автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка процессов электрохимической размерной обработки микросекундными импульсами тока и оборудования для их реализации

На правах рукописи

РЫБАЛКО АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ЗЛЕКГР0ХШИЧЕСК0И РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЖРОСЕКУНДШШ ИМПУЛЬСАМИ ТОКА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность - 05.03.01 "Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж -1997

Работа выполнена в Институте прикладной физики .Академии наук Республики Молдова

Научный .консультант

доктор технических наук, профессор Саушкин Б.П., ЛГТУ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Атанасянц А.Г., РХТУ;

I

доктор технических наук, профессор Пешков В.В., ВГТУ;

доктор технических наук, профессор' Попов В.М., ВГЛТА,

Ведущая организация

Национальный институт авиационной технологии, г. Москва

Защита диссертации состоится " "__шоня _ 1997 г

в " " час- на заседании "диссертацигонного . Совета Д-063.81.06 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14, ВГТУ, конференц - зал.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " мая_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

¿с Болдырев А.И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из наиболее перспективных методов формообразования поверхностей деталей, завоевывающих все большее признание в промышленности, является размерная электрохимическая обработка (ЭХО). Технологические возможности ЭХО, - большая производительность, отсутствие износа электрода-инструмента, высокое качество поверхности и другие, - обеспечили широкое внедрение способа в производстве деталей двигателей, сложных штампов,пресс-форм и других специальных деталей. Однако достигаемая точность формообразования при этом не всегда отвечает требованиям производства, что во многих случаях не позволяет использовать ЭХО для финишных операций. Причини неудовлетворительной точности обработки определяются специфическими особенностями способа бесконтактного формообразования, протекающего в условиях узкого межэлектродного зазора. К ним в первую очередь можно отнести: изменение эф|юктивной электропроводности межэлектродной среды, проявление диффузионных ограничений скорости растворения, пассивацию анодной поверхности, рост анодных окисных пленок и т.д.

Анализ существующих способов повышения точностных показателей ЭХО выявил перспективность использования дискретизации процесса растворения. Существуют различные схемы обработки: в пульсирующем электролите; имлульсно - циклические с вибрацией электродов и синхронизированной подачей импульсов тока; сочетание элементов имлульсно - циклической обработки со сложной кинематикой движения электрода - инструмента (ЭИ); импульсной обработки с Еибрацией ЭИ и др. В настоящее время ряд научно-исследовательских и производственных коллективов" различных стран проводят исследования по изучению закономерностей импульсной ЭХО с целью повышения точностных показателей процесса обработки. Среда них следует отметить: Тульский политехнический институт, Московский энергетический институт, Ивановскую химике - технологическую академию, Институт электрохимии Российской АН, Липецкий государственный технический университет, Уфимский авиационный институт, Национальный научно-исследовательский институт авиационной технологии, г.Москва, научно-исследовательский институт двигателей, г Москва, а также ряд авиационных заводов (Россия); Университет штата Небраска и различные фирмы Соединенных штатов Америки; ряд научных организаций и Университетов Великобритании,

Японии, КНР, Институт прикладной физики АН Республики Молдова и др. Промышленное внедрение этой технологии ведется недостаточно интенсивно. Анализ состояния вопроса в области импульсной ЭХО показал, что сдерживающим фактором широкого развития данного способа является недостаточность знаний о развитии физико-химических процессов в межэлектродном зазоре, протекание которых накладывает ряд ограничений как на выбор параметров обработки, так и на достигаемые технологические показатели обработанных деталей. Поэтому настоящая работа направлена на решение научно - технической проблемы, связанной с выявлением природа и механизма теплофизических и энергетических ограничений процесса импульсной ЭХО, знание которых позволит обоснованно выбрать параметры импульсного тока, обеспечивающие. повышение производительности обработки и точности формообразования при улучшении других: технологических показателей способа, а также сформулировать требования на разработку соответствующих источников импульсного тока.

Работа выполнялась в лабораториях электрохимической размерной обработки и электроискровой обработки материалов Института прикладной физики Академии наук Республики Молдова в соответствии с рядом научно-исследовательски^ тем и комплексных Программ.

Цель работы.

Повышение эффективности технологий импульсной размерной ЭХО на основе изучения закономер2госгей высокоскоростного анодного растворения сплавов при использовании импульсов тока микросекундаого диапазона длительностей, разработка метода управления процессом и специального технологического оборудования.

Основные решаемые задачи.

1. Установить основные закономерности, определяющие энергетические возможности импульсной ЭХО, разработать методику выбора параметров импульсов в. зависимости от технологических требований;

2. Исследовать закономерности развития во времени анодной поляризации хромоникелевых сплавов в концентрированных растворах хлоридов и нитратов натрия при использовании как одиночных, так и совокупности импульсов тока различных параметров, разработать методику расчета переходных процессов поляризации за время импульса и паузы между ними.

3. Изучить технологические показатели процесса импульсной 3X0 токами микросекундного диапазона длительностей в зависимости ^от

уровня вводимой мощности, разработать технологические рекомендации и конкретные технологии импульсной 3X0 ка лх основе.

4. Разработать принципы формирования сильноточных импульсов и на их основе широкодиапазонные по параметрам управления импульсные источники питания.

Автор защищает:

1. Установленную закономерность импульсной ЭХО, заключающуюся в том, что максимально допустимая удельная электрическая энергия, вводимая в межэлектродный промежуток конкретной электрохимической ячейки за период импульса, является величиной постоянной, зависящей, главным образом, от величины минимального межэлсктродного зазора и температуры электролита.

2. Физическую модель ограничения по величине вводимой электрической энергии при импульсной ЭХО.

3. Методику расчета параметров импульса.

4. Обоснование и экспериментальное подтверждение возможности реализации импульсной ЭХО с. высокими значениями величин тока и напряжения в импульсе.

5. Установленные закономерности анодной поляризации при высокоскоростном анодном растворении импульсами тока микросекундного диапазона.

6. Возможность повышения локализации процесса импульсной размерной ЭХО путем ограничения во времени переходных процессов поляризации разноотегоящих от катода частей поверхности анода задаваемой длительность» импульса тока.

7. Способ повышения производительности импульсной ЭХО при сохранении повышенной локализации анодного растворения, в основе которого обеспечение ускоренной релаксации поляризации за счет подачи в паузе импульса тока противоположной полярности.

8. Методику определения электрических параметров процесса импульсной ЭХО с повышенной локализацией.

9. Разработанные программируемые источники питания для реализации предложенных способов импульсной ЭХО в униполярном и биполярном режимах подачи импульсов тока.

.Научная новизна.

I. Развиты теоретические представления о процессах, протекающих при электрохимической обработке с применением импульсов тока микросекундного диапазона длительностей, учитывающие фазовый пере-

ход в межэлектродной среде в результате развития теплофизических / явлений и закономерности переходных процессов поляризации. Это позволило осуществлять импульсную ЭХО с использованием плотности тока

о

в импульсах до 2000 А/см и более, управлять величиной фарадеевской составляющей в общем количестве электричества импульса при неизменной плотности тока в нем, существенно расширить технологические возможности способа формообразования.

2. Показано, что электрохимическая система способна воспринимать электрические мощности весьма высоких уровней, которые на порядок и более выше, чем используемые при электрохимической обработке на постоянном токе, но ограниченно во времени.

3. Установлена закономерность импульсной ЭХО, заключающаяся в том, что максимально допустимая удельная электрическая энергия, вводимая в мехэлзктродный промежуток конкретной электрохимической ячейки за период импульса, является величиной постоянной, зависящей, главным образом, от величины минимального межэлектродного зазора и температуры электролита. Физическая модель ограничения при импульсной ЭХО в таких условиях описывается закономерностями тепловыделения за период импульса и не связана с процессами газовыделения на электродах.

4. Получены новые данные о развитии переходных процессов нарастания и спада поляризации ряда хромоникелевых сплавов при их высокоскоростном растворении в водных растворах хлорида и нитрата натрия с использованием импульсов тока микросекундного диапазона. . Предложена и реализована на практике возможность повышения степени локализации процесса растворения за счет формирования неэквипотек-циальности на разноудаленных от катода-инструмента участках поверхности детали-анода, создаваемой путем ограничения во времени соответствующих переходных процессов нарастания поляризации, задаваемых длительностью импульса.

Практическая значимость.

1. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность осуществления процесса импульсной ЭХО с высокими значениями величины тока и напряжения е импульсе. Доказано, что использование при ЭХО импульсов с энергией меньшей или равной энергии, обеспечивающей фазовый переход, электрический пробой межэлектродной среды не будет достигнут.

2. Предложены пути повышения производительности, точности и

снижения шероховатости п<зверхности обработанных деталей на основе разработанного метода определения параметров импульсов в зависимости от интенсивности тепловыделения в межэлектродяом промежутке за период импульса, а также управления величиной фарадеевской составляющей в общем количестве электричества импульса при неизменной плотности тока в нем.

3. Показана возможность повышения производительности импульсной ЭХО с сохранением высокой локализации растворения путем уменьшения длительности паузы между импульсами за счет ускорения спада анодной поляризации до нулевого значения противоимпульсом тока.

4. Разработана методика расчета параметров импульсов для обработки униполярным и биполярным тисами, обеспечивающих повышенную локализацию процесса импульсной ЭХО. Разработана инженерная методика и соответствующая программа расчета электрических параметров формирующего контура генератора импульсного тока, обеспечивающих необходимый характер выделения анергии в импульсе.

5. Разработан ряд униполярных и биполярных источников питания и преобразователей постоянного тока в импульсный с регулируемыми в широком диапазоне параметрами импульсов и паузы между ними, а также конкретных технологических процессов импульсной ЭХО, которые прошли промышленные испытания и внедрены.

Реализация результатов исследований.

Разработанные униполярные и биполярные источники питания и преобразователи постоянного тока в импульсный с регулируемыми в широком диапазоне параметрами импульсов и паузы между ними, а также конкретные технологические процессы импульсной ЭХО, прошли следующие промышленные опробования:

на РПО "ЮТОРОСТРОЕНИЕ" в 1979 г. внедрен импульсный источник тока и технологический процесс изготовления лопатки компрессора газотурбинного двигателя, экономический эффект от внедрения составил 67900 р. в год на единицу оборудования;

на одном из предприятий в 1981 г. Комиссией Министерства Авиационной промышленности СССР проведены опытно-промышленные испытания и приемка опытного образца импульсного источника тока и технологического процесса импульсной ЭХО лопаток ГТД, по результатам которых рекомендовано выпустить головную партию источников под названием "ИЛИ - 5000" в кол. 10 шт для предприятий отрасли;

на этом же предприятии в 1987 г. Комиссией Министерства Авиационной промышленности СССР проведены опытно-промышленные испытания и приемка опытного образца импульсного источника питания "ИЛИ -5000" с рекомендацией по выпуску данных источников серийно с присвоением им I категории качества;

на одном предприятии в 1988 г.внедрен источник "ИЛИ - 5000" и технологический процесс изготовления лопаток газотурбинных двигателей, годовой экономический эффект составил 30,3 тыс. р. на одну ступень изделия;

в Научно-исследовательском институте двигателей, г.Москва, в 1991 г. внедрен импульсный биполярный источник питания на средний ток 400 А для ЭХО мтамповой оснастки, экономический эффект от внедрения составил 18 тыс .р.

Апробация работы.

По материалам диссертации были сделаны доклада на: У1 Международном симпозиуме по электрическим методам обработки, ИСЕМ-6, Краков, ПНР, 1980; Всесоюзной научно-технической конференции "Размерная электрохимическая обработка деталей машин", Тула, 1980; Уральской зональной научно-технической конференции "Прогрессивные методы электрохимической и электрофизической обработки материалов", Уфа, 1979; семинаре "Анодное растворение и катодное выделение металлов", Институт электрохимии АН СССР, Москва, 1980;семинаре "Процессы и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки", Тульский политехнический институт, Тула, 1980; научно-техническом совете отделения Научно-исследовательского института технологии и организации производства (НШ), Москва, 1980; 37-м конгрессе Международного электрохимического общества ISE-37, Вильнюс, I98G ; IV ИГС с международным участием по неконвенциональным технологиям в машиностроении "АМ0-89",НРБ, Ботевград, 1989 ; VI Всесоюзной научно- технической конференции ЭХО-86, г.Тула; IV ВНТК по проблемам преобразовательной техники, Киев, 1987 ; ВНТК "Комбинированные метода размерной обработки металлов", г.Уфа, 1983 ; ВКГК "Гибкие производственные системы в электротехнологии ГПС ЭМО-88", г.Уфа, 1988 ; V Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов, Кишинев, 1985 ; VI Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов, Кишинев, 1990 ; XI-м международном симпозиуме по электрообработке, Лозанна, Швейцария, 1995 и др.

Работа автора "Процесс электрохимической обработки металлов"

отмечена бронзовой: медалью 44 Всемирной выставки изобретений, исследований и промышленных разработок (Брюссель,EUREKA'95, 1995 ).

Публикации.

Основное содеркание работы изложено в 38 публикациях, новизна исследований подтверждена четырьмя авторскими свидетельствами СССР и патентами России.,

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 382 страницах, в том числе, содержит 97 рисунков, 6 таблиц, состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографии, включающей 234 наименования, и приложений на 65 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность выбранного направления исследований, дана общая характеристика работы, сформулированы защищаемые положения.

В первой глава проведен анализ явлений, сопровождающих процесс электрохимического растворения с применением импульсных токов. На примере процесса, определяемого особенностями растворения при первичном распределении тока в зазоре, были конкретизированы направления поиска путей улучшения основных технологических показателей процесса формообразования - точности, производительности и др., на основании которых были сформулированы задачи аналитического обзора.

Проведенный аналитически! обзор в области импульсной электрохимической обработки металлов позволяет отметить следующее. Использование импульсных токов определенных параметров обеспечивает высокую точность электрохимического формообразования и, во многих случаях, более высокое качество обработанных поверхностей по сравнению с обработкой на постоянном токе. Эти технологические преимущества определяются особенностями, присущими только импульсной ЭХО металлов, а именно:

кратковременность процесса растворения, за время которого изменение скорости подачи катода-инструмента (а значит и величины межэлектродного зазора) незначительно, а скорость потока электролита в МЭЗ при этом не может оказывать существенного влияния на изменение свойств межэлектродной среды по направлению этого потока;

релаксация свойств электролита в паузе между рабочими импульсами или совокупностью импульсов;

возможность выбором соответствующей энергии импульса поддор-

кивать на детали-аноде определенные режимы обработки, такие как: ^ диффузионные ограничения; поддержание • растворения на границе "активность - пассивность", либо "пассивность - транспассивность", что позволяет создавать неэквипотенциальность поверхности анода, обеспечивающую повышение локализации процесса растворения;

использование для обработки импульсов тока микросекундного диапазона длительностей расширяет возможности повышения локализации растворения за счет действия механизма анодно-аююнной активации, когда на ближайших к катоду участках анода происходит активация его пове'рхности и растворение металла, а на отдаленных участках протекают только подготовительные процессы (заряжение емкости ДЭС, выделение кислорюда и т.д.-), а также в связи с тем, что длительность этих импульсов соизмерима с длительностью заряжения емкости ДЭС на наиболее близких к катоду участках анодной поверхности.

Так как основной целью рассмотренных работ было достижение точности обработки, вопрос о выборе параметров импульса ограничивался определением его длительности. Оптимизации двух других основных параметров импульса - амплитуды" тока и напряжения, определяицих совместно с длительностью энерговвод в электрохимическую ячейку, внимания уделялось существенно меньше, несмотря на то, что энергия импульсов в совокупности с паузой между ними, определяет производительность импульсной ЭХО. На наш взгляд, это связано с тем, что в практике импульсной ЭХО традиционно применяли уровень вводимой. в электрохимическую ячейку электрической мощности импульса такой же, как и на постоянном токе. Использование импульсных токов привело к снижению производительности процесса растворения в целом. В связи с тем, что не решались вопросы повышения производительности процесса импульсной ЭХО, не были выявлены причины, ограничивающие энерговвод в электрохимическую ячейку. Нет также обоснованных методик выбора параметров импульса, - амплитуды тока, напряжения, длительности и паузы между импульсами, применительно к оптимизации процесса рас-.творения в зависимости от конечных технологических показателей, производительности, точности, снижения шероховатости и т.д. Необходимо отметить и отсутствие в промышленном исполнении специальных источников импульсного тока с широким диапазоном регулирования параметров процесса обработки.

В связи с тем, что снижение длительности импульса обеспечивает повышение локализации, отмеченное многими авторами, возникает воп-

рос о связи динамики энерговыделения в электрохимической ячейке с переходными процессами поляризации электродов, определяющими, в конечном счете, производительность процесса растворения и другие технологические показатели обработки. Как отмечает ряд авторов, динамика поляризации связана с амплитудной плотностью тока и физико-химическими характеристиками электрохимической системы. Представлялось целесообразный изучить эти закономерности с целью разработки основ новых технологических процессов, конкретизации параметров импульсных источников тона. Учитывая многообразие возмояных систем "металл - электролит", необходимо было прежде всего ограничиться рассмотрением этих особенностей при ЭХО хромоникелевых сплавов в водных растворах хлорида и нитрата натрия, как наиболее распространенных в практике электрохимического формообразования.

Проведенный обзор литературы подтвердил актуальность работы, позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены методики экспериментальных исследований энергетических возможностей импульсной ЭХО, изучения динамики нарастания и спада поляризации электродов, методики расчета скоростей электрохимического растворения при варьировании параметрами импульсов тока и величиной.. МЭЗ, оценки локализации растворения и других технологических параметров импульсной ЭХО. Описаны характерные особенности разработанного экспериментального стенда, применяемые электролиты и электродные материалы.

В проведенных исследованиях моделировался процесс импульсной размерной ЭХО и изучались закономерности, сопровождающие протекание тока через электрохимическую ячейку как в единичном, так и в частотном режиме.

Исследования проводились с использованием специально разработанного генератора одиночных импульсов с емкостным накопителем энергии. Варьирование энергией импульса осуществлялось в диапазоне 0,01 - 300 Дж. При постоянстве величины емкости и электрических параметров формирующего контура, длительность импульса определяется текущим сопротивлением ячейки которое, в свою очередь, является функцией физического состояния мекэлектродной среда. В эксперименте изменение состояния межэлектродной среды оценивалось по реакции ее электрического сопротивления на- входные переменные - ток и напряжение. В этой связи уровень мощности был выбран в качестве основной вариационной переменной. Моделировалась обработка детали с исполь-

зовашем проточного плоскопараллельного канала. Осциллографирование ^ тока и напряжения осуществлялось двухлучевьгм осциллографом с памятью. Количество электричества и энергия импульса определялись ме-- тодом графического интегрирования.

Решение поставленных задач осуществлялось с применением специально разработанного и изготовленного оборудования и осиаотни. Одной из основных проблем было обеспечение быстродействия используемого измерительного контура как минимум на порядок больший, чем временное разрешение изучаемого явления. Для исключения ошибок ври фиксировании амплитуда и формы импульса тока использовался малоин-дукгивный шунт коаксиальной конструкции.

Динамика нарастания и слада поляризации изучалась при подаче прямоугольных униполярных и биполярных импульсов тока длительностью (Ю-® - 10"^) с от специально разработанных генераторов, обеспечивающих формирование на нагрузке импульсов, регулируемых в широких пределах длительностей и скважности. Исследование переходных процессов поляризации анода осуществляли с использованием твердотельного электрода сравнения. Приведены соответствующая методика и комплекс необходимых мер по обеспечению точности измерений переходных характеристик поляризации в условиях подачи коротких импульсов тока. На первом этапе исследований измерения проводились при использовании ячейки с вращающимся дасковнм электродом. В дальнейшем -при неподвижном электролите, в специально разработанной электрохимической ячейке, позволяющей изменять величину МЭЗ. Электрохимический съем изучался в ячейке с плоскопараллельшм изменяемым МЭЗ, в которой предусмотрена возможность извлечения образцов для взвешивания. Распре деление съема металла по длине образца изучалось при помощи контрольно-измерительного микроскопа ИКГ-3. Качество поверхности после обработки оценивалось по данным сканирующей электронной микроскопии, а также по профялограммам поверхности, полученным с помощью профиллографа-профилометра П-201. Изучение технологических показателей осуществлялось с применением в качестве источника питания разработанных генераторов импульсного тока.

В работе использовались: электролиты - водные растворы азотнокислого и хлористого натрия концентрацией (0,2 - 2,0) М, а также их смеси; материалы образцов - сплавы ХН77ГЮР, 12Х18Н9Т, НС6КП, а также их компоненты - никель, хром, железо и др.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования элек-

трических параметров изучаемых электрохимических систем в условиях импульсной подачи тока, рассмотрены некоторые причины возникновения коротких замыканий промежутка,описана разработанная методика расчета параметров импульсов для условий высокоскоростной импульсной ЭХО.

Доказано, что вклад величины суммарной поляризации электродов в общее падешю напряжения в МЭЗ для изученных условий эксперимента не является определяющим, что позволяет утверждать о первичном распределении тока в зазоре. При этом увеличение плотности тока в импульсе при неизменной величине зазора приводит к уменьшению доли суммарной поляризации в общем падении напряжения. Уменьшение длительности импульса также определяет снижение доли суммарной поляризационной составляющей в общем падении напряжения в МЭЗ. Последнее обусловлено тем, что амплитуды анодной и катодной поляризаций, достигаемые за время импульса в переходном процессе нарастания поля-ривации не успевают достичь своего максимального значения, соответствующего данной плотности тока. При малых плотностях тока этот эф-

факт выражается в более явном виде за счэт уменьшения скорости нарастания поляризации.

Показано, что сопротивление электролита МЭЗ, формирующееся в результате прохождения единичного импульса тока микросекундного диапазона длительностей, может быть в зависимости от энергии импульса, размеров зазора и концентрации электролита как больше, так и меньше величины, рассчитанной по соответствующим табличным значениям электропроводности, в зависимости от превалирования джоулева тепловыделения или влияния образующихся продуктов электрохимических реакций (при малых концентрациях электролита сопротивление уменьшается в сравнении с расчетным, при больших - увеличивается). Однако по мере снижения длительности импульса и величины МЭЗ значения сопротивления приближаются к расчетным. Поэтому при длительностях импульса порядка (100-400) мкс и величинах зазора (0,1-0.7) мм необходимую для расчета технологического процесса амплитудную плотность тока можно определить, зная табличные значения электропроводности электролита и величину напряжения источника питания. Одним из условий достижения высокой локализации растворения является минимальный угол наклона вольтамперной характеристики межэлектродного зазора, AU/AI —► О. Из имеющейся совокупности размеров зазоров наибольшему съему будут соответствовать те участки анода, для которых значение приращения тока при изменении величины зазора будет максималь-

но, т.е. AI/AC —> inax.

При варьировании уровнем вводимой в электрохимическую ячейку удельной мощности импульса в диапазоне, применяемом в современной практике ЭХО на постоянном токе (порядка I кВт/см^), ограничений процесса не наблюдается. При увеличении уровня удельной мощности величина тока спустя определенное время резко уменьшается. И чем выше уровень вводимой мощности, тем быстрее наступает этот эффект. Как выяснилось, причиной тому является резкое увеличение сопротивления мехэлектродаого промежутка, обусловленное его заполнением газом или паром. Анализ энергетических показателей процесса "запирания" межэлектродного промежутка показал, что величина удельной электрической энергии"импульса , вводимой до наступления этого эффекта, является постоянной для изученных условий эксперимента. Это позволило предположить, что причиной "запирания" является выделенное за период импульса ленц-джоулево тепло и переход жидкой фазы в пар. Электродное газовыделение не может быть причиной "запирания", так как количество электричества за период импульса, как показали эксперименты, уменьшается по мере увеличения уровня вводимой удельной электрической мощности при неизменной величине энергии необходимой для фазового "запирания" промежутка.

Таким образом, можно констатировать, что электрохимическая система способна воспринимать электрические мощности весьма высоких уровней, но ограниченно во времени. Это позволяет считать, что процесс ЭХО является самоорганизующимся по параметрам вводимой в мек-злектродный промежуток удельной электрической энергии. В общем виде величина w3Qn"определяется выражением

t3an

"зап = Ji(t) g(t) dt = ConEt- ( 1 )

о

где i(t) - плотность тока; U(t) - напряжение; t3an - длительность импульса до "запирания". Как показали исследования этого явления в различных условиях эксперимента, величина w3an зависит главным образом от размера межэлектродного зазора и температуры электролита. .Изменение же концентрации и состава раствора только перераспределяет составляющие энергии - плотность тока, напряжение и длительность импульса.

Анализ полученных результатов позволяет сделать важные для

практики импульсной ЭХО выводы. Выбирая величину удельной энергии импульса меньшей или равной величине изап, можно осуществлять процесс обработки с весьма большими значениями величин тока и напряжения. Так, в экспериментах нами была осуществлена ЭХО с использованием импульсов с амплитудной плотностью тока 2500 А/см2 при напряжении 300 В. При этом свечения или пробоя межэлектродной среды не наблюдалось.

Для разработки расчетного метода определения параметров импульсного тока в этих условиях обработки была решена задача конвективного теплообмена в узком плосколараллельном канале.

Поле температур при этом описывается уравнением

РСТ

где р,

ср, о, X,

ат

У ¡¡гай. Г

( 2 )

Т - плотность, теплоемкость, электропроводность, теплопроводность и температура раствора; V - гидродинамическая скорость раствора; I - амплитуда тока.

Допуская, что физические параметры раствора не зависят от температуры, профиль скорости однороден по сечению канала, пренебрегая рассеянием энергии и аксиальной теплопроводностью, уравнение (2) запишется следующим образом:

аТ эт

— 4 и — = д всю , ( з )

т = т

т

п

ври г

то при X

о и х ? о

а и ь ^ о

V = скорость электролита.

Здесь Т0-начальная температура; а= с д

8(1) - единичная функ-

ция, равная

0 (1)

-{

1 при 1; > О о при г < о ■

Решение уравнения (3) с помощью преобразования Лапласа имеет вид

Т = То+ 0 I - в

-) ■(' -

( 4 )

• о ) I о

при г > о, х > о , При х > где 1; - длительность импульса, температура зависит

только от времени, а не от продольной координаты, и (4) выглядит следующим образом:

Т = Т0 + 0 г. ( 5 )

Данное соотношение справедливо почти во всем канале, кроме входной области, длина которой зависит от длительности импульса при данной скорости электролита. Например, при длительности импульса порядка Ю'^а, скорости потока электролита 10 м/с и длине канала 7 см, это соотношение выполняется при х > 0,1см. Во входной области и при х < 1;ич;о температура зависит только от координаты, но не от времени, и (4) выглядит следующим образом:

0 х

Т = Го + "гГ" ' < 6 >

Следовательно, почти во всем канале при исследуемых длительностях импульсов распределение температуры не зависит от гидродинамических условий.

Оценка нагрева электролита за счет тепловыделения на границе раздела электрод-электролит показала, что этот источник тепла не является определяющим при "запирании" межэлектродаого промежутка в процессе импульсной электрохимической обработки.Таким образом, за--кипание электролита происходит за счет объемного нагрева дкоулевым теплом при прохождении импульса тока. Поэтому изменение температуры в объеме электролита за период импульса (5) моню представить в следующем виде:

ЙТ I2

рС -= - - ( 7 )

р <п о

Т = тс при %= 0 Интегрируя (7) с учетом зависимости ст от Т при постоянных р и Ср, получаем выражение для длительности прямоугольного импульса до "запирания" при заданном уровне тока Г в виде

г

Рср°т=1в Г Т^- Т

1 + а

зап

2

]] [V - Го] .

( а )

где а = 0,022 для раствора исследованных солей, Тф^ - температура фазового перехода жидкости в пар и от=18 - удельная электропроводность раствора до момента подачи импульса тока (при Т=18°С).

' Аналогично можно получить я выражение для нахождения амплитуды напряжения на ячейке:

° = 6 ( г 7 а 1п[ а (V - то) + 1] 1 ./2 < 9 >

1 зап Т=18 ® J

Сопоставление значений длительности импульса и напряжения, рассчитанных по данным уравнениям с экспериментально найденными, показало хорошее согласие между ниш.

В работе также представлены результаты исследований электрического пробоя межэлектродной среда при импульсной ЭХО. Показано, что при параметрах импульса, определяемых в соответствии с уравнениями (8) и (9), электрический пробой наступить не может. Он происходит в случае, когда длительность приложенного импульса напряжения превышает время до "запирания". Очевидно, что необходимым условием пробоя межэлектродаого промежутка является образование в нем парогазовой фазы.

В четвертой главе исследованы переходные характеристики нарастания и спада поляризации анода прямоугольными импульсами тока микросекундного диапазона длительностей.

Для выяснения основных параметров импульса и электрохимической ячейки (ЭХЯ), определяющих закономерности развития переходных процессов поляризации электрода, был проведен теоретический анализ этих процессов на модели электрического аналога ЭХЯ при прохождении через нее единичного импульса тока прямоугольной формы. В рамках общепринятых допущений рассматривалась поляризация одного из электродов импульсом тока с: учетом сопротивления МЭЗ при условии, что быстродействие формирующего контура генератора импульсов выше динамических возможностей электрохимической системы (ЭХС) по нарастанию и спаду поляризации. .Анализ полученных результатов показал, что величина достигаемой амплитуды поляризации электрода определяется в основном приложенным к ЭХС напряжением источника питания и значениями емкости двойного электрического слоя, фарадеевского сопротивления и сопротивления электролита. Время ее достижения - функция от величин этих сопротивлений при дашшх значениях величин емкости двойного слоя и напряжения источника питания. Время спада поляризации после окончания импульса тока определяется в основном значением величины поляризации, достигнутой к моменту выключения тока, а также величинами емкости двойного слоя и фарадеевского сопротивления.

Эксперименты по изучению влияния параметров импульса тока, близкого к прямоугольной форме, на характер поляризационных явлений

показали, что нарастание поляризации менее динамично по отношении к ^ нарастанию тока в импульсе для изученных условий эксперимента (до 50 А/см2). Поэтому стабилизация поляризации происходит всегда спустя определенное время после окончания нарастания тока импульса. Интересна при этом роль длительности импульса: если она больше времени переходного процесса поляризации, то дальнейший процесс, например растворения, происходит уже в условиях постоянства величины поляризации. При меньших длительностях импульса - переходный процесс нарастания поляризации не успевает закончиться, и кавдому моменту времени, в промежутке этой длительности, соответствует определенная величина поляризации. Отсюда важный практический вывод - изменяя длительность импульса, в интервале времени переходного процесса поляризации, можно управлять величиной поляризации, а значит - и скоростью растворения, хотя амплитуда тока при этом неизменна. Ско^-рость спада тока (длительность среза импульса) в условиях нашего эксперимента практически не оказывает влияния на динамику спада поляризации в связи с несоизмеримостью во времени развития этих явлений. Так, для исследованного ряда пар "материал анода - раствор электролита", время спада поляризации составляет величину порядка Ю-2 с и более (при величинах поляризации на момент окончания импульса порядка 500 мВ), в то время, как длительность среза импульса тока, обеспечиваемая современными импульсными генераторами тока больших амплитуд, составляет - Ю-4) с. Отмечено, что дли-^

телыюсти нарастания поляризации при традиционных для ЭХО амплитудных^ плотностях тока на несколько порядков меньше длительности ее спада, и это различие увеличивается с ростом амплитуды тока (величины достигаемой поляризации к моменту отключения тока). Поэтому продолжительность переходного процесса спада поляризации является определяющей в общем времени отклонения электрохимической системы от стационарного состояния.

Сравнение переходных характеристик нарастания и спада поляризации анодов из исследуемых сплавов в электролитах различных составов и концентраций показало их зависимость от физико-химических свойств конкретной пары "материал анода - раствор электролита". Это раскрывает возможности управления амплитудно-временными характеристиками поляризации целенаправленным подбором состава и концентрации электролитов. К примеру, при прочих равных условиях для исследованных ЭХС:

длительности переходных процессов нарастания и спада поляризации анода из сплава 12ХГ8Н9Т уменьшаются в ряду электролитов: №С] -№Л03+НаС1 - ИаТО3;

длительности переходных процессов нарастания и спада анодной поляризации сплав'а ХН77ГЮР уменьшаются в ряду электролитов: ИаЮ3 -№С1 - ГСаНОд+ПаС!;

длительность переходных процессов нарастания поляризации анода из сплава ЖС6КП уменьшается в ряду электролитов: ШГО3+ИаС1 -NaШ3 - N801, при этом времена спада наибольшие при использовании в качестве электролита МаН03, меньшие - ИаС1, и наименьшие - их смеси;

большей концентрации электролита соответствуют более длительные по времени переходные процессы как нарастания, так и спада поляризации.

На основании изученных закономерностей поляризации анодов прямоугольными импульсами тока микросекундного диапазона длительностей обоснована возможность и предложен способ повышения локализации процесса растворения но сравнению с возможностями импульсной ЭХО традициононныг. параметров. Эффект достигается путем создания дополнительной не эквипотенциальное™ на разноудаленных от катода участках поверхности анода за счет ограничения локальных переходных процессов нарастания поляризации выбранной длительностью импульса, в связи с зависимостью динамики их развития от амплитудной плотности тока (мзныгош плотностям тока соответствуют большие длительности переходного процесса нарастания поляризации).По сути,на этих участках осуществляется снижение доли количества электричества, идущего на фарадеевский процесс,в общем количестве электричества импульса. При этом локальная амплитудная .плотность тока остается неизменной.Чем больше во времени переходной процесс нарастания поляризации, тем шире возможности предложенного способа по управлению локализацией процесса растворения задаваемой длительностью импульса.

Таким образом, на обрабатываемом электроде можно обеспечить значительную неэквипотенциальность на разноудаленных от катода участках анода не только за счет первичности распределения тока в МЭЗ, но и из-за снижения достигаемых амплитуд поляризаций за время импульса, длительность которого соизмерима либо меньше времени переходного процесса нарастания поляризации. Распределение скоростей электрохимического растворения по поверхности становится еще более

неравномерным. В этом случае будет достигнута более высокая локализация процесса растворения по сравнению с обработкой на том же импульсном токе, но при длительностях импульсов, в которых время переходного процесса нарастания поляризации ограничено.

Проведение процесса импульсной ЭХО в частотном режиме имеет свои особенности в организации процесса растворения с повышенной локализацией. Если период следования импульсов будет равен или больше времени релаксации поляризации до нулевого значения каждого участка поверхности анода, описанные выше условия повышения локализации будут обеспечены. При меньшем периоде следования импульсов (большей частоте), каждый последующий переходной процесс-нарастания поляризации, начиная .со второго, накладывается на переходной процесс спада поляризации от предыдущего импульса, поскольку ЭХС не успевает релаксировать полностью. При этом, за счет их суммирования образуется качественно новый переходной процесс поляризации, характеризуемый формированием спустя определенное время постоянной составляющей поляризации, модулированной переменной, частота которой определяется протекающим импульсным током. Чем короче пауза, тем выше уровень постоянной составляющей, и меньше -переходное время нарастания переменной составляющей поляризации при одновременном снижении ее амплитуды. Процесс растворения, по мере снижения длительности паузы, приближается по характеру к растворению на постоянном токе. При этом возможности повышения локализации за счет создания дополнительной неэквипотенциальности ограничением развития переходных процессов нарастания поляризации задаваемой длительностью импульса практически исключаются.

На базе полученного массива экспериментальных данных по изучению амплитудно - временных характеристик нарастания и спада поляризации анодов из ряда хромоникелевых сплавов в растворах хлорида и нитрата натрия разработана методика расчета параметров импульсов тока и длительностей пауз. Для их расчета используются некоторые данные, полученные экспериментально.

С целью повышения производительности процесса импульсной ЭХО при сохранении условий создания дополнительной неэквипотенциальности определенных участков анода нами предложено осуществлять ускорение спада анодной поляризации до нулевого значения путем подачи в паузе импульса тока противоположной полярности. При этом важным является правильный выбор параметров противоимпульса, чтобы избежать

формирования на катоде-инструменте условий растворения. Экспериментально изучены особенности компенсации остаточной анодной поляризации противоимпульсом тока регулируемых параметров как в одиночном, так и в частотном режимах, разработана методика расчета его оптимальных параметров для различных условий обработки. Доказано, что осуществление процесса импульсной ЭХО с применением противоимпульса тока позволяет существенно, более чем на порядок, повысить производительность процесса импульсной ЭХО с сохранением высокой степени локализации без растравливания электрода-инструмента.

В пятой главе приводятся результата экспериментального исследования технологических показателей процесса ЭХО импульсами тока микросекундного диапазона длительностей.

Анализ получешшх результатов по изучению выхода по току растворения некоторых металлов и сплавов в диапазоне амплитудных плотностей тока 100-2500 А/см2 показал, что растворение в таких условиях протекает в соответствии с известными закономерностями анодного процесса. Так, при растворении никеля и хрома с амплитудными плотностями тока до 1000 А/см2, выход по току составляет 100$. При дальнейшем увеличении плотности тока, выход по току хрома незначительно увеличивается, а никеля снижается. Эти изменения, вероятно, связаны с разогревом межэлекгродной среды за период импульса, в результате чего переход хрома в раствор может частично осуществляться в степени окисления меньшей шести.

Выход по току железа Армко уменьшается с ростом амплитудной плотности тока от 98%при 125 А/см2 до 85% при 2100 А/см2, что может объясняться частичным выделением ионов железа в трехвалентной форме.'Еыход но току растворения стали 12Х18Н9 увеличивался от 80 до 105 % ■ Это можно объяснить известными представлениями об активировании процесса растворения при высоких температурах, сопрововдаю-щегося изменением степени окисления компонентов сплава. Выход по току растворения сплава ЖС6КП в исследуемом диапазоне импульсных токов составил 110-115 % в расчете на П1+2 и СгУ1, что согласуется с известными данными на постоянном токе.

При обработке импульсным током больших амплитудных значений достигается высокая точность копирования, что обусловлено отсутствием градиента электропроводности межзлектродной среда по длине канала. Однако при определенном значении величины тока в импульсе появляется специфическая для импульсной ЭХО погрешность, обуслов-

ленная тем, что за период паузы между импульсами возникает градиент температуры электролита по длине канала в связи с конвективным теп-лоотводом от электродов, нагретых в результате выделения тепла за период импульса.

Увеличение амплитудной плотности тока импульсов, как правило, характеризуется снижением при ЭХО шероховатости поверхности всех изученных металлов и сплавов, кроме ЖСбЯП. Если при обработке сплава ХН77ТЮР постоянным током 20 А/см2 величина II составила 0,36 мкм, то при обработке импульсным током 2400 А/см2 она снизилась до 0,06 мкм. Обработка образцов из никеля в тех- же условиях дает изменение Еа от 0,73 до 0,21 мкм, из железа Арыко - от 1,3 до 0,15 мкм. при этом существенно уменьшается межгранэтнов растравливание. Так, при обработке постоянным током сплава ХН77ТЮР глубина растравливания, измеренная по профилограммам, составила 2 мкм, а при использовании импульсного тока 1870 А/см2 она не превышала 0,25 мкм. При обработке сплава ЯС6КП с ростом амплитудной плотности тока характер микрорельефа обработанной поверхности меняется. Если при обработке на постоянном' токе наблюдались впадины, характерные при . растравливании по границам-зерен, то при обработке импульсным током на поверхности видны отдельные небольше группы микровыступов. Растравливание при этом отсутствовало.

Дальнейший цикл исследований посвящен выявлению функциональных связей между электрическими параметрами импульсов, динамикой соответствующих переходных процессов поляризации и особенностями локализации анодного растворения. Для каждого из экспериментов определялась величина удельной скорости растворения (V, мг/кл), рассчитывались значения выхода по току и логарифмический индекс рассеивания ' (ЛИР) "А", являвдийся обобщенным параметром, характеризующим степень локализации анодного растворения.

Обнаружена возрастающая зависимость удельной скорости растворения от роста напряжения и (длительность импульса при этом оставалась неизменной), что объясняется снижением доли переходного процесса нарастания поляризации в общей длительности импульса в связи с повышением амплитудной плотности тока и формированием постоянной составляющей поляризации в паузе между импульсами. Характер "г - и" зависимостей не меняется как при использовании пассивирующих (ИаШд), так и активирующих (НаС1) электролитов. Наблюдается только количественное различие соответствующих величин.

Отмеченная особенность сохраняется и при варьировании длительностью импульса I . Здесь также возрастает удельная скорость растворения по мере увеличения X , и соответственно уменьшается доля переходного процесса поляризации в общей длительности импульса.

Эксперименты показали, что уменьшение длительности паузы относительно величины, соответствующей времени полного спада поляризации до нулевого значения, сопрововдается повышением скорости растворения и выхода по току. Это связано с появлением уровня постоянной составляющей в общей величине поляризации, приводящего к уменьшению амплитудного значения ее переменной составляющей. Это приводит к снижению доли переходного процесса поляризации в общей длительности импульса, а значит теряется возможность получения высокой локализации согласно предлагаемому способу импульсной ЭХО.

Были определены величины ЛИТ в зависимости от параметров управления динамикой поляризации (величины напряжения и, длительности импульса и паузы 1; ). Показано, что в условиях обработки с применением импульсов тока микросекундного диапазона длительностей, возможно достижение значений ЛИР, меньших единицы ("А"= I соответствует "идеальному" процессу формообразования), причем не только в растворах пассивирующих (МаЮ3), но и активирующих электролитов (N801). Полученные результаты подтвердили выдвинутую гипотезу о том, что, регулируя амплитудно-временные характеристики при переходном процессе поляризации, можно изменять степень локализации анодного растворения. При этом показана роль электролита, определяющая как динамику нарастания поляризации, так и ее спада.

Таким образом, увеличение напряжения, длительности импульса, либо уменьшение длительности паузы, при прочих равных условиях, приводит к росту производительности, но в ущерб локализации процесса растворения. Одним из путей, позволяющих повысить производительность обработки при сохранении локализации растворения, является применение противоимпульса тока для ускорения спада анодной поляризации в паузе. Проведенные эксперименты показали, что создание на границе раздела анод - электролит в паузе между рабочими импульсами поля противоположной полярности позволяет ускоренно компенсировать анодную поляризацию. При этом основными параметрами регулирования были: амплитудная плотность тока противоимпульса, его длительность и время его подачи после анодного. Сравнение технологических показателей при ЭХО биполярными импульсами и униполярными импульсами с

необходимой для релаксации поляризации паузой показало существенное увеличение производительности. Так, например, при обработке сплава ХН77ТЮР в I М ИаЫО^ униполярными импульсами при условии полного спада поляризации в паузе 80 икс, и=30В, 1; = 42 мс, 6= 0,1мм) скорость движения границы растворения составляла У=0,0017 мм/мин. При биполярной обработке в режиме компенсации анодной поляризации и при прочих равных условиях, кроме длительности паузы мезду рабочими импульсами, которая составила 1^= 240 мкс, была достигнута скорость движения границы растворения, равная 7=0,2 мм/мин. При этом эффект высокой локализующей способности сохраняется.

В шестой главе представлены методики расчета параметров источников питания и основ технологического процесса.

Дяя реализации процесса импульсной 3X0 с высокой локализацией необходимо организовать на нагрузке (ЗХЯ) заданный характер энерговыделения. Это требует конкретизации параметров формирующего контура генераторов - индуктивности, активного сопротивления, величины емкости рабочего конденсатора и уровня его зарядки. Рассчитаны параметры формирующего контура для двух типов импульсов. Первый импульс . - близкий по форме к_ прямоугольному, организуется путем ограничения апериодического разряда емкости большой величины; второй - колоко-лообразннй - путем ограничения периодического разряда конденсатора небольшой емкости при переходе тока через нулевое значение.

Для анализа переходного процесса в формирующем контуре при создании импульса тока, близкого по форме к прямоугольному,- достаточно рассмотреть этот процесс с момента времени коммутации при 1 = 0, до момента прерывания тока при 1= ^ длительность импульса).

Как известно, ток, реализуемый при коммутации заряженной емкости С на формирующий контур, можно описать следующим уравнением;

й21 сП 1

X —к + Н— + - 1 = 0. ( 10 )

сНГ сИ С

Здесь и далее: И - активное сопротивление контура, включая ЭХЯ;

I - ток; Ъ - индуктивность контура.

С учетом граничных условий, вытекающих из законов коммутации, решение (10) имеет следующий вид:

и (О) кл т^х

1(1) = --(е - е ^ ). ( II )

Цк^)

Где и (0)- напряжение конденсатора к моменту Х=0;

к Д - комплексные величины, 1 2

V -

21

21

41е

4ХС

1 " LC

1

LC

( 13 )

Так как нам необходимо сформировать апериодический разряд, то дискриминант характеристического уравнения должен быть положительным. При этом значения k.,, kg будут действительными ( ^<0, kg<0). Чтобы данный апериодический разряд шел короткий передний фронт гф и большую длительность t, необходимо, чтобы k1 и kg были существенно различны, т.е., | k-j/kg | ~ t/t,j,.

Формируемый импульс будем считать удовлетворительным, если:

1) к моменту времени значение I(t) достигает величины 0,95 IQ (амплитудного значения тока);

2) на интервале < t < tQ ( здесь tQ - начало коммутации ), значения I(-t) < 10; ...

3) к моменту времени t = tH значение I(t) падает до величины 0,95 10.

Данные требования, с учетом выражения (II), позволяют получить два нелинейных выражения:-

I 1с, гЛ

( 14 )

- 0,95 - (ко - к, )= е

Е ^ 1 Ъ

Ч "ф

- 0,95

В

(kg - ^ )= в

ЬЛ,

( 15 )

Если считать величину И известной, то, с учетом (12), (13), выражения (14) и (15) представляют систему уравнений относительно неизвестных Ь и С.

Численное исследование системы (14), (15) при различных значениях tф, 1;ц, И показало, что ее решение можно приближенно представить в виде

L

Ьф(й1+й2) 1п(0,05), Гн.

С - t / (R^+Rg) х 2 10~5, ф.

t„>3t„

при условиях

Г tH>3t

I V'1° • с-

(16 ) ( п )

( 18 )

R

R

Н

е

Причем требование 2) удовлетворяется автоматически.

Если условия-(18) не выполняются, то выражения (16), (17) могут не удовлетворять уравнениям (14), (15) с допустимой погрешностью. В этом случае систему (14), (15) можно решать численно на ЭВМ, используя известные стандартные процедуры.

Таким образом, при заданной исходной величине Я , величины Ь и С рассчитываются согласно (16),(17) либо (14), (15).

В работе также представлена методика расчета параметров формирующего контура для создания колоколообразного импульса тока.

Обе методики расчета параметров формирующих контуров генераторов и соответствующих амплитудно-временных характеристик импульсов тока реализованы в программах Р1 (прямоугольный импульс тока) и Р2, представленных в Приложении к диссертации.

Полученные результаты позволили разработать основы технологии некоторых процессов ЭХО, когда есть определенность в вопросе соотношения "производительность-точность", в частности, на примере прошивки отверстия трубчатым электродом при условии, что боковые стенки катода-инструмента неизолированы. Проведенные на Рыбинском производственном объединении "МОТОРОСТРОЕНИЕ" опытно - производственные испытания техпроцесса и соответствующего биполярного источника питания показали принципиальную возможность осуществления этого процесса с локализацией растворения преимущественно в области торца катода-инструмента.

В седьмой главе описаны особенности в проектировании и изготовлении источников импульсного тока и преобразователей постоянного тока в импульсный униполярный и биполярный, необходимых для реализации процесса ЭХО с повышенной локализацией анодного растЕорения.

Реализация процесса импульсной ЭХО повышенной точности невозможна без создания специальных источников тока. В основу их разработки заложены следующие требования:

источник предусматривает возможность подачи на МЗЗ как униполярных, так и биполярных импульсов тока; форма импульсов - близкая к прямоугольной.

возможность регулирования амплитудно - временных параметров импульсов и паузы между ними в широких пределах, исходя из условий достижения необходимых величин поляризации и длительности переходных процессов нарастания и спада поляризации, регулирование всех параметров - независимое;

возможность организации растворения по прогрето с автоматическим переходом от грубых режимов обработки к прецизионным.

Разработаны и изготовлены тиристорные и транзисторные источники тока различных электрических параметров, а также приставки-преобразователи постоянного тока в импульсный, позволяющие использовать уже имеющиеся на предприятиях, применяющих процесс ЭХО, источники постоянного тока. Использование последних позволяет с наименьшими затрата™ внедрить в производство новую технологию формообразования деталей импульсным током.

Одной из главных задач при разработке являлось обеспечение высоких динамических характеристик фронта импульса, необходимых для осуществления процесса импульсной 3X0 с повышенной локализацией. Предложено использовать в качестве источника питания систему формирования импульсов (СФИ) тока, в основе которой положен принцип суперпозиции импульсов отдельных генераторов (модулей), работающих независимо и синхронно на одну нагрузку - электрохимический станок (а.с.755009, СССР). Введение силового фильтра (используемого как малоиндуктивный источник тока) на входе преобразовательного устройства каждого модуля позволило исключить влияние реактивной составляющей согласующей цепи - силового трансформатора, выпрямительного блока и т.д., что существенно улучшило динамические характеристики фронта импульса тока. Естественно при этом и ограничение формируемого модулем амплитудного значения тока импульса. Эквивалентная индуктивность СФИ при этом становится меньше индуктивности формирующего контура каждого модуля, что позволяет существенно улучшить динамические характеристики суммарного импульса по сравнению с традиционным подводом тока двухпроводной линией. Набором таких модулей можно варьировать необходимыми для конкретной технологии величинами амплитуды тока и его средним значением. Наш разработаны модули, в качестве коммутационных приборов которых используются как тиристоры, так и сильноточные транзисторы. Для создания противоимпульса также используются подобные модули, включаете в паузе между основными импульсами.

В качестве управляющего-разработан задающий генератор-программатор, позволяющий организовывать работу СФИ по четырем циклам с независимо программируемыми параметрами импульсов и пауз между ними.

Совместно с НИИ Двигателей,г.Москва , нами изготовлен импульсный источник питания и разработан технологический процесс для им-

пульсной ЭХО лопаток компрессора четвертой ступени газотурбинного двигателя, внедренные на РПО ''Моторостроение". В результате проведенных испытаний было выявлено, что при использовании импульсного режима обработки достигнуто значительное улучшение технологических показателей по сравнению с обработкой на постоянном токе. В частности, точность копирования - 0,05 мм при постоянном токе, против 0,3 мм на импульсном ( далее в скобках ), припуски на обработку -0,4-3 мм (1-3), шероховатость поверхности - 0,4-1 мкм (0,9-2). Отмечено снижение наводороживания поверхности с 0,040 % до 0,031 %дри импульсном токе. Экономический эффект от внедрения технологии и источника питания составил в ценах 1979 г. 67900 р. в год на единицу оборудования.

В 1981 году комиссия Министерства Авиационной промышленности СССР, в составе которой были представители деЕяти предприятий отрасли и НПФ АН МССР, осуществила испытания и приемку импульсного источника питания для ЭХО лопаток компрессора с длиной пера до 100 мм и с хордой 35 мм. По результатам испытаний было рекомендовано изготовить головную партию источников для предприятий отрасли. В 1987 г. партия источников питания ( 10 шт: ) Сила изготовлена Ржевским машиностроительным заводом под названием ЖМ - 5000. В ноябре 1987 года комиссией этого же Министерства данные источники были апробированы, одобрены и рекомендованы для серийного выпуска с присвоением первой категории качества. При атом констатировано: "Применение импульсного тока при ЭХО лопаток позволяет повысить точность обработки в 2 - 2,5 раза, что дает возможность изготавливать лопатки под безразмерное полирование. За счет получения профиля лопатки под операцию безразмерное полирование на станках ЛВП-ЗМ повышается производительность в 4 раза, а за счет уменьшения припуска заготовок до I мм на сторону - повышается производительность на операцию ЭХО в 2 раза". Результаты последующих внедрений отражены в выводах автореферата.

ВЫВОДЫ

I. Развиты теоретические представления о процессах, протекающих при электрохимической обработке с применением импульсов тока микросекундного диапазона длительностей, учитывающие фазовый переход в межэлекгродяом зазоре в результате развития теплофизических явлений и закономерности переходных процессов поляризации. Это позволило осуществлять импульсную ЭХО с использованием плотности тока

?

в импульсах до 2000 А/см и болею, управлять величиной фарадэевской составляющей в общем количестве электричества импульса при неизменной плотности тока в нем, существенно расширить технологические возможности способа формообразования.

2. Показано, что величина удельной электрической энергии, вводимой в конкретную электрохимическую ячейку за время импульса, ограничена некоторым критическим значением, определяемым условием фазового перехода жидкости межэлектродной среды в пар. Установлено, что использование импульсов с энергией меньшей или равной критической исключает электрический пробой межэлектродного промежутка. Решение уравнения конвективного топлопереноса для этих условий позволило разработать методику определения параметров импульсов по заданной плотности тока. Выявлена область параметров импульсов, обеспечивающих стабильное протекание процесса обработки.

3. Определены условия достикения высокой локализации процесса анодного растворения импульсами тока микросекундного диапазона длительностей на основе изучения электрических характеристик электрохимической ячейки. Показана при этом роль резистивных свой-свойств электрохимической системы и-переходных процессов-нарастания и спада поляризации анода.

4. Получены новые данные о развитии амплитудно-временных характеристиках электрохимической поляризации анодов при подаче на электрохимическую ячейку как одиночного импульса тока, так и их совокупности при моделировании реальных условий обработки. Обнаружено явление суперпозиции переходных процессов поляризации от импульса к импульсу в случае, когда длительность паузы менее времени спада поляризации от предыдущего импульса. По мере дальнейшего снижения времени этой паузы переходные характеристики поляризации по амплитуде имеют тенденцию к стабилизации, что приводит к снижению локализующих возможностей разработанного способа импульсной ЭХО. Предложен и реализован способ ускорения спада поляризации в паузе мевду рабочими импульсами импульсом тока противоположной полярности, что обеспечило сохранение высокой локализации обработки при одновременном повышении производительности за счет повышения частоты следования импульсов.

5. Установлены закономерности анодного поведения ряда электро' химических систем (хромоникелевые сплавы в концентрированных растворах хлорида и нитрата натрия) при ЭХО микросекундными импульсами

тока. Показано, что после достижения определенных плотностей тока (50 - 100 А/см2 и вше) значения выхода по току растворения совпадают с наблюдаемыми на постоянном токе. При меньших амплитудных плотностях тока и длительностях импульсов, соизмеримых с временем переходного процесса нарастания поляризации, наблюдается спад величины выхода по току, тем больший,чем меньше длительность этого импульса, вследствие уменьшения доли количества электричества, идущего на фарадеевский процесс.

6. Разработана методика расчета параметров импульсов тока для ЭХО при униполярной и биполярной их подаче, обеспечивающих повышенную локализацию процесса растворения; методика и соответствующая программа расчета электрических параметров формирующего контура импульсного источника, обеспечивающие необходимые амплитудно-временные характеристики импульса тока.

7. Изготовлен ряд униполярных и биполярных источников питания и преобразователей постоянного тока в импульсный с регулируемыми в широком диапазоне параметрами импульсов и паузы мезду ними, разработаны технологические рекомендации и на их основе - конкретные технологические процессы импульсной ЭХО, которые прошли следующие промышленные опробования:

на РГО "МОТОРОСТРОЕНИЕ" в 1979 г. внедрен импульсный источник тока и технологический процесс изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя (ГТД), экономический эффект от внедрения составил 67900 р. в год на единицу оборудования;

на опном из предприятий в 1981 г. Комиссией Министерства Авиационной промышленности СССР проведены опытно-промышленные испытания и приемка опытного образца импульсного источника тока и технологического процесса импульсной ЭХО лопаток ГТД, по результатам которых рекомендовано выпустить головную партию источников под названием ИПИ-5000 в кол. 10 шт. для предприятий отрасли;

на этом же предприятии в 1987 г. Комиссией Министерства Авиационной промышленности cccf проведены опытно - промышленные испытания и приемка опытного образца импульсного источника питания ИЛИ-5000, результатом которых стала рекомендация к выпуску данных источников серийно с присвоением им I категории качества;

-на одном из заводов в IS88 г. был внедрен источник ИПИ-5000 и технологический процесс изготовления лопаток ГТД, годовой экономический эффект составил 30,3 тыс. р. на ступень изделия;

в Научно-исследовательском институтв двигателей, г. Москва, в 1991 г. внедрен импульсный биполярный источник питания на средний ток 400 А для ЭХО штамповой оснастки, экономический эффект от внедрения составил 18 тыс. р.

В 1995 г. был разработан и изготовлен транзисторный биполярный преобразователь постоянного тока в импульсный на средний ток 1500 А при амплитуде импульса тока 5000 А. Передан Научно-исследовательскому институту двигателей, г. Москва, для промышленного опробования.

Основное, содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Рыбалко A.B. Генератор единичных импульсов для исследования процессов электрохимической обработки металлов импульсным технологическим током // Электронная обработка материалов. - 1978. - № 5.

- С.79-80.

Z. Кириенко Г.П., Рыбалко A.B. Особенности построения частотных генераторов сильноточных импульсов для размерной электрохимической обработки // Современные проблемы электрохимического формообразования. Кишинев: Штиинца. - 1978. - С.85-87.

3. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н. Энергетические возможности импульсной электрохимической размерной обработки // Электронная обработка материалов. - 1979. - Jf 4. - С.17-20.

4. A.c. 666023 СССР, ШШ3 В 23 Р 1/04. Генератор униполярных импульсов / А..В.Рыбалко, Г.П.Кириенко, А.М.Парамонов; 1979. Б.И.

№ 21.

5. Рыбалко A.B. Развитие электрического пробоя промежутка при электрохимической обработке металлов // Прогрессивные методы электрохимической и электрофизической обработки материалов. Уфа : УАИ.

- 1979. - С.122-124.

6. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н., Энгельгардт Г.Р. О фазовом "запирании" при ЭХО импульсами большой мощности // Электронная обработка материалов. - 1980. - № 3. - С.25-28.

7. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н., Энгельгардт Г.Р. Определение времени до "запирания" межэлектродного промежутка в импульсной ЭХО // Размерная электрохимическая обработка деталей машин. Гула. - 1980.

- С.231 - 233.

8. Перспективы электрохимической размерной обработки металлов

при использовании импульсных токов / Ю.Н.Петров, Г.Н.Зайдман, А.В.Рыбалко, Г.Н.Принь // 4 Международный симпозиум по электрическим методам обработки ISEM- 6. ПНР, Краков. - 1930.-С.373-378.

9. Рыбалко А.В.,ЗайдаанТ.Н.,Доменте г.С. Импульсная ЭХО при высоких уровнях вводимой мощности // Электронная обработка материалов. - 1980. - Jfc 5. - С.27 -32.

10. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н. Производительность импульсной ЭХО // Повышение качества деталей в машиностроении технологическими методами. Рыбинск.- 1980. - С.166-167.

11. Рыбалко A.B., Кириенко Т.П., Максименко O.A. Тиристсрзый генератор униполярных импульсов для электрохимической размерной обработки // Электронная обработка материалов. - 1980.- J6 I. - С.83-85.

12. A.c. 785009 COOP, MKJJ3 В 23 Р I/D4. Способ электрохимической обработки металлов / А.К.Аптынбаев, А.Б.Рыбалко и др.; 1980. Б.И.

№ 45.

13. Рыбалко A.B., Зайдман Г.К. Пути повышения технологических показателей импульсной ЭХО // Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов, м.: ВДНТП. - 1981. - С.58 -63.

14, Импульсный транзисторный источник тока / А.В.Рыбалко, А.М.Парамонов, С.И.Галанин, И.А.Гроза // Электронная обработка материалов. 1983. - № 5. - С.89-90.

15. Рыбалко A.B., Галанин С.И. О погрешностях при исследовании зоны межфазного раздела металл - электролит коммутаторным методом

// Теория и практика противокоррозионной защиты в отраслях народного хозяйства МССР. Кишинев. - 1984. - С.34-35.

16. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н. О пробое межэлектродного промежутка в условиях электрохимической размерной обработки // Электронная обработка материалов. - 1984. - Jfe 6. - С.83-86.

17. Электрохимическое поведение никель-титановых сплавов в щелочных растворах / И.А. Гроза, А.С.Парсаданян, А.Г.Карчя, А.В.Рыбалко, В.К.Спыну, А.Р.Соленко // Малоизнашиваемые аноды и применение их в электрохимических процессах: Тез. докл. НТК. М., 1984. - С.84-88.

18. Рыбалко A.B., Галанин С.И. О повышении точности измерений электрических характеристик межфазной границы металл - электролит импульсным методом // Электронная обработка материалов.- 1985.-№ 3. - С.85-88.

19. Электроосаждение сплавов с титаном импульсным током

/ И.А.Гроза, А.С.Парсаданян, А.Г.Карчя, А.В.Рыбалко, В.К.Спину, П.И.Петров // Электронная обработка материалов. 1986. № 2.С.60-63.

20. Рыбалко A.B., Галаюш С.И., Бобанова Ж.И. 0 возможности получения локальных гальванических покрытий без маскирования // Совершенствование технологий гальванических покрытий: Тез. докл. НТК. Киров. - 1986. - С.И.

21. Rlbalko A.V, Galanln S.I. Unsteady electrolysis features // ISE 37-th Meeting, Vilnius. Exy.Abstr. - 1986. - v.4.- P.362-364.

22. Рыбалко A.B., Галанин С.И., Чокырлан O.B. Импульсный источник биполярного напряжения // Проблемы преобразовательной техники: Тез.докл. 1У ВНТК. Ниев. - 1987. - 4.2. - С.74 -75.

23. Рыбалко A.B., Зайдаан Г.Н. Импульсная электрохимическая обработка металлов // Электродные процессы и технология электрохимического формообразования. Кишинев: Штшшца. - 1987. - С.66-83.

24. Рыбалко A.B., Галанин С.И., Бобанова Ж.И. 0 возможности управления процессом электролиза // Безотходная технология химических, нефтехимических, гальванических производств и стройиндустршг: Тез. докл. НТК . Куйбышев. - 1987. - С.87.

25. Рыбалко A.B., Галанин С.И., Бобанова Ж.И. Динамика поляризации электрода при нестационарном электролизе // Электронная обработка материалов. - 1988. - J6 4.- С.21-24.

26. Рыбалко A.B., Галанин С.И., Бобанова Ж.И. Влияние параметров импульсного тока на морфологию и микротвердость железных покрытий // Электронная обработка материалов. - 1988. - & 5. - С.85-86.

27. Рыбалко А.В.,Галанин С.И. Связь параметров импульса тока с динамикой поляризации металлов // Вопросы авиационной науки и техники. Сер. Технология авиационного двигателестроения, М.: НИЩ. 1988.Вып.4.С.30 - 32.

28. Рыбалко А.В.,Галанин с.И. Выбор паузы в условиях импульсной размерной электрохимической обработки // Вопросы авиационной науки и техники. Сер. технология авиационного двигателестроения,

М.: НШДЛ988-ВЫП.4.С.40-43.

29. . Рыбалко A.B., Галанин С.И. Некоторые особенности импульсной РЭХО как обьекта управления // Гибкие производственные системы в электротехнологии: Тез.докл. УФА. - 1988. - С.15-16.

30. Рыбалко A.B., Галанин С.И. Поляризация анодов в условиях импульсной электрохимической обработки // AMO - 89, НРБ, Ботевград^, тез.докл. 1У НТК с междунар.участием. - 1989. - С.214-223.

31. А.с. 1555978 СССР. Способ электрохимической обработки металлов / А.В.Рыбалко, Г.А.Сычков, С.И.Галанин. - 1989. - 3 с. ил.

32. А.с. 1568372 СССР, МКИ3, В 23 р, 1/04. Способ размерной электрохимической обработки / А.В.Рыбалко, Г.А.Сычков, С.И.Галанин.

- 1990.

33. Рыбалко А.В.,Галашш С.И. Использование биполярных импульсов для размерной электрохимической обработки // 4 Всесоюзное совещание по электрической обработке материалов: Тез. докл. Кишинев.

- 1990. - С.291-292.

34. Рыбалко А.В., Галанин С.И. Амшштудно - временные характеристики нарастания и спада поляризации в условиях импульсной ЭХО // Электронная обработка, материалов. - 1990. - № 4. - С.3-7.

35. Биполярный источник питания для импульсной ЭХО / А.В.Рыбалко, С.И.Галанин, В.А.Глушенков В.И.Хачурарь, Г.А.Сычков //Электронная обработка материалов. - 1990. № б.-С.73-74.

36. Рыбалко А.В., Галашш С.И. Импульсно-гальваностатическое моделирование анодной поляризации в условиях ЭХО // Электронная обработка материалов. - 1991. - * 2. - С.4-Э.

37. Рыбалко А.В.,Галанин С.И.. Исследование сопротивления межэлектродного промежутка в условиях импульсной электрохимической обработки // Электронная обработка материалов.- 1991. № 6. -С. 8-И.

38. Рыбалко А.В., Галашш С.И., Дикусар А.И. Локализация анодного растворения в условиях электрохимической обработки импульсами микросекундного диапазона длительностей // Электронная обработка материалов. - 1992. - * 5. - С.4-10.

39. Рыбалко А.В., Бобанова К.И.Катодные процессы в условиях подачи тока импульсами с крутым передним фронтом // Гальванотехника и обработка поверхности. - 1-993. - J6 5. - C.I3-I5.

40. Рыбалко А.В., Дикусар А.И. Электрохимическая обработка импульсами микросекундного диапазона // Электрохимия. - 1994.

- Т.30. № 4. - С.490-498.

41. Rybalko A.V., Dikusar A.I. Electrochemical Machining with Microsecond Pulses // XI International Symposium lor Electromachi-ning, Lausanne, Switzerland. - 1995. - P.491-504.

42. Инженерная методика расчета параметров генераторов при заданном характере изменения тока в импульсе // Вестник машиностроения. - 1996. № 10. - С.7-10.