Зазор между заготовкой и инструментом, мм – 0,1–0,3.

Мощность ультразвукового излучения, Вт/см² – 1,5–3.

По а.с. 1673329 предложен способ обработки глухих отверстий, где вставку выполняют пустотелой, в торце ее устанавливают излучатель, выполняющий функции насоса для удаления продуктов обработки. При этом вставка растворяется с донной стороны, а излучатель работает в непрерывном режиме. Сохранность токоподвода со стороны входа в отверстие обеспечивают тем, что его снаружи изолируют до установки во вставку и удаляют только после полного растворения вставки.

6.6.15. Электрохимиковибрационный метод

Использование ультразвуковых колебаний ограничено массой перемещаемых объектов, например электродов. Попытки ввести ультразвуковые колебания при обработке крупногабаритных деталей через инструмент-электрод были неудачными, т.к. за счет быстрого износа подвижных частей величина зазоров в сочленениях быстро превысила амплитуду колебаний, и процесс прекратился. Поэтому в дальнейшем интенсификацию начали выполнять путем вибрации электродов с частотой 25 Гц при амплитуде 0,2 мм. Это позволило обрабатывать перо турбинных лопаток с длиной до 650 мм [122].

6.6.16. Обработка несвязанными токопроводящими гранулами

В машиностроении имеется значительное количество деталей, обработка которых затруднительна из-за ограниченного доступа инструмента в рабочую зону. К таким деталям относятся трубы, патрубки переменного профиля, центробежные колеса, корпуса. Наиболее эффективным процессом изготовления труднодоступных поверхностей является электрохимическая обработка в проточном электролите с твердым токопроводящим наполнителем. Сущность этого метода заключается в том, что смесь из токопроводящих гранул и электролита подают через токоподвод к зоне обработки. Регулируя размеры, материал, концентрацию наполнителя можно добиться высокой скорости съема металла и качества поверхности для мест, удаленных от токоподвода на расстояние 100-120 мм. Для осуществления процесса требуется источник тока с напряжением до 80 В и выше. Схема процесса приведена на рис. 6.39.

а)

б)

Рис. 6.39. Схемы обработки с токопроводящим наполнителем (воздействие гранул прямое (а) и через регулятор подачи (б))

1 – электролит; 2 – сопло; 3 – токопроводящие гранулы; 4 – заготовка; 5 – отражатель направления движения гранул; 6 – поводок управления регулятором подачи; L₁ – расстояние от анода-сопла до катода-заготовки.

В каждой схеме (рис. 6.39) имеют место анодный процесс (химическое воздействие) и импульсный механический контакт гранул с заготовкой. После достижения гранулами поверхности заготовки происходит локальный съем припуска за счет анодного растворения [52] и увеличения скорости обработки участков с повышенным наклепом [81].

При разработке технологии обработки необходимо для каждого вида деталей правильно подобрать материал, форму, размеры, концентрацию, схему подачи наполнителя, учесть его влияние на скорость формообразования при расчете технологических режимов.

Известны различные варианты применения твердого токопроводящего наполнителя: для повышения качества поверхностного слоя заготовки без изменения размеров (безразмерная обработка); придание поверхности заданного профиля с требуемыми свойствами поверхностного слоя (размерное формообразование). В первом случае необходимо обеспечить равномерное распределение гранул в зоне обработки, во втором – подавать наполнитель на различные участки заготовки по закону, обеспечивающему время его воздействия, достаточное для удаления локального припуска.

Технологические показатели процесса зависят от вида гранул, их размеров, материала, массы, энергии соударения. В [58] показано, что для каждого материала гранул имеется критический размер, после которого они ведут себя в потоке электролита как проводники, т.е. с увеличением их концентрации в потоке возрастает электропроводность смеси. При малых размерах гранул повышение их концентрации проводит к снижению электропроводности.

Для стального наполнителя критический радиус сферических частиц составляет более 4-5 мм. Подача таких твердых тел в струе электролита вызывает значительные сложности, т.к. это требует высоких энергетических затрат, а также может вызвать повреждения заготовки. При подаче гранул на большое расстояние (более 30-40 мм) они под собственным весом перемещаются вниз и не достигают зоны обработки.

При расчете электропроводности рабочей среды следует учитывать размеры гранул. Для докритических размеров любой наполнитель (диэлектрический или электропроводящий) влияет на электропроводность электролита аналогично газовым пузырям, образующимся в процессе анодного растворения. Такая среда может приниматься двухфазной, содержащей жидкую и диэлектрическую (наполнитель, газы) равномерно распределенную среду. Расчет электропроводности и гидродинамики таких сред достаточно подробно изучен [39]. При размерах гранул больше критических их нельзя приравнивать к газовой фазе, т.к. характер воздействия на электропроводность токопроводящего наполнителя и газовых пузырьков противоположен: последние во всех случаях снижают электропроводность. Следовательно, рабочую среду здесь следует рассматривать трехфазной, содержащей жидкую, твердую и газообразную составляющие. С учетом всех продуктов обработки при рассмотрении процесса электрохимической обработки следовало бы учесть гидроокислы в жидкости. Однако, как показывают исследования, они не оказывают заметного влияния на электропроводность электролита.

При разработке технологии электрохимической обработки в электролите с наполнителем желательно выбирать размеры токопроводящих гранул больше критических, т.к. при этом удается повысить электропроводность среды. Если же по условиям обработки должны быть выбраны размеры гранул меньше критических, то целесообразно применять диэлектрический наполнитель, который не растворяется и не корродирует. Однако при его использовании электропроводность среды снижается. Такой наполнитель способствует механической депассивации обрабатываемой поверхности и позволяет повысить чистоту поверхности.

В [87] предложены пустотелые гранулы, позволяющие снизить массу при сохранении размеров, превышающих граничные значения.

Форма наполнителя оказывает влияние только при его размерах более критических. Здесь можно применять гранулы любой формы, но предпочтительнее шары или эллипсоиды вращения, в том числе пустотелые.

Рассмотрим влияние токопроводящих гранул с размерами большими критических на изменение плотности анодного тока.

При напряжении источника питания свыше 35…40 В между наполнителем и деталью возникает сначала прерывистое, а затем постоянное свечение, сопровождающееся гудением. Такой эффект неоднократно наблюдался ранее академиком Б.Р. Лазаренко и его учениками, которые считали его результатом тлеющего разряда в жидкости. Попытки замерить изменение тока и напряжения в момент возникновения свечения показали, что существующие электронные приборы не улавливают каких-либо изменений. Очевидно, что на свечение необходима дополнительная энергия, однако пока не удалось установить ее величину и учесть в расчетах.

При выборе размеров гранул следует учитывать следующее:

- если конструкция обрабатываемой детали позволяет ввести в зону обработки гранулы любых размеров и возможно перемещение твердых частиц за счет вращения обрабатываемой детали, то желательно иметь их размеры в диапазоне 20..30 мм. При больших гранулах возникает опасность механического повреждения деталей;

- если зона обработки удалена от места подвода тока к гранулам на расстояние в несколько десятков миллиметров, то размеры гранул целесообразно ограничить 10…12 мм. Дальнейшее возрастание размеров вызывает значительные дополнительные затраты на прокачивание наполнителя и ухудшает энергетические показатели процесса;

- при обработке удаленных поверхностей размеры наполнителя выбирают, исходя из возможности его доставки к месту обработки. Для графитового наполнителя предельные размеры могут достигать 40…45 мм, для металлов 35…40 мм.

По патенту 2072281 предложено снизить массу крупных токопроводящих гранул, выполняя их пустотелыми из материалов (в том числе диэлектриков) с малым удельным весом с последующей металлизацией поверхности слоем толщиной 0,2 – 0,3 мм.

Характеристики гранул диаметром 12 мм с толщиной стенки 2 мм и металлическим покрытием толщиной 0,2 мм приведены в табл. 6.21. Здесь же показаны ее технические возможности по сравнению с шаровидным металлическим наполнителем.

Из табл. 6.21 видно, что пустотелая гранула из пористого материала с покрытием в 5,65 раза легче стальной и требует во столько же раз меньше энергии для разгона. Если применить энергию, требуемую для разгона стальной гранулы, к пустотелой, то она достаточна для достижения скорости 19 м/с, т.е. в 2,38 раза выше, чем у цельной гранулы. Потеря высоты полета пустотелой гранулы в 5,5 раз меньше, чем у цельной. Ограничивает применение пустотелых гранул высокая стоимость их изготовления.

Таблица 6.21. Характеристики и возможности

пустотелых металлизированных гранул

Вид гранулы	Масса, г	Скорость подачи рабочей среды, м/с	Требуемая энергия для разгона гранулы, нм	Дальность полета гранулы при одной энергии разгона, м
Металлическая диаметром 12 мм	4,97	8	159,04	6,53
Пустотелая	0,88	8	28,15	36,84

В качестве материала для гранул следует выбирать графит либо нержавеющие сплавы. Графит слабо растворяется в процессе обработки, однако при его использовании выделяется значительное количество хлора, вредного для здоровья. что требует хорошей вытяжной вентиляции. Гранулы из нержавеющих сплавов растворяются за счет градиентов потенциала между частицами, однако, при их применении не образуется токсичных веществ. Степень влияния наполнителя на изменение плотности тока зависит от концентрации соли в воде. Так для хлористого натрия изменение плотности тока при стальном наполнителе происходит в широких пределах аналогичных ЭХО. Можно утверждать, что для рассматриваемого процесса могут применяться те же растворы солей, что и при традиционных видах электрохимической обработки.

Известно 3 вида использования комбинированной обработки с применением токопроводящего наполнителя (табл. 6.22).

Для наполнителя, имеющего возможность только локальных перемещений при контакте с местом обработки (вид 1 в табл. 6.22), необходима высокая эрозионная стойкость. Например, у заусенцев высота не стабильная. В случае их удаления для снижения величины межэлектродного зазора приходится устанавливать гранулы на расстояние меньшее по сравнению с предельной высотой заусенца в перпендикулярном к поверхности заготовки направлении. В качестве материала гранул используют графит и его композиции, которые не разрушаются при коротких замыканиях, но быстро устраняют (сжигают) выступы (заусенцы) на заготовке. Соосное положение отверстий в сетках 2, 3 (рисунок в табл. 6.22) позволяет гранулам удерживаться в подвешенном состоянии на диэлектрической сетке 2 и получать ток от металлической сетки 3, соединенной с отрицательным полюсом источника тока. Анодом является заготовка, размещенная на металлическом столе транспортера 6. Сетка 2 настраивается так, чтобы между основной массой заусенцев и гранулами образовался зазор. Процесс удаления заусенцев происходит в зазоре, через который проливают электролит 7 и подают через сетку 3 и гранулы ток к заготовке 5, имеющей выступающие заусенцы.

Таблица 6.22. Применение токопроводящего наполнителя

Вид обработки	Характеристика процесса	Схема	Область применения
1	2	3	4
1	Наполнитель в статике (по а.с. 697290)	1 – корпус; 2 - диэллектрическая сетка; 3 – металлическая сетка; 4 – гранулы наполнителя; 5 – заготовка; 6 – транспортер заготовок; 7 – электролит	Локальная обработка (заусенцев, кромок и др.)
2	Подача наполнителя в струе электролита из сопла [58]	1 – электролит; 2 – сопло; 3 – токопроводящие гранулы; 4 – заготовка	В основном безразмерная чистовая обработка труднодоступных для доступа инструмента поверхностей

1	2	3	4
3	Подача наполнителя в струе электролита по заданной программе (по патенту 2166417)	1 – сопло; 2 – гранула наполнителя; 3 – отражатель струи	Размерная чистовая обработка поверхностей

Для рассматриваемого вида обработки рекомендуются следующие режимы:

напряжение, В – 6 - 12

состав электролита – 10 – 15 % раствор NaNO₃

скорость пролива электролита, м/с – 0,2 – 0,5

межэлектродный зазор, мм – 0,1 – 0,2

размеры гранул, мм – 2 – 8.

При подаче наполнителя в струе электролита (вид обработки 2 в табл. 6.22) происходит рассеивание гранул за счет гравитационных сил, столкновений, местных сопротивлений и других причин. В [58] показано, что в сечении сопла плотность струи на заготовке может изменяться в 2 – 3 раза, что усложняет локализацию съема материала с заготовки. В [58] имеются сведения о возможности размерного удаления припуска путем изменения направления струи угловым поворотом сопла или заготовки, однако существенное повышение точности обработки таким способом возможно только при большом перепаде припусков на заготовке. Этот вид обработки используют в основном для повышения качества поверхностного слоя: снижения шероховатости или получения заданного наклепа. В зависимости от технологических требований (табл. 6.23) назначаются технологические режимы (табл. 6.24).

Таблица 6.23. Технологические возможности процесса обработки с наполнителем

Материал заготовки	Степень наклепа материала, %	Глубина наклепа, мкм	Вид напряжений	Шероховатость,Ra, мкм
Сталь конструкционная	13-18	3-7	Сжимающие	0,32-3,2
Титановые сплавы	10-30	10-20	Переменные	0,63-5
Алюминиевые сплавы	16-40	до 100	Сжимающие	1,25-3,2

Таблица 6.24. Режимы безразмерной обработки

Технические требования	Напряжение, В при S, мм			Гранулы		Начальная скорость гранул (м/с) при межэлектродном зазоре, мм					Время обработки 1 см2, с
	до 10	11 - 50	51 – 100	Размер, мм	Концентрация, %	до 10	11-30	31-50	51-100
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Снижение высоты неровностей	18-24	20-50	50-80	3-8	20-25	2-3	3-8	8-15	15-25	2-3
Упрочение поверхности заготовки	18-24	24-36	36-40	5-6	40-50	3-6	5-15	10-20	15-20	3-10

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Получение требуемого наклепа поверхности заготовки	18-24	24-36	36-40	3-6	30-60	2-8	5-20	10-25	15-30	3-30

Большое рассеивание значений в табл. 6.23 объясняется влиянием свойств обрабатываемых материалов, которые достаточно сильно различаются в пределах группы. Особенно это относится к титановым сплавам, где структура и механические характеристики материалов меняются даже в пределах одной детали.

При размерной обработке (см. табл. 6.22) отражатель может быть плоским или сферическим, поэтому поток гранул, имеющий по [58] угол распыла до 20, может быть сконцентрирован в узкий пучок при приближении к месту обработки и тогда достигается локальный съем материала с формированием поверхности с требуемыми характеристиками. Однако здесь технологические показатели сильно зависят от угла соударения гранул с отражателем (изменяется скорость потока, концентрация наполнителя, удлиняется путь до заготовки и др.), поэтому требуется корректировка режимов по напряжению или скорости подачи гранул. Это возможно при использовании микропроцессорного управления или блока ЧПУ, причем желательно использовать пустотелые гранулы, т.к. при больших размерах сплошных металлических гранул отражатель и система управления его положением быстро изнашивается.

В табл. 6.25 приведены режимы размерной обработки различными видами металлических гранул.

Таблица 6.25. Режимы размерной обработки

Удаление зоны обработки от сопла, мм	Напряжение, В	Гранулы				Угол поворота струи, град		Начальная скорость потока, м/с		Зона обработки (диаметр пятна контакта), мм
		Сплошные		Пустотелые
		Размер, мм	Концентрация, %	Размер, мм	Концентрация, %
1	2	3	4	5	6		7		8	9
до 10	18-24	3-5	20-25	5-12	20-30		до 15		3-8
10-20	24-36	3-5	20-25	5-12	20-30		до 15		8-15
20-40	36-40	3-6	15-20	5-15	20-30		до 20		15-20
40-60	40-60	3-6	15-20	5-18	15-25		до 30		20-30
60-80	60-75	3-6	10-20	6-15	15-25		до 40		30-45
80-100	75-90	3-6	10-15	до 15	15-25		до 45		45-50

Примечание: в графе 9 в числителе приведены сведения о сплошных гранулах, в знаменателе – о пустотелых.

На технологические показатели обработки в электролите с наполнителем оказывает существенное влияние скорость перемещения суспензии. С возрастанием интенсивности прокачки среды скорость анодного растворения увеличивается более чем в 2 раза, затем стабилизируется и далее имеет тенденцию к снижению. Если в рабочей среде возрастает концентрация токопроводящего наполнителя, то наблюдается резкий рост скорости анодного растворения и в дальнейшем стабильное, хотя и незначительное, возрастание интенсивности съема до больших скоростей прокачки суспензии. Повышение скорости анодного растворения не может быть объяснимо изменением только электропроводности и плотности тока при использовании наполнителя. Видимо на производительность процесса оказывает существенное влияние механическая депассивация обрабатываемой поверхности гранулами, которая зависит от скорости соударения частиц с заготовкой [81], поэтому скорость прокачки суспензии может быть выбрана значительно меньшей, чем при обработке в электролите без наполнителя. Это снижает мощность, затрачиваемую на перемещение рабочей среды.

В работе [58] рассмотрены возможные способы подачи электролита с наполнителем к обрабатываемой поверхности. С этой целью используют насосы центробежного или эжекторного типа, которые перекачивают суспензию. Однако наличие твердых частиц в жидкости приводит к сильному износу рабочего тракта. В ряде случаев применяют дозированную добавку твердого наполнителя в струю электролита. Для этого на выходе из сопла устанавливают воронку с наполнителем. Регулируя сечение воронки на входе в сопло, можно изменять концентрацию наполнителя в жидкости. После обработки детали гранулы отделяются от электролита с помощью решетки и снова подаются в воронку.

Струйный метод позволяет направлять суспензию на все участки обрабатываемой поверхности и вести обработку в течение любого времени. Это открывает возможность в некоторых случаях выполнять размерный съем материала с ручным управлением на труднодоступных для инструмента поверхностях.

Наполнитель можно перемещать за счет сил гравитации при вращении детали, например при обработке вращающейся трубы. При этом электролит с наполнителем попеременно касается катода-инструмента и внутренней поверхности заготовки и происходит съем металла, достаточный для снижения шероховатости поверхности. При большой длине детали суспензию можно прокачивать вдоль инструмента.

При обработке проточных тратов крыльчаток насосов, компрессоров, диффузоров можно использовать центробежные силы, возникающие при вращении роторов [109].

6.6.17. Обработка несвязанными диэлектрическими гранулами

Метод отличается от процессов, протекающих при использовании токопроводящего наполнителя тем, что здесь требуются дополнительные катоды, размещенные вблизи заготовки. В этом случае наполнитель может выполнять функции: удаление продуктов обработки с заготовки; активацию поверхности; упрочнение поверхностного слоя. Гранулы могут обладать абразивными свойствами, хотя в большинстве случаев для получения высокой чистоты поверхности заготовки они имеют гладкий профиль.

Метод используется при чистовой обработке литых заготовок из черных и цветных сплавов по нескольким схемам, часть которых идентична случаю безразмерной обработки металлическими гранулами с вращением пустотелой заготовки.

Широкое применение нашел метод повышения чистоты поверхности после штамповки, литья, механической обработки путем анодного удаления неровностей и скругления кромок при виброударном воздействии гранул из стекла, фарфора, пластмасс. Для этого рекомендуются следующие технологические режимы [58]:

- напряжение, В – 6 - 12

- рабочая среда – олеиновая кислота

с добавками

- наполнитель – гранулы без абразивных

свойств

- содержание гранул – до 30 % по объему

- амплитуда колебаний, мм – 1 - 5

- частота колебаний, Гц – 10 – 50

- время обработки, мин:

литых заготовок – 40 - 45

штампованных заготовок – 35 - 40

переходных участков после

механообработки – 5 - 10

размер партии одновременно

обрабатываемых заготовок

небольших размеров, шт. – до 100.

6.6.18. Электрохимическая обработка в управляемом магнитном поле

Такая обработка имеет несколько сочетаний воздействий. Так сочетание механической обработки с анодным процессом и магнитным полем позволяет выполнять магнитно-абразивное полирование порошками, удаление заусенцев, местных дефектов, окалины, загрязнений, скругление кромок, в том числе в местах, недоступных другому инструменту.

Одним из достоинств метода является отсутствие нежелательного шаржирования поверхности и ее нагрева до температуры получения прижогов.

Схема электрохимикоабразивной обработки в магнитном поле приведена на рис. 6.22. При обработке деталь совершает вращательное движение со скоростью 0,7-1,0 м/с, на нее воздействует магнитно-абразивный порошок, удерживаемый магнитами в зазоре между инструментом и деталью. Кроме того, деталь может совершать осциллирующее движение вдоль оси (частота 400-800 Гц, амплитуда 1-3 мм) и постоянное перемещение в том же направлении. Обработка происходит в жидкой среде, в частности, в смеси олеиновой кислоты, продуктов переработки нефти (керосин и др.), триэтаноламина, солей натрия. Под действием тока (как правило, низковольтного) происходит сглаживание выступов после действия абразивных зерен. Например, для сталей рекомендуется жидкость, включающая до 1,5% триэтаноламина, керосина, олеиновой кислоты, аквола 10. Исследования показали, что в жидкой среде температура поверхности детали при обработке снижается до 3 раз. В качестве рабочей среды используют жидкость с порошками из абразивных и ферромагнитных материалов с различной зернистостью, величина которой зависит от требований к шероховатости детали. Для полирования рекомендуются порошки с зернистостью 100-300 мкм. При этом съем металла может достигать 1,5-2 мг/см²мин при шероховатости поверхности R_a=0,04-0,08 мкм.

Рис. 6.22. Схема обработки:

1 - магнитный инструмент (полюсный наконечник);

2 - абразивный порошок; 3 – заготовка - анод;

4 - намагничивающая катушка; 5 - сопло для подачи жидкости

В магнитный индуктор установки, кроме намагничивающей катушки и съемных магнитных наконечников, входят магнитопроводы, регуляторы напряженности и величины зазоров. Вместо электромагнитов используются постоянные магниты с индукцией в зазоре от 0,6 до 1,5 Тл. Величина давления прижима абразивных частиц к детали выбирается в зависимости от магнитной индукции инструмента и изменяется от 0,05 до 0,5 МПа.

Созданное оборудование позволяет полировать детали с размерами до 700 мм, однако мощность таких станков не превышает 5 квт.

Более подробно этот метод обработки рассмотрен в [127].

Основным недостатком этого способа является неравномерное механическое воздействие при обработке заготовок сложной формы, что снижает технологические показатели процесса. Предложенные в патентах 2216437 и 2165341 новые способы обработки позволяют исключить механическое воздействие на обрабатываемую поверхность и управлять процессом локализации за счет постоянного магнитного поля, направляемого на рабочую среду из ферромагнитной жидкости, которая меняет вязкость в зависимости от мощности энергии поля. Это позволяет регулировать массовынос и повышать точность импульсной обработки, а в случае электрохимикомеханического метода регулировать силу продольной подачи инструмента, что дает возможность повысить точность каналов и расширить область использования комбинированного метода на заготовки с переменным периметром сечения.

В патенте 2229966 предложено использовать электромагнитное поле для формирования контура обработки инструмента с помощью ферромагнитной жидкости путем размещения постоянных магнитов в определенной конфигурации, повторяющей зону обработки. Это расширяет возможности электрохимического метода и повышает гибкость производства, что ускоряет освоение новых изделий и усиливает позиции разработчика на мировых рынках, где защита интеллектуальной собственности (наличие патентов) приобретает решающую роль в конкурентной борьбе за объем сбыта продукции.

При использовании в качестве рабочих сред реологических жидкостей режимы обработки практически не изменяются, хотя в некоторых случаях требуется дополнительный источник магнитного поля, в качестве которого могут использоваться постоянные магниты, коэрцитивная сила которых достаточна для изменения агрегатного состояния рабочей среды на базе ферромагнитной жидкости.

Новым направлением использования магнитного поля (а.с. 745638), формирующегося при ЭХО, является применение его для крепления ферромагнитных заготовок из тонкого листа без их повреждения. Обнаружено, что сила магнитного притяжения к столу в зоне анодного растворения (например при удалении заусенцев со штампованных заготовок) зависит от положения заготовки на столе. Установлено, что при размещении заготовки на расстоянии от центра большем половины радиуса наблюдается повышенный прижим ее к столу, что исключает короткие замыкания и погрешности из-за нарушения величины расчетного зазора между заготовкой и инструментом-электродом. После выхода детали из зоны обработки действие магнитной силы, возникающей в процессе ЭХО, прекращается, и на деталь начинают действовать силы только магнитного притяжения стола, что дает возможность после обработки их снимать без деформации. Предложенный способ позволяет механизировать трудоемкую операцию обработки ажурных деталей их листа, которые, как правило, выпускаются крупными сериями.