ИНСТРУМЕНТ-ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
EDM ELECTRODE FOR ELECTROCHEMICAL FINISHING OF 3D-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, изменяющийся 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 электрод-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, выбранное в качестве прототипа, содержащее корпус с отверстиями, расположенными через равный шаг, при этом корпус образует полость, внутри которой соосно с отверстиями расположены разрезные втулки со стрежневыми 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.
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 содержит корпус, на корпусе зафиксирован симметрично относительно вертикальной оси пустотелый короб, 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, причем упомянутая модель изготовлена по внутренней поверхности мастер-модели, которой является обрабатываемая заготовка детали, с учетом величины зазора для прокачки электролита и диаметра упомянутой сетки.
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 их изготовления, уменьшает массу, повышает технологичность инструмента и снижает затраты на их изготовление.
Монтаж на наружной объемной поверхности модели металлической безъячеистой 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 сложности поверхности.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана конструктивная схема инструмента-электрода, на фиг. 2 - схема изготовления инструмента.
Устройство содержит корпус 1 с зафиксированными на нем симметрично относительно вертикальной оси пустотелыми коробами 2, на которых крепится модель 3, состоящая из отвердевшего неметаллического материала (например, полиуретан), 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. Заготовка 8 подключается проводом 9 к положительному полюсу источника питания. Между заготовкой 8 и корпусом 1 проходит система каналов подвода 10 и отвода 11 электролита.
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 заготовкой 8.
При изготовлении модели 3 на заготовку 8, которая является мастер-моделью для модели 3 (фиг. 2), 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 единый 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, необходимый для процесса электрохимического полирования (0,2…2 мм), и глубине z, равной диаметру проволоки сетки (0,5…1 мм). Проволока сетки может быть изготовлена из меди, коррозионно-стойкой стали и т.д. Сетка изготавливается 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. В качестве электролита используются 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 используется водный раствор поваренной соли (NaCl), при растворении которой в воде образуются положительные ионы натрия Na+ и отрицательно заряженные ионы хлора Cl-. 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⇒H+OH.
Анионы хлора движутся к детали, так как она является анодом, и соединяются с железом, образуя растворимый в воде хлорид железа:
<mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>C</mi><msup><mi>l</mi><mo>−</mo></msup><mo>⇒</mo><mi>F</mi><mi>e</mi><mi>C</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
.
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:
<mrow><mi>N</mi><msup><mi>a</mi><mo>+</mo></msup><mo>+</mo><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>¯</mo></mover><mo>⇒</mo><mi>N</mi><mi>a</mi></mrow>
;
<mrow><mi>N</mi><msup><mi>a</mi><mo>+</mo></msup><mo>+</mo><mi>O</mi><msup><mi>H</mi><mo>−</mo></msup><mo>⇒</mo><mi>N</mi><mi>a</mi><mi>O</mi><mi>H</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>H</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>¯</mo></mover><mo>⇒</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mo>↑</mo></mrow>
.
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
2
2NaOH+FeCl⇒2NaCl+Fe(OH)↓.
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 полирования инструмент-электрод извлекается из заготовки 8 путем съема со штифтов и промывается водой полированная поверхность матрицы.