МНОГОЭЛЕКТРОДНАЯ ОСНАСТКА С НЕЗАВИСИМОЙ ПОДВЕСКОЙ ЭЛЕКТРОДОВ И ИНЕРЦИОННЫМ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕМ
MULTIELECTRODE OUTFIT WITH INDEPENDENT SUSPENSION OF ELECTRODES AND INERTIA VIBRATION EXCITER

Изобретение относится к электрическим методам обработки и может быть использовано для упрочнения поверхностей различных металлических деталей машин и инструментов. Повышение эффективности процесса электроискрового легирования обеспечивается применением многоэлектродной схемы исполнения оснастки, а равномерность свойств и качество получаемых покрытий достигается за счет свободной регулировки угла наклона стержневого независимо закрепленного электрода, вибрация которого в аксиальном направлении обеспечивается за счет инерциального вибратора. Независимая подвеска электрода позволяет производить механическое «слежение» за изменением рельефа поверхности обрабатываемой детали, а инерциальный вибратор обеспечивает отрыв и необходимое механическое воздействие для проковывания обрабатываемой поверхности в процессе электроискрового легирования.
Известны варианты исполнения технологических оснасток, при которых покрытие на поверхность детали наносят стержневым электродом методом безвибрационного легирования через поддержание следящей системой заданной величины эрозионного промежутка [1, 2, 3].
Наличие специальной следящей системы в [1 и 3], связанной с источником технологических импульсов, в значительной степени усложняет конструкцию оснастки и увеличивает ее габаритные размеры. Кроме того, учитывая отсутствие механического воздействия электрода в процессе электроискровой обработки [1, 2, 3], возникает необходимость в проведении дополнительного сглаживающе-деформирующего воздействия, что значительно увеличивает трудоемкость процесса и может привести к формированию в поверхностном слое детали растягивающих остаточных напряжений и ухудшению механических характеристик получаемых покрытий.
Известны способы электроэрозионного нанесения покрытий вибрирующим стержневым электродом-инструментом, при котором его вращают вокруг своей оси и располагают под углом к поверхности обрабатываемой детали [4 и 5]. В данных методах стержневой электрод-инструмент вращают вокруг своей оси и располагают под углом от 8-45° к поверхности обрабатываемой детали, при этом торец электрода-инструмента может быть заточен под углом 60-90°. Постоянную величину межэлектродного зазора поддерживают с помощью автоматической следящей системы.
Недостатком такого варианта исполнения является ограничения угла наклона электрода-инструмента до 45° и сложность системы поддержания межэлектродного зазора, что не позволяет проводить обработку открытых поверхностей с пазами с непрямолинейной образующей (например, круглых ручьев на штампах или прокатных валках). Также может возникать неравномерность свойств получаемых покрытий из-за изменения параметров механического и термического воздействия вследствие изменения площади рабочей поверхности электрода при его расходовании [5]. Одновременное вращение и вибрация электрода-инструмента в [4] усложняет процесс легирования.
Существенным недостатком большинства технологических оснасток с системами механического или автоматического слежения, предназначенных для электроискровой обработки тел со сложным рельефом поверхности, является необходимость согласования перемещения позиционирующего механизма с частотой следования технологических импульсов тока, что делает невозможным использование схемы с независимым генератором импульсов и значительно усложняет технологическую оснастку и оборудование. Громоздкость системы слежения ограничивает возможности применения многоэлектродной схемы технологической оснастки при обработке поверхностей большой площади.
Известен также выбранный в качестве прототипа способ осуществления устойчивого процесса электроискрового легирования, в основе которого лежит периодическое контактирование рабочего электрода с деталью при помощи электромагнитных вибровозбудителей [6, 7]. Данный способ, в основе которого лежит технологическая оснастка с вибрирующим стержневым электродом-инструментом, имеет широкие возможности для регулировки технологического процесса нанесения покрытия в зависимости от мощности источника импульсов и природы материалов электродов за счет обеспечения необходимого соотношения между длительностью контакта электрода с обрабатываемой поверхностью и паузы между контактами. Данный вариант исполнения технологической оснастки может быть использован в технологическом процессе, в котором параметры виброперемещения инструмента не связаны с параметрами генератора импульсов (схема с независимым генератором импульсов). Важно, что при схеме реализации технологического процесса с использованием вибрирующего стержневого электрода-инструмента временное отставание пластического деформирования, вызванное механическим воздействием электрода, не превышает времени затвердевания переносимых частиц материала электрода. Это позволяет увеличивать твердость, сплошность, уменьшать шероховатость полученного покрытия, повышать производительность обработки, что позволяет повысить эффективность процесса легирования.
Технологическая оснастка для осуществления обработки деталей со сложной геометрией поверхности, выполненная по схеме с вибрирующим стержневым электродом, сегодня выполняется либо в виде ручного инструмента, либо в виде станка манипулятора. В первом случае возникает необходимость обучения персонала и повышается риск нарушения устойчивости технологического процесса, а во втором случае увеличивается сложность и громоздкость оборудования. В обоих случаях, в основном, применяются одноэлектродный инструмент. Основной недостаток такого инструмента - это жесткая связь корпуса вибратора инструмента с опорной поверхностью станка (суппортом) или манипулятора.
Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности процесса электроискрового легирования поверхностей со сложной геометрией и качества получаемого покрытия за счет применения многоэлектродной схемы и независимой подвески электродов-инструментов в кассете, позволяющих производить механическое отслеживание рельефа обрабатываемой поверхности независимо каждым электродом-инструментом индивидуально. При этом стабильность механического воздействия электрода на обрабатываемый участок обеспечивается индивидуальным электромагнитным вибратором.
Предложена многоэлектродная технологическая оснастка для электроискрового легирования, содержащая многоэлектродную кассету, выполненную с возможностью монтирования и регулировки угла наклона на суппорте станка и имеющую корпус из диэлектрического материала, объединяющий два или более электрододержателя для стержневых электродов, при этом на электрододержателях закреплены индивидуальные инерционные вибровозбудители, обеспечивающие независимое перемещение каждого стержневого электрода в перпендикулярном относительно обрабатываемой поверхности направлении, а между нижней частью корпуса кассеты и патронами упомянутых электрододержателей установлены пружины.
Средство достижения поставленной задачи состоит в том, что конструкция оснастки позволяет производить позиционирование двух и более стержневых электродов с обеспечением их независимого друг от друга перемещения в перпендикулярном относительно обрабатываемой поверхности направлении. При этом такая система позволяет каждому электроду независимо «отслеживать» изменение рельефа поверхности по высоте, обеспечивает стабильность электроимпульсного и механического воздействия.
Вибрация электрода в перпендикулярном поверхности направлении обеспечивает проковывание и уплотнение наносимого слоя. Одновременно с этим, при обработке деталей со сложным рельефом поверхности многоэлектродная кассета, объединяющая два и более электрододержателя, должна закрепляться в суппорте токарного или фрезерного станка перпендикулярно обрабатываемой поверхности.
Схема подвески электродов в многоэлектродной кассете представлена на Фигуре 1.
Корпус кассеты 1 собран из диэлектрического температуростойкого материала. Электрододержатели 2 находятся в направляющих втулках 3 и имеют степень свободы              вдоль оси электрода. На каждом электрододержателе крепится электромагнитный вибратор 4 направленного действия. На подвижной части вибратора закрепляется инерционный груз, обеспечивающий необходимую для механического воздействия энергию. Вибратор генерирует колебания вдоль оси электрода 5, что позволяет осуществлять процесс электроискрового легирования с проковыванием.
Представленная на Фигуре 1 система независимой подвески позволяет обеспечить стабильный контакт электрода с обрабатываемой поверхностью и исключить влияние возможного неравномерного расходования электродов. При углах наклона кассеты к вертикали менее 45° масса инерциального груза, закрепленного на вибраторе, обеспечивает прижим электрода к обрабатываемой поверхности. При больших углах наклона, вплоть до отрицательных, прижим электрода обеспечивается пружиной 6, устанавливаемой между патроном электрододержателя 7 и нижней частью корпуса кассеты 1.
Параметры виброперемещения и величина механической энергии, реализуемые при ударе электрода об обрабатываемую поверхность, могут регулироваться за счет изменения параметров тока и напряжения электромагнитного вибратора, а также за счет подбора массы инерционного груза.
На фигуре 2 представлена принципиальная схема механической оснастки, позволяющей вести электроискровую обработку тел вращения со сложной формой боковой образующей (ручья прокатного валка) одновременно несколькими электродами.
Суппорта механической многоэлектродной оснастки 9 выполнены в виде дуг, на которые монтируются радиальные направляющие 10, позволяющие перемещать многоэлектродную кассету 11 по направлению радиуса бочки обрабатываемого валка. Перемещение многоэлектродной кассеты вдоль оси вращения валка обеспечивается аксиальными направляющими 12. Направляющая кассеты 14 смонтирована на аксиальную направляющую при помощи втулки поворотной 13 и имеет две степени свободы: поворот относительно оси аксиальной направляющей и тангенциальное перемещение к поверхности аксиальной направляющей. Таким образом, механическая оснастка обеспечивает достаточное количество степеней свободы для настройки под любой ручей прокатного валка.
Были проведены опытно-промышленные испытания четырехэлектродной модульной оснастки, изготовленной на основе двух двухэлектродных кассет с независимой подвеской электродов с инерционным вибровозбудителем (Фигура 3).
Испытания технологической оснастки при электроискровой обработке прокатного валка, калиброванного для производства профиля круга диаметром 18 мм, показали, что предложенный вариант исполнения технологической оснастки позволяет наносить сплошное покрытие без «пропусков». Параметры виброперемещения электрода при изменении угла наклона оснастки к оси симметрии калибра от 0 до 180° изменяются пренебрежимо мало. Полученные с применением различных электродных материалов покрытия характеризуются шероховатостью, соответствующей шероховатости, полученной с применением ручного инструмента с вибрирующим стержневым электродом на аналогичных энергетических режимах. Применение устройства позволяет получать качественные покрытия без дефектов поверхностного слоя в виде вырывов и шаржирования металла.
Применение данного типа многоэлектродного инструмента с независимой подвеской электродов и инерциальным вибровозбудителем позволяет сократить время обработки тел со сложным рельефом поверхности пропорционально количеству одновременно работающих электродов с одновременным обеспечением однородности свойств получаемых покрытий.
Источники информации
1. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами. А.Г. Бойцов, В.Н. Машков, В.А. Смоленцев, Л.А. Хворостунин. - М.: Машиностроение, 1991, 127-134 с.
2. Михайлюк А.И., Рапопорт Л.С, Гитлевич А.Е., Иванов А.Н., Фомичева Е.И. Влияние поверхностно-пластической деформации на характеристики электроискровых покрытий на основе железа. Сообщение 2. Формирование рельефа - Электронная обработка материалов, 1991, №2, с.17-20.
3. Номер патента: 2175594.
4. Авт.св. СССР 1362577, кл. B23H 9/00, опубл. 30.12.87, бюл. 48.
5. Патент RU 2196665.
6. Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я. и др. Электроискровое легирование металлических поверхностей // Кишинев: Штиинца, 1985, 195 с.
7. Авт.св. СССР №629036. Кл. B23P 1/18, 1978.