами колеблющегося электрода - инструмента, отличающийся тем, что импульсы тока синхронизируют с фазами колебания электрода-инструмента φ^*, которые соответствуют максимуму давления электролита в межэлектродном промежутке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление в межэлектродном промежутке оценивают по величине усилия подачи, отнесенной к рабочей площади электрода-инструмента.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

5. Устройство для электрохимической обработки металлов импульсным током с периодическим изменением межэлектродного зазора, содержащее вибратор, привод подач, состоящий из двигателя, тягового устройства в виде пары винт-гайка, полой пиноли, выполненной с возможностью вертикальной подачи по направляющим портальной стойки и датчика перемещений, отличающееся тем, что на нижнем конце полой пиноли на центрирующих мембранах подвешена несущая электрододержатель обойма с плоскими упорами, охватывающая подшипники эксцентриковой шейки вала вибратора с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении подачи.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что двигатель вибратора выполнен в виде малоинерционного синхронного электродвигателя переменного тока с возможностью регулирования в течение одного оборота угловой скорости вращения эксцентрикового вала.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что линия измерения датчика перемещений, оси полой пиноли и винта тягового устройства в соответствии с принципом Аббе, совпадают.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что подвижная часть датчика перемещений установлена внутри полой пиноли с возможностью измерения подачи пиноли и относительных колебаний электрододержателя.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что между электрододержателем и обоймой введен динамометр усилия подачи.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что динамометр усилия подачи может быть выполнен в виде пьезокерамического датчика.