ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ РЕЗКИ ТОКОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
ELECTRODE-TOOL FOR COMBINED CUTTING OF CURRENT-CONDUCTING MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для резки труднообрабатываемых токопроводящих материалов комбинированным электроалмазным методом, преимущественно для точной (прецизионной) резки, где в качестве режущего инструмента применяют преимущественно алмазные отрезные круги, изготовленные по ГОСТ 10110-87.
Из исследованного уровня техники известно устройство, описанное в [1]. В качестве режущего инструмента в нем применен электроабразивный круг (диск) (далее инструмент), представляющий собой тонкий металлический диск с абразивонесущим слоем, выполненным из диэлектрического покрытия (указанный слой может быть выполнен из различных нетокопроводящих смол). Комбинированное оборудование включает в себя в целом систему подачи электролита, источник тока и т.д. В целях защиты от электрохимического растравливания боковых поверхностей канала реза используют инструмент с диэлектрическим покрытием боковых поверхностей. Толщина покрытия, как правило, превышает 0,2-0,3 мм на сторону, что увеличивает общую толщину инструмента в зоне покрытия в 1,5-2 и более раза. Это приводит к потере дефицитных материалов, хотя и позволяет в ряде случаев избежать последующих технологических операций по чистовой обработке торцов. Указанный инструмент обладает следующими недостатками:
- низкой механической прочностью соединения корпуса круга с алмазоносным слоем;
- электрически не изолированными боковыми и торцевыми поверхностями алмазоносного слоя кругов, которые электрохимически контактируют с боковыми поверхностями разрезаемого канала, это приводит к неодинаковому съему в начале и в конце обработки, что вызывает неплоскопараллельность обрабатываемых поверхностей канала реза;
- конструктивная особенность корпуса алмазного круга (из цельнометаллического материала) не позволяет локализовать процесс электрического съема до точечного и осуществлять процесс на минимальных зазорах.
Также известны углерод-кремниевые абразивные диски горячего прессования SiC EQ-SC0604, предназначенные для резки цветных металлов, таких как медь, алюминий, никель и их сплавов [2]. Недостатком таких дисков является то, что они предназначены для резки обычных металлов, а не для труднообрабатываемых токопроводящих материалов комбинированным электроалмазным методом. Также известны абразивные диски из карбида кремния [3]. Недостатком таких дисков является то, что они предназначены для шлифования, а не для резки.
Известны следующие отрезные диски: с контурным покрытием и плакированным покрытием. Диски с контурным покрытием состоят из внутренней цельнометаллической сердцевины и внешней кромки. Кромка состоит из смеси смолы или частиц металла с абразивом, которая запекается при высокой температуре и давлении для связывания с матрицей. Диски с плакированным покрытием состоят из цельнометаллической сердцевины и ободом из гальванически осажденных алмазов. Они обеспечивают агрессивную резку на образцах, содержащих полимеры и мягкие материалы, включая печатные платы, волоконные композиты и пластики. Недостатком дисков с контурным покрытием и плакированным покрытием является то, что корпусы дисков изготовлены из цельнометаллического материала, поэтому сохраняется возможность электрохимического контакта между торцевыми поверхностями корпусов с боковыми поверхностями канала реза, что не позволяет получать резы - каналы (в разрезаемом материале) с плоскопараллельными боковыми поверхностями [4].
Наиболее близким по наибольшему количеству совпадающих признаков и технической сущности к предлагаемому изобретению является «Устройство для комбинированного разрезания токопроводящих материалов» по патенту на полезную модель RU 142793 [5]. Сущность заключается в том, что описано устройство для комбинированного разрезания токопроводящих материалов, содержащее сборный электроабразивный электрод-инструмент, выполненный с возможностью вращения и перемещения в направлении разрезаемой заготовки под прямым углом, который состоит из эксцентрично расположенных дисков с нанесенным на его боковые и торцевые поверхности алмазным покрытием, средства для подачи электролита в зону резания, источника технологического тока, отличающееся тем, что на боковые и торцевые поверхности дисков сборного электрода-инструмента дополнительно нанесен электроизолирующий материал, толщина которого уменьшается от периферии к центру.
Недостатком данного электрод-инструмента является то, что корпусы отрезных кругов с алмазоносным слоем изготовлены из цельного тонколистового материала, поэтому сохраняется возможность электрохимического контакта между торцевыми поверхностями корпусов с боковыми поверхностями канала реза, что не позволяет получать резы - каналы (в разрезаемом материале) с плоскопараллельными боковыми поверхностями.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что электрод-инструмент для комбинированной резки токопроводящих материалов, выполненный с возможностью вращения и перемещения в направлении разрезаемой заготовки под прямым углом, отличающийся тем, что он выполнен в виде круга и изготовлен из токопроводящих композитов углеродного волокна, расположенных радиально от центра круга и размещаемых между диэлектрическими кремнийорганическими слоями, при этом торцевая поверхность с частью боковых поверхностей круга покрыты алмазоносным слоем.
Решаемой задачей предлагаемого изобретения является повышение качества обрабатываемых поверхностей канала реза путем исключения неравномерного съема металла с боковых поверхностей реза, повышение производительности реза.
Решаемая задача в электрод-инструменте для комбинированной резки токопроводящих материалов, выполненной с возможностью вращения и перемещения в направлении разрезаемой заготовки под прямым углом, достигается тем, что электрод-инструмент изготовлен из композитов углеродного волокна, размещенных в кремнийорганическом слое, при этом волокна размещены в радиальном направлении указанного электрод-инструмента, а торцевая и часть боковых поверхностей покрыты алмазоносным слоем.
Ширина алмазоносного слоя внешних боковых поверхностей электрод-инструмента составляет от 0,1R до 0,2R, где под обозначением R подразумевается радиус электрода-инструмента, в соответствии с ГОСТ 10110-87, при этом необходимо обратить внимание на то, что ширина алмазоносного слоя в ГОСТ 10110-87 обозначена символом «X».
Техническим результатом, который обеспечивает заявленное техническое решение, является то, что:
- повышение качества обработанных поверхностей достигается путем исключения растравливания боковых поверхностей канала реза за счет исключения электроэррозионных и электрохимических процессов съема металла с боковых поверхностей;
- повышение износостойкости электрод-инструмента осуществляется за счет высокой адгезионной прочности состава кремнийорганического слоя к алмазным гранулам.
Для пояснения сущности изобретения рассмотрим фиг. 1 и 2.
Предлагаемый электрод-инструмент для комбинированной резки токопроводящих материалов выполнен из токопроводящих композитов углеродных волокон 1, расположенных радиально к центру круга, боковые поверхности электрода-инструмента покрыты отвержденным диэлектрическим кремнийорганическим слоем 2 и алмазоносным слоем 3 (толщина алмазоносного слоя от 0,1R до 0,2R). Электрод-инструмент соединен с отрицательным, а заготовка 4 - с положительным полюсом источника питания 5.
Электрод-инструмент (круг) изготавливают следующим образом. На пресс-форму посыпают алмазоносный слой 3, заливают его слоем кремнийорганического клея 2, на кремнийорганический слой 2 в радиальном направлении от центра круга накладывают композиты углеродного волокна 1 так, чтобы они выходили за края пресс-формы для обеспечения токопровода, сверху заливают второй слой кремнийорганического клея 2 и на него посыпают алмазоносный слой 3. Далее производят термическую обработку и получают готовый электрод-инструмент. При этом накладывание композитов углеродного волокна 1 производят так, чтобы их концы располагались радиально, в направлении от центра к периферии, или наоборот, с возможностью обеспечения не только электропроводности, но и максимальной устойчивости (прочности) круга к разрыву.
Значения 0,1R до 0,2R взяты из стандарта ГОСТ 10110-87. 0,1R до 0,2R - это ширина алмазоносного слоя 3 по периферии круга диаметром (D) от 50 до 100 мм. Ширина алмазоносного слоя 3 соответствует стандарту ГОСТ 10110-87.
3
Электрод-инструмент работает следующим образом. В зазор между электрод-инструментом и заготовкой 4 подают электролит 6, например, 10% NaNO. К обрабатываемой заготовке 4 и вращающемуся электрод-инструменту 1 подают напряжение от источника питания 5. При вращении электрод-инструмента и подаче его на врезание в заготовку 4 обработка осуществляется как вследствие механического резания заготовки 4, так и вследствие электрохимического растворения материала заготовки 4 и электроэрозинного разрушения. При этом одновременное воздействие вращения электрод-инструмента, подача электролита 6, совмещенная с подачей электрического тока, способствуют не только интенсивному удалению продуктов обработки из зоны реза, но и создают условия для возникновения процесса интенсивной кавитации. Качество реза возрастает за счет исключения растворения металла на боковых поверхностях канала реза, а производительность процесса интенсифицируется за счет совместного воздействия на заготовку 4 приведенных выше процессов, а именно воздействия механического резания, электрохимического растворения материала заготовки, электроэрозионного съема металла, кавитационного разрушения и удаления продуктов обработки.
Боковые поверхности канала реза в основном формируются механической обработкой алмазоносным слоем 3.
Вследствие наличия в составе электрод-инструмента токопроводящих композитов углеродного волокна 1, расположенных в середине между диэлектрическими кремнийорганическими слоями 2 и алмазоносным слоем 3, обеспечивается обработка на более мягких режимах (на микротоках). Основной съем материала заготовки 4 происходит в направлении подачи электрод-инструмента, без заметного съема с боковых поверхностей канала реза.
a
a
a
a
Неплоскопараллельность боковых поверхностей канала реза находится в пределах допуска 0,01 мм. Шероховатость обработанных поверхностей находится в диапазоне R=0,03-0,05 мм. В случае выхода значения R за указанный диапазон меняется режим обработки. Если значение R больше указанного диапазона, скорость резания уменьшают, если R меньше указанного диапазона, скорость резания увеличивают. Алмазные гранулы не высыпаются из электрод-инструмента, так как прочность соединения алмазоносного слоя обеспечивается за счет высокой адгезионной прочности алмазоносных гранул к составу кремнийорганического слоя, в котором они (алмазоносные гранулы) подвергаются отверждению.
По сравнению с прототипом по технико-экономическим показателям применение предлагаемого электрод-инструмента для комбинированной резки токопроводящих материалов позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности на 30%, повысить производительность обработки и снизить трудоемкость на 90%.
Технический результат достигается за счет использования заявленной совокупности признаков электрод-инструмента.
Применение заявленной совокупности признаков обеспечивает исключение дополнительных затрат на выравнивание боковых поверхностей канала реза. Плоскопараллельные боковые поверхности канала реза получают с помощью применения в устройстве для комбинированной резки электрод-инструмента, изготовленного из токопроводящих композитов углеродного волокна, размещенных в диэлектрический кремнийорганический слой, покрытый алмазоносным слоем.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. заявленная совокупность признаков, обеспечивающая реализацию полученных технических результатов, не выявлена из исследованного уровня техники.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. не является очевидным для специалиста.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», т.к. изготавливается на стандартном оборудовании из доступных материалов, с применением известных инструментов.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Хафизов И.И. Малоотходное чистовое разделение дефицитных материалов комбинированным методом // И.И. Хафизов, А.Р. Закирова, З.Б. Садыков. - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2014. - 136 с.
2. http://www.est-nano.ru/catalog/product/l018 - ЭСТ-Нано официальный представителем на Российском рынке оборудования зарубежных фирм.
3. http://cn.shopotam.ru/taobao/14334032639-item.html - сайт Shopotam.
4. http://www.allied-russia.ru/otreznye-stanki/raskhodnye-materialy-oz - сайт компании Allied, которая производит широкий спектр высококачественного оборудования для пробоподготовки: резки, полировки, шлифовки, фрезеровки и очистки, а также сопутствующие расходные материалы.
5. Патент на полезную модель RU №142793.