Технологическое оснащение электрохимикомеханической обработки внутренних поверхностей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.047

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИКОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

А.И. Болдырев

В статье рассмотрены конструкции комбинированных инструментов для электрохимикомеханической обработки внутренних поверхностей. Приведены рекомендации по применению технических устройств в конструкциях станков с целью обеспечения требуемых технологических показателей, представлены основные расчетные зависимости

Ключевые слова: комбинированный инструмент, механическая система, стабилизатор, расчет

В результате проведения опытных работ выявились положительные и отрицательные стороны, предложенного в [1] комбинированного инструмента. Основным его недостатком является необходимость полной разборки технологической оснастки и инструмента после каждого цикла обработки, т. к. рабочий диаметр калибрующего элемента больше диаметра предварительно вскрытого отверстия. Это обстоятельство к тому же ограничивало технологические возможности комбинированного инструмента, в частности, невозможность его использования при обработке глухих отверстий.

Анализируя накопленный опыт, удалось разработать новую конструкцию комбинированного электрода-инструмента, общий вид которого изображен на рис. 1. В отличие от предыдущей конструкции в элементе 2 выполнены пазы 5, расположенные к оси инструмента под углом, обеспечивающим перекрытие калибрующим элементом всего периметра детали без просветов в местах расположения пазов.

7 11 10 8 Н 6 9

Рис. 1. Общий вид комбинированного электрода-инструмента: 1 - рабочая часть; 2 - калибрующий элемент; 3, 4 - направляющие элементы;

5, 7, 8 - пазы и 6 - отверстия для прохода электролита; 9 - конус; 10 - тяга; 11 - диафрагма;

12 - упругий элемент; 13 - шток прерывателя тока; 14 - диэлектрическая прокладка; 15 - штанга токоподвода

Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (473) 253-09-73, e-mail: tm@vorstu.ru

В

т ■ I

I \ •щ 1

J 1 /ч ~=\Т ы t 2

\

Рис. 2. Вид калибрующего элемента комбинированного электрода-инструмента: 1 - пазы для разжима калибрующего элемента; 2 - каналы для прохождения электролита

Для этого должно выполняться условие I > ъп (рис. 2). Величина угла утт определяется при условии I = Ьп, тогда

Ь

Гтт = агЩ-П, (1)

В

где Ьп - ширина паза калибрующего элемента в разжатом состоянии;

В - высота калибрующего элемента. Количество пазов должно быть четным для того, чтобы не происходила закрутка калибрующего элемента под действием сил протягивания. Каждый соседний паз выполнен с наклоном к оси симметрично оси электрода-инструмента.

Перед обработкой комбинированный инструмент вводят в глухое или сквозное отверстие. При этом конус 9 перемещается вправо, лепестки калибрующего элемента 2 под действием упругих сил сжимаются, и диаметр элемента 2 уменьшается до величины меньшей диаметра отверстия в заготовке. При подаче механизмом станка рабочей осевой силы на конус 9 тяги 10 происходит разжим лепестков калибрующего элемента 2 до требуемых размеров. Дальнейшее рабочее поступательное движение

электрода-инструмента осуществляется, как указано выше.

Большими технологическими возможностями обладает конструкция комбинированного инструмента по [2], позволяющего обрабатывать внутренние поверхности с различным диаметром и припуском на диаметр с высокой точностью и гарантированным требуемым наклепом без смены калибрующего элемента в отверстиях с различным диаметром. Схематично конструкция инструмента представлена на рис. 3. Комбинированный инструмент состоит из электрода 1, включающего штангу 2 для перемещения инструмента вдоль оси отверстия и подвода тока, переднего направляющего элемента 3 с пазами 4 для прохода электролита в зону обработки заготовки 5, рабочей части 6, электрически связанной со штангой 2, калибрующего элемента 7. На сечении Б-Б приведен калибрующий элемент в форме разрезной упругой втулки 8, на боковой поверхности под углом к оси инструмента выполнен разрез 9 с возможностью перекрытия периметра отверстия с контактной поверхностью втулки и скошенными пазами 10 для протекания электролита. На сечении А-А показан калибрующий элемент 7 с полостью внутри втулки 8, заполненной магнитной реологической жидкостью 11. Втулка 8 свободно посажена на тягу 12 с шаровым шарниром 13 и упором 14, жестко связанным с тягой 12, например сваркой 15. Втулка 8 изолирована от рабочей части 6 с помощью диэлектрических прокладок 16, 17, 18. На торце полости внутри втулки 8 установлен дополнительный электрод в форме металлической шайбы 19, соединенной с токоподводом 20, для подачи на

\2_ \j_ \j_ ^ ю

А-А Б-Б

tí \t8 \п_ \ 12 \21

Рис. 3. Комбинированный электрод-инструмент с использованием магнитно-реологической жидкости для электрохимикомеханической обработки каналов

катушку 21 регулируемого напряжения, изменяющегося в зависимости от ширины разреза, определяемого датчиком 22, установленного в разрезе (вид В). В качестве датчика 22 может применяться любой известный измеритель линейных размеров (пьезодатчик, индукционный, сопротивления и др.) с электрическим сигналом на выходе.

Работа такого комбинированного инструмента осуществляется следующим образом. На станке для электрохимикомеханической обработки внутренних поверхностей перед началом процесса инструмент вводится в кольцевой калибр с размером, равным размеру обработанного отверстия в заготовке 5. Втулка 8 разжимается до расчетного наружного диаметра за счет изменения ширины разреза 9. Через токоподвод 20 и упор 14 подводится на катушку низковольтный ток, вызывающий затвердевание магнитной реологической жидкости 11 и фиксацию наружного диаметра втулки 8. При этом через токо-подвод 20 подводится положительный полюс. Вводится инструмент внутрь отверстия, включается вращение заготовки 5 и подача инструмента вдоль оси. Рабочая часть 6 не имеет вращения и передает продольную силу электрода 1 калибрующему элементу 2 через шаровой шарнир 13, тягу 12, прокладку 17. За счет шарового шарнира 13 электрод 1 свободно перемещается в заготовке 5 в радиальном направлении независимо от положения оси калибрующего элемента 7, что дает возможность без смены втулки 8 обрабатывать отверстия различного диаметра. Точность обработки отверстия зависит от стабильности наружного диаметра упругой втулки 8. Диаметр определяется равновесием сил реакции внутренней поверхности заготовки и давления на внутреннюю поверхность упругой втулки 8 магнитной реологической жидкости 11. Баланс этих сил, полученных при настройке инструмента, может нарушаться при его работе из-за местного изменения прочностных характеристик материала заготовки 5, которые зависят от структуры отдельных участков материала, местной твердости, локального наклепа и других факторов. При любом изменении прочностных характеристик материала заготовки 5 наружный диаметр упругой втулки 8 изменяется, и точность отверстия будет нарушаться, а из-за изменения припуска под калибрующий элемент 7 не будет достигаться гарантируемый требуемый наклеп внутренней поверхности. Для исключения факторов, нарушающих точность и наклеп заготовки 5 в процессе обработки, отслеживается ширина разреза 9, устраняя его изменения путем коррекции величины напряженности (отношение напряжения к расстоянию между электродами) поля в магнитной реологической жидкости 11, что определяет степень ее затвердевания, т.е. величину сопротивления упругой втулки 8 изменению наружного диаметра. При незначительных изменениях наружного диаметра упругой втулки 8 напряженность поля обратно пропорциональна величине изменения наружного диаметра и осуществляется по сигналу датчика 22 о ширине разреза путем изменения напряжения в ка-

тушке 21, куда поступает ток от электрода в форме металлической шайбы 19 и упора 14.

В случае обработки внутренних поверхностей с большой неравномерностью припуска заготовки применяется комбинированный инструмент по [3] (рис. 4). На штанге 1 закреплен электрод-

инструмент 2, с помощью которого обрабатывается заготовка 3, имеющая участки значительного перепада припуска 4. Электрод-инструмент состоит из конического регулятора диаметра отверстия 5, жестко связанного со штангой 1; упругой диэлектрической прокладки 6; калибрующего элемента 7, имеющего с двух сторон конические части с углами, меньшими углов трения между контактирующими материалами. Что позволяет перемещать электрод-инструмент 2 под действием штанги 1 через участки 4; передней направляющей 8, имеющей на конце электрода-инструмента 2 коническую часть; рабочей части 9; индуктора 10 и упругого регулятора 11, работающего на сжатие.

8 9 3 7

Ю 13 К / 12

Рис. 4. Комбинированный электрод инструмент для обработки каналов

Для возможности изменения диаметра калибрующего элемента 7 в нем выполняется под углом 5-10° к оси штанги 1 прорезь 12. А для изменения диаметра передней направляющей 8 и жестко связанной с ней рабочей части 9 в них выполняются соосные прорези 13 и 14 с длиной, не выходящей за границы консольного участка рабочей части 9, расположенные также под углом 5-10° к оси штанги 1. Углы оси прорезей выбираются из геометрических построений так, чтобы боковые поверхности прорезей 12, 13, 14 на калибрующем элементе 7 и рабочей части 9 перекрывали ширину прорезей, что обеспечивает равномерный съем припуска за счет анодного растворения по диаметру отверстия. В электродеинструменте 2 упругая диэлектрическая прокладка 6 имеет силу упругости, исключающую возможность получения натяга между элементом 7 и внутренней поверхностью заготовки 3 в период вывода элемента 7 через участок 4 заготовки 3. Это дает возможность разъединять электрод-инструмент с заготовкой и обрабатывать последующие детали без снятия электрода 2 со штанги 1, что снижает трудоемкость электрохимикомеханической операции.

Обработка осуществляется следующим образом. Перед началом обработки калибрующий элемент вводится в зону обработки со стороны ее окончания через отверстие торцевого участка заготовки за счет выведения конического регулятора диаметра отверстия из соприкосновения с упругой прокладкой и сжатия передней направляющей.. При подаче напряжения в индуктор обеспечивается гарантированный натяг между калибрующим элементом и обрабатываемой поверхностью. Одновременно перемещается штанга с электродом-инструментом в направлении начала его движения до выхода рабочей части электрода-инструмента из зоны обработки. Отключается подача тока и перемещается штанга до прекращения контакта конического регулятора диаметра отверстия с упругой прокладкой калибрующего элемента. Выводится электрод-инструмент из зоны обработки заготовки.

Разработанные конструкции комбинированных инструментов позволяют реализовывать предложенную схему электрохимикомеханической обработки сквозных, ступенчатых и глухих отверстий.

Для реализации предложенного способа [4] используется станок с механическим продольным перемещением комбинированного инструмента. С целью компенсации сил, возникающих при остановке и замедлении скорости движения инструмента, между механизмом привода и штангой дополнительно устанавливается стабилизатор, показанный на рис. 5. Механизм привода создает постоянное перемещение штока 4, который воздействует на упругий элемент 1. Упругий элемент проектируется так, чтобы он перемещался при силе, большей требуемой для подачи электрода-инструмента. Однако это превышение должно быть в пределах нескольких процентов. Такая схема устройства работает при равномерном припуске с размером, близким к требуемому значению для получения требуемого наклепа. В большинстве случаев внутренние поверхности имеют, хотя и плавно изменяющийся, но переменный по длине припуск, что вызывает остановку инструмента и сжатие пружины 1. После анодного растворения излишка припуска элемент 8 начинает ускоренно перемещаться. Сила давления на пружину ослабевает и нарушается нормальный процесс анодного растворения. Это может снижать точность и равномерность наклепа.

Главным недостатком механической системы перемещения штанги является возможность резкого снижения скорости съема и полного прекращения анодного процесса на участке между рабочей частью электрода и калибрующим элементом. Если неравномерность припуска незначительна, то за счет токов рассеивания происходит анодное растворение, и процесс продолжается. Но и в этом случае задержка в перемещении инструмента может вызвать повышенный съем материала в зоне рабочей части электрода и брак деталей. Для устранения этого явления предлагается после остановки калибрующего элемента перед участком с повышенным припуском придавать инструменту импульсные возвратнопоступательные движения, в результате которых

Рис. 5. Схема работы стабилизатора сил: 1 - пружина; 2 - штанга с токоподводом; 3 - заготовка;

4 - шток стабилизатора; 5 - диэлектрическая направляющая; 6 - рабочая часть электрода;

7 - диэлектрическая прокладка; 8 - калибрующий элемент; 9 - отверстия для прохода электролита

электрод возвращается к началу возрастания припуска, а ударные силы вызывают наклеп поверхности в тех местах, где требуется наибольший съем металла. Для того, чтобы дополнительно вносимый наклеп не оказывал влияния на его заданный уровень, в калибрующем элементе предусматривается входной конус с профилем, позволяющим распределить силы на слой, удаляемый анодным растворением.

Однако, механические системы зачастую не позволяют реализовать описанный способ. Поэтому была предложена гидравлическая система стабилизатора (рис. 6), где полость пружины заполняется гидросмесью (например, маслом), которая создает дополнительное сопротивление движению штока за счет жиклера 2. Величина суммарной силы меняется регулятором 3. По мере сжатия масло по магистрали

4 перетекает в правую полость, а после снятия нагрузки на шток возвращается в полость пружины.

При настройке силы продольного перемещения на шток наносят отметки, определяющие величину силы. Для этого штанга нагружается через блок грузом известной массы и на границе выступления штока наносятся риски с указанием массы. Диапазон сил, требующихся для заданного наклепа поверхности, рассчитывается по зависимостям, например предложенным в [5]. Далее устанавливается предельная величина продольной силы, воздействующей на штангу, и она поддерживается в течение всего времени обработки.

Для получения ускоренного съема припуска в момент остановки инструмента при повышенном припуске предложены конструкции предохранителей и клапанов, используемых ранее на прессовом оборудовании. При такой конструкции стабилизатора длина левой части (рис. 6) должна быть достаточна для перемещения штока до упора в пружину. При нарушении этого условия возможен выход из строя станка и брак детали.

Длина левой части полости

(2)

где /1 - длина штока;

12 - длина пружины в сжатом положении;

12 = п ■ й , где п число витков пружины,

а -

диаметр проволоки пружины;

"3

ции. Длина штока

/ 3 - перемещение штока за счет инер-

(3)

Рис. 6. Гидравлический стабилизатор сил: 1 - гидросмесь; 2 - жиклер; 3 - регулятор; 4 - магистраль;

5 - разгрузочный клапан; 6 - индикатор сил

где Уп - скорость подачи штанги;

Т0 - время удаления расчетного припуска за счет анодного растворения.

Из теории электрохимической обработки [6]

Vп =

2/ па- х- (и - Ли)

(4)

где ¡р - длина рабочей части электрода;

П - выход по току;

а - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала;

X - электропроводность рабочей среды;

и - напряжение на электродах;

Аи - потери напряжения; у - плотность обрабатываемого материала;

Вд - В

дет_______заг

2

5 0 - начальный зазор; 50 =

где Вдет , Взаг - диаметр отверстия в детали и заготовке, соответственно;

5 к - конечный зазор после обработки электрохимическим методом;

5к =■

где Н

(В дет - В заг ) + Н з

■ - г

упр

упр ■

нижний предел допуска на

размер заготовки; гупр - припуск на

сторону при калибрующем упрочнении. Время удаления расчетного припуска за счет анодного растворения

Го =

(5К 2 - 50 ) • у 2п а • х • (и - Ли)

(5)

-,’2

5„

где 5 к = 5 0 +----.

к 0 2 Тогда после ряда преобразований

(5 К' - 5 0)

2 2 5 к - 5 о

(6)

Если припуск перед калибрующим элементом достаточно большой, то поршень в цилиндре продолжает перемещение влево, перекрывает магистраль 4 и увеличивает давление в полости пружины (рис. 6). Клапан 5 настраивается на давление, превышающее рабочее, после чего он открывается, вызывая импульс давления жидкости в полости, справа от поршня. Это заставляет переместиться вправо шток с инструментом и под действием пружины 1 происходит удар входным участком калибрующего элемента с поверхностным слоем заготовки. Особенностью клапана является быстрое срабатывание (несколько мкс) и восстановление исходного состояния. После перемещения поршня влево процесс может повторяться до удаления припуска, затем стабилизатор начинает перемещаться поступательно.

Величина хода штока в момент импульса должна быть не менее расстояния между рабочей частью электрода и прилежащим концом элемента (рис. 5). При известной площади поршня и расстояния 13 превышение давления в полости пружины в

момент срабатывания клапана регулируется подбором упругих элементов. Сила срабатывания находится путем решения численными методами системы дифференциальных уравнений.

Развитием конструкции предохранителя является создание универсального устройства, структурная схема которого приведена на рис. 7.

В правой полости стабилизатора (рис. 6) приходится дополнительно устанавливать электроды, соединенные с батареей конденсаторов. В основу работы предохранителя положен принцип разряда на электродах в момент разбаланса давления на датчике. Для рассчитанной, аналогично предшествующему случаю, силы находится энергия конденсаторов, которая зависит от напряжения (может изменяться от 2 до 7 кВ) и емкости (от 10 до 50 мкФ).

2

Датчик давления Усилитель сигнала Триггер Шмидта Зарядное и коммутирующее устройство Электроды

Генератор опорного напряжения Батарея конденсаторов

Рис. 7. Структурная схема универсального устройства для импульсного перемещения электрода

В [6] показано, что при электрическом разряде в жидкости давление достигает 27-103 МПа при скорости детонации до 1500 м/с. Известна также длительность импульса при разряде конденсатора, которая равна

1

т,, =■

q-f

(7)

где q - отношение периода повторения импульсов к их длительности; f - частота следования импульсов

1

2,3-R-C-lg

Uc - Uк

Uc - Unp

(8)

где R - сопротивление межэлектродного промежутка;

C - емкость конденсаторов;

Uc - напряжение на конденсаторах;

Uк - напряжение в конце разряда;

Uпр - пробойное напряжение.

Расчет возможен с использованием результатов ос-циллографирования процесса, показывающих напряжение в конце разряда, которое значительно ниже пробой-

ного. Длительность импульсов для применяемых разрядников составляет 0,01-0,1 с.

Расчеты также показывают, что перемещение штока в обратном направлении под действием разряда составляет не менее длины /3, т.е. гарантируется обеспечение расчетных режимов обработки.

Литература

1. Болдырев А.И. Инструменты для электрохимической размерной обработки каналов с гарантированным наклепом / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев // Пути повышения качества и надежности инструмента: тезисы докл. зон. науч.-техн. конф. Барнаул: Алтайское ВНТО, 1989. С. 23-24.

2. Патент № 2191664 (РФ). Устройство для электрохимикомеханической обработки / В.П. Смоленцев. Г.П. Смоленцев, В.Ю. Склокин // Опубл. 2002, Бюл. № 30.

3. Патент № 2251472 (РФ). Способ электрохимикомеханической обработки каналов и устройство для его осуществления / В.В. Долгушин, О.В. Козлова, В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Бюл. 2005, № 13.

4. А.с. 1085734 СССР, МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ электрохимикомеханической обработки / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев (СССР). Опубл. 1984, Бюл. № 14.

5. Комбинированные методы обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А.В. Кузовкин и др.; под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 1996. 168 с.

6. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: учеб. пособие в 2-х т. Т. I. Обработка материалов с применением инструмента / Б.А. Артамонов, Ю.С. Волков и др.; под ред. В.П. Смоленцева. М.: Высшая школа, 1983. 249 с.

Воронежский государственный технический университет

TECHNOLOGICAL OUTFIT FOR ELECTROCHEMICAL MECHANICAL TREATMENT

OF INNER SURFACES

A.I. Boldyrev

The article is devoted to construction of combined tools for electrochemical mechanical treatment of inner surfaces. The author gives recommendations concerning the application of technical devices in construction of machine-tools aimed at achievement of required technological parameters. The main calculation correspondences are also presented in this article

Key words: combined tool, mechanical system, stabilizer, calculation