2848

менения размерной ЭХО непосредственно зависят от взаимосвязи используемой схемы обработки и применяемого технологического оборудования, его конструктивных схем и возможных реализуемых режимов обработки. Схемы традиционной ЭХО известны и широко освещены в литературе [3].

К часто применяемым схемам ЭХО относятся схемы копирования и прошивания. При копировании реализуется одно из основных преимуществ ЭХО - получение поверхностей сложной конфигурации за счет воспроизведения на заготовке формы катодаинструмента. В свою очередь копирование разделяют на формобразование сложнофасонных внутренних полостей и профилирование внешнего профиля пера лопаток, например ТНА.

В первом случае рассматриваются операции формообразования гравюр ковочных штампов, пресс-форм, кокилей, стеклоформ, а также разнообразных по форме и размерам полостей в деталях машин и приборов. ЭХО на данных операциях часто дублирует или заменяет фрезерно-копировальную обработку и сокращает ручные доводочные операции [3].

При обработке пера турбинных и компрессорных лопаток, ЭХО распространяется на весь размерный ряд от малых и средних (длиной до 400 мм) до крупногабаритных (400 - 1200 мм). Профилирование пера осуществляется как раздельно по спинке и корыту, так и одновременно на станках для двусторонней обработки лопаток [4].

Рост требований к качеству изделий машиностроительного комплекса, заставляет искать пути повышения точности ЭХО. Это может быть достигнуто за счет жесткой стабилизации гидравлических и электрических параметров процесса и применения импульс- но-циклических схем обработки. Последние базируются на использовании импульсного тока в сочетании с дискретной подачей катода и пульсирующим потоком электролита. Такое направление на наш взгляд является перспективным, так как оно позволяет перейти к обработке на малых межэлектродных зазорах (до 0,03 мм), гарантирующих точность копирования до 0,05 мм. Интересны исследования, проведенные авторами работ [4], в которых рассмотрены вопросы повышения точности размерной ЭХО за счет управления величиной межэлектродного зазора (МЭЗ). В таблице 1 приведены результаты указанного анализа с их систематизацией по способам регулирования МЭЗ и максимальной достижимой точностью получаемого профиля.

11

Таблица 1.1

Варианты реализации размерной ЭХО

12

Продолжение табл. 1

* НИAT – национальный институт авиационных технологий; НИИТМ – НИИ технологии машиностроения; ТПИ – Тульский

политехнический институт; КАИ – Казанский авиационный институт; ВПИ – Воронежский политехнический институт; КУАИ – Куйбышевский авиаинститут; УАИ – Уфимский авиаинститут; СКТБ-ЭО – СКТБ электрообработки (г. Ленинград); АНМССР – академия наук Молдавской ССР; ИЭХАНСССР – институт электрохимии АНСССР; ИГТУ – Ивановский государственный технологический университет; ОКБ "Искра" (г. Уфа)

Как видно из таблицы 1 импульсно-циклическая схема обработки является достаточно перспективной при обработке крупногабаритных деталей, когда обрабатываемая площадь существенно превышает площадь МЭЗ. Такая схема реализуется следующим образом. После первого касания электрода-инструмента (ЭИ) поверхности следует его отвод, при этом включается рабочий ток, а отвод продолжается до установления заданного зазора. Такая схема позволяет добиться высокой точности копирования электродаинструмента на деталь. Однако, при обработке крупногабаритных деталей (соотношение площади обрабатываемой поверхности к площади сечения канала Кк≤300) возникают погрешности при перемещении и позиционировании электрода-инструмента вызванные инерцией системы подачи и как следствие необходимостью создания больших сил для ускоренного перемещения электродов. Это в свою очередь приводит к необходимости увеличения жесткости станка, мощности и габаритов механизма подачи и отвода инструмента [5].

Жесткость копировально-прошивочных станков при их ра-

13

боте в непрерывном режиме должна быть не ниже 2,55 МН/м, а в импульсно-циклическом режиме требования жесткости возрастают до значений 12,24 МН/м. Для электрохимических шлифовальных и заточных станков требования жесткости остаются на том же уровне, что и для традиционных абразивных станков. Это делается с целью устранения вибраций при ЭХО.

Указанные значения жесткости несущей системы электрохимических станков обеспечиваются применением массивных конструкций корпусных деталей, точностью неподвижных соединений при сборке, а для крупных станков – выбором портальной конфигурации станины.

Важным элементом конструкции электрохимических станков, обеспечивающим точность и производительность, является механизм подачи электродов (катода-инструмента или анодазаготовки), который поддерживает на заданном уровне МЭЗ и осуществляет отвод-подвод электрода. Учитывая его влияние на основные технологические режимы обработки сформулированы следующие требования:

1)широкий диапазон рабочих подач при их бесступенчатом регулировании, охватывающий интервал значений в пределах от

0,05 до 0,5 мм/мин;

2)стабильность рабочей подачи во всем диапазоне;

3)минимальный перебег при выключении подачи, составляющий 0,05 мм и менее;

4)наличие ускоренной подачи в интервале 0,5-2,5 м/мин. Наиболее ответственным и вместе с тем трудно реализуемым

из перечисленных требований является стабильность рабочего движения в диапазоне малых подач. Так как МЭЗ при ЭХО мал (минимальное значение 0,01 - 0,05 мм) колебания рабочей подачи служат главной причиной коротких замыканий. Нестабильность подачи возникает как в результате изменения рабочей нагрузки, так и вследствие скачков при поступательном перемещении каретки (шпинделя), обусловленного действием сил трения в направляющих. Основным условием обеспечения плавности рабочей подачи является высокая жесткость элементов конструкции механизма подачи и минимальное трение в системе.

В современных копировально-прошивочных станках получили применение два основных механизма подачи электродов: элек-

14

тромеханический и гидравлический [5]. Их принципиальное различие заключается в следующем.

Электромеханический механизм подачи состоит из электродвигателя с регулируемым числом оборотов (в непрерывном или дискретном режимах), редуктора, шариковой винтовой пары и системы управления. Исполнительный орган станка (шпиндель или стол) перемещается, как правило, в направляющих качения. Гидравлический механизм подачи имеет в своей основе гидроцилиндр, причем управление движением подачи осуществляется следящим гидроприводом. В соответствии с принятой схемой регулирования величины межэлектродного зазора станки могут иметь как непрерывную, так и дискретную рабочую подачу. Рабочий цикл современных копировально-прошивочных станков, как правило, автоматизирован.

При управлении непрерывным процессом ЭХО скорость рабочей подачи постоянна или изменяется в зависимости от величины регулируемого параметра или внешнего возмущения. Холостые ходы обеспечивают ввод электродов в зону обработки, где начинается действие механизма саморегулирования. При достижении заданной глубины обработки происходит возвращение электродов в исходное положение и прекращение ЭХО.

При управлении дискретным процессом ЭХО холостые ходы имеют важное значение в установке начального рабочего зазора и в эвакуации продуктов анодного растворения. В данном случае имеет место задача по минимизации времени холостых ходов.

Условия работы приводов характеризуются значительными перепадами нагрузок. В зависимости от площади обработки силовая реакция электролита на электроды в современных станках для ЭХО составляет от нескольких килограммов до нескольких тонн.

В большинстве станков масса подвижных частей значительна, так как включает в себя массы катододержателя, каретки подачи, катода-инструмента или стола с заготовкой, закрепленной в приспособлении. При вертикальной компоновке станка масса подвижных частей часто увеличивается за счет массы противовесов, уравновешивающих силу веса подвижных частей. Условия работы привода характеризуются действием сухого и вязкого трения в направляющих каретки подачи или стола.

При управлении непрерывным процессом ЭХО принципиально возможно применение нереверсивного привода, однако дина-

15

мика управления процессом ЭХО при этом существенно ухудшается и соответственно снижается точность обработки.

Управление скоростью рабочей подачи при непрерывном процессе ЭХО осуществляется в относительно узком диапазоне (1 : 10). Переключение с рабочего хода на холостой может осуществляться при ступенчатом изменении скорости подачи. Скорость рабочей подачи должна стабилизироваться с точностью не менее +5% [5]. Особое значение для стабильности процесса ЭХО имеет плавность подачи, отсутствие толчков и рывков при малых или так называемых «ползучих скоростях» 0,05 - 0,5 мм/мин. Применение прерывистых режимов обработки, переход к ЭХО при малых межэлектродных зазорах с дополнительным разведением электродов на промывочный зазор значительно ужесточают требования к исполнительным приводам станка.

Электрогидравлические приводы, используемые в электрохимическом оборудовании, обеспечивают поступательное или вращательное движение силового звена. В системах управления непрерывными электрохимическими процессами наибольшее применение получили электромеханические приводы постоянного тока, типовая кинематическая схема которых приведена на рис. 1 [5].

Рис. 1. Кинематическая схема привода станка мод. АГЭ-2: 1 - зубчатая коническая передача; 2 - ходовой винт; 3 - двусторонний клингайка; 4 - рычаг; 5 - шпиндель; 6 - инструмент; 7 - заготовка; 8 - подвижная; 9 - коническая шестерня; 10 - редуктор; 11 - двигатель постоянного тока

16

Управление в такой схеме осуществляется путем изменения тока в якорной цепи двигателя. В качестве усилителя используются транзисторные, тиристорные или магнитные усилители. Гибкая отрицательная обратная связь осуществляется с помощью тахогенератора или специальной схемы тахометрического моста. Преобразование вращательного движения выходного вала в поступательное перемещение исполнительного органа станка производится кинематической передачей по схеме редуктор - винтовая передач - ползун.

К достоинствами электромеханических приводов относят простоту конструкции, использование серийных двигателей, высокую надежность, простоту настройки и обслуживания.

Недостатками таких приводов являются: невысокая жесткость кинематической передачи, необходимость применения понижающих редукторов с высоким коэффициентом редукции и специальными устройствами для уменьшения люфтов в кинематической передаче, вызываемых, в частности, износом пары винт - гайка. Электромеханические приводы подач могут найти дальнейшее применение в специальных и специализированных электрохимических станках, основным требованием которых является простота, надежность и невысокая стоимость привода.

Электромеханический привод применяют и при управлении дискретными процессами ЭХО. Это в первую очередь относится к системам управления с симметричными колебаниями электрода, где используются электромеханические вибраторы, причем в первых разработках в вибраторах для согласования частоты питающего напряжения и колебаний электродов применялись синхронные двигатели переменного тока. Так в системе управления станка 44А23ФЦ применяется электромеханический с асимметричными колебаниями электрода.

Вэлектромеханическом приводе необходимая сила, приведенная к катоду-инструменту, может быть получена как за счет увеличения мощности электрического двигателя, так и вследствие повышения коэффициента редукции кинематической передачи. Однако, значительное увеличение мощности электрического двигателя приводит к увеличению его собственной инерционности, а увеличение коэффициента редукции кинематической передачи - к необходимости уменьшения люфтов и обеспечения жесткости передачи.

Всвязи с изложенным, можно сделать вывод о том, что для электрохимических станков средней и большой мощности более ра-

17

циональным является выбор гидравлического исполнительного привода. Такой привод обеспечивает:

1)большие развиваемые силы при малой собственной инерционности;

2)возможность в широком диапазоне плавно изменять скорость подвижных частей;

3)высокую чувствительность;

4)жесткость скоростной статической характеристики;

5)отсутствие необходимости применения понижающего редуктора и других промежуточных механизмов.

Высокая энергонапряженность привода позволяет уменьшить его конструктивные размеры.

В отдельных случаях эффективно использовать комбинированный привод, включающий в себя гидравлический и электрический двигатели. Примером может служить привод станка ЭХО-1 (рис. 2).

Рис. 2. Схема привода подачи станка мод. ЭХО-1: 1 - обрабатываемая заготовка; 2 – электрод-инструмент; 3 - шток поршня; 4 - гидроцилиндр; 5 - двигатель постоянного тока; 6 - двухскоростной редуктор; 7 - шестерня-гайка; 8 - упорные подшипники; 9 - задняя крышка

На рис. 2 условно показана односторонняя обработка пера лопатки. Вторая сторона обрабатывается с помощью второго привода аналогичной конструкции. Электрический двигатель постоянного тока 5 через двухскоростной редуктор обеспечивает перемещение электрода как в рабочее время обработки, так и при холостом ходе для сближения электродов до касания с деталью.

Рассматриваемый гибридный привод обладает теми же недостатками, что и электромеханический. Значительная инерцион-

18

ность двигателя постоянного тока приводит к перебегам катодаинструмента после касания электродов, что вызывает нежелательный силовой контакт между инструментом и заготовкой. Движения поршня гидравлического привода ограничены механическими упорами. Контур гидравлического привода разомкнут.

Гидравлические приводы по характеру контура делят на:

-двигатели с разомкнутым контуром, получившие название астатических;

-с замкнутым контуром - статические или позиционные [5]. Гидравлические приводы с разомкнутым контуром получили

ограниченное применение в станках для ЭХО. В качестве примера рассмотрим привод станка мод. МА-4423 (рис. 3) состоит из двух каскадов усиления.

Рис. 3. Гидрокинематическая схема привода станка мод. МА-4423: 1

-электрод-инструмент: 2 - гидроцилиндр; 3 - шток гидроцилиндра; 4

-обмотка управления; 5 - обмотка осцилляции; 6 - управляющая игла; 7 - дроссель; 8 - плунжер; 9 - масляная турбина; 10 - пружина золотника

Катушки управляющей иглы помещены в поле действия постоянного магнита. При изменении тока в обмотке управления 4 перемещается управляющая игла 6, регулирующая величину давления масла, действующего на поверхность верхнего торца плунжера золотника 8. При этом нарушается равновесие между силой действия пружины на нижний торец плунжера золотника 8 и равнодействующей сил давления масла на верхний торец. Плунжер золотника имеет четыре рабочих кромки. При смещении управляющей иглы 6, на-

19

пример, вверх уменьшается давление масла на верхний торец плунжера. Под действием пружины плунжер смещается вверх до тех пор, пока управляющая игла вновь не уменьшит кольцевую дроссельную щель и не наступит равновесие сил, действующих на плунжер. При смещении плунжера золотника вверх масло из напорной магистрали поступает в нижнюю полость силового цилиндра, а верхняя полость сообщается со сливом. Силовой цилиндр движется вниз. Его установившаяся скорость будет пропорциональна величине смещения плунжера золотника относительно своего корпуса. Для уменьшения зоны нечувствительности привода золотник выполнен с отрицательным перекрытием кольцевой проточки шейкой плунжера. В дополнительную обмотку электромагнитного преобразователя подается переменное напряжение 50 Гц, заставляющее золотник осциллировать. Специальная масляная турбина обеспечивает вращение плунжера золотника относительно центральной оси. Дроссель 7 предназначен для «развязки» цепей силового гидропитания и цепей управления.

При использовании разомкнутого гидропривода в станках для ЭХО возникает ряд эксплуатационных особенностей вследствие зависимости характеристик привода от температуры его рабочей жидкости, окружающей среды, а также из-за дрейфа нуля. Дрейф нуля проявляется в наличии некоторой выходной скорости привода при отсутствии входного сигнала. Величина и знак этой скорости носят, как правило, случайный характер. Вследствие этого дрейф нуля не может быть устранен настройкой привода. Дрейф нуля затрудняет установку начального значения межэлектродного зазора и вносит дополнительную ошибку в процесс управления.

Перечисленные недостатки гидропривода могут быть устранены или значительно уменьшены при введении местной жесткой отрицательной обратной связи. Гидропривод, состоящий из гидравлического золотника и силового цилиндра с поршнем, охваченных отрицательной обратной связью по положению, представляет собой звено статического типа.

Для обеспечения необходимой характеристики регулятора, при которой каждому значению управляющего сигнала соответствует определенная скорость исполнительного привода, в состав исполнительного привода в качестве его первого усилительного каскада может быть включен электрический двигатель. Однако, при использовании обычного электрического двигателя сложно реализовать

20