Инструмент-электрод для электрохимического полирования пространственно сложных поверхностей
TOOL-ELECTRODE FOR ELECTROCHEMICAL POLISHING OF SPATIALLY COMPLEX SURFACES

Изобретение относится к области электрохимической обработки металлов и может применяться для электрохимического полирования пространственно-сложных поверхностей, т.е. поверхностей имеющих нерегулярный сложный профиль, имеющийся сразу в трех координатах и представляющий собой совокупность выпуклых, вогнутых, сферических, цилиндрических, конических и плоских участков.
Известно устройство, содержащее электрод-инструмент для электрохимической обработки (полирования) пространственно-сложных поверхностей различной кривизны, содержащее корпус с отверстиями, расположенными через равный шаг, при этом корпус образует полость, внутри которой соосно с отверстиями расположены разрезные втулки, стержневые электроды, подключенные к электрическим проводам и выполненные с возможностью свободного перемещения вдоль своей оси по внутренним поверхностям разрезных втулок для самоустанавливания по обрабатываемой поверхности [А.с. СССР №1710239, кл. В23Н 7/22. 1992].
Приведенный аналог имеет недостаток. После самоустанавливания стержневых электродов по обрабатываемой поверхности образованная ими ответная поверхность не может быть зафиксирована, так как аналог не содержит устройств или элементов для фиксирования стержневых электродов. При перемещении электрода-инструмента стержневые электроды будут продолжать свободно перемещаться вдоль разрезных втулок и между ними и обрабатываемой поверхностью не будет сформирован равномерный зазор, необходимый для выполнения электрохимического полирования.
Известно устройство содержащее корпус с отверстиями, расположенными через равный шаг, при этом корпус образует полость, внутри которой соосно с отверстиями расположены разрезные втулки со стержневыми электродами, которые подключены к электрическим проводам и выполнены с возможностью свободного перемещения вдоль своей оси по внутренним поверхностям разрезных втулок для самоустанавливания по обрабатываемой поверхности детали. Отверстия в корпусе выполнены сквозными, его полость заполнена гидропластом, а в стенке корпуса расположен зажимной винт, воздействующий на гидропласт, обжимающий разрезные втулки, для закрепления стержневых электродов и фиксирования их с образованием ими поверхности, ответной по отношению к обрабатываемой поверхности детали [Патент РФ №2338013, кл. C25F 7/00. 2008].
Приведенный аналог имеет недостаток. Процесс полирования можно проводить только по двум координатам, т.е. в одной плоскости. Расстояние между электродами превышает 2-3 мм, что не позволяет качественно, т.е. равномерно, полировать обрабатываемую поверхность. Устройство имеет сложную конструкцию и требует настройку на каждую обрабатываемую деталь.
Известно устройство выбранного в качестве прототипа, в котором инструмент-электрод содержит корпус с зафиксированным на нем симметрично относительно вертикальной оси пустотелым коробом, на котором крепится модель из отвердевшего неметаллического, стойкого к воздействию электролита материала, на наружной поверхности, которой смонтирована металлическая безячеистая сетка, подключенная к отрицательному полюсу источника питания. В основании корпуса установлены штифты ирегулировочные винты, обеспечивающие установку зазора между моделью и заготовкой детали, причем упомянутая модель изготовлена по внутренней поверхности мастер-модели, которой является обрабатываемая заготовка детали, с учетом величины зазора для прокачки электролита и диаметра проволоки упомянутой сетки. [Патент РФ №2561556, кл. C25F 7/00, В23Н 3/04. 2015].
Приведенный прототип имеет недостатки - неудовлетворительная производительность и качество обрабатываемой поверхности.
Задачей изобретения является получение пространственно-сложных поверхностей электродов, применяемых на операциях электрохимического полирования. Эта задача решается тем, что инструмент-электрод для электрохимического полирования пространственно-сложных поверхностей детали, подключаемой к положительному полюсу источника питания, содержащий корпус с зафиксированным на нем симметрично относительно вертикальной оси пустотелым коробом, на котором крепится модель из отвердевшего неметаллического, стойкого к воздействию электролита, материала, на наружной объемной поверхности которой смонтирована металлическая безъячеистая сетка, подключаемая к отрицательному полюсу источника питания, при этом в основании корпуса установлены штифты и регулировочные винты, обеспечивающие установку зазора между моделью и заготовкой детали, а упомянутая модель изготовлена по внутренней рабочей поверхности мастер-модели, которой является обрабатываемая заготовка детали, с учетом величины зазора для прокачки электролита и диаметра проволоки упомянутой сетки, отличающийся тем, что он оснащен волноводным резонатором комплексных колебаний и электромагнитным вибратором, при этом волноводный резонатор комплексных колебаний выполнен пустотелым с винтовыми пазами, причем одним концом он жестко закреплен на дне упомянутого короба, а на другом закреплена прямоугольная плита, которая смонтирована с зазором относительно электромагнитного вибратора, закрепленного во внутренней части короба на торце корпуса соосно с осью волноводного резонатора, при этом на вход электромагнитного вибратора подключен выход усилителя мощности, а на вход последнего подключен выход с генератора частоты.
Фиксация на корпусе симметрично относительно вертикальной оси пустотелого короба, на котором крепится модель из отвердевшего неметаллического, стойкого к воздействию электролита, материала снижает расход дорогого материала для изготовления электродов, традиционно используемого для изготовления, уменьшает массу, повышает технологичность инструмента и снижает затраты на изготовление.
Монтаж на наружной объемной поверхности модели металлической безячеистой сетки, подключаемой к отрицательному полюсу источника питания, обеспечивает быстрое и мало затратное изготовление электродов любой конфигурации с качественным протеканием процесса электрохимической обработки.
Установка в основании корпуса штифтов и регулировочных винтов обеспечивает установку зазора между моделью и заготовкой детали заданной величины.
Изготовление модели по внутренней поверхности мастер-модели, которой является обрабатываемая заготовка детали, с учетом величины зазора для прокачки электролита и диаметра упомянутой сетки, создает равномерный зазор по всей, любой по конфигурации, сложной поверхности.
Оснащение инструмента-электрода вибратором и волноводным резонатором комплексных колебаний (продольных и крутильных) позволяет противодействовать отрицательному воздействию обломков и рабочих неровностей, что позволяет использовать зазоры меньшего размера и, соответственно, обеспечить более точные границы обработки.
Комплексные колебания инструмента-электрода высокой частоты вызывают кавитацию в электролите между катодом и обрабатываемой заготовкой, которая вытесняет обломки и может вести работу с меньшими зазорами на больших площадях, не требуя высоких уровней тока из-за блокирующего эффекта пузырьков. Кавитация также может способствовать удалению пленки оксида металла и тем самым, обеспечивать активацию обработки на окисленных металлах.
Зацепление нижнего торца волновода к дну корпуса короба инструмента-электрода позволяет оптимально провести настройку на резонанс его продольных или крутильных колебаний.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана конструктивная схема инструмента - электрода, на фиг. 2 приведена форма продольных колебаний инструмента-электрода с указанием места приложения внешних сил воздействия и зоны пучности на торце волновода, на фиг. 3 пример развертки для технологического изготовления наклонных винтовых пазов волновода.
Устройство содержит корпус 1 с зафиксированными на нем симметрично относительно вертикальной оси пустотелым коробом 2, на которых крепится модель 3, состоящая из отвердевшего неметаллического материала (например, полиуретана), на наружной объемной поверхности которой смонтирована металлическая безъячеистая сетка 4. Последняя присоединена проводом 5 к отрицательному полюсу источника питания. В основании корпуса установлены штифты 6 и регулировочные винты 7.3аготовка 8 подключается проводом 9 к положительному полюсу источника питания, между заготовкой 8 и корпусом 1 система каналов подвода 10 и отвода 11 электролита. На дне корпуса короба установлен волноводный резонатор комплексных колебаний 12 на втором торце, которого закреплена пластина 13. Во внутренней части короба на торце корпуса 1 закреплен электро-магнитный вибратор 14, а на его вход подключен канал управления частотой последовательно соединенных усилителя 15 и генератора частот 16.
Длина волноводного резонатора комплексных колебаний 12 выбирается из условия обеспечения стабильности возбуждения, высокочастотных комплексных колебаний инструмента-электрода и по длине кратна полуволне продольных колебаний. Изготовление винтовых пазов на длине, равной полуволне продольных колебаний, с радиусом, равным полуволне крутильных колебаний, позволяет проводить на единой частоте возбуждения их согласование и усиление.
Винтовые пазы фиг. 3 выполняют с радиусом, равным длине полуволны крутильных колебаний и определяемым по формуле:
где  - длина волны крутильных колебаний;
сд
С- скорость распространения сдвиговых волн в стали;
0
ω - собственная частота колебаний волнового резонатора,
при этом частота возмущений силы поступающей от электромагнитного вибратора должна быть равна собственной частоте корпуса короба 2 и инструмента-электрода. Пазы располагаются последовательно и имеют разные радиусы, а ось симметрии начала одного паза повернута относительно симметрии другого на 90 для максимальной изгибной жесткости волнового резонатора, паз с большим радиусом R фиг. 3 используется для меньшей частоты колебаний инструмента электрода. Собственная частота корпуса короба 2 определяется по формуле:
где  - момент инерции корпуса короба; с - крутильная жесткость корпуса короба.
Устройство работает следующим образом: корпус 1 с моделью 3, на поверхности которой смонтирована сетка 4, устанавливается на торце заготовки 8. С помощью штифтов 6 и регулировочных винтов 7 обеспечивают установку зазора между моделью 3 и заготовкой8.
При изготовлении модели 3 на заготовку 8, которая является мастер-моделью для модели 3, наносят тонким слоем силиконовую жидкость или техническое масло и устанавливают на торце заготовки 8 корпус 1 с пустотелым кожухом 2 на штифты 6 без зазора относительно рабочей внутренней поверхности заготовки 8. Далее объем между внутренней поверхностью матрицы 8 и корпусом 1 с пустотелым кожухом 2" заполняют жидким неэлектропроводящим материалом, например эпоксидной смолой с отвердителем или другим полимерным материалом, стойким к действию электролита.
3
1
2
После затвердевания корпус 1, пустотелый кожух 2 и модель 3 представляют собой монолитный инструмент-электрод, трехкоординатная пространственно сложная поверхность которого механически обрабатывается на фрезерном станке. Глубина снимаемого поверхностного слоя эквидистантна величине z, которая включает зазор z для прокачки электролита, необходимой для процесса электрохимического полирования (0,2…2 мм), и глубине z равной диаметру проволоки сетки (0,5…1 мм). Проволока сетка может быть изготовлена из меди, коррозионно-стойкой стали и т.д. сетка изготавливаются по выкройке с учетом объемной конфигурации обрабатываемой полости. Соединяют сетку путем пайки.
3
Для выполнения электрохимического полирования на заготовку 8, которая прошла механическую обработку, и качество поверхности которой не соответствует требованиям, представленным на чертежах, устанавливают на штифты модуль-пуансон с зазором z с помощью регулировочных винтов 6. Далее заполняют зазор между обрабатываемой заготовкой 8 и моделью 3 электролитом. В качестве электролита используют водные растворы солей, кислот, щелочей, например поваренная соль.
Затем плюс источника постоянного тока соединяют с заготовкой 8 через провод 9, минус к проводу 5. В процессе электрохимического полирования заготовка 8 и инструмент-электрод неподвижны. Между инструмент-электродом и заготовкой равномерный зазор по всей поверхности заготовки.
+
-
В качестве электролита используют водный раствор поваренной соли (NaCl), при растворении которой в воде образуются положительные ионы натрия Na и отрицательно заряженные ионы хлора Cl.
Далее волноводный резонатор комплексных колебаний 12 настраивают на резонансный режим относительно переменной возбуждающей силы от электромагнитного вибратора 14, который установлен с зазором Δ относительно пластины 13 жестко закрепленной на верхнем торце волноводного резонатора 12 с винтовыми пазами. Происходит закручивание корпуса короба 2 под действием внешней силы создаваемой электромагнитом 14, а за счет упругой усадки волноводного резонатора 12 происходит продольное смещение корпуса короба. Электрод-инструмент совершает комплексные колебания. При включении источника питания между инструментом-электродом и обрабатываемой деталью возникает постоянный ток, а в электролите происходит химическая реакция.
2
Так как зазор между инструментом-электродом и обрабатываемой поверхностью является равномерным, то и обработка происходит равномерно по всей поверхности, а введение в процесс ЭХО комплексных колебаний повышает производительность и качество обрабатываемой поверхности. Для поддержания равномерности процесса электрохимического полирования и удаления осадков из рабочей зоны электролит прокачивают. Для предотвращения коррозии обрабатываемой детали в электролит добавляют химические вещества - ингибиторы коррозии, например нитрид натрия NaN. После полирования инструмент-электрод извлекается из заготовки 8 путем съема со штифтов и промывается водой полированная поверхность детали сложных поверхностей.