Устройство для электрохимической обработки ступенчатых валов
DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF STEPPED SHAFTS

Изобретение относится к металлообработке, конкретно к электрохимической обработке, и предназначено для обработки осесимметричных деталей типа «вал».
Известно устройство из способа электрохимической обработки заготовок типа тел вращения, бандажей железнодорожных колес. Способ включает обработку поверхности заготовки при постоянном токе с подачей в межэлектродный зазор - МЭЗ электролита, с использованием в качестве анода заготовки, а в качестве катода электрода-инструмента в виде кулачков [Патент RU 2301134 С2, кл. B23H 3/00, 2006].
Недостатком приведенного аналога является невозможность обработки длинномерных маложестких деталей как простых, так и сложных по форме в поперечном сечении валов.
Известно устройство для электрохимической обработки маложестких валов, содержащее датчик контроля прогиба вала, связанный с источником питания через блок управления, а также ванну с электролитом, которая закреплена на суппорте станка и имеет возможность перемещаться вдоль и поперек оси вала [Авторское свидетельство СССР №1618536 А1, Кл. B23H 300]
Недостатком данного аналога является невозможность стабилизировать продольную ось вала и обеспечить продольную геометрическую точность вала. Кроме того, диапазон диаметров при обработке минимальный, обработка ступенчатых валов невозможна, так как при прохождении ступени электродом-инструментом она сглаживается.
Приведенный аналог имеет недостатки. Возникающие при механической обработке силы резания создают остаточные напряжения по всей поверхности вала, которые складываются с внутренними остаточными напряжениями с учетом знака и приводят к потере точности (искривлению оси вала в процессе эксплуатации). В материале заготовки остаточные напряжения всегда распределены неравномерно по длине. Кроме того, после механической обработки шейки вала имеют малую точность и низкую шероховатость.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационной точности готовых изделий и качества их поверхности, устранение концентраторов напряжений, которые остаются после токарной обработки. В результате достигаются следующие технические результаты: повышается точность формы в - поперечном и продольном направлениях за счет отсутствия сил резания и стабилизации оси заготовки в процессе электрохимической обработки; повышается надежность работы изделий за счет снятия поверхностных остаточных напряжений, остающихся после механической обработки.
Эта задача решается тем, что используют устройство для электрохимической обработки тел вращения, содержащее диэлектрический корпус, в котором установлена опора вращения заготовки, и источник технологического тока, положительным полюсом подключаемый к заготовке, согласно изобретению внутренняя часть корпуса выполнена в виде призмы, в каждой плоскости которой встроены регулируемые опоры осевой фиксации заготовки, оси которых пересекаются в центре оси заготовки и расположены относительно друг друга под углом 90°, при этом на корпусе установлена крышка из электроизоляционного материала, базируемая по диагонали двумя центровочными штифтами и выполненная с возможностью регулирования межэлектродного зазора по другой диагонали с помощью винтового механизма, включающего винт, один конец которого ввинчивается в корпус, а на втором жестко закреплена его головка, осевое перемещение торца которой контролируется датчиком линейных перемещений, выход которого подключен к входу прибора визуального наблюдения, при этом внутренняя часть крышки выполнена по продольным и поперечным размерам заготовки с углами обхвата γ=170° и на ней размещены по два электрода-инструмента на каждую ступень заготовки, выполненные в виде сегментов из металлических труб с радиусами, равными радиусам ступеней заготовки плюс 0,2÷2 мм, причем электроды-инструменты на крышке расположены симметрично относительно отверстия для подачи электролита для каждой ступени заготовки, разделены между собой на всю длину ступени заготовки пазом и подключены к отрицательному полюсу источника питания.
Использование диэлектрического материала корпуса и крышки установки позволяет сократить стоимость устройства.
Использование регулируемых опор, встроенных в корпус, как базирующих обеспечивает бессиловую обработку со снятием припуска в поперечном сечении заготовки и с совмещением конструкторских, технологических и измерительных баз, что повышает точность обработки изделия.
Выполнение электродов-инструментов в виде двух сегментов на каждой ступени заготовки (вала), выполненных из металлических труб, рабочие поверхности которых имеют форму секторов с радиусами, равными радиусам ступеней изделий плюс МЭЗ, и разделенных пазами, равными длине ступени, обеспечивает равномерную подачу электролита непосредственно в зону обработки и максимальную производительность.
Подключение электродов-инструментов к отрицательному полюсу источника питания обеспечивает снятие припуска с тел вращения. Оснащение устройства механизмом вращения заготовок обеспечивает расширение технологических возможностей и повышает производительность обработки.
Возможность подвода электролита к входу электрода-инструмента от насоса прокачки в зону обработки удаляет продукты электрохимической обработки из зоны обработки.
Оснащение крышки корпуса винтовыми механизмами настройки МЭЗ и приборами визуального наблюдения обеспечивает точность настройки величины МЭЗ.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - общий вид установки в разрезе А-А; на фиг. 2 - вид установки сверху; на фиг. 3 показан разрез Б-Б; на фиг. 4 показан разрез В-В; на фиг. 5 - функциональная схема подключения и контроля контакта электродов-инструментов к источнику питания и прибору визуального наблюдения.
Устройство для ЭХО содержит заготовку 1, базирующуюся на регулируемых опорах 2 (фиг. 3), установленных в диэлектрическом корпусе 3 (фиг. 1), в котором вмонтированы опора осевой фиксации 4 и вращающаяся опора, установленная в шпинделе 6, связанном через муфту 7 с электродвигателем 8, корпус которого закреплен на коретке 9 с возможностью осевого перемещения (ходовой винт не показан). На корпусе 3 смонтирована крышка 10, выполненная из электроизоляционного материала с гидроуплотнителем 11 по периметру крышки, которая фиксируется по штифтам 12 и устанавливается с зазором H относительно корпуса 3 винтовым механизмом (фиг. 4) головки 13, жестко закрепленной на винте 14. Осевое перемещение винта 14 фиксируется датчиком линейных перемещений 15, жестко закрепленным на стойке 16, и выход датчика 15 подключен к прибору визуального наблюдения 17. На внутренней части крышки 10 размещены электроды 18 с эквидистантным профилем поперечных сечений заготовки (фиг. 3). Электроды 18 расположены симметрично относительно отверстия 19 для подачи электролита для каждой ступени заготовки и разделены между собой на всю длину ступени заготовки пазом 20 (фиг. 3). Каждый из электродов 18 объединен в единую цепь и подключен к источнику питания 21 к отрицательному полюсу (фиг. 5). Заготовка 1 через центр 5 и шпиндель 6 через токосъемник 22 (фиг. 1) подключена к положительному полюсу источника питания 21. Момент контакта заготовки 1 с электродами фиксируется датчиком контакта 23 со встроенным прибором визуального наблюдения (на фиг. 5).
1
Устройство для электрохимической обработки тел вращения работает следующим образом: заготовку 1 предварительно протачивают на токарном станке, формируют профиль изделия, оставляя припуск на чистовую обработку, далее устанавливают на базирующие регулируемые опоры 2, расположенные под углом 90° друг другу и наставленные по длине заготовки по эталонному образцу с учетом диаметров ступеней заготовки. Количество опор на длине ступени рассчитывается из технологической жесткости. Ступени при соотношении ее длины к диаметру менее десяти устанавливают на двух опорах в одном сечении (рис. 3). Настройка подвижных опор на диаметре проводится вручную за счет винтовой пары (на фиг. 3 показано условно). Внутренняя часть корпуса выполнена в виде призмы с углом α=90°, a длина и ширина рассчитывается на типовые заготовки. Корпус выполнен из диэлектрического материала. Для фиксации заготовки в осевом направлении в корпусе 3 установлен регулируемый упор 4 с полусферической заготовкой на конце. С противоположной стороны в торце заготовки устанавливают центр с рифленым коническим профилем 5, последний фиксирует осевое перемещение заготовки и передает вращательное движение от шпинделя 6 через муфту 7 и электропривод 8. Муфта 7 выполнена в виде двух полумуфт, соединенных диэлектрической прокладкой (на фиг. 1 показано условно). Перемещение центра 5 вдоль своей оси осуществляется путем перемещения каретки 9, на которой закреплен электропривод 8 вручную с помощью винтовой пары, фиг. 1, где она показана условно. После установки заготовки 7 в корпус 3 на последней устанавливают крышку 10 с резиновой прокладкой 11 по ее периметру и осуществляют центровку крышки 10 относительно корпуса 3 с помощью центровочных штифтов 12 (фиг. 2), установленных по диагонали корпуса 3. По другой диагонали крышки устанавливают предварительно начальный зазор H между плоскостью корпуса 3 и крышкой 10 с помощью винтового механизма, включающего в себя головку 13, жестко закрепленную на специальном винте 14, резьбовая часть которого ввинчивается в корпус 3 (фиг. 4) и позволяет в зависимости от направления вращения уменьшать или увеличивать зазор Н, величина которого функционально связана с зазором H перемещения торца головки 13 винтового механизма, измеряется датчиком линейных перемещений 15, корпус которого жестко закреплен на корпусе 3 с помощью стойки 16, а выходной сигнал с датчика 15 является входом прибора визуальных наблюдений 17. Внутренняя часть крышки 10 выполнена по продольным и поперечным размерам заготовки (например, многоступенчатого вала) с углами обхвата γ=170° и диаметрами на 2-3 мм больше диаметров заготовки, на внутренних профилях крышки закреплены сегменты труб 18, представляющие электроды-инструмент, изготовленные из цветных металлов (например, меди, бронзы и т.д.), и соединены с отрицательным полюсом источника питания 21 (фиг. 5). Заготовка 1 как анод соединена с положительным полюсом источника питания 21 через токоприемник 22. Далее с помощью винтового механизма 14 опускают крышку 10 с прикрепленными к ее внутренней части электродами-инструментами 18 до контакта с заготовкой 1, который фиксируется датчиком контакта 23, это и является точкой отсчета МЭЗ. Далее с помощью головок 13, расположенных по диагонали корпуса 3, одновременно вращая их (фиг. 4), поднимаем крышку 10 на величину МЭЗ, равную Н, которая заранее считается и экспертно проверяется. Контроль за установкой зазора Η осуществляется с помощью датчика линейных перемещений 15, выход которого включен на выход прибора для визуального наблюдения 17. При контакте катода-инструмента 18 с заготовкой (анодом) 1 на экране прибора 17 появляется реперная точка, с которой ведется отсчет величины подъема крышки. Между инструментом-электродом и заготовкой-анодом равномерный зазор по всем ступеням заготовки МЭЗ выбирается в пределах 0,2÷1 мм, в зависимости от решаемой задачи - полирование поверхности или размерная обработка заготовки.
Установка готова к работе и в отверстие 19 через горизонтальные пазы 20 подается под давлением электролит (насос подачи электролита не показан), далее включается электропривод 8, который через шпиндель 7 и через центр 5 рифленым коническим профилем вращает заготовку 1, что обеспечивает съем металла с заготовки.
В качестве электролита используется водный раствор поваренной соли (NaCl), при растворении которой в воде образуются положительные ионы натрия Na+ и отрицательно заряженные ионы хлора CI-. При включении источника питания между инструментом-электродом и обрабатываемой деталью возникает постоянный ток, а в электролите происходят следующие химические реакции. Вода частично диссоциирует на ионы водорода и гидроксильной группы:
2
HO=Н+ОН
Анионы хлора движутся к детали, так как она является анодом, и соединяются с железом, образуя растворимый в воде хлорид железа:
.
Катионы натрия движутся к катоду, получают от него недостающие электроны и образуют металлический натрий. Натрий - очень активный элемент, поэтом он сразу же реагирует с водой, образуя растворимый гидроксид натрий и газообразный водород:
Гидроксид натрия и хлорид железа в водном растворе реагируют друг с другом, образуя вновь растворимую поваренную соль и нерастворимый гидроксид железа. Нерастворимое соединение выпадает в осадок и далее в реакциях не участвует:
2
2NaOH+FeCl=>2NaCl+Fe(OH)2↓.
2
При небольшой силе тока (50…100 ампер) анодному растворению подвергаются в первую очередь выступы шероховатости на обрабатываемой поверхности. Вследствие этого выступы удаляются электрохимическим путем и шероховатость поверхности снижается. Так как зазор между инструментом-электродом и обрабатываемой поверхностью является равномерным, то и обработка происходит равномерно по всей поверхности. Для поддержания равномерности процесса электрохимического полирования и удаления осадков из рабочей зоны электролит прокачивается. Для предотвращения коррозии обрабатываемой детали в электролит добавляются химические вещества - ингибиторы коррозии, например нитрид натрия NaN. После обработки крышку 10 снимают со штифтом 12, вынимают заготовку 1 и промывают ее водой.