автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Электроэрозионная обработка с применением СВЧ-разрядов

На правах рукописи

Евланов Алексей Александрович

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ СВЧ-

РАЗРЯДОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Тула 2009

003473533

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Любимов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Сальников Владимир Сергеевич;

кандидат технических наук, Татаринов Владимир Николаевич.

Ведущее предприятие: ОАО «Тульский научно-исследовательский

технологический институт»

Защита диссертации состоится у,02у> 2009 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при Тульском государственном университете (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92-6, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « ^^ »_иЮЛ_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Энергия сверхвысоких частот (СВЧ) уже десятки лет используется в самых различных областях, как в быту - это всем известные микроволновые печи, так и в промышленности - это сушка древесины под воздействием СВЧ излучения, в разработках будущего - двигатели космических аппаратов на основе СВЧ плазмы и т.д.

Излучение СВЧ-диапазона, являясь промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, обладает некоторьми свойствами и света, и радиоволн. Оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами, фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. В то же время СВЧ-излучение генерируется аналогичными методами, сходными с радиоизлучением вещательных диапазонов.

Одним из перспективных применений энергии СВЧ, имеющих большую практическую направленность, является формирование разрядов при СВЧ-из лучении.

По сравнению с другими типами, СВЧ-разряды обладают рядом существенных преимуществ, такими как: возможность изготовления электродов из непроводящих материалов, возможность создания плазмы в электродных и безэлектродных системах, простота получения плазмы с высоким и, наоборот, с малым удельным энерговкладом, широкая область рабочих давлений, возможность создания плазмы в малых и больших объемах. Перечисленные преимущества позволяют успешно применять СВЧ-разряды для обработки материалов.

В настоящее время в промышленности наиболее широко применяются плазмохимические методы (травление, осаждение, конденсация) обработки материалов, направленные на формообразование, получение порошков, а также синтез различных наноструктур. Данная группа методов обладает рядом недостатков, таких как: использование опасных для человека газов, применение дорогостоящего оборудования для создания и поддержания низких давлений.

В месте с тем малоисследованной остается область применения СВЧ-разрядов для размерной электрофизической обработки материалов, а именно для формирования отверстий, пазов и других геометрических элементов за счет механизмов плавления и взрывного испарения.

Поэтому проведение исследований электроэрозионной обработки с применением СВЧ-разрядов является актуальной задачей.

Цель работы.

Выбор и обоснование условий электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования с применением СВЧ-разрядов с заданными технологическими показателями.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретическое обоснование условий формирования СВЧ-разрядов для процессов формообразования и модифицирования поверхностей при атмосферном давлении;

2. Выбор и обоснование на основе теоретических расчетов областей расположения в камере (резонаторе) технологической ячейки при формообразовании СВЧ-разрядами с оптимальными параметрами производительности, точности и качества полученных элементов.

3. Разработка комплексной методики проведения экспериментальных исследований с целью выбора и обоснования технологических режимов электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования СВЧ-разрядами.

4. Проведение экспериментальных исследований влияния параметров электродных СВЧ-разрядов при атмосферном давлении на технологические показатели процесса.

5. Проведение экспериментальных исследований по выявлению закономерностей влияния технологических параметров на формообразование и модифицирование поверхностей с применением СВЧ-разрядов на производительность, точность и качество полученных геометрических элементов.

Объект исследования.

Процессы электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования с применением СВЧ-разрядов.

Предмет исследования.

Механизмы и математические модели формирования СВЧ-разрядов и их связи с параметрами воздействия на объект исследования.

Методы исследования.

Теоретические исследования, а именно решение электродинамической задачи распределения электрического поля основано на решении уравнений Максвелла, сформулированных для частотной области, методом конечных элементов и методом моментов (Method of Moments). При экспериментировании использованы методы математической статистики.

Для измерения результатов экспериментальных исследований применялось современное оборудование: атомно-силовая микроскопия, спектроскопия.

Положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности влияния технологических параметров СВЧ обработки на точность, производительность и качество полученных элементов.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров формообразования СВЧ-разрядами (расположение технологической ячейки в камере (резонаторе), объем

согласующей нагрузки, время обработки) на точность, производительность и качество полученных элементов.

3. Условия формообразования, с применением электродных СВЧ-разрдцов в среде диэлектрической жидкости при атмосферном давлении.

4. Условия модифицирования поверхности с применением электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении.

Научная новизна.

Установлена взаимосвязь параметров СВЧ-поля с координатами расположения технологической ячейки (без токоподводов к электродам), в камере (резонаторе).

Обусловлены рациональные условия электроэрозионного формообразования с применением СВЧ-разрядов при атмосферном давлении.

Отличием результатов работы от работ других авторов являются выполненные исследования по электроэрозионному формообразованию с применением СВЧ-разрядов.

Практическая ценность работы.

Заключается в разработке рекомендаций по назначению технологических режимов электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования различных металлов и сплавов.

Реализация работы.

Разработаны технологические методы и лабораторное оборудование для электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования поверхностей с применением СВЧ-разрядов. Рекомендованы межэлектродные зазоры для размерной обработки и модифицирования материалов электродными СВЧ-разрядами.

Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются в курсах лекций по дисциплинам: «Технология электрофизикохимических систем», «Теоретические основы обработки концентрированными потоками энергии», «Нанотехнологии».

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2008, 2009 гг.), конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2008, 2009 гг), международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (2007,2008, 2009 гг).

Публикации.

Основные результаты проведенных исследований отражены в 8 статьях в отраслевых журналах, «Известиях ТулГУ», в материалах Всероссийских и региональных конференций, в том числе 4 работы опубликовано в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения и 4 глав, заключения, списка используемых источников из 104 наименования, 1 приложение и включает 124 страницы машинописного текста, содержит 78 рисунков и 3 таблицы. Общий объем - 124 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность решаемых в работе задач, научная новизна и практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание глав работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса обработки с применением СВЧ-разрядов, а именно рассмотрены методы травления материалов, нанесения покрытий, методы синтеза наноразмерных элементов, а также методы диспергирования. Выполнена систематизация методов обработки СВЧ-разрядами по характеру процессов воздействия на материалы. Описаны основные преимущества СВЧ-разрядов по сравнению с другими типами разрядов.

Проведен анализ возможностей существующих методов, наибольшее количество работ по которым посвящено нанесению покрытий и тонких пленок, травлению поверхности, получению микро- и ультрадисперсных порошков различных химических соединений, а также синтезу всевозможных наноструктур.

В главе рассмотрены виды технологических схем формирования СВЧ-разрядов, а также способы их инициирования.

Кратко рассмотрено применение возможных сред при обработке СВЧ-разрядами и оборудование для их генерации.

Обоснована целесообразность исследований размерной обработки, модифицирования поверхностей и диспергирования СВЧ-разрядами.

Выявлено, что неисследованной остается область применения СВЧ-разрядов для электроэрозионной обработки материалов, а именно для формирования отверстий, пазов и других геометрических элементов за счет механизмов плавления и взрывного испарения. Выполненные ранее работы посвящены не формообразованию, а упрочнению поверхностей.

Во второй главе Для конкретной конструкции и мощности магнетрона, величины согласующей нагрузки, размеров камеры (резонатора) определены минимальные межэлектродные зазоры при размерной обработке и модифицировании поверхностей СВЧ-разрядами, величина которых составляет 30-50 мкм.

Произведено трехмерное моделирование камеры (резонатора) с размещенными в ней технологической ячейкой и согласующей нагрузкой (рис. 1) для расчета распределения напряженности электрического поля в резонаторе. Согласующая нагрузка необходима для обеспечения безаварийной работы экспериментальной установки на холостом ходу, так как обратные

электромагнитные волны вызывают перегрев и выход из строя магнетрона, а также необходима для регулирования мощности обработки СВЧ-разрядами.

Рис. 1. Схема электроэрозионной обработки материалов СВЧ-разрядами: 1 -камера (резонатор); 2 -магнетрон; 3 - держатель электрода-инструмента; 4 - элеетрод-инструмент; 5 - заготовка, 6 -согласующая нагрузка; 7 -технологическая ячейка; (1 - зазор; Ь -высота расположения технологической ячейки от нижней стенки камеры (резонатора); а,Ь,Ь, -ширина, глубина и высота камеры (резонатора) соответственно.

Выполнен расчет напряженности электрического поля в камере (резонаторе) для обоснования расположения технологической ячейки при обработке материалов СВЧ-разрядами, а также расчет напряженности электрического поля в камере (резонаторе) при различной величине и различном распределении согласующей нагрузки.

Определено, что при высоком давлении, когда диффузионные потери электронов незначительны, частота столкновений электронов с атомами много больше частоты поля (»со2), поэтому переменное поле по своему действию на электроны не отличается от постоянного и пороговое поле Еп пропорционально давлению и не зависит от размеров объема и частоты поля. В результате чего правая ветвь кривой СВЧ пробоя в воздухе соответствует правой ветви кривой Пашена вдали от минимумов. Однако, как показывают экспериментальные исследования ряда работ, для воздуха пороговое значение поля СВЧ пробоя при атмосферном давлении меньше в 4-5 раз, чем значение, полученное по кривой Пашена.

Так как камера представляет собой резонатор, колебания в котором происходят в виде стоячих волн, а особенностью стоячих волн является наличие чередующихся пространственных максимумов и минимумов напряженности электрического поля, то положение технологической ячейки в пространстве резонатора небезразлично для получения определенных технологических параметров (производительности, точности, качества).

Для расчетов напряженностей электрического поля в камере (резонаторе) использовалось программное обеспечение для электромагнитного моделирования «РЕКО» версии 5.3, в котором решение электродинамической задачи сводится к решению уравнений Максвелла, сформулированных для частотной области, методами конечных элементов и моментов.

СВЧ поле может быть представлено в виде совокупности прямых и обратных собственных волн с произвольными коэффициентами:

ОС 00

Ж = ,Н = ^ЛпП„е-'^ , (1)

ц=- ОС п=-СС

где Е„,Н„- векторы Е и Н собственной волны с номером п, уп - комплексная

постоянная распространения собственной волны, г - координата, отсчитываемая

вдоль оси линии передачи, Ап - коэффициенты, играющие роль амплитуд

собственных волн, номера п>0 соответствуют волнам, бегущим в сторону

положительных г, а п<0 в сторону отрицательных г, так как у_п = -уп.

Найти поля собственных волн Еп,Н„ можно путем решения уравнения,

которое получается из исходных уравнений Максвелла:

( I - ] V — VЕ(х,у)

-к&(х,у)Е(х,у) = 0, (2)

где Ё(х,у) - комплексная амплитуда вектора электрического поля, х,у -координаты, описывающие положение точки в плоскости порта, v - оператор ротора поля, к0 - волновое число свободного пространства (к0 = ), а -

угловая частота, цг(х,у) - относительная магнитная проницаемость, ег(х,у) -относительная диэлектрическая проницаемость, е0,м<> ' абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума.

Для расчетов были построены две модели: модель камеры (резонатора) без нагрузки и модель камеры (резонатора) с размещенными в ней согласующей нагрузкой и технологической ячейкой.

При моделировании в качестве исходных условий были использованы: размеры экспериментальной камеры (резонатора): а = b = 265 мм, h = 155 мм (рис. 1); расположение окна входа электромагнитного излучения в камере (резонаторе); мощность магнетрона: Р = 600 Вт, частота электромагнитных колебаний: со = 2,45 ГТц; материалы стенок камеры (резонатора), согласующей нагрузки, электрода-инструмента, заготовки.

Проведенные расчеты показали, что напряженность электрического поля камеры (резонатора) без нагрузки и с нагрузкой отличаются (рис. 2), поэтому для обоснования расположения технологической ячейки в камере (резонаторе) необходимо учитывать распределение напряженности электрического поля с размещенными объектами нагрузки. При этом для изменения энергетических параметров обработки (напряжения, мощности) необходимым и достаточньм условием является изменение хотя бы одной координаты размещения технологической ячейки в резонаторе. Теоретические расчеты производились с изменением высоты L положения технологической ячейки от нижней стенки камеры (резонатора) по оси Z и при неизменном положении относительно координат X и Y. В расчетах технологическая ячейка размещалась в координатах х « 132 мм, у ~ 132 мм.

На рис. 3 приведено распределение поля в сечении вдоль плоскости YZ в точке х = 132 мм. При размещении технологической ячейки на высоте L = 75 мм напряженность электрического поля в зоне обработки составила Е к \2-\QAВ/м, при высоте L= 89 мм - Е « 4.8 -Ю45/л<, а при L= 116 мм -£«2.2-104В/.м.

Величина напряженности электрического поля при размещении на высотах 75 мм и 89 мм различается в 4 раза. Поэтому, изменяя высоту расположения технологической ячейки, можно значительно изменять

интенсивность электроэрозионной обработки с применением СВЧ-разрядов, получая необходимую производительность, точность и качество обработки.

Е1есМс [ е;ы ] 4.451е+С5 | 4.016е-К35 1 3.5710+051 3 1260+05 ( 2.6610+05 | 2.238е-Ю5 1.7916+05 1 34Б6+05 9.0130+04 4.563е+04 1 1390+03

Е1ейпс ле1П|В)м] 5.5426+04 , 4 9906-1(14 I 4 437е-Н» I 3.8846+04 I 3 332« >04 1 2.779е+04 I 2.22Бе-Ю4 I 1.6746+04 I 1 121е+04 I 5.6648+03

х х

а) б)

Рис. 2. Распределение электрического поля камеры (резонатора) вдоль плоскости ЧЪ в сечении х = 140 мм: а) камеры (резонатора) без нагрузки, б) камеры (резонатора) с

нагрузкой

Е1ес'пс [в/ы| 5.066е+04 45600+04 4 0556+04 3 5500+04 3.0450+04 2.5400+04 2.0350+04 1 5300+04 а 1.0250+04 I 5.1970+03 1.4630+02

Е1есмсюс1[а4|1

7 5346+04 6.7616+04 6.0296+04 5.2766+04 4.5246+04 3 7726+04 3.0196+04 2.267е+04 15146+04 7.618б+03 9.4326+01

а) б)

Рис. 3. Распределение электрического поля в сечении камеры (резонатора) вдоль плоскости ХТ (х = 132 мм) при размещении обрабатываемой поверхности на высоте: а) Ь

= 89 мм; б) 116 мм

Для конкретной конструкции и мощности магнетрона, объема и размещения согласующей нагрузки, размеров камеры (резонатора) наибольшая производительность обработки будет достигнута при размещении обрабатываемой поверхности на высоте Ь = 89 мм, а наименьшая при Ь = 75 мм, что подтверждается экспериментальными исследованиями.

Произведен расчет напряженности электрического поля в камере (резонаторе) при различной величине и расположении согласующей нагрузки, которые вносят свой вклад в распределение напряженности электрического поля, а, следовательно, наряду с расположением технологической ячейки в камере (резонаторе), влияют на энергетические параметры обработки.

На рис. 4 представлены расчеты влияния величины согласующей нагрузки на распределение напряженности электрического поля.

Рис. 4. Распределение электрического поля камеры (резонатора) вдоль плоскости Ж (у=120мм) с различным объемом согласующей нагрузки: а)У„1= 57В см , б) У„з= 151

Electric field [ вla ] 4 939В-Ю4 4.4478+04 3.954е404 Э 4B1e+Q4 2.969е404 2.4768404 1.9048404 i 1.4916404 9.9В6е403 5.0618403 1 3498402

Electric field [В'м| 5.5428404 « 4.990е-Ю4 I 4 437е404 I 38848404 I 3 3328404 I 2 7798404 I 2 2268404 | 1.6748404 I 1.121 е404 ( 5.6В4е403 1 5778402

Максимальная напряженность электрического поля ЕкЗЛО4BIм была получена при объеме нагрузки V„ = 151 см3. При VH = 352 см3 -Е &L9 -\04В/м, а при V„ = 578 см3, величина напряженности электрического поля составила Е а\ЛЛ0А В/м. Значительное увеличение величины напряженности электрического поля с Е « 1.1 ■ \0"В/м до ЕяЪЛО4В/м при уменьшении величины согласующей нагрузки с VH = 578 см3 до VH = 151 см3 можно использовать для управления производительностью, точностью и качеством обработки СВЧ-разрядами.

Изменение распределения согласующей нагрузки по объему камеры (резонатора), а также изменение формы согласующей нагрузки при неизменном ее объеме приводит к изменению распределения напряженности электрического поля в камере (резонаторе) установки.

При равномерном распределении нагрузки по углам или по объему камеры (резонатора) происходит увеличение напряженности электрического поля до (1.5 -1.9)-10' В 1м по сравнению с сосредоточенным размещением

нагрузки когда Е « 4.8 • 10 6/ м. Это можно объяснить тем, что минимумы напряженности электрического поля располагаются вблизи стенок и в углах камеры (резонатора), а, следовательно, согласующая нагрузка, размещенная в этих зонах, будет поглощать меньше энергии, чем в случае сосредоточенной нагрузки. Поэтому распределенная согласующая нагрузка рекомендована для рационального использования пространства камеры (резонатора).

В третьей главе описана разработанная комплексная методика проведения экспериментальных исследований, включающая в себя:

■ методику изучения формообразования с применением электродных СВЧ-разрядов;

■ методику исследования модифицирования электродными СВЧ-разрядами;

■ методику исследования диспергирования материалов под воздействием СВЧ-разрядов.

В четвертой главе были проведены экспериментальные исследования влияния технологических параметров на электроэрозионное формообразование, модифицирование и диспергирование с применением СВЧ-разрядов при атмосферном давлении. Эксперименты выполнялись в соответствии с методикой, разработанной в третьей главе.

Для достижения названной цели решались следующие экспериментальные задачи.

1. Разработка схемы и изготовление экспериментальной установки для проведения исследований;

2. Исследование изменения параметров электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении;

3. Исследование процессов формирования отверстий в объемных телах с применением СВЧ-разрядов при атмосферном давлении в различных средах;

4. Исследование процессов модифицирования металлических поверхностей;

5. Исследование процессов диспергирования порошков под воздействием СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении.

Для реализации экспериментальных исследований формообразования и модифицирования поверхностей СВЧ-разрядами применялись экспериментальные образцы и электроды из материалов:

1. латунь Л62 ГОСТ 1019-78;

2. латунь ЛН65-5 ГОСТ 15527-70;

3. медь ММ ГОСТ 859-78;

4. алюминий А5 ГОСТ 11069-2001;

5. алюминий А1 ГОСТ 11069-2001;

6. сталь Р6М5 ГОСТ 19265-73;

7. сталь 18ХГТ ГОСТ 2590-88;

8. сталь 40ХНМ ГОСТ 4543-71;

9. молибден МЧ ГОСТ 27266-87.

Для проведения экспериментальных исследований по формообразованию и модифицированию поверхностей СВЧ-разрядами была разработана экспериментальная установка СВЧ-1. Мощность магнетрона установки составляла 600Вт. Длина волны электромагнитного излучения Л = 12,25 см. Схематичный вид и фотография установки приведены на рис. 5 (а, б) соответственно. Основными элементами экспериментальной установки являются: камера (резонатор), в которой располагаются согласующая нагрузка и технологическая ячейка; блок управления питанием магнетрона установки и временем обработки; приспособление для пошаговой подачи заготовки (образца), необходимое для регулирования межэлектродного зазора при СВЧ

обработки; основание, создающее зону для размещения приспособления для пошаговой подачи образца и воздушного охлаждения камеры.

а) б)

Рис. 5. Схема и фотография экспериментальной установки для электроэрозионной обработки с применением СВЧ-разрядов: а) схематичное изображение; б) фотография; 1 -рабочая камера-резонатор; 2 - держатель электрода-инструмента; 3 - электрод-инструмент; 4 - рабочий стол с заготовкой; 5 - согласующая нагрузка; 6 - дверца; 7 -приспособление для пошаговой подачи заготовки; 8 - технологическая ячейка; 9 - блок управления; 10 - окно входа электромагнитного излучения в рабочую камеру-резонатор;

11 - основание.

1,0

5

0,8

-1

X 0,6

л

Ч. п 0,4

X

с; 0,2

а

0,0

"й

Ж □ латунь ЛН65-5 Н медь ММ ■ сталь Р6М5 В сталь 18ХГТ И алюминий А5

--

Материал катода

Рис. 7. Диаграмма длин межэлектродных СВЧ-разрядов в воздухе в зависимости от материала катода

Проведенные экспериментальные исследования влияния материала электрода-инструмента на длину СВЧ-разряда показали (рис. 7), что наибольшая длина межэлектродного зазора (0,81 мм и 0,98 мм) получается при использовании электродов-инструментов из сталей, что можно объяснить низкими величинами электропроводности и теплопроводности, а, следовательно, более интенсивной

термоэлектронной эмиссией из-за

нагрева электрода-инструмента по сравнению с такими материалами как медь, латунь и алюминий.

Экспериментально исследованы процессы формообразования с применением СВЧ-разрядов. В качестве рабочих сред при обработке использовались неполярные диэлектрические жидкости: масло индустриальное И-10А ГОСТ 20799-88, «№порго1есЬ>, соответствующая ГОСТ Р 51697-2000, ГОСТ Р 51696-2000 и воздух. Полярные диэлектрики, например дистиллированная вода, хорошо поглощают СВЧ-излучение и при обработке СВЧ-разрядами нагреваются и испаряются намного быстрее, чем неполярные, поэтому их применение в данном случае необоснованно. При исследовании влияния рабочей среды на технологические параметры обработки, было выявлено (рис. 8, 9), что максимальная производительность \,Ъ5 Л0~гг/мин и наименьший износ 1,3-10~3г/мин были получены при обработке в среде

индустриального масла, однако, при этом погрешность копирования была больше, чем при обработке в «Капорго1ес11».

Масло индустриальное И-

Воздух

Среда обработки

Рис. 9. Диаграмма износа электрода-инструмента для различных рабочих сред

5 0.002

5 о.со! е 0,0016 ¡5 0.0014 О 0.0012

Р- 0,001 Е 0,0008 £ 0,0006 п 0.0004

У 0,0002

Масло индустриальное И-10А

Воздух

Среда обработки

Рис. 8. Диаграмма производительности для различных рабочих сред

Начальная длина электродов-инструментов также влияет на параметры обработки СВЧ-разрядами. Так, на рис. 10 и 11 приведены зависимости производительности и износа медного электрода-инструмента от его начальной длины. Время проведения обработки составило 1:обр = 3 мин, объем согласующей нагрузки Ун = 578 см3, в качестве материала образца была использована латунь Л 62.

0,012 0,01 0,008 0.006 0.004 0,002 0

X

II

/ 1 II к

' Г '

20 30 40 50 60

Длина электрода, мм

Рис. 10, Зависимость производительности обработки от начальной длины медного электрода-инструмента: I - зона максимального приращения производительности; II - зона минимального приращения производительности.

- 0.0012

§ 0,001

£ к 0,0008

С 1 0.0006

о и 0,0004 5 0,0002 = О

20 30 40 50 60

Длина электрода, мм

Рис. 11. Зависимость износа медного электрода-инструмента от его начальной длины: I - зона максимального роста износа; II - зона снижения износа.

Из зависимостей видно, что максимальный прирост производительности имеет место при обработке электродами-инструментами с начальной длиной от 20 до 30 мм, при этом износ также максимальный. По мере увеличения начальной длины электрода-инструмента до 60 мм, его износ уменьшается, что вероятно объясняется лучшим отводом тепла из-за его большей длины. С учетом этого в дальнейших экспериментальных исследованиях длина электрода-инструмента составляла 30 и 60 мм.

Исследования влияния материала электрода-инструмента на производительность обработки и износ электрода-инструмента показали, что при времени обработки = 3 мин, материале образца латуни Л62 и длине электрода-инструмента 1э = 60 мм наибольшая производительность равная 6-1СГ2г/мин была получена при обработке электродом из меди марки ММ (рис. 12). Износ медного электрода оказался наименьшим (рис. 13) с точки зрения оптимальных значений производительность - износ электрода. Большой износ электрода из латуни ЛН65-5 можно объяснить его практически равными значениями тепло- и электропроводности к значениям образца, который был также изготовлен из латуни, но марки Л62.

5 0,06 £

^ 0,05 л

ё 0,04 X

ц 0,03 ф

| Вд

о

£ 0,01

Сталь Р6М5

Сталь 18ХГТ

Латунь ЛН65-5

Медь ММ

Материал электрода

Рис. 12. Диаграмма производительности для различных материалов электродов-инструментов

£ 0.03 £

С 0.025

3 0,02

О

£ 0,015 £

о5 001

О 0,005

Сталь 18ХГТ

0,0045

0,0019 0,0004 па

Латунь ЛН65-5

Медь ММ

Материал электрода

Рис. 13. Диаграмма износа электрода-инструмента для различных материалов электродов-инструментов

Исследовалось не только влияние материала электрода-инструмента, но и материала образца, в качестве которого были взяты: алюминий А1, сталь 40ХНМ и латунь Л62. В качестве материала электрода-инструмента использовалась Медь ММ. Так как плотность материалов достаточно сильно различается, то производительность (рис. 14), оцениваемая в г/мин, получилась отличной для различных глубин фасонных элементов (рис. 15). Так, при использовании стального образца, производительность составила 35-10~3г/мин, а глубина, полученного отверстия 1аотв = 113 мкм, в отличие от образца из латуни, в котором глубина отверстия 110тв = 318 мкм, а производительность всего 1,53-10'3 г/мин.

Погрешность обработки для образцов изготовленных из алюминия А1 ГОСТ 11069-2001 и стали 40ХНМ ГОСТ 4543-71 получилась практически равная, но существенно отличается для образца из латуни Л62 ГОСТ 1019-78.

С увеличением времени погрешность копирования увеличивается, при чем прирост погрешности по мере увеличения длительности обработки также растет (рис. 16, 17). Это объясняется тем, что по мере увеличения глубины фасонного элемента удаление продуктов эрозии происходит менее интенсивно, а за счет их попадания в межэлектродный зазор происходит более интенсивная обработка боковых поверхностей за счет уменьшения эффективной величины межэлектродного зазора и увеличения электропроводности рабочей среды.

0.035 0,03 0 025 0,02 0 015 ' 0,01 0 005

Алюминий А1 Сталь 40ХНМ Латунь Л62 Материал заготовки

Рис. 14. Диаграмма производительности для различных материалов заготовки

Алюминий А1 Сталь 40ХНМ Латунь Л62 Материал заготовки

Рис. 15. Диаграмма глубины полученного фасонного элемента для различных материалов заготовки

О 2

О <1

/

У

/

/

/

/

-

Время обработки I, мин

Рис. 16. Зависимость погрешности копирования от времени обработки при диаметре электрода-инструмента ёэ = 2,48 мм

Время обработки I, мин

Рис. 17. Зависимость глубины фасонного

элемента от времени обработки при диаметре электрода-инструмента <3Э = 2,48 мм

Изменение высоты расположения технологической ячейки в камере (резонаторе) выявило следующие закономерности: максимальная производительность (24,8-10"3г/.ии«), а, следовательно, и наибольшая глубина 11 = 517 мкм фасонного элемента получились при размещении технологической ячейки на расстоянии Ь = 89 мм от нижней стенки камеры (рис. 18, 19). Однако вместе с большой производительностью была получена высокая шероховатость поверхностей фасонного элемента = 30 мкм, что предполагает использование данного размещения технологической ячейки для черновой обработки.

Наряду с этим в случае размещения технологической ячейки на расстоянии Ь = 116 мм была получена достаточно высокая производительность (9,9-10~3г/мин) по сравнению с размещением образца на расстоянии Ь = 75 мм (3,4-10"3г/лган) и величина шероховатости поверхности = 2,3 мкм, что позволяет использовать обработку в качестве получистовой.

Изменяя в процессе обработки координаты размещения технологической ячейки в камере (резонаторе), например, координату Ъ (рис. 20, 21) может быть достигнуто плавное изменение режимов формообразования.

? 0,015

0,0099

1

■ни

0 2

1 I

Высота расположения обрабатываемой поверхности 1_, мм

Рис. 18. Производительность от высоты расположения технологической ячейки в камере (резонаторе)

Высота расположения технологической ячейки 1_, мм

Рис. 19. Глубина фасонного элемента от высоты расположения технологической ячейки в камере (резонаторе)

в? ! 2 я 1.........

........... ................1 к Ц\ 1 J

"Ш!

\ / 1 V J 1 з! 1 ]

—1 4/ 1 г 1__1

30 60 90

Расстояние по оси Z¡ мм

в 2,48

в 2,48

Рис. 20. Расположение технологической ячейки по оси Ъ камеры (резонатора): 1 - область чистовой обработки; 2 - область черновой обработки; 3 - область получистовой обработки; X = 132 мм;

У = 132 мм

0 2,48

Рис. 21. Влияние расположения технологической ячейки на форму полученного фасонного элемента. Расположение технологической ячейки на высоте: а) Ь] = 75 мм; б) 1.2 = 89 мм; в) Ьз = 116 мм; материал электрода-инструмента - медь ММ ГОСТ 859-78; материал заготовки - латунь Л62 ГОСТ 1019-78; рабочая среда - масло индустриальное И-10А ГОСТ 20799-88; время обработки ^бр = 3 мин; 1 - электрод-инструмент; 2 -

заготовка

При увеличении объема нагрузки (при уменьшении мощности) происходит уменьшение производительности, погрешности и износа электрода-инструмента (рис. 22, 23). Причем можно выделить две зоны влияния

согласующей нагрузки. В первой зоне изменение технологических параметров обработки является более выраженным, по сравнению со второй зоной.

\ ч—

-J-

-г-

120 220 320 420 520

Объем согласованной нагрузки, смЗ

ЛГ

I 220 320 420 520

Объем согласованной нагрузки, смЗ

Рис. 22. Зависимость погрешности копирования от объема согласующей нагрузки при диаметре электрода-инструмента = 2.48 мм: I - зона черновой обработки; II - зона чистовой обработки

Рис. 23. Зависимость производительности

обработки от объема согласующей нагрузки: I - зона черновой обработки; II -зона чистовой обработки

Для исследования размерной использованы фасонные электроды-инструменты Обработанные образцы представлены на рис. 24.

обработки СВЧ-разрядами были различного сечения.

а) б) в) г)

Рис. 24. Фотографии фасонных элементов после СВЧ-обработки: а)

цилиндрическим полым электродом-инструментом; б) шестигранным полым электродом-инструментом; в) электродом-инструментом сложного профиля; г) цилиндрическим электродом-инструментом

Проведены экспериментальные исследования процессов модифицирования поверхностного слоя образца из латуни Л62 с целью упрочнения. В качестве материала электрода-инструмента был использован тугоплавкий металл - монокристаллический молибден. Снятые спектральные характеристики поверхности обработанного образца с помощью спектрометра «СПАРК-1-2М» показали наличие Kai, Ка2 и КЫ серий молибдена (рис. 23). Измерения с помощью микротвердомера ПМТ-3 микротвердости образца до и после обработки показало ее увеличение более чем на 40% с 752 МПа до 1199 МПа.

Представлены результаты экспериментальных исследований диспергирования СВЧ-разрядами исходного микрометрического порошка 99% чистоты и размерами от 40 до 200 мкм при атмосферном давлении. В результате экспериментов были получены ультрадисперсные порошки на основе титана, с размерами частиц от 100 до 250 нм. Измерение размеров полученных частиц

порошка проводилось с помощью атомно-силового микроскопа Solver Pro Р47Н. Результаты измерений представлены на рис. 25.

а) б)

Рис. 25. Результаты сканирования участка бхбмкм образца с помощью АСМ: а) поликоровая подложка; б) частицы порошка на подложке

Общие выводы.

1. На основе анализа литературных источников выявлено, что малоисследованной остается область электрофизического формообразования и модифицирования поверхностей материалов с применением СВЧ-разрядов.

2. Выполнены теоретические расчеты диапазона пробойных значений напряженности электрического поля в воздухе при атмосферном давлении для конкретных значений размеров СВЧ камеры (резонатора), согласующей нагрузки, конструкции и мощности магнетрона.

3. Выполнены и экспериментально подтверждены теоретические исследования по выбору координат размещения технологической ячейки для различных видов обработки для конкретной конструкции и мощности магнетрона, согласующей нагрузки и размеров камеры (резонатора). Установлено, что наиболее рациональным является положение технологической ячейки на одной оси с магнетроном.

4. Теоретически выявлено и экспериментально подтверждено влияние объема согласующей нагрузки на энергетические параметры СВЧ-разряда в воздухе при атмосферном давлении, Установлено, что с увеличением объема согласующей нагрузки с 151 см3 до 352 см3 происходит снижение производительности обработки в 7,5 раз, однако при этом необходимо учитывать также ее распределение в объеме камеры (резонаторе).

5. Разработана комплексная методика осуществления электроэрозионной обработки с применением СВЧ-разрядов, включающая в себя методику: изучения формообразования с применением электродных СВЧ-разрядов, исследования модифицирования металлов и сплавов электродными СВЧ-разрядами, исследования диспергирования металлического порошка воздействием электродных СВЧ-разрядов.

6. Экспериментально исследовано влияние различных материалов и размеров электродов-инструментов на длину электродного СВЧ-разряда. Установлено, что наибольшая длина СВЧ-разряда имеет место при использовании электродов-инструментов из сталей, например: Р6М5, 18ХГТ, а наименьшая - при использовании электродов-инструментов из меди ММ и алюминия А5.

7. Экспериментально исследовано влияние длины электрода-инструмента, материала электрода-инструмента и заготовки, объема согласующей нагрузки, времени обработки, размещения технологической ячейки в камере (резонаторе) на производительность, точность и качество поверхности при размерной обработки СВЧ-разрядами. Показано, что: максимальное увеличение производительности достигается при обработке электродами-инструментами начальной длиной от 20 до 30 мм; для минимизации износа электрода-инструмента желательно, чтобы величины тепло- и электропроводности заготовки были ниже, чем у электрода-инструмента; при осуществлении процесса обработки более 5 минут имеет место снижение производительности до нуля.

8. Экспериментально исследована возможность упрочнения поверхности металлических образцов путем модифицирования поверхностного слоя, а также возможность получения ультрадисперсных порошков методом диспергирования исходного микрометрического порошка воздействием электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении. Получены ультрадисперсные порошки округлой формы на основе титана с размерами от 100 до 250 нм.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Евланов, A.A. Получение нанодисперсных порошков молибдена электроэрозионным методом / В.В. Любимов, A.A. Евланов, А.Р. Абитов // Известия Тульского государственного университета. Сер. Электрофизикохимические воздействия на материалы. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - Вып. 7. - С. 75-80.

2. Евланов, A.A. Формирование отверстий в фольгах и объемных телах с применением СВЧ-разрядов / В.В. Любимов, A.A. Евланов, C.B. Богатырев, И.В. Слесаренко // Известия Тульского государственного университета. Сер. Элекрофизикохимические воздействия на материалы и нанотехнологии. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - Вып. 1. - С. 12-18.

3. Евланов, A.A. Исследование процессов изменения параметров СВЧ-дуги / В.В. Любимов, A.A. Евланов, C.B. Богатырев, И.В. Слесаренко // Известия Тульского государственного университета. Сер. Элекрофизикохимические воздействия на материалы и нанотехнологии. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - Вып. 1. - С. 50-54.

4. Евланов, A.A. Исследование условий образования СВЧ-разряда для размерной обработки материалов при атмосферном давлении / A.A. Евланов // Известия Тульского государственного университета. Сер.

Элекрофизикохимические воздействия на материалы и нанотехнологии. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - Вып. 1. - С. 126-132.

5. Евланов, A.A. Формирование ионно-плазменных покрытий нанометровой толщины на поверхности мини-объектов / В.В. Любимов, A.B. Иванов, A.A. Евланов // Современные электрохимические технологии в машиностроении: материалы V междунар. науч.-практич. семинара. - Иваново: ИГХТУ, 2005. - С. 145-147.

6. Евланов, A.A. Формирование ионно-плазменных покрытий нанометрических толщин, получаемых испарением титана в среде азота / В.В. Любимов, A.B. Иванов, A.A. Евланов, A.A. Протопопов // Современная электротехнология в промышленности России: сб. трудов всерос. науч.-техн. конф., Тула, 1-2 ноября 2005 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - С. 96-100.

7. Евланов, A.A. Получение ультрадисперсных порошков титана методом электроэрозионного диспергирования / В.В. Любимов, A.A. Евланов // Современная электротехнология в машиностроении: сб. трудов междунар. науч.-техн. конф., Тула, 5-6 июня 2007 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 86-91.

8. Евланов, A.A. Исследование процесса получения порошков титана в условиях сверхвысоких частот / В.В. Любимов, A.A. Евланов, C.B. Богатырев // Современная электротехнология в промышленности центра России: сб. трудов 9-ой регион, науч.-технической конф., Тула, 15 мая 2008 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008.- С. 156-161.

Подписано в печать мж.оз . Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типографская. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,1. Усл. кр.-отт. 1,1. Уч.изд.л. 1,0. Тираж 100 экз., заказ 021 Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина,92. Кафедра «Физико-химические процессы и технологии»

ВВЕДЕНИЕ

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общая характеристика обработки СВЧ-разрядами

1.2. Систематизация методов обработки СВЧ-разрядами по характеру процессов воздействия на материалы

1.2.1. Методы обработки, связанные со съемом материала

1.2.2. Методы обработки, связанные с нанесением или синтезом материала

1.2.3. Методы диспергирования металлов и сплавов СВЧ-разрядами

1.2.4. Методы модифицирования поверхностей с применением СВЧ-разрядов

1.3. Виды технологических схем формирования СВЧ-разрядов

1.3.1. Электродная схема формирования СВЧ-разряда

1.3.2. Безэлектродная схема формирования СВЧ-разряда

1.4. Способы инициирования СВЧ-разрядов в технологической ячейке

1.5. Анализ применения различных сред при СВЧ обработке

1.6. Теоретическое моделирование СВЧ-разрядов, используемых для обработки материалов

1.7. Оборудование для формирования СВЧ-разрядов 26 Выводы по главе. Цели и задачи исследования 27 II. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ СВЧ-РАЗРЯДА ДЛЯ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ 30 2.1. Определение минимальных межэлектродных зазоров при размерной обработке и модифицировании поверхностей СВЧ-разрядами в воздухе при атмосферном давлении

2.2. Расчет напряженности электрического поля в камере для обоснования расположения технологической ячейки при обработке материалов СВЧ-разрядами

2.3. Расчет напряженности электрического поля в камере при различной величине и размещении согласующей водяной нагрузки 54 Выводы по главе

III. КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Общая характеристика методики проведения экспериментальных исследований

3.2. Методика изучения формообразования с применением электродных СВЧ-разрядов

3.3. Методика исследования модифицирования поверхностей электродными СВЧ-разрядами

3.4. Методика исследования диспергирования металлов под воздействием СВЧ-разрядов 68 Выводы по главе

IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СВЧ-РАЗРЯДОВ

4.1. Разработка экспериментальной установки для проведения исследований

4.2. Исследование изменения параметров электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении

4.3. Исследование процессов формирования фасонных элементов в объемных телах с применением СВЧ-разрядов при атмосферном давлении

4.4. Исследование процессов модифицирования металлических поверхностей

4.5. Исследование процессов диспергирования порошков тугоплавких металлов под воздействием СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении 105 Выводы по главе 108 Общие выводы 111 Библиографический список

Энергия сверхвысоких частот (СВЧ) уже десятки лет используется в самых различных областях: в радиолокации, в быту - это всем известные микроволновые печи, в промышленности - это сушка древесины под воздействием СВЧ излучения, ведутся также разработки космических двигателей будущего, основанные на СВЧ плазме. В области производства электроники и машиностроения одним из перспективных применений СВЧ технологии является обработка материалов в объеме СВЧ плазмы и под воздействием СВЧ-разрядов.

Особенности СВЧ-разрядов, Отличающие их от других типов разрядов позволяют выделить СВЧ обработку материалов в отдельную область.

Анализ литературных источников показал, что наибольшее число научных работ посвящено нанесению покрытий и тонких пленок, травлению поверхностей, получению микро- и ультрадисперсных порошков различных химических соединений, а также синтезу всевозможных наноструктур. Малоисследованной остается область применения СВЧ-разрядов для размерной электрофизической обработки материалов, а именно для формирования отверстий, пазов и других геометрических элементов и модифицирования поверхности.

В данной работе предлагаются технологические схемы реализации как процессов формообразования, так и процессов модифицирования поверхностного слоя металлов и процессов диспергирования. Произведены теоретические расчеты поля внутри пустой камеры с электромагнитным излучением, а также камеры с помещенными электродом, образцом, оснасткой.

Целью настоящей работы является выбор и обоснование условий электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования с применением СВЧ-разрядов с заданными технологическими показателями.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретическое обоснование условий формирования СВЧ-разрядов для процессов формообразования и модифицирования поверхностей при атмосферном давлении.

2. Выбор и обоснование на основе теоретических расчетов областей расположения в камере (резонаторе) технологической ячейки при формообразовании СВЧ-разрядами с оптимальными параметрами производительности, точности и качества полученных элементов.

3. Разработка комплексной методики проведения экспериментальных исследований с целью выбора и обоснования технологических режимов электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования СВЧ-разрядами.

4. Проведение экспериментальных исследований влияния параметров электродных СВЧ-разрядов при атмосферном давлении на технологические показатели процесса.

5. Проведение экспериментальных исследований по выявлению закономерностей влияния технологических параметров на формообразование и модифицирование поверхностей с применением СВЧ-разрядов на производительность, точность и качество полученных геометрических элементов.

Положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Установленные закономерности влияния технологических параметров СВЧ обработки на точность, производительность и качество полученных элементов.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров формообразования СВЧ-разрядами расположение технологической ячейки в камере (резонаторе), объем согласующей нагрузки, время обработки) на точность, производительность и качество полученных элементов.

3. Условия формообразования, с применением электродных СВЧ-разрядов в среде диэлектрической жидкости при атмосферном давлении.

4. Условия модифицирования поверхности с применением электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении.

Научная новизна заключается в установлении взаимосвязи параметров СВЧ поля с координатами расположения технологической ячейки (без токоподводов к электродам), в камере (резонаторе). Обусловлены рациональные условия электроэрозионного формообразования с применением СВЧ-разрядов при атмосферном давлении.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по назначению технологических режимов электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования различных металлов и сплавов.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2008, 2009 гг.), конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2008, 2009 гг), международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (2007, 2008, 2009 гг).

Работа состоит из следующих основных частей:

- Анализ состояния вопроса;

- Исследование условий образования СВЧ-разряда для размерной обработки материалов и модифицирования поверхностей при атмосферном давлении; 8

- Комплексная методика проведения экспериментальных исследований;

- Экспериментальные исследования формообразования и модифицирования поверхностей с применением СВЧ-разрядов.

Работа выполнена на кафедре «Физико-химические процессы и технологии» и лаборатории «Электрофизических и электрохимических методов обработки им. Ф.В. Седыкина» Тульского государственного университета.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору В.В. Любимову, профессору кафедры ФХПТ д.т.н. В.К. Сундукову, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, консультации и полезные замечания при выполнении диссертационной работы.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В течение многих лет техника сверхвысоких частот (СВЧ) находила свое применение в основном в радиолокации, но в настоящее время область ее применения значительно расширилась, появляются все новые и новые сферы использовании сверхвысоких частот.

Одним из таких примеров является получение разрядов при СВЧ излучении.

Основными достоинствами СВЧ-разрядов [13, 36, 37, 55, 78, 95] по сравнению с другими являются: простота получения плазмы с высокой удельной плотностью о энергии (>1 Вт/см ); простота получения плазмы с малой удельной плотностью энергии («1 Вт/см3); о широкая область рабочих давлений (от 10" Па до давлений, превышающих атмосферное давление); возможность создания как квазиравновесной, так и существенно неравновесной плазмы; простота управления внутренней структурой разряда путем изменения электродинамических характеристик устройства ввода СВЧ энергии в плазму; возможность создания плазмы в электродных и безэлектродных системах (в последнем случае отсутствует загрязнение объема и образцов продуктами эрозии электродов); возможность изготовления электродов из непроводящих материалов; возможность создания плазмы в малых и больших объемах, включая свободное пространство; возможность обработки больших поверхностей сканированием области плазменного образования, имеющего малые размеры; возможность совместного воздействия плазмы и электромагнитного поля на объекты в плазме для увеличения эффективности процесса; разработанные семейства разнообразных эффективных СВЧ генераторов плазмы позволяют выбрать конструкцию для любых применений.

Перечисленные достоинства СВЧ-разрядов позволяют сформулировать область их применения для обработки материалов, включающую в себя:

1. Формирование различных геометрических элементов в объемных телах и фольгах;

2. Модифицирование поверхности металлических образцов;

3. Получение ультрадисперсных порошков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа литературных источников выявлено, что малоисследованной остается область электрофизического формообразования и модифицирования поверхностей материалов с применением СВЧ-разрядов.

2. Выполнены теоретические расчеты диапазона пробойных значений напряженности электрического поля в воздухе при атмосферном давлении для конкретных значений размеров СВЧ камеры (резонатора), согласующей нагрузки, конструкции и мощности магнетрона.

3. Выполнены и экспериментально подтверждены теоретические исследования по выбору координат размещения технологической ячейки для различных видов обработки для конкретной конструкции и мощности магнетрона, согласующей нагрузки и размеров камеры (резонатора). Установлено, что наиболее рациональным является положение технологической ячейки на одной оси с магнетроном.

4. Теоретически выявлено и экспериментально подтверждено влияние объема согласующей нагрузки на энергетические параметры СВЧ-разряда в воздухе при атмосферном давлении. Установлено, что с л о увеличением объема согласующей нагрузки с 151 см до 352 см происходит снижение производительности обработки в 7,5 раз, однако при этом необходимо учитывать также ее распределение в объеме камеры (резонаторе).

5. Разработана комплексная методика осуществления электроэрозионной обработки с применением СВЧ-разрядов, включающая в себя методику: изучения формообразования с применением электродных СВЧ-разрядов, исследования модифицирования металлов и сплавов электродными СВЧ-разрядами, исследования диспергирования металлического порошка воздействием электродных СВЧ-разрядов.

6. Экспериментально исследовано влияние различных материалов и размеров электродов-инструментов на длину электродного СВЧ-разряда. Установлено, что наибольшая длина СВЧ-разряда имеет место при использовании электродов-инструментов из сталей, например: Р6М5, 18ХГТ, а наименьшая - при использовании электродов-инструментов из меди ММ и алюминия А5.

7. Экспериментально исследовано влияние длины электрода-инструмента, материала электрода-инструмента и заготовки, объема согласующей нагрузки, времени обработки, размещения технологической ячейки в камере (резонаторе) на производительность, точность и качество поверхности при размерной обработки СВЧ-разрядами. Показано, что: максимальное увеличение производительности достигается при обработке электродами-инструментами начальной длиной от 20 до 30 мм; для минимизации износа электрода-инструмента желательно, чтобы величины тепло- и электропроводности заготовки были ниже, чем у электрода-инструмента; при осуществлении процесса обработки более 5 минут имеет место снижение производительности до нуля.

8. Экспериментально исследована возможность упрочнения поверхности металлических образцов путем модифицирования поверхностного слоя, а также возможность получения ультрадисперсных порошков методом диспергирования исходного микрометрического порошка воздействием электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении. Получены ультрадисперсные порошки округлой формы на основе титана с размерами от 100 до 250 нм.

1. Абдуллин, И.Ш. Изменение структуры и состава поверхности сталей и титановых сплавов под действием высокочастотного разряда низкого давления / И.Ш.Абдуллин, Н.Ф.Кашапов, В.В.Кудинов // Перспективные материалы. 2000. - №1. - С. 56.

2. Александров, К.В. Импульсный СВЧ разряд в атмосферном воздухе в фокусе двухзеркального резонатора / К.В. Александров, Л.П. Грачев, И.И. Есаков, С.М. Покрас, К.В. Ходатаев // Журнал технической физики. 2003. - Т. 73. - Вып. 1. - С. 46-50.

3. Александров, А.Ф. Основы электродинамики плазмы / А.Ф. Александров, Л.С. Богданкевич, A.A. Рухадзе. М.: Высшая школа, 1978.-410 с.

4. Александров, К.В. Поверхностный стримерный СВЧ разряд / К.В. Александров, Л.П. Грачев, И.И. Есаков, К.В. Ходатаев // Журнал технической физики. 2002. - Т. 72. - Вып. 7. - С. 58-62.

5. Александров, К.В. СВЧ-пробой воздуха, инициированный электромагнитным вибратором малой длины / К.В. Александров, Л.П. Грачев, И.И. Есаков // Журнал технической физики. 2007. - Т. 77. -Вып. 12. - С. 26-30.

6. Альтман, Дж. Л. Устройства сверхвысоких частот (перевод с англ.) / Дж. Л. Альтман / Под ред. И.В. Лебедева. М.: Мир, 1968. - 488 с.

7. Артамонов, A.A. Анализ моделей процессов электрохимической и электроэрозионной обработки: Модели процессов электроэрозионнойобработки. Проволочная вырезка / A.A. Артамонов, Ю.С. Волков. М.: ВНИИПИ, 1991.-Ч. II.-144 с.

8. Банков, С.Е. Анализ и оптимизация СВЧ структур с помощью HFSS / С.Е. Банков, A.A. Курушин, В.Д. Разевиг / Под ред. д.т.н., проф. Банкова С.Е. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 216 с.

9. Батанов, Г.М. Микроволновый пробой ионных кристаллов, инициированный вторично-эмиссионным разрядом / Г.М. Батанов, В.А. Иванов, М.Е. Коныжев // Письма в ЖЭТФ. 1994. - Т. 59. - Вып. 10. - С. 655-658.

10. Батенин, В.М. СВЧ генераторы плазмы: Физика, техника, применение / В.М. Батенин, И.И. Климовский, Г.В. Лысов, В.Н. Троицкий. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 224 с.

11. Билько, М.И. Измерение мощности на СВЧ / М.И. Билько, А.К. Томашевский, П.П. Шаров, Е.А. Баймуратор. М.: Сов. радио, 1976. -168 с.

12. Браун, У. Метод передачи энергии в свободном пространстве СВЧ пучком и его применения / У. Браун // ТИИЭР. 1974. - Т. 62. - № 1. - С. 13-27.

13. Браун, С. Элементарные процессы в плазме газового разряда: Пер. с англ. / С. Браун / Под ред. Д. А. Франк-Каменецкого. — М. -Госатомиздат, 1961. 324 с.

14. Васин, В.А. Контролируемое разрушение керамики локальным СВЧ-разрядом / В.А. Васин // Прикладная физика. 2002. - №2. - С. 56-61.

15. Васин, В.А. Размерная механическая обработка непроводящих материалов лазерным и СВЧ-излучением / В.А. Васин // Перспективные материалы. 2000. - №5. - С. 78.

16. Веденин, П.В. СВЧ разряд высокого давления в надпробойном поле. Ветвление стримера / П.В. Веденин, Н.Е. Розанов // Письма в ЖЭТФ. -Т. 69.-Вып. 1,- С 15-19.

17. Волков, В.А. Исследование вторично-эмиссионного размножения электронов в высокочастотном электрическом поле: Дис. . канд. физико-математических наук / В.А. Волков. Ленинград: ЛПИ, 1985. -198 с.

18. Волков, A.B. Расчет скорости плазмохимического травления кварца / , A.B. Волков, Н.Л. Казанский, В.А. Колпаков // Компьютерная оптика. -2001.-№21.-С. 121-125.

19. Винтизенко, И.И. Релятивистский магнетрон с распределенным выводом СВЧ-излучения / И.И. Винтизенко, А.И. Заревич, С.С. Новиков // Письма в ЖТФ. 2005. - Т. 31. - Вып. 9. - С. 63-69.

20. Вихарев, А.Л. Исследование импульсного и непрерывного СВЧ-разрядов, применяемых в технологии получения алмазных пленок / А.Л.

21. Вихарев, A.M. Горбачев, В.А. Колданов, Д.Б. Радищев // Физика плазмы. -2007.-Т. 31.-№ 4.-С. 376-384.

22. Геккер, И.Р. Взаимодействие сильных электромагнитных полей с плазмой / И. Р. Геккер. М.: Атомиздат, 1978. - 312 с.

23. Генерация нелинейных волн и квазистационарных токов в плазме // Труды ИОФАН. М.: Наука, 1988. - Т. 16.

24. Гинзбург, B.JI. Распространение электромагнитных волн в плазме / B.JI. Гинзбург. М.: ФИЗМАТГИЗ. - 1967. - 684 с.

25. Григорьев, А.Д. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ / А.Д. Григовьев, В.Б. Янкевич. М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

26. Григорьев, А.Д. Активные полупроводниковые приборы СВЧ: Учеб. пособие для вузов / А.Д. Григорьев, Иванов В.А., Янкевич В.Б. Д.: ЛЭТИ, 1984.-48 с.

27. Григорьев, А.Д. Электродинамика и техника СВЧ: Уч. пособие для вузов / А.Д. Григорьев. М.: Высш. шк., 1990. - 335 с.

28. Гришин, Л.В. Исследование вторично-эмиссионного СВЧ разряда при больших углах пролета электронов / Л.В. Гришин, A.A. Дорофеюк, И.А.

29. Коссый, Г.С. Луьянчиков, М.М. Савченко // Труды ФИАН, 1977. Т. 92. -С. 82-131.

30. Дворкин, В. В., Использование оптической эмиссионной спектроскопии для контроля состава плазмы в процессах осаждения углеродных пленок в СВЧ разряде / В. В. Дворкий, H.H. Дзбановский, П.В. Минаков // Физика плазмы. 2003. - Т. 29. - № 9. - С. 851-857.

31. Диденко, А.Н. СВЧ энергетика. Теория и практика / А.Н. Диденко. -М.: «Наука», 2003. - 446 с.

32. Дресвин, C.B. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны / C.B. Дресвин, A.A. Бобров, В.М. Лелевкин, Г.В. Лысов, Г.З. Паскалов, Л.М. Сорокин. Наука, Сиб. отд-е, 1992. -319 с.

33. Дымшиц, Б.М. Моделирование и методы расчёта физико-химических процессов в низкотемпературной плазме / Б.М. Дымшиц , Я.П. Корецкий / Под ред. Л. С. Полака. М.: Наука, 1974. - С. 230-247.

34. Зарин, A.C., Кузовников A.A., Шибков В.М. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе: Монография / A.C. Зарин, A.A. Кузовников, В.М. Шибков. М.: Нефть и газ, 1996. - 204 с.

35. Зарин, A.C. Параметры плазмы несамостоятельного СВЧ разряда, создаваемого в режиме программированного импульса / A.C. Зарин,

36. A.Ф. Александров, A.A. Кузовников, В.М. Шибков, Л.В. Шибкова // Журнал технической физики. 1997. - Т. 67. - Вып. 7. - С. 19-23.

37. Иванов, В.А. Инициирование микроплазменных разрядов на краю диэлектрической пленки, нанесенной на поверхность металла / Иванов

38. B. А., Сахаров А. С., Коныжев M. Е. // Физика плазмы. 2008. - Т. 34. -№2.-С. 171-184.

39. Иванов, В.А. Возбуждение и воздействие микроплазменных разрядов на металлы и сплавы в плазме сверхвысокочастотного факела / В.А. Иванов // Прикладная физика. 2001. - № 2. - С. 5-40.

40. Иванов, В.А. Образование локальных разрушений в диэлектриках, взаимодействующих с безэлектродными микроволновыми разрядами / В.А Иванов, М.Е. Коныжев // Прикладная физика. 2004. - №6. - С. 4252.

41. Иванов, В.А. Образование сверхплотной плазмы при СВЧ-пробое диэлектриков / В.А. Иванов, М.Е. Коныжев, В.П. Гавриленко, A.A. Летунов // Прикладная физика. 2005. - №6. - С.40-51.

42. Иванов, В.А. Упрочнение приповерхностного слоя образцов из конструкционной стали микроплазменными разрядами / В.А. Иванов, М.Е. Коныжев, С.Н. Сатунин, A.A. Дорофеюк, Т.И. Камолова // Прикладная физика. 2008. - № 6. - С. 62-69.

43. Капустин, В.И. Высокочистые ультрадисперсные порошки оксидов: оборудование, технология, применение / В.И. Капустин // Перспективные материалы. 1998. - №5. - С. 54.

44. Колданов В.А., Исследование источников неравновесной плазмы на основе СВЧ разрядов, предназначенных для осаждения алмазных пленок, Автореф. . дис. канд. физико-математических наук. Нижний Новгород, 2006. - 15 с.

45. Королев, Ю.Д. Физика импульсного пробоя газов / Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц. М.: Наука, 1991.-224 с.

46. Кузелев, М.В. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника / М.В. Кузелев, A.A. Рухадзе, П.С. Стрелков. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 544 с.

47. Лебедев, И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот / И.В. Лебедев. -Ленинград: Госэнергоиздат, 1961. Т.1. - 442 с.

48. Лебедев, И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот / И.В. Лебедев. -Ленинград: Госэнергоиздат, 1961. Т.2. - 376 с.

49. Лебедев, Ю.А. Квазистатическое моделирование микроволнового разряда в азоте в системе электродов со сферической симметрией / Ю.А. Лебедев, A.B. Татаринов // Теплофизика высоких температур. 2006. -Т.44. - С. 325-324.

50. Лебедев, Ю.А. Квазистатическое моделирование микроволнового разряда в азоте в системе электродов со сферической симметрией / Ю.А. Лебедев, И.Л. Эпштейн // Физика плазмы. 2007. - Т.ЗЗ. - №1. - С. 68-76.

51. Лебедев, Ю.А. Моделирование электродного СВЧ разряда. Учет двойного слоя / Ю.А. Лебедев, A.B. Татаринов, И.Л. Эпштейн // XXXI Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 16-20 февраля2004 г., Звенигород. 2004.

52. Лебедев, Ю.А. СВЧ плазма и ее применение / Ю.А. Лебедев // Физика конденсированного состояния: тезисы докладов IV международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии, 13-18 мая2005 г., Россия, Иваново. Иваново, 2005.

53. Лебедев, Ю.А. Электродный микроволновый разряд в азоте: структура и газовая температура / Ю.А. Лебедев, П.В. Соломахин, В.А. Шахатов // Физика плазмы. 2007. - Т.ЗЗ. - №2. - С. 180-190.

54. Лившиц, А.Л. Электроимпульсная обработка металлов / А.Л. Лившиц, А.Т. Кравец, И.С. Рогачев, А.Б. Сосенко. М.: Изд-во «Машиностроение», 1967. - 296 с.

55. Лисовский, В.А. Критерий пробоя газа в СВЧ поле / В.А. Лисовский // Журнал технической физики. 1999. - Т. 69. - Вып. 11. - С. 25-29.

56. Мак-Дональд, А. Сверхвысокочастотный пробой в газах / А. Мак-Дональд. М.: Изд-во «Мир», 1969. - 212 с.

57. Мак-Таггарт, Ф. Плазмохимические реакции в электрических разрядах: Пер. с англ / Ф. Мак-Таггарт. М.: Атомиздат, 1972. - 256 с.

58. Моссэ, А.JI. Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ / А.Л. Моссэ, В.В. Печковский. Минск: Наука и техника, 1973. - 285 с.

59. Малорацкий, Л.Г. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях / Л.Г. Малорацкий, Л.Р. Явич. М.: Советское радио, 1972. - 232 с.

60. Маненков, A.A. СВЧ пробой в Ge в постоянном магнитном поле / A.A. Маненков, В.А. Миляев, В.А Санина // Письма в ЖЭТФ. Т. 29. - Вып. 8. - С 471-474.

61. Матей, Г.Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи (перевод с англ.) / Г.Л. Матей, Л. Янг, Е.М. Т. Джонс / Под ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира. М.: Связь, 1971. - Т. 1.-440 с.

62. Матей, Г.Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи (перевод с англ.) / Г.Л. Матей, Л. Янг, Е.М. Т. Джонс / Под ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира. М.: Связь, 1971. - Т. 2. - 440 с.

63. Мериин, Б.В. Электрогидравлическая обработка машиностроительных изделий / Б.В. Мериин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1985. -119 с.

64. Месяц, Г.А. Импульсная энергетика и электроника / Г.А. Месяц. М.: «Наука», 2004. - 704 с.

65. Миронов, В.М. Исследование фазового состава зоны взаимодействия молибдена с железом и сталями при электроискровой обработке / В.М. Миронов // Перспективные материалы. 2003. - №5. - С. 84-89.

66. Мокров, А.Б. Исследование вторично-эмиссионного разряда и эмиссии горячих электронов в СВЧ электрических полях: Дис. . канд. физико-математических наук / А.Б. Мокров. Ленинград: ЛИИ, 1981. -166 с.

67. Морохов, Н.Д. Ультрадисперсные металлические среды / Н.Д. Морохов, Л.И. Трусов, С.П. Чижик. М.: Атомиздат, 1979. - 264 с.

68. Нефедов, Д.В. Влияние упругих взаимодействий на формирование кремниевых нанокристаллитов на некристаллических подложках в плазме СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Письма в ЖТФ. 2007. - Т. 33. - Вып. 7. - С. 26-34.

69. Нефедов, Д.В. Миграционное заращивание рельефа поверхности при формировании нанокристаллитов с использованием СВЧ газового разряда низкого давления / Д.В. Нефедов, Р.К. Яфаров // Письма в ЖТФ. 2007. - Т. 33. - №21. - С. 78-85.

70. Плазмохимические реакции и процессы / Под ред. JI. С. Полака. М.: Наука, 1977. - 320с.

71. Приезжев, Г.М. Исследование вторично-электронного разряда на СВЧ между керамическими поверхностями / Г.М. Приезжев, В.П. Сазонов // Электронная техника: сер. Электроника СВЧ. 1966. - Вып. 11. - С. 119-134.

72. Протасевич, Е.Т. О перспективах комбинированного применения лазерного и СВЧ излучений для эффективного воздействия на металлическую мишень / Е.Т. Протасевич // Журнал технической физики. 2004. - Т. 74. - Вып. 8. - С. 124-125.

73. Райзер, Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов / Ю.П. Райзер. М.: «Наука», 1980. - 415 с.

74. Райзер, Ю.П. Физика газового разряда / Ю.П.Райзер. М.: Наука, 1992. -536 с.

75. Райцын, Д.Г. Электрическая прочность СВЧ устройств / Д.Г. Райцын. -М.: «Сов. Радио», 1977. 168 с.

76. Редькин, C.B. Устройство для СВЧ-плазменной обработки материалов / C.B. Редькин, В.В. Аристов // Патент РФ № 2157061, 27.09.2000.

77. Сапунов, Г.С. Анатомия микроволновой печи / Г.С. Сапунов: http://www.elremont.ru/small rbt/bt rem21 .php

78. Сазонов, В.П. Выходные устройства мощных СВЧ электровакуумных приборов (обзор) / В.П. Сазонов // Электронная техника: сер. Электроника СВЧ. 1967. - Вып. 11. - С. 47-72.

79. Селемир, В.Д. Влияние вакуумных условий на СВЧ-генерацию в виркаторе / В.Д. Селемир, А.Е. Дубинов, Б.Г. Птицын, A.A. Евсеенко, В.А. Летягин, Р.К. Нургалиев, В.Г. Суворов, A.B. Судовцов // Письма в ЖТФ. 2001. - Т. 27. - Вып. 22. - С. 73-80.

80. Сергейчев, К.Ф. Осаждение алмазных пленок в плазме СВЧ-факела при атмосферном давлении / К.Ф. Сергейчев, H.A. Лукина, А.П. Большаков, В.Г. Ральченко, Н.Р. Арутюнян, С.Н. Бокова, В.И. Конов // Научно-технический журнал. 2008. - №6. - С. 39-42.

81. Сидоров, A.B. Формирование интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы, создаваемой мощным миллиметровым излучением: Автореф. . канд. физико-математических наук / A.B. Сидоров. -Нижний Новгород, 2008. 18 с.

82. Силин, P.A. Замедляющие системы / P.A. Силин, В.П. Сазонов. 1966. -632 с.

83. Тимофеев, A.B. Циклотронные колебания плазмы в неоднородном магнитном поле / A.B. Тимофеев // УФН. 1973. - Т. 110. - N3. - С.325-328.

84. Ткачев, А.Н. О механизме убегания электронов в газе. Верхняя ветвь кривой зажигания самостоятельного разряда / А.Н. Ткачев, С.И. Яковленко // Письма в ЖЭТФ. Т. 77. - Вып. 5. - С. 264-269.

85. Троицкий, В.Н. Явление переноса в низкотемпературной плазме / В.Н. Троицкий, А.И. Смородин, С.Н. Шорин. Минск: Наука и техника, 1969. -С. 149-156.

86. Устойчивость горения электрической дуги: Сб. статей. Новосибирск, СО Наука, 1973.-191 с.

87. Фелсен, Л. Излучение и рассеяние волн (перевод с англ.) / Л. Фелсен, Н. Маркувиц / Под ред. М.Л. Левина. М.: Мир, 1978. - Т. 1. - 550 с.

88. Харвей, А.Ф. Техника сверхвысоких частот (перевод с англ.) / А.Ф. Харвей / Под ред. В.И. Сушкевича. М.: Сов. радио, 1965. - Т 2. - 775 с.

89. Химия плазмы / Под ред. Л.С. Полака и Ю.А. Лебедева. Новосибирск: Наука, Сибирское отд-е, 1991. - 328 с.

90. Чернушенко, A.M. Конструирование экранов и СВЧ-устройств: Учеб. пособие для вузов / A.M. Чернушенко, Б.В. Петро, Л.Г. Малорацкий, Н.Е. Меланченко, A.C. Бальсевич. М.: Радио и связь, 1990. - 352 с.

91. Яфаров Р.К. СВЧ ионно-плазменный источник / Р.К. Яфаров, С.А. Терентьев, А.И. Телицын, А.О. Балакин // ПТЭ. 1989. - N3. - С. 142145.

92. Wirz, Richard Е. Discharge plasma processes of ring-cusp ion thrusters: In partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy / Richard E. Wirz. Pasadena, California: CA Inst, of Technology, 2005.

93. Microwave discharges: Fundamentals and Applications: proceedings of V International Workshop, 8 Jul 12 Jul 2003, Greifswald / Ed. Andreas Ohl. -INP, Greifswald, 2003. - P.247-254.

94. Strong microwaves in plasmas / Ed. by A.G.Litvak. Nizhny Novgorod: Institute of Applied Physics, 1997. - Vol. I, II.

95. Wiley, John. High frequency techniques: An introduction to RF and microwave engineering / John Wiley. -Hoboken, 2004. 527 p.