3.2. Проектирование электродов-инструментов

и электрододержателей

При конструировании электродов-инструментов для получения детали заданной формы необходимо учитывать следующие требования:

• обосновать выбор материала ЭИ;

• принять лучший способ крепления электрододержателя;

• правильно разработать и изготовить формообразующую часть;

• спроектировать схему подачи электролита с внутренней или наружной прокачкой по контуру формообразующей части, поливом, противодавлением и др.;

• рассчитать необходимую механическую прочность электрода в зависимости от возникающих нагрузок, в частности от давления электролита;

• создать надежную электрическую изоляцию для всех нерабочих поверхностей электрода.

Конструкция ЭИ зависит от схемы обработки, условий прокачки электролита конфигурации обрабатываемой части детали. Все эти вопросы при проектировании ЭИ должны рассматриваться комплексно. В дальнейшем под электродом-инструментом будем понимать электрод или инструмент.

3.2.1. Выбор материала для электрода-инструмента

Материал ЭИ должен отвечать определенным требованиям:

• обладать хорошей электропроводностью;

• иметь удовлетворительную механическую прочность;

• обладать антикоррозионными свойствами при воздействии электролитов;

• обладать сопротивляемостью местному разрушению при действии коротких замыканий и кавитации;

• обладать высокой адгезией к диэлектрическим покрытием;

• легко обрабатываться традиционными методами обработки и восстанавливаться сваркой или пайкой.

Наиболее полно этим требованиям отвечают бронза, латунь, медь, нержавеющая сталь. В некоторых случаях могут применяться нелегированные стали и чугун. Во избежание коррозии электроды из цветных металлов после работы следует хранить погруженными в (0,04-0,06)-процентный водный раствор хромпика (К₂СrО₇), а электроды из черных металлов - в (10-12) - процентном водном растворе нитрита натрия (NаNO₂).

Универсальным материалом для ЭИ является нержавеющая сталь I2XI8H9T, которая не корродирует и не адгезирует со шламом. Однако нержавеющая сталь хуже обрабатывается механическим способом, имеет низкую удельную электрическую проводимость (в 30...50 раз меньше чем у меди) и при коротких замыканиях вызывает большие разрушения заготовки [2].

По результатам проведенных исследований для профилирующей части электрода-инструмента можно рекомендовать медно-вольфрамовые композиции с процентным содержанием 20%Cu + 80%W или 40%Cu + 60%W,, получаемые методом порошковой металлургии. Благодаря высокой температуре плавления вольфрама при коротких замыканиях ЭИ не плавится, на нем образуются выступы (продукт расплава металла детали), которые легко можно зачистить слесарным способом. Технология изготовления электродов-инструментов из композиционных материалов более эффективна, чем механический способ. Однако она пригодна только в случае серийного изготовления ЭИ.

3.2.2. Крепление электродов в электрододержателе

Электрододержатель должен выполнять несколько функций: подводить ток к ЭИ, осуществлять его базирование и жесткое закрепление, подводить или отводить электролит.

Конструкция электродержателей зависит от формы обрабатываемого участка, характеристик детали и определяется схемами обработки, подачи электролита, сложностью формы профилирующей части электрода-инструмента.

3.2.3. Распределение электролита в электрододержателе

Для обеспечения нормального процесса обработки одним из основных требований является равномерное течение электролита по всему сечению межэлектродного промежутка (МЭП). Чтобы обеспечить такое течение необходимо в конструкциях электрододержателей предусмотреть полости (распределительные карманы), которые должны предварительно формировать поток электролита перед выходом его в отверстия и щели ЭИ для обеспечения нормального распределения электролита в МЭП.

Чтобы уменьшить потери давления в приспособлениях и по длине МЭП, в конструкциях приспособлений требуется создавать противодавление, для чего необходимо выполнить условие:

, (3.4)

где F₁ - живое сечение для входа электролита в МЭП, мм² ;

F₂ - живое сечение для выхода электролита из МЭП, мм² .

Конструктивно формирование каналов зависит от схемы подачи электролита, выполняемой технологической задачи, многоместности электродной головки. Это показано при рассмотрении типовых примеров для различных конструкций электрододержателей.

При обработке круглых отверстий конструкция электрода-инструмента простая. Это может быть стержень, трубка из проката, где в ряде случаев не требуется механическая обработка. Электрододержателем может быть часть электрода-трубки (рис. 3.12), который непосредственно устанавливается в шпинделе станка или может быть установлен через переходник. Недостатком данной конструкции является то, что на входе в отверстие заготовки на глубине 2-5 мм и на выходе на длине 2-3 мм кромка будет иметь радиус 0,5-3 мм (радиус закругления зависит от размеров ЭИ, режимов и условий обработки). Такие заготовки с торцов должны быть подрезаны с припуском, равным радиусу закругления. Это неэкономично и может применяться при обработке глубоких отверстий только в индивидуальном или мелкосерийном производстве.

При обработке тонкостенных деталей, прошивке неглубоких отверстий и пазов необходимо создавать противодавление на выходе электролита из МЭП. Примером может быть прошивание 12 пазов электрохимическим способом в корпусе фильтра (рис. 3.13), толщина стенки которого равна 1,75 мм. Прошивание пазов производится с помощью электрододержателя, конструкция которого, обеспечивающая противодавление непосредственно в зоне обработки каждого паза, приведена на рис. 3.14.

Рис. 3.12 Рис. 3.13

Электроизоляционная втулка 5 прижимается к заготовке с помощью пружины 2 , обеспечивая противодавление на входе в МЭП. Электрод 7 центрируется в эдектрододержателе 1 своей цилиндрической частью. Электрододержатель закреплен в станке соединением 3; 4. Положение ЭИ фиксируется стопором 6. В процессе прошивки паза электрододержатель 1 вместе с электродом 7 поступательно перемещается совместно со шпинделем станка. Электрод уплотняется в корпусе сальником 8. Формообразующая часть ЭИ 7 выполнена в виде эллипса и соответствует профилю обрабатываемого паза, а хвостовая часть - в виде трубки, что упрощает его базирование.

Поскольку глубина прошивки небольшая (1,75 мм) и точность размеров паза невысокая (по 14 квалитету), то боковая поверхность ЭИ может быть не изолированной. Электролит прокачивается в МЭП через центральное отверстие ЭИ и выходит из него через n косых отверстий диаметром d.

Гидродинамический расчет сводится к обеспечению противодавления по условию, приведенному в формуле (3.4).

Рис. 3.14

B задачу проектировщика (конструктора) входит назначение величины "живого" сечения F₂ , которое определяется диаметром косых отверстий d и их количеством n по известному значению живого сечения F₁ . Изменяя значение параметров n и d, регулируют параметры гидродинамического режима движения электролита, тем самым изменяют производительность обработки и качество поверхностного слоя.

При проектировании конструкции оснастки необходимо рассчитать площади токоподводов к электрододержателю от шпинделя станка и к электроду от электрододержателя. Допустимая плотность тока, пропускаемого через токоподводы, приведена выше.

Для обработки глубоких отверстий (пазов) нерабочая часть ЭИ должна быть защищена от действия электрического тока электроизоляционным материалом.

Для ЭХРО одиннадцати глубоких эллипсообразных пазов в детали создана электродная головка. В электродную головку устанавливаются одиннадцать электродов-инструметов (см. рис. 3.15).

В этом приспособлении, состоящем из электрододержателя и установочного приспособления для детали, присутствуют факторы, мешающие протеканию нормального процесса ЭХРО. К ним относятся:

• отсутствие опор для поддерживания положения деталей;

• отсутствие противодавления и возможности его назначения.

Вследствие этих недостатков в конце обработки неизбежны короткие замыкания электродов. Однако такие конструкции успешно применяются для обработки глухих пазов. В случае применения их для прошивки сквозных пазов (эта конструкция была создана для такого случая) требуются дополнительные операции:

• отрезка донышка детали (вскрытие пазов);

• подрезка торца в месте входа ЭИ.

Конструкция электрода-инструмента состоит из двух частей (рис. 3.15); центрирующей части I цилиндрической формы, на которой базируется ЭИ в электродной головке, и формообразующей части II, состоящей из рабочей части (планки) 3, припаянной к электроду 2.

Поскольку показанная конструкция ЭИ предназначена для обработки глубоких отверстий, электрод 2 покрыт электроизоляционным материалом 1.

Рис. 3.15

В случае короткого замыкания при обработке рабочую часть ЭИ можно заменить путем перепайки.

Внутренние поверхности рабочей части ЭИ имеют эллипсную форму, что способствует формированию потока электролита до входа его в МЭП.

При выходе из строя формообразующей части электрода 3 ее отрезают и приваривают новую.

Такая конструкция электрода успешно применяется для обработки глухих глубоких пазов, и применение электрохимической размерной обработки дает большой экономический эффект в сравнении с механической и электроэрозионной обработками.

Проблема обработки сквозных отверстий заключается в том, что как бы точны ни были ЭИ и станок, электрод никогда не прошивает заготовку 1 насквозь сразу. Обязательно происходит сквозное растворение донышка где-либо в одном месте, например, в точке "б" (рис. 3.16), через образующееся отверстие большая часть электролита начинает уходить, что приводит к нарушению процесса и последующему короткому замыканию.

Кроме того, остающийся технологический выступ 2, теряя жесткую связь с основным телом заготовки 1 , может привести к короткому замыканию в точке "а" в МЭП. Для того чтобы избежать таких случаев, в конструкции приспособлений предусматривают поддерживающую опору 1, изготовленную из диэлектрического материала, на которой находится оторвавшаяся (не растворившаяся) часть металла (рис. 3.17).

Рис. 3.16 Рис. 3.17

Размеры опоры должны быть меньше, чем внутренний диаметр ЭИ. При перебеге ЭИ после прошивки отверстия опора должна вписываться в отверстие ЭИ. В таком случае усложняется конструкция оснастки и не исключено появление короткого замыкания (КЗ). При обработке сложных поверхностей рекомендуется формообразующую часть ЭИ выполнять легко заменяемой.

На рис. 3.18 приведена сборно-разборная конструкция электродержателя, предназначенная для электрохимической прошивки торцевых пазов.

Рис. 3.18

Здесь 1 – крышка; 2; 3; 4 – уплотнения; 5 – корпус

В этой конструкции ЭИ может быть легко заменен в случае короткого замыкания и выхода его из строя.

Для обработки глухих полостей и отверстий, а также узких шелей и пазов схема подачи электролита по внутренней поверхности ЭИ не пригодна.

В первом случае на обработанной поверхности остается выступ (цилиндрические возвышения, полосы и т.д.). Конфигурация выступа зависит от конфигурации щелей и отверстий на электроде. В данном случае требуется проведение дополнительной операции по удалению выступов слесарным или электроэрозионным способом. Когда выступ находится на дне глубоких полостей, то удаление его становится трудоемким, а применение ЭХРО вообще нецелесообразным.

При ЭХ прошивке узких глубоких пазов практически невозможно предусмотреть щели в ЭИ. В этих случаях наиболее технологичная конструкция электрододержателя получается при наружной подаче электролита (рис. 3.19). В такой конструкции формирование струи электролита происходит с помощью щек (Г). Электролит, попадая в распределительный канал 1, равномерно растекается по наружным поверхностям электродов 2.

Причем от точности ''живого'' сечения по всему контуру зависит достижение одинаковой скорости течения электролита со всех сторон МЭП, и точности получаемого паза. Поэтому на размер зазора, формирующего струю, задается жесткий допуск (в рассматриваемом случае 0,5  0,05). ЭИ центрируется в верхней части электрододержателя. Рабочая часть ЭИ (нижняя) выполнена из материала медно-вольфрамовой композиции (Cu = 20%, W=80%).

В конструкции электрододержателя полости для входа и выхода электролита не разграничены, поэтому она применима для обработки пазов и щелей с глубиной не более 3 мм.

Для обработки глубоких отверстий и щелей в конструкции электрододержателя предусматриваются каналы для раздельного входа и выхода электролита (рис. 3.20) [7].

Рис. 3.19

В конструкции электрододержателя на рис. 3.28 подача элёктролита осуществляется по наружной поверхности ЭИ 1. Жидкость проходит через МЭП по всей глубине паза, под торцом ЭИ и выходит с противоположной стороны.

Рис. 3.20

Такой принцип разделения трассы на два тракта усложняет конструкцию электрододержателя и требует хорошей герметизации его входной части. Но это не гарантирует протекания электролита только по одной стороне ЭИ, т.к. по мере углубления ЭИ в заготовку появляются паразитные пути через узкие стороны ЭИ, в результате чего электролит попадает на противоположную сторону МЭП и не весь попадает во входной тракт.

Известен (рис. 3.21) другой способ [2], позволяющий получить стабильный гидродинамический режим в рабочем зазоре и протекание через рабочий зазор всего количества подводимого электролита. Для этого по мере углубления ЭИ 1 в заготовку 2 разделение трактов поддерживается упругим регулирующим элементом 4, который устанавливается на ЭИ и разделяет тракт движения электролита на две части.

Регулирующий элемент 4 перемещается в детали так, чтобы совместно с боковой поверхностью 3

Рис. 3.21

ЭИ непрерывно разделять изменяющуюся во времени обрабатываемую полость на изолированные по боковой поверхности друг от друга зоны 5 и 6.

В результате они соединяются между собой только через рабочий зазор под электродом, обеспечивая единственный путь протока всей массы электролита.

Более простым и естественным способом разделения тракта для прохождения электролита во входную часть является обработка электродом-инструментом с различной высотой по периметру неизолированных буртиков (рис. 3.30) [4].

При такой конструкции ЭИ величина "разбивки" (за счет бокового зазора между ЭИ и заготовкой) будет определяться высотой формообразующего бурта h. Там, где бурты меньше по высоте или отсутствуют вовсе, - боковой зазор наименьший. Вследствие малой величины "разбивки" по узким сторонам ЭИ в них будет наблюдаться большее гидродинамическое сопротивление. В результате электролит будет преимущественно попадать в участки с наибольшим зазором и, пройдя торцевой межэлектродный промежуток, выйдет через противоположную сторону.

Рис. 3.22

Изменяя высоту неизолированных буртов, можно изменить величину "разбивки" и получать разделение сечения МЭП на два тракта. Такая конструкция ЭИ обеспечивает более интенсивную обработку, исключает трение изоляционного материала о стенки обрабатываемого отверстия, что даёт возможность повысить стойкость ЭИ, а, самое главное, исключает возможность появления технологического загрязнения и последующего короткого замыкания в межэлектродном зазоре.

3.2.4. Определение формы, размеров рабочих поверхностей электродов-инструментов для прошивочных работ

При электрохимической размерной обработке электродом-инструментом, движущимся по направлению к обрабатываемой поверхности с постоянной скоростью, возможны три случая регулирования межэлектродного зазора (рис. 3.23).

(3.5)

где V_эи – скорость подачи ЭИ;

V_р - скорость растворения металла.

I II III

Рис. 3.23

При правильно подобранных режимах и условиях обработки (согласованных режимах) происходит саморегулирование процесса и устанавливается оптимальный (установившейся) зазор S_y. При установившемся зазоре V_эи = V_p. Если рассогласование между V_p и V_эи незначительно (случаи 2 и 3), то величина межэлектродного зазора (S₁; S₂) также установится, но будет отличаться от S_у в сторону увеличения (случай III) или снижения (случай II). При больших различиях между V_р и Э_эи возможно нарушение процесса ЭХРО. Поэтому стараются выбрать скорость подачи ЭИ близкую к скорости анодного растворения. Саморегулирование ЭХРО обычно осуществляется при установившемся зазоре и только при обработке неглубоких отверстий полостей (l = до 2 мм) может иметь место неустановившийся режим, поэтому расчеты параметров ЭИ выполняют для установившегося зазора.

Рабочая часть электрода (буртик) для копировально-прошивочных работ может иметь различную форму (рис. 3.24) и состоит из торцевой части и рабочего пояска (бурта) 2. Остальная нерабочая часть ЭИ обычно покрывается электроизоляционным материалом 3 для того, чтобы предотвратить растворение боковых стенок уже выполненного участка отверстия (рис. 3.24, б ).

Рис. 3.24

В случае обработки с неизолированным ЭИ отверстие получится конусным (рис. 3.24, а). Если получаемое отверстие круглое, то электроду-инструменту можно придавать вращательное движение, позволяющее повысить точность размеров сечений (рис. 3.24, б).

При ЭХРО размеры ЭИ отличаются от размеров обрабатываемой полости на величину межэлектродного зазора (МЭЗ). Эту величину принято называть величиной разбивки.

МЭЗ формируется по всему межэлектродному промежутку неодинаковой величины и зависит не только от параметров обработки (напряжения, подачи ЭИ, химического состава и температуры электролита и др.), но также и от местной скорости движения инструмента относительно детали, которая в свою очередь зависит от угла  (рис. 3.25).

Рис. 3.25 Рис. 3.26

При обработке фасонных форм зазор S увеличивается вместе с углом .

На практике принято различать два случая ЭХРО: обработка отверстий с вертикальными стенками и сложнообъемных форм. В первом случае определение формы и размеров ЭИ зависит, в основном, от толщины бурта и технологических режимов обработки. Размеры ЭИ определяются аналитически или экспериментально методом пробных прошивок при постоянных заданных режимах.

3.2.5 Аналитический расчет размеров электрода-инструмента при прошивке отверстий с вертикальными стенками

(3.6)

где D - заданный диаметр отверстия детали;

у - съём металла с боковых поверхностей. Он равен изменению бокового зазора за время прохождения каждого сечения отверстия буртом 2 (рис. 3.24).

где S_кб - конечный боковой зазор;

S_об, - начальной боковой зазор. Исходя из теории растворения металла конечный зазор S_кб равен [2.]

(3.7)

где  - выход по току;

 - электрохимический эквивалент обрабатываемого металла;

 - электропроводность электролита;

U - напряжение на электродах с учетом потерь ( );

 - время воздействия бурта на боковую поверхность;

 - плотность материала;

Uэ – напряжение на электродах;

ΔU – потери напряжения.

Численные значения вышеперечисленных параметров приведены в методических указаниях [2].

(3.8)

где Н - высота бурта.

Начальный боковой зазор (S_об) можно приравнять к торцовому (S).

Тогда

(3.9)

Длина ЭИ

(3.10)

где l₃ - длина участка для закрепления ЭИ в электрододержателе;

l_в - длина выхода инструмента (при прошивании сквозных отверстий).

Если глубина обработки l_j >(10…12)D, то инструмент следует рассчитывать на жесткость, при этом предъявляются повышенные требования к технологической системе в целом.

Для улучшения гидродинамики движения жидкости при перетекании от торцевого к боковому зазору рабочий бурт иногда выполняют с радиусом.

Тогда (см. рис. 3.24 )

Н=h+R, (3.11)

где Н - общая высота бурта, мм;

h - высота прямой части бурта;

R - радиус закругления, мм.

Численное значение величины Н зависит от диаметра отверстия, требуемой точности получаемого отверстия D и колеблется от 0,2 до 5 мм. Для получения малых и точных отверстий берут Н = 0,2...0,5 мм и высота его должна быть одинаковой ко всему периметру.

При обратной подаче электролита радиусную часть рабочего бурта изготовлять необязательно, а, следовательно, величина Н может быть уменьшена и точность копирования инструмента может быть более высокой, чем в случае прямой подачи электролита.

При калибровочных операциях и сквозной прошивке отверстий необходимость в таких кромках отпадает и рабочая часть ЭИ может быть выполнена обратной конической формы (рис. 3.27).

3.2.6 Проектирование и расчет формы и размеров электрода-инструмента для обработки сложнофасонных поверхностей

Изготовление гравюр ковочных штампов, литейных форм, пресс-форм, а также профиля пера лопаток газотурбинных двигателей, гидроагрегатов и других сложнофасонных поверхностей осуществляют методом ЭХРО.

Для этого все поверхности отдельных участков полостей разделяют на следующие участки: горизонтальные, вертикальные, наклонные, криволинейные (цилиндрические, сферические и др.)

Рис. 3.27

При проектировании электрода-инструмента необходимо рассчитать форму рабочей поверхности, а также определить положение щелей и отверстий для подвода электролита в зону обработки. Форму рабочей поверхности ЭИ определяют в следующей последовательности:

– по чертежу обрабатываемой поверхности детали строят эквидистантный профиль ЭИ с зазором, равным установившемуся;

– находят действительную форму ЭИ. Известно три метода нахождения действительных размеров ЭИ:

1) аналитический и графоаналитический,

2) моделирования электрическим полем;

3) производственный.

Аналитический расчет формы ЭИ производят методом разделения контура на отдельные участки, описываемые плоскими, цилиндрическими и сферическими поверхностями. При этом находят отклонение формы инструмента от эквидистантной для каждого участка поверхности и определяют требуемые размеры инструмента.

Методика расчета ЭИ для наклонных и криволинейных поверхностей приведена на стр. 141-143 [2]. Выполнению этих расчетов должно предшествовать проведение опытных работ с целью определения установившегося режима для каждого материала и каждого конкретного режима обработки.

Зная скорость подачи ЭИ (V_эи)

(3.12)

размеры ЭИ на вертикальных участках рассчитывают по формуле (3.9).

На рис. 3.28 показана схема расчета бокового зазора S_б для наклонных участков.

Рис. 3.28

В начале процесса обработки боковой зазор изменяется во времени (режим нестационарный). Далее зазор асимптотически приближается к установившемуся значению. В расчетах зазор принимают установившимся, если он составляет более 0,95…0,97 от теоретического значения. Расчет ведут в такой последовательности:

1. Определяют нормальную составляющую скорости подачи (рис. 3.28)

, (3.13)

где  - угол между поверхностью электрода-инструмента 1 и направлением его подачи. Находят его в зависимости от угла  наклона поверхности заготовки 2 к направлению подачи электрода-инструмента по экспериментальному графику, приведенному на рис. 3.29 (для сплава 5ХНМ).

Рис. 3.29

2. По высоте поверхности через постоянный шаг проводят три – четыре сечения, отстоящих от нижней поверхности полости на расстояниях Н₁, Н₂ и т.д. Для этих сечений находят момент времени их обработки

, (3.14)

где i – номер сечения.

3. Определяют границы установившегося режима Н_y . Для этого пользуются номограммами, приведенными на рис. 3.30. (Номограмма получена экспериментально). В точках, где Н>Н_y, режим считают стационарным, и боковой зазор рассчитывают по формуле

(3.15)

Рис. 3.30

На участках, где Н > Ну , расчет ведут по условиям нестационарного процесса по формулам (3.13; 3.14). Если начальный зазор S_о больше установившегося Sy, то

(3.16)

Если начальный зазор меньше установившегося, то

(3.17)

Здесь скорость подачи инструмента V_эи будет равной скорости подачи по нормали V_n, и отсюда находят значение конечного зазора S_k =S_б.

4. Вычисленные значения бокового зазора S_б откладывают в выбранных сечениях по нормали к поверхности детали и получают участок профиля электрода - инструмента.

Схема расчета электрода-инструмента при прошивании криволинейных поверхностей приведена на рис. 3.31 .

Рис. 3.31

Расчет выполняют в такой последовательности;

1. На профиле углубления в детали отмечают несколько сечений (например 5) и определяют в каждом время от начала обработки

(3.18)

2. В выбранных сечениях (на рисунке показана схема расчета для сечения 5) проводят касательные к точкам и нормали к поверхностям детали; находят углы _i наклона поверхности заготовки к направлению подачи электрода-инструмента. Для каждого сечения находят нормальную составляющую скорости подачи V_ni

3. По номограммам (см. рис. 3.30) находят границу установившегося режима. Для точек, в которых режим неустановившийся, конечный боковой зазор находят по уравнениям (3.16; 3,17). Для установившегося режима расчет можно выполнять приближенно по зависимостям идеального процесса

(3.19)

4. Вычисленные значения бокового зазора откладывают по нормали к поверхности заготовки и экстраполируют в криволинейный участок профиля электрода-инструмента.

Метод моделирования для расчета профиля ЭИ на практике почти не применяют из-за грубого приближения условий к результатам реального процесса ЭХРО.

Рассмотренные выше методы нахождения формы ЭИ не учитывают гидродинамики потока электролита, изменения его температуры и других факторов, поэтому расчет и моделирование дают приближенные результаты. Их уточняют путем экспериментов на промышленном оборудовании.

В производстве используют два метода: обратного копирования и последовательных приближений.

При методе обратного копирования профиль электрода-инструмента выполняется с помощью ЭХО, где в качестве инструмента используется модель детали. Этот метод используется как предварительная обработка. Окончательную доводку рабочего профиля ЭИ выполняют методом последовательных приближений путем уточнений формы после обработки пробной партии деталей.