автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Электрохимическая обработка деталей из WC-CO твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВ Вячеслав Александрович

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ИЗ WC - СО ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ БИПОЛЯРНЫМИ ИПУЛЬСАМИ ТОКА МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре технологии машиностроения

Научный руководитель -

д-р техн. наук, профессор Смыслов Анатолий Михайлович Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, профессор Проничев Николай Дмитриевич канд. техн. наук, доцент Саяпова Вилия Вильдановна Ведущее предприятие - ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»

Защита состоится 13 мая 2005 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д212.288.04 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12, корп. 1, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Твердые WC-Co сплавы находят широкое применение в промышленности для изготовления формообразующего инструмента: штампов, пресс-форм, фильер и др.

Электрофизические и механические методы, традиционно используемые для обработки такого рода материалов сопряжены со значительным износом инструмента, малопроизводительны, либо не обеспечивают требуемой точности и шероховатости поверхности. Одним из путей решения этой проблемы является применение электрохимической обработки (ЭХО). Большой вклад в решение этой проблемы за последние двадцать лет внесли ученые: А.Г.Атанасянц, В.В.Паршутин, В.В.Береза, А.ИЛевин, А.В.Нечаев и др. Однако уровень полученных ими результатов не соответствует в полной мере современным требованиям предъявляемым к качеству поверхностного слоя и точности деталей. Так, известные по научно- технической литературе показатели по шероховатости поверхности составляют - Яа 0,8.3,2 мкм; что не позволяет в полной мере охватить номенклатуру рассматриваемого класса деталей, либо после операции ЭХО требуются последующие трудоемкие операции слесарно-механической доводки.

В ряде научных школ Российской Федерации, Республики Молдова на лабораторном и опытно-промышленном уровне были получены результаты, подтверждающие принципиальную возможность дальнейшего повышения точности и качества поверхности при ЭХО за счет использования биполярных импульсов тока микросекундного диапазона высокой плотности. Однако применительно к электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов это направление исследований практически не развивалось. В результате этого практически отсутствуют технологические рекомендации, обеспечивающие высокопроизводительную обработку деталей с шероховатостью поверхности Яа менее ОД мкм и погрешностью обработки менее ±10 мкм; нет научно-обоснованных подходов к оптимизации в указанных условиях состава электролита и параметров режима обработки; нет общей научной позиции в интерпретации ряда экспериментальных данных; отсутствует серийно выпускаемое оборудование (станки, источники питания, системы автоматического управления). Имеются также проблемы и теоретического плана, в частности, в понимании механизма анодного процесса растворения композиционного материала, имеющего макрокомпоненты с существенно различными электрохимическими свойствами при воздействии биполярных импульсов тока микросекундного диапазона.

Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим исследованием, оптимизацией и повышением выходных технологических показателей процесса ЭХО твердых сплавов, за счет использования биполярных импульсов микросекундного диапазона является актуальным.

Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных научно-исследовательских работ и международных контрактов Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ).

Цель работы: снижение шероховатости поверхности и повышение точности деталей из WC-Co твердых сплавов при электрохимической обработке, за счет использования импульсов биполярного тока микросекундного диапазона.

Основные решаемые задачи:

1. Усовершенствовать методику поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока.

2. Определить оптимальный состав электролита для электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона.

3. Выявить особенности и уточнить механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов при прохождении группы микросекундных импульсов биполярного тока#высокой плотности.

4. Разработать способ импульсной ЭХО твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах.

5. Исследовать выходные технологические показатели ЭХО твердых сплавов с различной величиной зерна WC и различным содержанием кобальта при использовании микросекундных биполярных импульсов тока высокой плотности.

6. Разработать математическую модель процесса ЭХО твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока, позволяющую прогнозировать развитие физико-химических процессов в электролите и на поверхности электродов, а также поставить и решить задачу определения оптимального межэлектродного зазора.

7. Разработать технические требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка, а также технологические рекомендации по выбору режимов обработки для типовых операций ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока.

Основные научные результаты, полученные лично автором и

выносимые на защиту

1. Экспериментальная методика и результаты поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока.

2. Результаты исследований химического состава поверхностного слоя методами вторичной масс-спектроскопии и микрорентгеноспектрального анализа, а также электрохимической обрабатываемости WC-Co твердых сплавов в водных электролитах на основе нитрата натрия различных концентраций и различной величины водородного показателя (рН).

3. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения

WC-Co твердых сплавов последовательностью микросекундных импульсов биполярного тока в водных растворах электролитов на основе нитрата натрия.

4. Новый способ импульсной ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах (патентная заявка №2004/129235 МКИ7 В23Н 3/00 - 3/02 от 04.10.2004г).

5. Математическая модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, учитывающая зависимость анодного потенциала от длительности поляризации и плотности тока, влияние на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменение температуры и газонаполнения электролита в межэлектродном промежутке (МЭП).

Научная новизна

1. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах в электролитах на основе водных растворов NаNОз с высоким управляемым импульсом обратного тока начальным значением показателя рН электролита у поверхности детали, при использовании последовательности (группы) импульсов биполярного тока микросекундной длительности. При этом показано, что в силу нестационарности установления электродных потенциалов компонент сплава, для каждого из импульсов рассматриваемой последовательности, при закономерном, от импульса к импульсу, монотонном понижении водородного показателя, путем выбора длительности и амплитуды микросекундных импульсов может быть установлена оптимальная, для той или иной компоненты сплава, область развития электродных процессов.

2. Предложен новый способ (патентная заявка №2004/129235 МКИ7 В23Н 3/00 - 3/02 от 04Д0.2004г) электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов, заключающийся в том, что к межэлектродному промежутку(МЭП) периодически прикладывают группы (10 - 20) импульсов микросекундной длительности (20 - 200мкс) биполярного тока, чередующихся с дополнительным импульсом миллисекундной длительности (1 - 2мс) обратного тока. Назначение дополнительного импульса обратного тока состоит в том, чтобы создать в МЭП перед группой микросекундных импульсов среду с высоким начальным значением рН>12. Длительность первых микросекундных импульсов в группе выбирают такой, чтобы превалировала фаза первичного активного электрохимического растворения вольфрама, а последних - чтобы обеспечить преимущественное электрохимическое растворение кобальтовой составляющей сплава в нейтральной или кислотной средах в условиях транспассивности. Это позволяет обеспечить выравнивание скоростей растворения компонентов сплава, и как следствие - минимальную шероховатость поверхности.

3. Экспериментально установлено, что существует оптимальное соотношение суммарных количеств электричества микросекундных импульсов прямой полярности и дополнительного импульса обратной полярности должно находиться в диапазоне 1,8 - 2,4. В этих условиях обеспечивается шероховатость поверхности для ультрамелкозернистых WC-Co сплавов Ra 0,04 - 0,06мкм, крупнозернистых - Ra 0,1 - 0,2мкм.

4. Разработана модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока с учетом зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияния на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменения температуры и газонаполнения электролита в МЭП. На основе модели поставлена и ре-

шена задача определения оптимальной величины межэлетродного зазора (МЭЗ), при которой обеспечивается наибольшая производительность процесса.

5. Модельный анализ изменения электрического сопротивления МЭИ в области оптимума, при приложении последовательности микросекундных импульсов тока, позволил выявить косвенные информативные параметры для управления процессом. Так, было показано теоретически и подтверждено экспериментально, что по характеру изменения знака разности электрических сопротивлений МЭП по переднему и заднему фронту для каждого из импульсов в группе может быть определен минимально допустимый межэлектродный зазор и, соответствующая ему, оптимальная скорость подачи ЭИ(патентная заявка №2004/129235 МКИ7 В23Н 3/00 - 3/02 от 04.10.2004г).

Практическая значимость работы:

1. Обоснованны технические требования к источнику питания станка, предложенные способы обработки использованы при создании нового и модернизации существующего электрохимического оборудования для обработки твердых сплавов

2. Технологические рекомендации использованы при выполнении международных контрактов УГАТУ, а также при разработке технологических операций изготовления деталей формообразующей оснастки (фильер, пуансонов) из твердых сплавов и при выполнении хоздоговора с научно-медицинской ассоциацией при освоении технологии изготовления опорной муфты из твердого сплава марки ВК-8 для ультразвукового волновода.

3. Материалы диссертации использованы при разработке и внедрении в учебный процесс методических указаний к лабораторным работам по специальностям 120700 и 120100.

Апробация работы: Основные результаты работы представлялись и обсуждались на: международном симпозиуме «Computer science and Information Technology(CSIT)», Budapest, Hungary —2004; ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ; Всероссийской молодежной научно- технической конференции «Проблемы современного машиностроения», Уфа-2004; Международной компьютерной научно- технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы», Уфа- 2004г; Международной молодежной научной конференции XII Ту-полевские чтения, Казань- 2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях центральной, международной печати и 1 патент Российской Федерации.

Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 219 страницах и состоит из введения, пяти глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 53 названий, содержит 16 таблиц и 171 рисунок.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе показана актуальность темы диссертации, проведен обзор научно-технической литературы, отражающий проблемы традиционной обработки твердых сплавов механическими и электрофизическими методами. Показано, что применение ЭХО является наиболее перспективным технологическим направлением в вопросах, снижения износа инструмента, повышения точности и качества поверхности. Дан анализ современного состояния исследований в области импульсной электрохимической обработки твердых сплавов, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведено описание методик и оборудования для экспериментальных исследований. Дано обоснование выбора используемых материалов электродов, электролитов и условий экспериментов. В качестве исследуемых составов электролитов использовались водный растворы NaNCb NaOH и их смеси различных концентраций. В качестве обрабатываемых материалов применялись WC-Co твердые сплавы с величиной зерна от 0,2 до 4 мкм и содержанием кобальта от 10 до 25%.

а б

Рис.1, а) Осциллограммы сигналов с датчика тока, ЭС2(1) и осциллограмма сигнала с ЭС2 в момент разрыва электрической цепи тока (2).

б) Поляризационные кривые, снятые относительно ЭС1 (В) и ЭС2 (А)

Предложена усовершенствованная методика эффективной компенсации омической составляющей погрешности измерения потенциала при высоких плотностях тока. Для этой цели использовался дополнительный электрод сравнения ЭС2 из платины, относительно которого измерялся потенциал исследуемого электрода после быстрого и кратковременного разрыва электрической цепи тока (см. рис. 1,6). Перед каждым измерением потенциал ЭС2 контролировался с помощью стандартного хлорсеребряного ЭС1. Для измерений использо-

вались два осциллографа, один из которых фиксировал медленный процесс относительно хлорсеребряного ЭС2, а другой фиксировал момент разрыва цепи тока относительно ЭС2 и позволял получать данные для компенсации омической составляющей (см. рис. 1 ,а).

Дано описание и характеристики лабораторной установки для проведения экспериментов по электрохимической обрабатываемости твердых сплавов и опытно-промышленной установки для технологических исследований, имитирующих производственные условия. Последняя выполнена на базе модернизированного электрохимического копировально-прошивочного станка модели СЭП-905(Концерн «Инмаш», г. Стерлитамак), снабжена микропроцессорной системой управления и специальным источником технологического тока для электрохимической обработки биполярными микросекундными импульсами.

В третьей главе определен оптимальный состав электролита для ЭХО МС-Со твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока высокой плотности.

На основе поляризационных исследований, исследований химического состава поверхностных пленок и парциальных выходов по току для компонентов твердого сплава было определено, что оптимальным является комбинированный электролит на основе 8%№КОз+ 3%№ОН. Последующие технологические исследования с применением импульсов биполярного тока микросекундного диапазона показали, что концентрация №ОН может быть существенно уменьшена до 0,5-1%. Необходимая величина рН достигается путем управления длительностью дополнительного импульса обратной полярности.

Результаты исследований позволили также уточнить механизм электрохимического растворения МС-Со твердых сплавов. При этом было показано, что в силу нестационарности установления электродных потенциалов, для'каж-дого из импульсов рассматриваемой последовательности, при закономерном, от импульса к импульсу, монотонном понижении водородного показателя, путем выбора длительности импульсов может быть установлена оптимальная, для той или иной компоненты сплава, область развития электродных процессов. Эти электродные процессы для данного импульса являются превалирующими в обеспечении необходимой интенсивности анодного растворения данной компоненты сплава и формировании качества поверхности. С учетом этой особенности был разработан новый способ электрохимической обработки ' С-Со твердых сплавов с управляемой интенсивностью селективного растворения основных компонентов, заключающийся в том, что к межэлектродному промежутку периодически прикладывают группы импульсов микросекундной длительности биполярного тока, чередующихся с импульсами миллисекундной длительности обратного тока (рис.2). Назначение импульса обратного тока состоит в том, чтобы очистить поверхность детали от пленок и осадков пузырьками водорода, а так же для того, что бы создать в МЭП перед группой коротких импульсов сильнощелочную среду с определенным значением (рН).

-3 ^

а я о

5< £ К

г»

<5

X й

х §

О

» (О

й Г) 11

9 о

= 3

2 Ъ

* 1

а >э

о а

й Я

III

ш

0> Е *

§ 8 § I

3 8» Е

О й

к

о а

я

л

X £ § 3

§ 5 (в 3

1 * ГО I

Механизм высокоскоростного анодного растворения \NC-Co тверды* сплавов при ЭХО микросекундными импульсами

_бмполярного тока_

Активное растворение М УУ+бОН'—■ «Юэ+ЗНгО+бе уУС+ОН"— У\Юэ+С ЦРз*80Н"— УУО«+НгО Со+НгО-ге — СоО+гК1, Пассивное растворение УУ Образование пленки сложной стехиометрии из оксидов \Л/хОу поликислот (НжЖ)з); вольфрэматов (NaIWO^); графита С УУС+801-Г —УУОэ+С+НгЬ Со+20Н-"2е — Со(ОН)г

В раствор выходят

МЙ+С+ИЙ С<?+2<У-7' : УМО», На поверхности:

поверхности; УУОз; Со(ОН)г;С

Изменение состава пленки

Транспаосианое растворение У¥С+НЮ—УЮэ+№-С I Со+НгО—С5ПНЧ Со+ИгО — ;Со(ОН)- ]«ю+Н+ 2е [СоОН]'«е+МОз—СоОНдаз [СоОН]*«к+НгО—Со(ОН)г1

_На поаевхности, УУОа, С_,_

20Н:2е—О+НгО Со+НгО—-СогОэ+НЭ-Зе СогОз+НгО—-20о Выделение кислорода 20о+С—С0г Образование углекислого газа Раэг-------------................-

Разрушение к-

[ной пленки

вторичная активность (.расгаэрение ~Со1 М>НгО—'«Оз+нгс I Гп+М—ГоПН'1 Со+НЮ— [СоСОНЛмс+Н+Ге [СоОНЦк+МОз—СоОШОз (СоОН]'«»+НгО—Со(ОН); образование толстой рыхлой пленки с

высоким содержанием кобальта_

20Н"2е'аН0+Н^ 406 растворение Со+НЮ—СогСЙ+Н+Зе СогОз+НгО—20» Выделение кислорода 2О0+С — СОг Образование углекислого газа Разрушение карбидной пленки_

Образование нерастворимого окисла трех- и четырех валентного кобальта

Таким образом, действие первых импульсов группы прямой полярности начинается в сильно щелочной среде их длительность выбрана такой, чтобы превалировала фаза первичного активного растворения вольфрама (см. рис.2). Последующие импульсы осуществляют анодное растворение уже в нейтральной или кислотной среде. Длительность этих импульсов выбрана такой, чтобы обеспечить преимущественное электрохимическое растворение кобальтовой составляющей сплава в условиях транспассивности (см. рис.2).

Таким образом, рациональный выбор длительностей и количества импульсов в группе для данного импульса обратной полярности обеспечивает выравнивание скоростей растворения компонентов сплава, следовательно - минимальную шероховатость поверхности:

Экспериментально установлено, что при обработке твердых сплавов в исследуемом диапазоне параметров импульсов оптимальное соотношение суммарных количеств электричества импульсов прямой и обратной полярности должно находиться в диапазоне 1,8 - 2,4. В этих условиях обеспечивается шероховатость поверхности для ультрамелкозернистых сплавов Яа 0,04 - 0,06мкм, крупнозернистых - Яа 0,1 - 0,2мкм.

Роль микросекундных импульсов обратного тока в группе состоит в принудительном разряде емкостей двойных электрических слоев в паузе между импульсами прямой полярности для усиления эффекта неэквипотенциальности поверхности. При этом показано, что в силу нестационарности установления электродных потенциалов, для каждого из импульсов рассматриваемой последовательности, при закономерном монотонном понижением водородного показателя, может быть определена оптимальная, для той или иной компоненты, фаза развития электродных процессов.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию, оптимизации и исследованию технологических показателей электрохимической обработки твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока.

Разработана математическая модель процесса ЭХО твердых сплавов при приложении группы биполярных микросекундных импульсов напряжения

При постановке задачи построения математической модели было принято (рис.3), что ЭИ и заготовка имеют плоские, параллельные друг другу рабочие торцы, жидкость (электролит) является вязкой и несжимаемой, а ее течение вдоль - плоским и ламинарным. Рабочая поверхность заготовки неподвижна, а поверхность ЭИ совершает возвратно-поступательные движения в направлении оси г по гармоническому закону. Рассматривается точечное приближение, т.е. считается, что в каждой точке МЭП свойства среды одинаковы. При использовании микросекундных импульсов напряжения время установления электродных потенциалов становится соизмеримым с длительностью импульса. Таким образом, при построении математической модели следует учитывать, что величины анодного и катодного потенциалов зависят как от плотности тока, так и от времени В качестве начальных и краевых условий принято:

Р = 2; уя= 0,2 = 5; К,-0,* = *; =

Система уравнений, соответствующая описанным выше условиям формально может быть записана в виде:

где ц — анодный выход потоку для сплава;У -плотность тока; е -электрохимический эквивалент; £н - электрохимический эквивалент водорода; - универсальная газовая постоянная; - молярная масса водорода; /з,л - плотность электролита; Се) — теплоемкость электролита; Ся - объемное газонаполнение, Р]_« -давление электролита на входе и выходе из МЭП; Усе - кинематическая вязкость электролита; а,Ь,с,(1,к- коэффициенты и функции; о - электропроводность электролита; Т, Г- температура электролита на входе и на выходе из МЭЗ; \V1.2 - скорость электролита на входе и выходе из МЭП; Л- напряжение, приложенное к МЭП; 5 - величина торцевого межэлектродного зазора; электропроводность электролита; од - анодный потенциал в течение действия импульса;

<рщ - анодный потенциал в паузе; <ра - потенциал начала растворения;

Полученная математическая модель использована для анализа условий интенсификации и прогнозирования показателей процесса, а также постановки и решения оптимизационной задачи: Определить такое значение. МЭЗ, при котором токовая площадь 1% группы микросекундных импульсов прямой полярности будет максимальна (режим достижения наибольшей производительности). Формально эта задача может быть записана следующей целевой функцией: Найти максимум функции

•п 1=1 О

при следующих ограничениях:

(11)

0 < t,mn < — / ,„ тр ^ , pause

ТП -ntimp

п-1

>0

¿h ds

> к

где определяется из уравнения(5); п - количество импульсов; Тп - период;

к - эмпирический коэффициент;

tmpt 1 pause

■ длительность импульса и паузы.

Рис. 3 Расчетная схема

Модельный анализ изменения электрического сопротивления МЭП в области оптимума, при приложении последовательности микросекундных импульсов тока, позволил выявить косвенные информативные параметры для управления процессом. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что по характеру изменения знака разности электрических сопротивлений МЭП по переднему (Ш) и заднему (К2) фронту каждого из импульсов в группе может быть определен минимально допустимый межэлектродный зазор и, соответствующая ему, оптимальная скорость подачи ЭИ. Данный информативный параметр, в совокупности с ранее описанным в главе 3 способом выбора

параметров импульсов, может быть положен в основу создания новой адаптивной системы управления процессом ЭХО.

Иллюстрация сущности способа показана на рис.4. Так, в первом (слева направо) случае, при большом МЭЗ (-100 мкм) форма импульсов сопротивления повторяет синусоидальные колебания ЭИ. Огибающая разности электрических сопротивлений слева от фазы нижнего положения имеет отрицательные значения, справа - положительные. Во втором случае при МЭЗ 20 мкм в импульсе соответствующем точке нижнего положения вибратора в связи с нагревом электролита сопротивление в импульсе падает, что приводит к увеличению плотности тока. Эта ситуация соответствует оптимуму. Огибающая разности сопротивлений всегда положительна. В третьем случае при очень малых МЭЗ(< 5 мкм) на сопротивление электролита превалирующее влияние начинает оказывать газонаполнение. Огибающая меняет знак с плюса на минус. Работа в таких условиях весьма нестабильна. При дальнейшем уменьшении МЭЗ возможен пробой МЭП. Что показано в четвертом случае. На основании данного способа определения оптимального МЭЗ был разработан алгоритм для системы управления станка.

Исследованы зависимости выходных технологических показателей (производительности, точности обработки и шероховатости поверхности) при электрохимической обработке 'МС-Со твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока при изменении основных параметров режима и условий обработки при различной величине зерна ^С и различном процентном содержании Со.

а б в г

Рис.4. Изменение электрического сопротивления в МЭП в группе микросекундных импульсов при различных величинах МЭЗ (а - 100мкм, б - 20мкм, в -5мкм, г - пробой МЭЗ)

Установлено, что чем больше размер зерна WC, тем выше шероховатость обработанной поверхности, например, для сплава с размером зерна карбида 0,2 - 0,5 мкм в области оптимальных параметров режима достигается шероховатость Ra 0,04 - 0,06 мкм, а для WC-Co твердого сплава с размером зерна 1,5 -2,5 мкм шероховатость Ra 0,2 мкм (рис.5). С увеличением содержания кобальта в сплаве шероховатость поверхности увеличивается. Причем при малых амплитудах импульсов прямой полярности влияние содержания кобальта на шероховатость более заметно.

Показано, что в условиях ЭХО группами микросекундных импульсов биполярного тока при соотношении количества электричества РИОп2 в импульсе обратной полярности к суммарному количеству электричества в импульсах прямой полярности 1,8 - 2,4 достигается минимальная шероховатость поверхности, наименьшая погрешность обработки и наибольшая производительность. Анализ поверхностных пленок на сплавах после ЭХО показал, что с увеличением соотношения количеств электричества, содержание продуктов реакций с кобальтом в пленках уменьшается, а содержание продуктов реакций с вольфрамом и карбидом вольфрама увеличивается. Установлено также, что точки оптимума могут смещаться в область больших или малых амплитуд рабочих импульсов, в зависимости от их длительности.

В пятой главе представлены разработанные технические требования к источнику питания и системе управления, которые могут быть использованы при проектировании современного промышленного оборудования для ЭХО \VC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока.

8 1012141618202224 2628

Ципп.В

г

Рис.5. Зависимость шероховатости поверхности (а), скорости подачи ЭИ (б) и погрешности формы (в) от амплитуды микросекундных импульсов прямой полярности, г - изменение соотношения (Зигш /<3ИОп2 количеств электричества в зависимости от амплитуды рабочих импульсов.

Зависимости на рис.5 были получены для сплавов Лв15 и Т8Б44 с размером зерна карбида 0,2 - 0,5 мкм и 1,5 - 2,5 мкм соответственно. Ьлительность импульсов прямой полярности в группе ЗОмкс, длительность импульса обратной полярности подаваемого в паузе между группами 5мс, амплитуда обратного импульса -ЗВ

Показаны примеры технологического применения результатов исследований для типовых копировально-прошивочных операций. Представлены методические указания к лабораторной работе "Моделирование процессов в электрохимической ячейке", разработанные с учетом материалов диссертации и используемые в учебном процессе в УГАТУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен новый способ электрохимической обработки ^С-Со твердых сплавов импульсами биполярного тока микросекундной длительности, выявлены условия, обеспечивающие достижение наибольшей точности копирования и высокого качества поверхности. В соответствии с поставленной целью и задачами работы могут быть сформулированы следующие выводы:

1. Усовершенствована методика, разработана экспериментальная оснастка и оборудование для поляризационных исследований ^С-Со твердых сплавов, позволяющие повысить точность измерения потенциалов, за счет корректировки их значений, полученных по стандартной методике путем периодических замеров остаточных потенциалов методом «быстрого» разрыва цепи.

2. На основе усовершенствованной методики, экспериментально, прове-деныпотенциодинамические и гальваностатические исследования ^С-Со твердых сплавов с различным содержанием Со и различной величиной зерна в электролитах на основе водных растворов нитрата натрия, гидрата окиси натрия и их процентных массовых комбинаций. Выявлены оптимальный состав электролита и условия высокоскоростного анодного растворения, при которых могут быть обеспечена высокая производительность и качество поверхности. В частности показано, что для широкой группы ^С-Со сплавов оптимальным является электролит на основе водного раствора NN03 с неболыиой(до 3%) добавкой №0И. При использовании дополнительны»; низковольтных импульсов обратного тока, увеличивающим начальное значение рН электролита, процентное содержание №0И может быть снижено до 1% и менее.

3. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения ^С-Со твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах в электролитах на основе водных растворов №N0,, с высоким управляемым импульсом обратного тока, начальным значением показателя рН электролита у поверхности детали при использовании групп рабочих импульсов биполярного тока микросекундной длительности высокой плотности. Показано, что в силу нестационарности установления электродных потенциалов и закономерного изменения показателя (рН) в каждом из импульсов группы, для каждой из компонент ^С-Со сплава могут достигаться различные фазы развития и интенсивности электрохимических процессов.

4. Предложен новый способ (патентная заявка №2004/129235 МКИ7 В23Н 3/00 - 3/02 от 04.10.2004г) ЭХО МС-Со твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах с управляемой интенсивностью селективного растворения его основных компонентов, заключающийся в том, что к межэлектродному промежутку периодически прикладывают группы импульсов микросекундной длительности биполярного тока, чередующихся с дополнительным длинными (миллисекундной длительности) импульсами обратного тока. Назначение дополнительного импульса обратного тока состоит в том, чтобы очистить обрабатываемую поверхность от пленок и катодных осадков пузырьками водорода, а так же для того, чтобы создать в МЭП перед группой микросекундных импульсов среду с высоким начальным значением рН. При этом, действие первых импульсов последовательности начинается в сильнощелочной среде, а их длительность выбрана такой, чтобы превалировала фаза первичного активного электрохимического растворения вольфрама. Последующие импульсы осуществляют анодное растворение уже в нейтральной или кислотной среде. Длительность и амплитуда этих импульсов выбирается такой, чтобы обеспечить преимущественное электрохимическое растворение кобальтовой составляющей сплава в условиях транспассивности с заданной интенсивностью. Таким образом, согласованный выбор параметров микросекундных импульсов прямой полярности в группе и параметров дополнительного длинного импульса обратной полярности обеспечивает выравнивание скоростей растворения компонентов сплава, а, следовательно, способствует формированию минимальной шероховатости поверхности. Экспериментально установлено, что, в частном случае, при фиксированной длительности всех импульсов, оптимальное соотношение суммарных количеств электричества микросекундных импульсов прямой полярности и дополнительного импульса обратной полярности должно находиться в диапазоне 1,8 - 2,4. В этих условиях обеспечивается шероховатость поверхности для ультрамелкозернистых МС-Со сплавов Яа 0,04 - 0,06 мкм, крупнозернистых - ЯаХ),1 0,2мкм.

Роль микросекундных импульсов обратного тока в группе состоит в принудительном разряде емкостей двойных электрических слоев в паузе между импульсами прямой полярности для усиления эффекта неэквипотенциальности поверхности.

5. Исследованы зависимости выходных технологических показателей (производительности, точности обработки и шероховатости поверхности) при электрохимической обработке МС-Со твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока при изменении основных параметров режима и условий обработки для различной величины зерна 'С и различном процентном содержании Со.

Установлено, что чем больше размер зерна 'С, тем выше шероховатость обработанной поверхности, например, для зерна карбида с размером 0,2 - 0,5 мкм в области оптимальных параметров режима достигается шероховатость Яа 0,04 - 0,06 мкм, а для МС-Со твердого сплава с размером зерна 1,5 - 2,5 мкм шероховатость Яа 0,2 мкм. С увеличением содержания кобальта в сплаве шероховатость поверхности увеличивается. Причем при малых амплитудах микросе-

кундных импульсов прямой полярности влияние содержания кобальта на шероховатость более заметно. Установлено также, что с увеличением амплитуды импульсов рабочего тока оптимальные длительности импульсов, при которых достигаются минимальные значения шероховатости поверхности и максимальные производительности процесса, также уменьшаются.

Технологические исследования подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований о наличии оптимальных соотношений между параметрами импульсов прямой полярности и дополнительным импульсом обратной полярности.

6. Разработана модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока с учетом зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияния на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменения температуры и газонаполнения электролита в МЭП. На основе модели поставлена и решена задача определения оптимальной величины МЭЗ, при которой обеспечивается наибольшая производительность процесса. Модельный анализ изменения электрического сопротивления МЭП в области оптимума, при приложении последовательности микросекундных импульсов тока, позволил выявить косвенные информативные параметры для управления процессом. Теоретически доказано и подтверждено экспериментально, что по характеру изменения знака разности электрических сопротивлений МЭП по переднему и заднему фронту каждого из импульсов в последовательности может быть определен минимально допустимый межэлектродный зазор и, соответствующая ему, оптимальная скорость подачи ЭИ. Данный информативный параметр, в совокупности с ранее описанным способом выбора параметров импульсов, может быть положен в основу создания новой адаптивной системы управления процессом ЭХО твердых сплавов.

7. Разработаны требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка для ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока, технологические рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки. Разработаны и апробированы на промышленном оборудовании типовые копировально-прошивочные операции, для которых приведены рекомендации по выбору оптимальных режимов и условий обработки.

8. На основании хоздоговора с научно-медицинской ассоциацией была разработана и опробована технология изготовления опорной муфты из твердого сплава марки ВК-8 для ультразвукового волновода.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зайцев В.А., Идрисов Т.Р. Методика измерения электродных потенциалов при потенциодинамических исследованиях высокоскоростного анодного растворения//Электронная обработка материалов, 2004.- №6- С.88-90.

2. Косарев Т.В., Зайцев В.А Информационная модель процесса прецизионной электрохимической обработки высокопрочных сталей и твердых cimaBOB/Antemational workshop "Computer science and Information Tech-nology(CSIT)".T.2, Budapest, Hungary -2004. C.32-35

3. Идрисов Т.Р., Зайцев В.А. Влияние дополнительной поляризации электродов на точность и качество поверхности при электрохимической обработке микросекундными импульсами тока.Сб. Вестник УГАТУ, Т.5 N2(10), 2004г. С.196-201.

4. Зайцев В.А, Идрисов В.А. Повышение точности измерения электродных потенциалов при потенциодинамических условиях при высоких плотностях тока//Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы. Тула. 2004. С. 157160.

5. Зайцев В.А, Идрисов Т.Р. Математическое моделирование процесса ЭХО группами микросекундных импульсов биполярного тока//Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохими-ческие воздействия на материалы. Тула. 2004. С.88-95.

6. Ф.А.Амирханова, Н.ААмирханова, Т.Р.Идрисов, О.Н.Кашигина,

B.А.Зайцев. Высокоскоростное анодное растворение сплавов типа ВК// Университетская наука - Республике Башкортостан. Том 1, Естественные науки.- Материалы научн.- практ. Конференции, Уфа: БашГУ, 2004.

C.103-104.

7. Идрисов Т.Р., Зайцев В.А. Повышение точности измерения электродных потенциалов при потенциодинамических исследования высокоскоростного анодного растворения - Сб. трудов мол. ученых УГАТУ, 2004.-с.214-219.

8. Зайцев В.А., Идрисов Т.Р., Амирханова Н.А. Потенциодинамические поляризационные исследования WC-Co твердых сплавов с различным содержанием кобальта - Сб. Трудов мол. Ученых УГАТУ, 2004. -с.202-207.

9. Кашигина О.Н., Зайцев В.А. Гальваностатическое исследование высокоскоростного растворения твердых сплавов типа ВК8, ВК10, ВК15.-Х11 Туполевские чтения.- Тезисы докладов международной молодежной научной конференции. 10-11 ноября 2004.- Казань: КГТУ, 2004. С.88 - 89.

ЗАЙЦЕВ Вячеслав Александрович

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ИЗ - Со ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ БИПОЛЯРНЫМИ ИПУЛЬСАМИ ТОКА МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.03.2005. Формат 60x84x1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. 1,0. Усл. кр. - отт. 1,0. Уч. - изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 112

Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12

OSO/" OS. 06

у - коэффициент скольжения - относительная молекулярная масса; рг - плотность газа;

Р, град'1 - температурный коэффициент электропроводности; Хо, Ом'^м"1 - электропроводность электролита на входе в канал; Ср и С г - теплоемкость электролита и газа соответственно р, кг/м3 - плотность; rj, В — поляризация; с, См/м - электропроводность; (ра, В — анодный потенциал; <рк, В - катодный потенциал; (рст, В - стационарное значение потенциала; о, мкм/мин - скорость подачи ЭИ; /Гц - частота; И, мкм — высота, глубина; г, А - ток; j, А/см2 - плотность тока; т, кг— масса;

Р, Па - давление электролита; г - радиус;

R, Ом - сопротивление; s, мкм - величина зазора; t„, мкс — длительность импульса; v - кинематическая вязкость электролита; /ГР, мс - длительность группы импульсов; ш> мкс - длительность импульса прямой полярности (рабочего импульса); *иопь мкс - длительность импульса обратной полярности в паузе между рабочими импульсами; *иопн> мкс - длительность дополнительного импульса обратной полярности после группы;

Пь мкс - длительность паузы между рабочими импульсами; tun, мкс - длительность паузы между рабочим импульсом и импульсом обратной полярности в группе; *пш> мс - длительность паузы между группой и дополнительным импульсом обратной полярности ^ипп — амплитуда рабочего импульса; иош — амплитуда импульса обратной полярности в паузе между рабочими импульсами; иопи - амплитуда дополнительного импульса обратной полярности после группы;

JJ, В - амплитуда импульса напряжения; С - концентрация; Т, С° ~ температура; вн — электрохимический эквивалент водорода;

ARk, Ом - разность сопротивлений МЭП в начальной (t0) и конечной (tn) точках к-го импульса тока;

Индексы:

О - начальное значение; Н - относящийся к водороду; а - анодный; и - импульсный; иоп1 - импульса обратной полярности в паузе между рабочими импульсами; иопц — импульса обратной полярности между группами; ипп - импульса прямой полярности; к - катодный; ст. — стационарное значение;

Оглавление

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса по проблеме повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке твердых сплавов типа WC-Со

1.1 Область применения, номенклатура и технические требования, предъявляемые к деталям из твердых сплавов.

1.2 Основные направления повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов.

1.3 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Методика экспериментальных исследований

2.1 Усовершенствованная методика и лабораторное оборудование для поляризационных исследований.

2.2 Лабораторная и опытно-промышленная установки для технологических исследований.

2.3 Материалы электродов и рабочие жидкости.

2.4. Технологические схемы обработки.

Выводы по Главе 2.

Глава 3. Оптимизация состава электролита и выявление механизма электрохимического растворения WC — Со твердых сплавов

3.1 Потенциодинамические исследования анодного растворения твердых сплавов в различных электролитах.

3.1.1 Влияние концентрации NaOH на анодную поляризацию твердого сплава.

3.1.2 Влияние концентрации NaOH в смеси NaN03+Na0H на анодную поляризацию твердого сплава.

3.1.3 Влияние концентрации кобальта на анодную поляризацию твердого сплава.

3.1.4 Влияние величины зерна WC на анодную поляризацию твердого сплава.

3.1.5 Анодное поведение WC-Co твердого сплава и его составляющих в кислотной среде.

3.2. Гальваностатические исследования анодного растворения твердых сплавов с различным содержанием Со и различной величиной зерна в различных электролитах.

3.2.1. Определение выхода по току гравиметрическим методом.

3.2.2. Парциальные выхода по току по вольфрамат-ионам и ионам кобальта.

3.2.3. Определение объемных скоростей растворения компонентов твердых сплавов.

3.2.4. Определение эффективной энергии активации.

3.3. Анализ поверхности твердых сплавов после анодного растворения в различных электролитах.

3.4. Механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов при ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока высокой плотности в комбинированном электролите.

Выводы по Главе 3.

Глава 4. Исследование выходных технологических показателей, математическое моделирование и оптимизация параметров режима микросекундной биполярной ЭХО твердых сплавов

4.1 Влияние параметров режима обработки выходные технологические показатели процесса.

4.2 Влияние размеров зерна карбида вольфрама (WC).

4.3 Влияние содержания кобальта.

4.4 Математическое моделирование процесса микросекундной биполярной ЭХО твердых сплавов.

4.5 Постановка и решение задач оптимизации.

4.6. Разработка и обоснование нового способа электрохимической обработки микросекундными импульсами биполярного тока.

4.7 Разработка способа определения оптимального МЭЗ при микросекундной ЭХО импульсами биполярного тока.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Практическое использование результатов исследования

5.1 Разработка требований к источнику питания.

5.2 Разработка требований к системе автоматического управления.

5.3 Примеры технологических операций импульсной ЭХО твердых сплавов.

5.3.1 Технологическая операция объемного копирования.

5.3.2 Технологическая операция трепанации объемных элементов постоянного сечения.

5.3.3 Технологическая операция изготовления шестигранного штампа.

5.3.4 Технологическая операция изготовления фильеры кгруглого сечения.

5.4 Внедрение результатов исследований в учебном процессе.

Выводы по главе 5.

Твердые WC-Co сплавы находят широкое применение в промышленности для изготовления формообразующего инструмента: штампов, пресс-форм, фильер и др.

Электрофизические и механические методы, традиционно используемые для обработки такого рода материалов сопряжены со значительным износом инструмента, малопроизводительны, либо не обеспечивают требуемой точности и шероховатости поверхности. Одним из путей решения этой проблемы является применение электрохимической обработки (ЭХО). Большой вклад в решение этой проблемы за последние двадцать лет внесли ученые: Атанасянц А.Г., Паршутин В.В., Береза В.В., Левин А.И., Нечаев А.В. и др. Однако уровень полученных ими результатов не соответствует современным требованиям. Так, известные по научно- технической литературе показатели по шероховатости поверхности составляют - Ra 0,8.3,2 мкм; по погрешности обработки - ± 20 мкм, что не позволяет в полной мере охватить номенклатуру рассматриваемого класса деталей, либо после операции ЭХО требуются последующие трудоемкие операции слесарно-механической доводки.

В ряде научных школ Российской Федерации, Республики Молдова на лабораторном и опытно-промышленном уровне были получены результаты, подтверждающие принципиальную возможность дальнейшего повышения точности и качества поверхности при ЭХО за счет использования биполярных импульсов тока микросекундного диапазона высокой плотности. Однако применительно к электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов это направление исследований практически не развивалось. В результате не существует технологических рекомендаций, обеспечивающих высокопроизводительную обработку деталей с шероховатостью поверхности Ra менее 0,1 мкм и погрешностью обработки менее ±10 мкм; нет научно-обоснованных подходов к оптимизации в указанных условиях состава электролита и параметров режима обработки; нет общей научной позиции в интерпретации ряда' экспериментальных данных; отсутствует серийно выпускаемое оборудование (станки, источники питания, системы автоматического управления). Имеются также проблемы и теоретического плана, в частности, в понимании механизма анодного процесса растворения композиционного материала, имеющего макрокомпоненты с существенно различными электрохимическими свойствами при воздействии биполярных импульсов тока микросекундного диапазона.

Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим исследованием, оптимизацией и повышением выходных технологических показателей процесса электрохимической обработки твердых сплавов, за счет использования биполярных импульсов микросекундного диапазона является актуальным. Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных научно-исследовательских работ и международных контрактов Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ).

В связи с вышеизложенным сформулирована цель работы: снижение шероховатости и повышение точности поверхности деталей из WC-Co твердых сплавов при электрохимической обработке, за счет использования импульсов биполярного тока микросекундного диапазона.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Усовершенствовать методику поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока.

2. Определить оптимальный состав электролита для электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона.

3. Выявить особенности и уточнить механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов при прохождении последовательность микросекундных импульсов биполярного тока высокой плотности.

4. Разработать способ импульсной электрохимической обработки твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах.

5. Исследовать • выходные технологические показатели ЭХО твердых сплавов с различной величиной зерна WC и различным содержанием кобальта микросекундными импульсами биполярного тока высокой плотности.

6. Разработать математическую модель процесса ЭХО твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока, позволяющую прогнозировать развитие физико-химических процессов в электролите и на поверхности электродов, а также поставить и решить задачу определения оптимального МЭЗ.

7. Разработать технические требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка, а также технологические рекомендации по выбору режимов обработки для типовых операций ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока.

В результате выполнения поставленных задач были полученные следующие основные результаты:

1. Экспериментальная методика поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока

2. Результаты поляризационных исследований, результаты исследований химического состава поверхностного слоя методами вторичной масс-спектроскопии и микрорентгеноспектрального анализа и результаты исследования электрохимической обрабатываемости WC-Co твердых сплавов в водных электролитах на основе нитрата натрия различной концентраций и различной величины водородного показателя (рН).

3. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения

WC-Co твердых сплавов последовательностью микросекундных импульсов биполярного тока в водных растворах электролитов на основе нитрата натрия.

4. Новый способ импульсной электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах.

5. Математическая модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, учитывающая зависимости анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияние на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменение температуры и газонаполнения электролита в межэлектродном промежутке (МЭП).

По результатам работы опубликовано 9 печатных работ, получен патент Российской Федерации на изобретение.

Результаты работы в целом и отдельные ее части представлялись и обсуждались на: международном симпозиуме «Computer science and Information Technology(CSIT)», Budapest, Hungary -2004; ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ; Всероссийской молодежной научно- технической конференции «Проблемы современного машиностроения», Уфа-2004; Международной компьютерной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы», Уфа- 2004г; Международной молодежной научной конференции XII Туполевские чтения, Казань- 2004г.

Диссертация изложена на 227 страницах и состоит из введения, пяти глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 53 названий, содержит 17 таблиц и 169 рисунков.

Основные выводы и результаты

На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен новый способ электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов импульсами тока микросекундной длительности, выявлены условия, обеспечивающие достижение наибольшей точности копирования и высокого качества поверхности. В соответствии с поставленной целью и задачами работы могут быть сформулированы следующие выводы:

1. Усовершенствована методика, разработана экспериментальная оснастка и оборудование для поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов, позволяющие повысить точность измерения потенциалов, за счет корректировки их значений, полученных по стандартной методике путем периодических замеров остаточных потенциалов методом «быстрого» разрыва цепи.

2. На основе усовершенствованной методики, экспериментально, проведены потенциодинамические и гальваностатические исследования WC-Co твердых сплавов с различным содержанием Со и различной величиной зерна в электролитах на основе в водных растворов нитрата натрия, гидрата окиси натрия и их процентных массовых комбинаций. Выявлены оптимальный состав электролита и условия высокоскоростного анодного растворения, при которых могут быть обеспечена высокая производительность и качество поверхности. В частности показано, что для широкой группы WC-Co сплавов оптимальным является электролит на основе водного раствора NaN03 с небольшой(до 3%) добавкой NaOH. При использовании дополнительных низковольтных импульсов обратного тока, увеличивающим начальное значение рН электролита, процентное содержание NaOH может быть снижено до 1% и менее.

3. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах в электролитах на основе водных растворов NaN03 с высоким управляемым импульсом обратного тока, начальным значением показателя рН электролита у поверхности детали при использовании групп рабочих импульсов биполярного тока микросекундной длительности высокой плотности. Показано, что в силу нестационарности установления электродных потенциалов и закономерного изменения показателя (рН) в каждом из импульсов группы, для каждой из компонент WC-Co сплава могут достигаться различные фазы развития и интенсивности электрохимических процессов.

4. Предложен новый способ электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах с управляемой интенсивностью селективного растворения его основных компонентов, заключающийся в том, что к межэлектродному промежутку периодически прикладывают группы импульсов микросекундной длительности биполярного тока, чередующихся с дополнительным длинными (миллисекундной длительности) импульсами обратного тока. Назначение дополнительного импульса обратного тока состоит в том, чтобы очистить поверхность детали от пленок и катодных осадков пузырьками водорода, а так же для того, что бы создать в МЭП перед группой микросекундных импульсов среду с высоким начальным значением рН. Таким образом, действие первых импульсов последовательности начинается в сильно щелочной среде, а их длительность выбрана такой, чтобы превалировала фаза первичного активного электрохимического растворения вольфрама. Последующие импульсы осуществляют анодное растворение уже в нейтральной или кислотной среде. Длительность и амплитуда этих импульсов выбирается такой, чтобы обеспечить преимущественное электрохимическое растворение кобальтовой составляющей сплава в условиях транспассивности с заданной интенсивностью. Таким образом, согласованный выбор параметров микросекундных импульсов прямой полярности в группе и параметров дополнительного длинного импульса обратной полярности, обеспечивает выравнивание скоростей растворения компонентов сплава, а, следовательно способствует формированию минимальной шероховатости поверхности.

Экспериментально установлено, что, в частном случае, при фиксированной длительности всех импульсов, оптимальное соотношение суммарных количеств электричества микросекундных импульсов прямой полярности и дополнительного импульса обратной полярности должно находиться в диапазоне 1,8 — 2,4. В этих условиях обеспечивается шероховатость поверхности для ультрамелкозернистых WC-Co сплавов Ra 0,04 - 0,06мкм, крупнозернистых - Ra 0,1 — 0,2мкм.

Роль микросекундных импульсов обратного тока в группе состоит в принудительном разряде емкостей двойных электрических слоев в паузе между импульсами прямой полярности для усиления эффекта неэквипотенциальности поверхности.

5. Исследованы зависимости выходных технологических показателей (производительности, точности обработки и шероховатости поверхности) при электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока при изменении основных параметров режима и условий обработки для различной величины зерна WC и различном процентном содержании Со.

Установлено, что чем больше размер зерна WC, тем выше шероховатость обработанной поверхности, например, для зерна карбида с размером 0,2 — 0,5 мкм в области оптимальных параметров режима достигается шероховатость Ra 0,04 — 0,06 мкм, а для WC-Co твердого сплава с размером зерна 1,5 — 2,5 мкм шероховатость Ra 0,2 мкм. С увеличением содержания кобальта в сплаве шероховатость поверхности увеличивается. Причем при малых амплитудах микросекундных импульсов прямой полярности влияние содержания кобальта на шероховатость более заметно. Установлено также, что с увеличением амплитуды импульсов рабочего тока оптимальные дительности импульсов, при которых достигаются минимальные значения шероховатости поверхности и макимальные поизводительности процесса, также уменьшаются.

Технологические исследования подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований о наличии оптимальных соотношений между параметрами импульсов прямой полярности и дополнительным импульсом обратной полярности.

6. Разработана модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока с учетом зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияния на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменения температуры и газонаполнения электролита в МЭП. На основе модели поставлена и решена задача определения оптимальной величины МЭЗ, при которой обеспечивается наибольшая производительность процесса. Модельный анализ изменения электрического сопротивления МЭП в области оптимума, при приложении последовательности микросекундных импульсов тока, позволил выявить косвенные информативные параметры для управления процессом. Теоретически доказано и подтверждено экспериментально, что по характеру изменения знака разности электрических сопротивлений МЭП по переднему и заднему фронту каждого из импульсов в последовательности может быть определен минимально допустимый межэлектродный зазор и, соответствующая ему, оптимальная скорость подачи ЭИ. Данный информативный параметр, в совокупности с ранее описанным способом выбора параметров импульсов, может быть положен в основу создания новой адаптивной системы управления процессом ЭХО твердых сплавов(патентная заявка №2004/129235 МКИ7 В23Н 3/00 - 3/02 от 04.10.2004г).

7. Разработаны требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка для ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока, технологические рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки. Разработаны и апробированы на промышленном оборудовании типовые копировально-прошивочные операции, для которых приведены рекомендации по выбору оптимальных режимов и умловий обработки.

8. На основании хоздоговора с научно-медицинской ассоциацией была разработана и опробована технология изготовления опорной муфты из твердого сплава марки ВК-8 для ультразвукового волновода.

1. Основы повышения точности электрохимического формообразования/ Ю.Н.Петров, Г.Н.Корчагин, Г.Н.Зайдман, Б.П.Саушкин.- Кишинев: Штиинца, 1978.- 182с.

2. Давыдов А.Д., Козак Е. Высокоскоростное электрохимическое формообразование. М.:Наука.-1990.-272с.

3. Зайцев А.Н., Агафонов И.Л., Амирханова Н.А. и др. Прецизионная электрохимическая обработка импульсным током. Уфа: Гилем, 2003.-196с.

4. Зайцев А.Н., Безруков С.В., Гимаев Н.З. и др. Технология и оборудование для прецизионной электрохимической размерной обработки. М., 1990.-64с.

5. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей/Ю.С.Елисеев, В.В.Крымов, А.А.Митрофанов, Б.П.Саушкин и др.-М.:Дрофа, 2002.- 656с.

6. Применение анодной депассивации импульсами напряжения для повышения точности ЭХРО/ Благодарский В.И., Давыдов А.Д., Иванов В.И., Клепиков Р.П., Мороз И.И.//Электронная обработка материалов.-1980.-№2-С.90-92.

7. Давыдов А.Д. Механизм импульсной электрохимической размерной обработки // Электрохимия.- 1978.- С. 266-269.

8. Рыбалко А.В., Галанин С.И., Атанасянц А.Г. Импульсная электрохимическая обработка бЬполярным током//Электронная обработка материалов, №3, 1993.- С.3.6.

9. Рыбалко А.В., Галанин С.И., Дикусар А.И. Локализация анодного растворения в условиях электрохимической обработки импульсамимикросекундного диапазона//Электронная обработка материалов, 1992, №5, -С4-10.

10. П.Идрисов Т.Р. Исследование электродных потенциалов в нестационарных условиях при электрохимической обработке / Т.Р. Идрисов, А.Н. Зайцев, Н.А. Амирханова // Электронная обработка материалов. — 2001. №1. — С. 4-8.

11. Идрисов Т.Р. Развитие анодного процесса при наложении импульса тока малой длительности / Т.Р. Идрисов, А.Н. Зайцев, Н.А. Амирханова // Электронная обработка материалов. — 2001. №4. С.4-8.

12. Идрисов Т.Р. и др. Развитие анодного процесса при наложении импульса тока малой длительности / Т.Р. Идрисов, А.Н. Зайцев, Н.А. Амирханова // Электронная обработка материалов. -2001. -№4. — С. 4-8.

13. Паршутин В.В., Береза В.В. Электрохимическая размерная обработка спеченных твердых сплавов.-Кишинев:Штиинца, 1987.-230с.

14. Левин А.И., Нечаев А.В. Электрохимическая обработка сплавов WC-Co переменным ассиметричным током//Электронная обработка материалов, 1971, №1.-С.12-15.

15. Давыдов А.Д., Клепиков Р.П., Мороз И.И. Электрохимическая обработка твердых сплавов на основе карбида вольфрама в нейтральных растворахпри наложении анодных импульсов//Электронная обработка материалов, №1, 1981.- С.23-26.

16. Петров Ю.Н., Паршутин В.В. Влияние состава твердых сплавов типа ВК на производительность процесса и чистоту поверхности при электрохимической размерной обработке//Электронная обработка материалов, 1972, №4.- С.22-25.

17. Петров Ю.Н., Филимоненко В.Н., Шац Б.З. Электрохимическое формообразование поверхностей в твердых сплавах с высокой точностью- В сб.:Теория и практика электрохимической обработки металлов.- Кишинев:Штиинца, 1976.-С.29-30.

18. В.П. Житников, А.Н. Зайцев Математическое моделирование ЭХРО. Уфа, 1996г.

19. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. Изд. 2-е. М.:Металлургия, 1966. 242с.

20. Шнырев П.Д. Закономерности износа твердых сплавов WC-Co в среде жидкого азота //.Порошковая металлургия. 1971. №9. с.42 — 45.

21. Ивенсен В.А., Чистякова В.А., Эйдук О.Н. О зависимости прочности твердого сплава WC — Со при растяжении от содержания кобальта // Порошковая металлургия. 1072. №11. с.85 — 92.

22. Горбачева Т.Б. Рентгенография твердых сплавов. М.: Металлургия, 1985. 103с.

23. Туманов В.И., Функе В.Ф. Панов B.C. и др. Физические свойства сплавов WC Со // Известия АН СССР. Металлургия и топливо. 1961. С. 144 -148.

24. Ломако П.Ф. Твердые сплавы цветной металлургии — материалы технического прогресса в машиностроении // Вестник машиностроения. 1979. №7. с. 3 -7.

25. Чапорова И.Н., Щетилина Е.А. О растворении карбида вольфрама в кобальте и никеле // Известия АН СССР. Металлургия и топливо. 1959. №5 с.91 —96.

26. Твердые сплавы в машиностроении // B.C. Раковский, Ф.Ф. Смирнов, Л.А. Рождественский, И.И. Крюков. М.: Машгиз, 1955.

27. Металлокерамические материалы, применяемые в машиностроении и приборостроении СССР и за рубежом // Технология и организация производства. Киев: Наукова думка, 1971. №5 с.79 — 82.

28. Слесаренко С.В. Перспективы развития и применения твердого сплава в промышленности // Рациональное использование твердого сплавы в промышленности. Л.: Машиностроение, 1973. с.4 10.

29. Рябинок А.Г. Электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов. Л.: Машиздат, 1966. 107с.

30. М.Ф. Баженов Твердые сплавы. М.: Металлургия, 1978г.

31. А.Д. Давыдов, Р.П. Клепиков, И.И. Мороз Электрохимическая обработка твердых сплавов на основе карбида вольфрама в нейтральных растворах при наложении анодных импульсов. Электронная обработка материалов, 1981, №1, с.23 -26.

32. Г.А. Алексеев, Р.П. Клепиков, М.Ш. Отто Исследование возможности повышения точности электрохимической размерной обработки короткими импульсами тока. — Электронная обработка материалов, 1981, №1, с.26 —28.

33. Артамонов Б.А., и др. Размерная электрическая обработка металлов/ Б.А. Артамонов, А.Л. Вишницкий, Ю.С. Волков, А.В. Глазков. Под.ред. А.В. Глазкова. Москва: Высшая школа, 1978.

34. Физико-химические свойства растворов электролитов в широком диапазоне температур и концентраций. Ленинград, И.Н.Максимова,1984г.

35. Каталог «Электрофизические и электрохимические станки», НИИмаш, 1982г.

36. Справочник «Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов» Л.Я. Папилов. М.: Машиностроение, 1982г.

37. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки: Г.Л. Амитан. Под общ. Ред. В.А. Волосатова. — Л.: Машиностроение., 1988-71с.

38. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов, под ред. Л.Я. Попилова. Л.: Машиностроение, 1971г. 544с.

39. Н.К. Фотеев Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980г.

40. Е.М. Левинсон, B.C. Лев Справочное пособие по электротехнологии. Лениздат, 1972г.

41. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Под ред Л.Я. Попилова, изд. 2-е, Л.: Машиностроение, 1971г.

42. Краткий справочник металлиста/ Под общ. Ред. П.Н. Орлова, Е.А. Скороходова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. -960с.:ил.

43. А.И. Левин, А.В. Нечаев Электрохимическая обработка сплавов WC Со переменным асимметричным током. - Электронная обработка материалов, 1971, №1, с. 12 - 15.

44. А.Г. Атанасянц Электрохимическое изготовление деталей атомных реакторов. — М.: Энергоатомиздат, 1987г.

45. Перельман Ф.М., Зворыкин А.Я. «Молибден и вольфрам». М.: Наука, 1968г.

46. Перельман Ф.М., Зворыкин А.Я. «Кобальт и никель». М.: Наука, 1975г.51. «Аналитическая химия вольфрама» А.И. Бусев, В.М. Иванов, Т.А. Соколова. М.: Наука, 1976г.

47. Марченко 3. «Фотометрическое определение элементов». М.: Мир,