способ электрохимической обработки титановых сплавов

Формула изобретения

1. Способ электрохимической обработки титановых сплавов с применением анодных активирующих импульсов и подачей в паузах между активирующими импульсами дополнительного регулируемого меньшего напряжения, отличающийся тем, что анодное растворение производят только активирующими импульсами микросекундного диапазона, причем частоту активирующих импульсов напряжения увеличивают до тех пор, пока не прекратится образование дефектов типа питтингов и точечных растравов на участках обрабатываемой поверхности, находящихся под действием токов рассеяния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину дополнительного напряжения устанавливают, исходя из условий создания на обрабатываемой поверхности защитной оксидной пленки, растворимой активирующими импульсами в первую очередь только на тех участках поверхности, которые наиболее близко расположены к поверхности электрода-инструмента.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что активирующие импульсы подают пакетами, причем длительность пакетов устанавливают, исходя из условий недопущения снижения величины амплитудной плотности тока активирующих импульсов ниже средней плотности тока пакета в целом, а длительность паузы между пакетами устанавливают минимальной, исходя из условия поддержания средней плотности тока в следующем пакете импульсов не меньше, чем средняя плотность тока в предыдущем пакете.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в условиях применения колеблющегося электрода импульс наибольшей плотности тока в пакете синхронизируют с моментом максимального сближения электродов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области прецизионной электрохимической обработки (ЭХО) металлов и сплавов импульсным током и может быть использовано для получения сложно фасонных поверхностей деталей машин с высокой производительностью, точностью и качеством обработки, в частности при размерной электрохимической обработке деталей из легкопассивирующихся материалов, например из титановых сплавов, на поверхности которых при электрохимической размерной обработке образуется прочная пассивирующая токонепроводящая оксидная пленка.

Известен способ электрохимической размерной обработки в потоке электролита легкопассивирующихся металлов импульсным током, когда в паузах между импульсами тока на межэлектродный промежуток (МЭП) подают ток, плотность которого минимально необходима для поддержания процесса анодного растворения (А.С. СССР 450687, М.Кл⁴ В 23 Н 3/02, 1975).

Недостатком известного способа является низкая точность и качество обработки в результате образования питтингов и точечных растравов на поверхностях, не подлежащих обработке.

Известен способ электрохимической обработки титановых сплавов в потоке электролита с использованием импульсного технологического напряжения, когда после обработки на частоте от 50 до 150 Гц ведут дополнительную обработку детали при импульсном технологическом напряжении частотой на порядок большей и скважностью менее 2 (А.С. СССР 655494, М.Кл.⁴ В 23 Н 3/02, 1979 г.).

Недостатком данного способа является то, что при обработке на низких частотах импульсов технологического напряжения также возникают дефекты типа питтингов и точечных растравов на поверхностях, не подлежащих обработке. Увеличение частоты в конце обработки до 1...2 кГц не полностью исправляет дефеты от предыдущей обработки.

Известен также способ размерной электрохимической обработки легкопассивируемых металлов импульсным током с подачей на МЭП в паузах между рабочими импульсами дополнительного тока, когда дополнительный ток в паузах между рабочими импульсами подают посредством наложения на МЭП униполярного переменного высокочастотного напряжения величиной, меньше потенциала анодного растворения детали, но достаточной для электрохимического растворения пассивирующей пленки и продуктов реакции, причем частоту напряжения выбирают на один-два порядка выше частоты следования рабочих импульсов (А.С. СССР 621520, М.Кл⁴. В 23 Н 3/02,1978).

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает существенного повышения точности и качества ЭХО титановых сплавов, так как подача достаточно длинных рабочих импульсов (5 мс) на больших межэлектродных зазорах (МЭЗ) порядка 0,15 и более приводит к размыву боковой поверхности обрабатываемой полости при осуществлении электрохимической обработки, при этом образуются также дефекты типа питтингов и точечных растравов на поверхности обрабатываемой заготовке.

Известен способ электрохимической обработки титановых сплавов с использованием активирующих импульсов с амплитудой напряжения 18 В и длительностью около 20 мс и длительностью паузы между активирующими около 25 мс, при этом напряжение постоянного тока между активирующими импульсами берут 4 В (Давыдов А. Д., Клепиков Р.П., Мороз И.И. Электрохимическая обработка титановых сплавов с применением анодных активирующих импульсов. Электронная обработка материалов. 1980, 6, с. 8-10). Это техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому эффекту, принято нами в качестве прототипа.

Недостатком данного способа, как и всех предыдущих, является то, что он не обеспечивает достаточного повышения точности и качества электрохимической обработки титановых сплавов, так как подача относительно длинных активирующих импульсов (20 мс) на больших МЭЗ (0,1-0,2 мм) приводит к размыву боковой поверхности обрабатываемой полости, при этом образуются также дефекты типа питтингов и точечных растравов на участках обрабатываемой поверхности, находящихся под действием токов рассеяния.

Кроме того, использование длинных активирующих импульсов с относительно малой частотой не позволяет возобновлять процесс анодного растворения обрабатываемой поверхности после коротких замыканий, вследствие образования на обрабатываемой поверхности участков с измененными поверхностными слоями, обладающими сильными пассивными свойствами.

Разработанный способ обработки титановых сплавов с активирующими анодными импульсами предлагается для проведения доводочных операций электрохимической размерной обработки. Однако достигаемая при этом шероховатость поверхности соответствует только 5-6, что значительно хуже, чем требуемый класс шероховатости при обработке титановых сплавов.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является повышение точности и качества обработки путем точного копирования электрода-инструмента на обрабатываемой заготовке за счет высокой локализации анодного растворения и исключения образования дефектов типа питтингов и растравов на участках поверхности, находящихся под действием токов рассеяния, а также надежное анодное растворение тех труднообрабатываемых локальных участков, которые образовались в результате коротких замыканий электродов.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе электрохимической обработки титановых сплавов с применением анодных активирующих импульсов и подачей в паузах между активирующими импульсами дополнительного регулируемого меньшего напряжения, в отличие от прототипа. анодное растворение производят только активирующими импульсами, причем частоту активирующих импульсов напряжения увеличивают до тех пор, пока не прекратится образование дефектов типа питтингов и точечных растравов на участках обрабатываемой поверхности, находящихся под действием токов рассеяния, при этом величину дополнительного напряжения устанавливают исходя из условий создания на обрабатываемой поверхности защитной оксидной пленки, растворимой активирующими импульсами в первую очередь только на тех участках поверхности, которые наиболее близко расположены к поверхности электрода-инструмента, кроме того, активирующие импульсы подают пакетами и длительность пакетов устанавливают исходя из условий недопущения снижения величины амплитудной плотности тока активирующих импульсов ниже средней плотности тока пакета в целом, а длительность паузы между пакетами устанавливают минимальной, исходя из условия поддержания средней плотности тока в следующем пакете импульсов не меньше, чем средняя плотность тока в предыдущем пакете, при условиях же применения колеблющегося электрода активирующий импульс наибольшей плотности тока в пакете синхронизируют с моментом максимального сближения электродов.

Предлагаемый способ электрохимической обработки титановых сплавов позволяет повысить точность в 1,5 раза и обеспечить шероховатость поверхности Ra=0,4-0,8 мкм при формировании сложно фасонных поверхностей.

Сущность изобретения

Предлагаемый способ ЭХО заключается в следующем. После включения станка, источника питания и насоса для подачи электролита в МЭП выставляют рабочий зазор, равным 0,05 мм и под высоким давлением электролита на входе МЭП (500 кПа и более) производят электрохимическую обработку с подачей на МЭП активирующих импульсов и дополнительного напряжений. Обработку осуществляют также и с использованием вибрирующего электрода. В этом случае включают и вибратор станка, который приводит в колебательное движение ЭИ в пределах 10...100 Гц, и выставляют начальное значение минимального МЭЗ значительно меньше, например, в пределах 0,01. ..0,03 мм. При этом высокочастотный источник питания выдает пакеты импульсов с частотой, равной частоте колебания ЭИ. Пакеты импульсов длительностью 1. . . 5 мс синхронизируют с моментом максимального сближения электродов, т. е. с моментом достижения межэлектродного зазора 0,01. ..0,03 мм. Длительность импульсов в пакете равна 10...100 мкс. Частоту активирующих импульсов в процессе обработки плавно увеличивают, периодически контролируя поверхность обрабатываемой заготовки, до тех пор, пока не прекратится образование дефектов типа питтингов и точечных растравов в зоне обрабатываемой полости. Если при обработке титанового сплава ВТ-6 в 5%-ном растворе NaCl образование питтингов на поверхности заготовки прекратились при частоте активирующих импульсов 10 кГц, то при обработке этого же титанового сплава в 10%-ном водном растворе NaNО₃, образование питтингов прекратилось уже при частоте активирующих импульсов 20 кГц. При осуществлении процесса появляется возможность регулировать свойства пассивирующих пленок путем изменения величины дополнительного напряжения в паузах между активирующими импульсами. В этих условиях электрохимической обработки на поверхности вокруг обрабатываемой полости отсутствуют дефекты типа питтингов, точечных растравов и растравливаний по границам зерен. Эти положительные эффекты можно объяснить тем, что при таких коротких импульсах, когда длительность импульса меньше времени газонаполнения, выравнивается значение электропроводности электролита по всей обрабатываемой поверхности и появляется возможность произвести обработку без возникновения пробоя межэлектродного промежутка при ЭХО на предельно малых межэлектродных зазорах, а также локализовать процесс формообразования во времени. Все это приводит к существенному повышению точности и качества обработки. Геометрические размеры и форма ЭИ - та копируются на обрабатываемой заготовки с погрешностью не более 0,02...0,05 мм. При этом шероховатость обрабатываемой поверхности равна Rа= 0,8. . . 0,4 мкм. Скорость подачи при этом находится в пределах 0,2-0,5 мм/мин.

Пример конкретной реализации

Предлагаемый способ электрохимической обработки реализован на серийном модернизированном копировально-прошивочном станке модели 4420Ф11. Обрабатываемый материал - титановый сплав марки ВТ-6. ЭИ - сталь 40Х13. Площадь обработки - 1 см². Прокачка электролита - центральная. Состав электролита - 10% NaNO₃. В процессе обработки напряжение на МЭП подавали пакетами. Амплитуда импульсов напряжения в пакете равнялось 24 В. Длительность рабочих импульсов равнялась 10 мкс. Пакет импульсов длительностью 4 мс синхронизировали с моментом максимального сближения электродов. Частота колебания рабочих и дополнительных импульсов в пакете равнялась 20 кГц. При этом скважность равнялась 5. Частота колебания электродов равнялась 50 Гц. Амплитуда колебания электрода - 0,2 мм. Начальный межэлектродный зазор =0,025 мм.

Анализ результатов ЭХО показал, что при использовании предлагаемого способа по сравнению с известными ЭХО происходило существенное повышение точности и качества обработки. Погрешность копирования ЭИ на обработанной поверхности составила не более 0,02 мм, а шероховатость соответствовала Ra= 0,8 мкм. Скорость подачи 0,2 мм/мин. Вокруг обработанной полости на нерабочих поверхностях, не подлежащих обработке, дефекты типа питтингов и точечных растравов отсутствуют. Искусственно производили короткое замыкание электродов. Визуальный осмотр поверхностей электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки показал наличие следов короткого замыкания на заготовке и на ЭИ. Снова установили ЭИ и заготовку и продолжили обработку. Надежно растворился и измененный участок поверхности заготовки после КЗ (см. фиг.1 и 2).