MD1413Z

MD1413Z - Tool electrode for dimensional electrochemical machining

Info

Publication number: MD1413Z
Application number: MDS20190026A
Authority: MD
Inventors: Владимир ПАРШУТИН; Анатолий ПАРАМОНОВ; Александр КОВАЛЬ; Василе АГАФИЙ
Original assignee: Институт Прикладной Физики
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-10-31
Also published as: MD1413Y

Abstract

The invention relates to mechanical engineering, namely to electrochemical combined laser working of metals and can be used for drilling holes and turning grooves, in particular, for the manufacture of helical splines in gun tubes.The tool electrode for dimensional electrochemical machining comprises a working part of an arbitrary shape (1) with a central channel (2), which communicates with an ellipsoidal chamber (3), divided by a partition (4) into two parts, of which the upper part is filled with a transparent, easily evaporable liquid (5) and is equipped with a focusing lens (6), fixed on the upper part of the body of the chamber (3). The focus of the lens (6) is aligned with the center of the partition (4), made in the form of an elastic membrane, in the center of which is fixed a light-absorbing target (8), made in the form of a hollow hemisphere, oriented with the cavity to the lens (6). The lower part of the chamber (3) is equipped with a bypass channel system (7) for electrolyte. The working part (1) and the workpiece (10) are connected to a voltage source (9).

Description

Invenţia se referă la construcţia de maşini, şi anume la prelucrarea electrochimică combinată cu laser a metalelor şi poate fi utilizată pentru perforarea găurilor şi strunjirea canelurilor, în special, pentru fabricarea canelurilor elicoidale în ţevile uneltelor. The invention relates to machine construction, namely to electrochemical laser combined processing of metals and can be used for drilling holes and turning grooves, in particular, for manufacturing helical grooves in tool tubes.

Este cunoscută instalaţia pentru prelucrarea electrochimică cu laser, care permite, în special, obţinerea unei imagini prin gravarea electrochimică. Instalaţia conţine un laser de lucru, un sistem de focalizare, o celulă electrochimică cu un anod şi un catod, o masă cu trei coordonate, un calculator conectat electric cu o sursă de alimentare şi o masă cu trei coordonate. Instalaţia mai conţine un sistem de circulaţie a electrolitului, conectat cu o celulă electrochimică, instalaţia fiind dotată suplimentar cu un iluminator, o cameră video digitală, un laser auxiliar, iar sursa de alimentare este executată în formă de potenţiostat programabil, totodată laserele auxiliar şi de lucru sunt instalate coaxial, iar camera video digitală şi potenţiostatul programabil sunt conectate electric cu calculatorul [1]. The installation for electrochemical laser processing is known, which allows, in particular, to obtain an image by electrochemical engraving. The installation contains a working laser, a focusing system, an electrochemical cell with an anode and a cathode, a three-coordinate table, a computer electrically connected to a power supply and a three-coordinate table. The installation also contains an electrolyte circulation system, connected to an electrochemical cell, the installation being additionally equipped with an illuminator, a digital video camera, an auxiliary laser, and the power supply is made in the form of a programmable potentiostat, at the same time the auxiliary and working lasers are installed coaxially, and the digital video camera and the programmable potentiostat are electrically connected to the computer [1].

Dezavantajul acestei instalaţii constă în complexitatea acesteia, deoarece nu poate acţiona fără un sistem de circulaţie forţat a electrolitului. The disadvantage of this installation lies in its complexity, as it cannot operate without a forced electrolyte circulation system.

Cea mai apropiată soluţie este un electrod-sculă care cuprinde un corp cilindric, dotat cu un racord de debitare a electrolitului şi executat din material dielectric cu fund semioval, care este unit cu o porţiune de lucru cilindrică amplasată coaxial, la capătul căreia este executat un orificiu pentru evacuarea electrolitului. În interiorul corpului, în partea superioară, este amplasată o lentilă conică cavă cu bază convexă şi doi electrozi, lentila fiind umplută cu un electrolit lichid termosensibil, orientată cu vârful spre fundul corpului şi fixată rigid cu ajutorul unui inel de etanşare cu posibilitatea glisării lui pe suprafaţa interioară a corpului, sub lentilă este amplasat coaxial un catod cav [2]. The closest solution is an electrode-tool comprising a cylindrical body, equipped with an electrolyte discharge connection and made of dielectric material with a semi-oval bottom, which is joined to a coaxially placed cylindrical working portion, at the end of which an opening is made for the electrolyte discharge. Inside the body, in the upper part, a hollow conical lens with a convex base and two electrodes is placed, the lens being filled with a thermosensitive liquid electrolyte, oriented with the tip towards the bottom of the body and rigidly fixed by means of a sealing ring with the possibility of sliding it on the inner surface of the body, a hollow cathode is placed coaxially under the lens [2].

Dezavantajul acestei instalaţii constă în aceea că pomparea electrolitului este reglementată de un sistem de pompare forţată a electrolitului, fără de care nu poate funcţiona. The disadvantage of this installation is that the pumping of the electrolyte is regulated by a forced electrolyte pumping system, without which it cannot function.

Problema pe care o rezolvă invenţia este de a asigura o alimentare autonomă a electrolitului şi de a majora productivitatea de prelucrare prin creşterea fluxului electrolitului. The problem solved by the invention is to ensure an autonomous supply of electrolyte and to increase processing productivity by increasing the electrolyte flow.

Instalaţia, conform invenţiei, elimină dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine o porţiune de lucru de formă arbitrară cu un canal central, care comunică cu o cameră elipsoidală, separată printr-o şicană în două părţi, dintre care partea superioară este umplută cu un lichid transparent uşor evaporabil şi dotată cu o lentilă de focalizare, fixată pe partea superioară a corpului camerei, totodată focarul lentilei este aliniat la centrul şicanei, executată în formă de o membrană elastică, în centrul căreia este fixată o ţintă de absorbţie a luminii, executată în formă de semisferă cavă, orientată cu cavitatea spre lentilă; partea inferioară a camerei este dotată cu un sistem de canale de transvazare pentru electrolit, totodată porţiunea de lucru şi piesa de prelucrat sunt conectate la o sursă de tensiune. The installation, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a working portion of arbitrary shape with a central channel, which communicates with an ellipsoidal chamber, separated by a baffle into two parts, of which the upper part is filled with a transparent, easily evaporable liquid and equipped with a focusing lens, fixed on the upper part of the chamber body, at the same time the focus of the lens is aligned with the center of the baffle, made in the form of an elastic membrane, in the center of which a light-absorbing target is fixed, made in the form of a hollow hemisphere, oriented with the cavity towards the lens; the lower part of the chamber is equipped with a system of transfer channels for the electrolyte, at the same time the working portion and the workpiece are connected to a voltage source.

Rezultatul tehnic al aplicării electrodului-sculă propus este asigurarea pompării electrolitului fără sisteme suplimentare şi mărirea pompării prin utilizarea sistemului de circulaţie, datorită prezenţei în electrodul-sculă a membranei şi ţintei de absorbţie a luminii. The technical result of the application of the proposed electrode-tool is to ensure the pumping of the electrolyte without additional systems and to increase the pumping by using the circulation system, due to the presence of the membrane and the light absorption target in the electrode-tool.

Invenţia se explică prin desenul din figură care prezintă schematic electrodul-sculă, care cuprinde porţiunea de lucru de formă arbitrară 1 cu canalul central 2, care comunică cu camera elipsoidală 3, separată prin şicana 4 în două părţi, dintre care partea superioară este umplută cu lichidul transparent 5 uşor evaporabil şi dotată cu lentila de focalizare 6, fixată pe partea superioară a camerei 3. Focarul lentilei 6 este aliniat la centrul şicanei 4, executată în formă de membrană elastică, în centrul căreia este fixată ţinta de absorbţie a luminii 8, executată în formă de semisferă cavă, orientată cu cavitatea spre lentila 6. Partea inferioară a camerei 3 este dotată cu sistemul de canale de transvazare 7 pentru electrolit. Sistemul de transvazare 7 este format din canale de transvazare 7a pentru debitarea electrolitului în partea inferioară a camerei 3, şi din canale de transvazare 7b pentru debitarea electrolitului în zona de prelucrare a piesei 10 prin canalul central 2. Porţiunea de lucru 1 şi piesa de prelucrat 10 sunt conectate la sursa de tensiune 9. The invention is explained by the drawing in the figure which schematically presents the electrode-tool, which comprises the working portion of arbitrary shape 1 with the central channel 2, which communicates with the ellipsoidal chamber 3, separated by the baffle 4 into two parts, of which the upper part is filled with the transparent liquid 5 which is easily evaporated and equipped with the focusing lens 6, fixed on the upper part of the chamber 3. The focus of the lens 6 is aligned with the center of the baffle 4, made in the form of an elastic membrane, in the center of which the light absorption target 8 is fixed, made in the form of a hollow hemisphere, oriented with the cavity towards the lens 6. The lower part of the chamber 3 is equipped with the system of transfer channels 7 for the electrolyte. The transfer system 7 consists of transfer channels 7a for discharging the electrolyte into the lower part of the chamber 3, and transfer channels 7b for discharging the electrolyte into the processing area of the part 10 through the central channel 2. The working portion 1 and the workpiece 10 are connected to the voltage source 9.

Electrodul-sculă funcţionează în modul următor The tool electrode works in the following way

Între piesa de prelucrat 10 şi capătul porţiune de lucru 1 se stabileşte interstiţiul necesar dintre electrozi, în funcţie de materialul prelucrat şi electrolitul utilizat, după care se alimentează tensiunea de lucru de la sursa de tensiune 9. Prin canalele de transvazare 7a şi 7b electrolitul este alimentat în partea inferioară a camerei 3 şi în zona de prelucrare a piesei 10. Radiaţia laser (sursa acesteia în figuri nu este prezentată) este focalizată prin lentila 6 pe ţinta 8. Deoarece nu există un lichid absorbant de lumină în partea superioară a camerei, ci unul transparent 5, radiaţia laser practic nu interacţionează cu el, prin urmare, atunci când aceasta trece, masa principală a lichidului transparent 5 nu se încălzeşte şi toată energia de radiaţie este utilizată pentru încălzirea ţintei de absorbţie a luminii 8. Temperatura de pe suprafaţa ţintei 8 depăşeşte brusc temperatura de fierbere explozivă, care este însoţită de formarea unei cavităţi mari de vapori. În acest caz, ţinta 8 însăşi practic nu are timp să se încălzească (adâncimea de încălzire poate fi estimată ca √xt, unde x este conductibilitatea de temperatură a ţintei 8, t - timpul de expunere a impulsului laser). În cazul când lipseşte ţinta de absorbţie a luminii 8 şi pereţii camerei 3 ar fi executaţi din reflectori de oglindă, fasciculul laser ar fi reflectat în mod repetat de pereţi, fapt ce ar fi dus la încălzirea întregii mase de lichid 5 fără a fi creată o bulă de vapori, iar pomparea electrolitului nu ar fi fost observată. Înlocuind, de exemplu, apa cu freon (căldura de tranziţie de fază a freonului este aproape de un ordin de mărime mai mică decât cea a apei) cu aceleaşi caracteristici energetice ale radiaţiei laser majorează pomparea electrolitului de mai multe ori. Efectuarea ţintei de absorbţie a luminii 8 dintr-un material cu un coeficient de conductibilitate de temperatură scăzut (de exemplu, ebonită, ceramică etc.) minimizează încălzirea ţintei 8 şi permite ca partea principală a energiei laser să fie utilizată pentru a forma cavitatea de vapori. Executarea ţintei de absorbţie a luminii 8 sub formă de semisferă cavă, orientată cu cavitatea spre lentila 6, majorează pomparea electrolitului cu 7…12%, ceea ce se datorează dinamicii dezvoltării cavităţii aburilor. Formarea cavităţii de vapori este însoţită de o creştere accentuată a presiunii şi de mişcarea şicanei 4. Prezenţa canalelor de transvazare 7a şi 7b asigură o mişcare orientată a electrolitului în spaţiul interelectrodic. Totodată raportul conductibilităţii de temperatură a şicanei 4 la conductibilitatea de temperatură a ţintei 8 este mai mare de 5. Between the workpiece 10 and the end of the working portion 1, the required gap between the electrodes is established, depending on the processed material and the electrolyte used, after which the working voltage is supplied from the voltage source 9. Through the transfer channels 7a and 7b, the electrolyte is supplied to the lower part of the chamber 3 and to the processing area of the workpiece 10. Laser radiation (its source in the figures is not shown) is focused through the lens 6 on the target 8. Since there is no light-absorbing liquid in the upper part of the chamber, but a transparent one 5, the laser radiation practically does not interact with it, therefore, when it passes, the main mass of the transparent liquid 5 does not heat up and all the radiation energy is used to heat the light-absorbing target 8. The temperature on the surface of the target 8 suddenly exceeds the explosive boiling temperature, which is accompanied by the formation of a large vapor cavity. In this case, the target 8 itself practically does not have time to heat up (the heating depth can be estimated as √xt, where x is the temperature conductivity of the target 8, t - the exposure time of the laser pulse). In the case when the light-absorbing target 8 is absent and the walls of the chamber 3 are made of mirror reflectors, the laser beam would be repeatedly reflected from the walls, which would lead to heating of the entire mass of liquid 5 without creating a vapor bubble, and the pumping of the electrolyte would not be observed. Replacing, for example, water with freon (the phase transition heat of freon is almost an order of magnitude lower than that of water) with the same energy characteristics of laser radiation increases the pumping of the electrolyte several times. Making the light-absorbing target 8 from a material with a low coefficient of thermal conductivity (for example, ebonite, ceramics, etc.) minimizes the heating of the target 8 and allows the main part of the laser energy to be used to form the vapor cavity. Making the light-absorbing target 8 in the form of a hollow hemisphere, oriented with the cavity towards the lens 6, increases the pumping of the electrolyte by 7…12%, which is due to the dynamics of the development of the vapor cavity. The formation of the vapor cavity is accompanied by a sharp increase in pressure and the movement of the baffle 4. The presence of the transfer channels 7a and 7b ensures a directed movement of the electrolyte in the interelectrode space. At the same time, the ratio of the thermal conductivity of the baffle 4 to the thermal conductivity of the target 8 is greater than 5.

Avantajele electrodului-sculă propus pot fi combinate cu particularităţile electrodului-sculă, permiţând iradierea spaţiului interelectrodic cu radiaţia laser. The advantages of the proposed tool-electrode can be combined with the particularities of the tool-electrode, allowing the irradiation of the interelectrode space with laser radiation.

Exemplu: Example:

Atunci când se utilizează un laser rubinic cu o energie în impuls de 20 J şi o durată a impulsului de 10-3 s (frecvenţa de repetare a impulsului este de 10 Hz), consumul electrolitului este de 6,7 l/min, în timp ce fără iradierea cu laser consumul electrolitului a fost de 3,9 l/min. When using a ruby laser with a pulse energy of 20 J and a pulse duration of 10-3 s (pulse repetition rate is 10 Hz), the electrolyte consumption is 6.7 l/min, while without laser irradiation the electrolyte consumption was 3.9 l/min.

Înlocuirea ţintei de absorbţie a luminii cu un reflector a făcut ca dispozitivul să nu funcţioneze. Executarea unei ţinte de absorbţie a luminii în formă de semisferă cavă măreşte consumul electrolitului până la 7,2 l/min. Replacing the light-absorbing target with a reflector caused the device to not work. Making a light-absorbing target in the shape of a hollow hemisphere increases the electrolyte consumption to 7.2 l/min.

Astfel, electrodul-sculă a fost propus pentru prelucrarea electrochimică, care permite creşterea productivităţii procesului de îndepărtare a metalului datorită majorării debitului electrolitului. Thus, the tool electrode was proposed for electrochemical processing, which allows increasing the productivity of the metal removal process due to the increased electrolyte flow rate.

1. RU 2289640 C1 2006.12.20 1. RU 2289640 C1 2006.12.20

2. MD 208 Z 2010.05.31 2. MD 208 Z 2010.05.31

Claims

Electrode-tool for dimensional electrochemical processing, which contains a working portion of arbitrary shape (1) with a central channel (2), which communicates with an ellipsoidal chamber (3), separated by a baffle (4) into two parts, of which the upper part is filled with a transparent liquid (5) that is easily evaporated and equipped with a focusing lens (6), fixed on the upper part of the chamber body (3), at the same time the focus of the lens (6) is aligned with the center of the baffle (4), made in the form of an elastic membrane, in the center of which is fixed a light-absorbing target (8), made in the form of a hollow hemisphere, oriented with the cavity towards the lens (6); the lower part of the chamber (3) is equipped with a system of transfer channels (7) for the electrolyte, at the same time the working portion (1) and the workpiece (10) are connected to a voltage source (9).