автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Электрохимическая обработка хромоникелевых сплавов микросекундными импульсами тока прямоугольной формы

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Пути повышения точности процесса ЭХО.

1.2. Выводы.

1.3. Цель и задачи исследований.!.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Экспериментальный стенд.

2.2. Разработка электрохимических ячеек.

2.3. Изучение электрических параметров процесса и поляризации электродов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ ОДИНОЧНЫМИ МИКРОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ТОКА.

3.1. Разработка модели процессов нарастания и спада поляризации.

3.2. Экспериментальные исследования процессов нарастания и спада поляризации.

3.3. Разработка методики определения параметров модели межфазной границы.

3.4. Область применимости модели межфазной границы. Обобщенная модель.;.

3.5. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ ИМПУЛЬСОВ ТОКА.

4Л. Поляризация электрода униполярными микросекундными импульсами.

4.2. Разработка методики выбора оптимальных параметров униполярного импульсного тока.

4.3. Применение биполярных импульсов тока в процессах ЭХО.

4.4. Выводы.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА «ПОВЕРХНОСТЬ АНОДА - РАСТВОР ЭЛЕКТРОЛИТА».

5.1. Исследование электрохимического съема материала.

5.2. Разработка методики моделирования движения границы раздела.

5.3. Выводы.

6.ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

6.1. Способ корректировки некруглости колец прядильных машин.

6.2. Корректировка внутренних поверхностей литьевых форм.

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных методов формообразования поверхностей деталей является размерная электрохимическая обработка (ЭХО). Возможности этого способа обработки, такие как: высокое качество поверхности, отсутствие остаточных напряжений в обрабатываемой детали, отсутствие износа электрода-инструмента (ЭИ), обеспечили ему широкое применение в производстве сложно профильных изделий: пресс-форм, штампов и тому подобных деталей. Однако из-за недостаточной точности формообразования данный способ обработки не всегда может быть использован для финишных операций.

Исследования целого ряда авторов: Давыдов А.Д., Филимоненко В.Н., Капустин А.И., Рыбалко A.B., Галанин С.И. и др. показали, что применение микросекундных импульсов токов в процессах электрохимической обработки позволяет повысить её точность за счет высокой степени локализации процесса растворения. Варьируя амплитудно-временными параметрами импульсов, можно получать варианты технологического процесса с различными показателями: точность, производительность, энергопотребление. Это позволяет оптимизировать процессы ЭХО, что весьма привлекательно с практической точки зрения.

Однако в настоящее время отсутствуют методики и средства оперативного расчета параметров импульсов, требуемых для реализации заданных параметров технологического процесса. Поэтому очевидна необходимость проведения дальнейших исследований закономерностей процессов ЭХО микросекундными импульсами тока и разработки методик расчета параметров импульсов, что повысило бы эффективность способа обработки.

Цель настоящей работы - разработка методик расчета технологических параметров процессов ЭХО с высокой степенью локализации микросекундными импульсами тока прямоугольной формы на базе физико-математических моделей межфазной границы «поверхность анода - раствор электролита».

Научная новизна:

1. Предложены новый подход к моделированию границы раздела «материал анода - раствор электролита» и методика определения параметров модели.

2. В аналитическом виде получены нелинейные зависимости параметров модели (т.е. свойств границы раздела) от плотности тока для различных пар «материал анода - электролит».

3. Определено влияние состава некоторых хромоникелевых сплавов анода на динамические свойства границы раздела.

4. На основе экспериментальных данных предложены эмпирические зависимости, связывающие величину линейного съема материала и динамику нарастания и спада анодной поляризации при ЭХО микросекундными импульсами тока.

5. Изучены особенности ЭХО при различных законах движения электрода-инструмента. Показано, что процессы формирования величины установившегося межэлектродного зазора в условиях импульсной ЭХО подчиняются экспоненциальной зависимости от времени. Практическая значимость:

1. Для анодов из различных сплавов получена модель границы раздела «материал анода - раствор электролита», обладающая высокой степенью адекватности.

2. Разработаны методики и средства для расчета амплитудно-временных параметров импульсного тока, которые обеспечивают оптимальное соотношение «производительность-локализация» процесса обработки.

3. Разработан и реализован алгоритм моделирования процесса растворения анодной поверхности, что позволяет наглядно сравнивать процессы ЭХО при варьировании различными технологическими параметрами.

4. Совокупность разработанных методик и средств их реализации позволяет упростить процесс принятия решений при проектировании процессов ЭХО микросекундными импульсами прямоугольной формы и повысить его эффективность.

Основные защищаемые положения:

1. Установленные закономерности анодной поляризации и скоростей растворения анодной поверхности в условиях электрохимической обработки микросекундными импульсами тока прямоугольной формы.

2. Разработанная математическая модель границы раздела «материал анода - раствор электролита» и методика ее получения.

3. Обоснованная и экспериментально подтвержденная возможность управления производительностью и локализацией процесса импульсной ЭХО за счет варьирования амплитудно-временными параметрами импульсов.

4. Методика определения амплитудно-временных параметров уни- и биполярных импульсов тока, требуемых для обеспечения заданных показателей процесса обработки, обуславливаемых формируемой зависимостью «поляризация-время».

5. Решение задачи моделирования движения границы раздела «материал анода - раствор электролита» в условиях ЭХО микросекундными импульсами тока прямоугольной формы.

Реализация результатов исследований. На базе проведенных исследований был разработан способ электрохимической корректировки геометрических размеров деталей типа «кольцо», на который получен патент Российской Федерации №2136460. Разработана, апробирована и внедрена в производство технология электрохимической 8 корректировки внутренних поверхностей литьевых форм. Работа по разработке и внедрению данной технологии выполнялась по заказу и на производственной базе Костромского ООО «Предприятие «ФЭСТ». Как показали испытания, разработанный процесс обеспечивает значительное уменьшение материальных затрат на корректировку внутренних поверхностей литьевых форм при замене существующего механического метода на импульсный электрохимический, что позволяет получить ожидаемый экономический эффект в 36 тыс. руб. в год.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Изучены закономерности анодной поляризации и скоростей растворения анодной поверхности различных хромоникелевых сплавов в растворах нейтральных солей в условиях электрохимической обработки микросекундными импульсами тока прямоугольной формы.

2. Разработана методика получения модели границы раздела «поверхность анода - раствор электролита», рассматривающая исследуемую ЭХ систему как «черный ящик» и, по отклику на типовые входные воздействия, определяющая динамические свойства межфазной границы в виде передаточной функции. На основе данной методики получены модели электрохимического поведения ряда хромоникелевых сплавов в электролитах разного состава и концентраций. Доказана высокая степень адекватности полученных моделей.

3. В аналитическом виде получены нелинейные зависимости параметров модели (т.е. свойств границы раздела) от плотности тока для различных пар «материал анода - раствор электролита», на основе которых построена уточненная модель границы раздела. Адекватность данной модели также доказана. На основе уточненной модели подтверждена возможность управления производительностью и локализацией процесса импульсной ЭХО за счет варьирования амплитудно-временными параметрами импульсов.

4. На основании экспериментальных данных по динамике анодной поляризации, полученных в условиях отсутствия и возникновения ограничений протеканию технологического тока, предложена, обобщенная модель межфазной границы.

5. На основании экспериментальных данных, данных моделирования динамики поляризации и состава исследуемых хромоникелевых сплавов установлено влияние содержания хрома и никеля в сплаве на динамические характеристики нарастания и спада анодной поляризации. Это влияние проявляется следующим образом:

- с ростом содержания хрома в материале анода увеличивается продолжительность спада поляризации;

- с увеличением содержания никеля возрастает величина максимально достигаемой поляризации.

6. Разработаны и реализованы методики для расчета амплитудно-временных параметров импульсного тока, которые обеспечивают оптимальное соотношение «производительность-локализация» процесса обработки.

7. На основе экспериментальных данных выведены эмпирические зависимости, связывающие величину линейного съема материала с динамикой нарастания и спада анодной поляризации.

8. Разработан и реализован алгоритм моделирования процесса растворения анодной поверхности, что позволяет наглядно сравнивать процессы ЭХО при варьировании различными технологическими

160 параметрами.

Результаты проведенных исследований позволили предложить способ корректировки некруглости колец прядильных машин, на который получен Патент РФ. Также разработана технология корректировки внутренних поверхностей литьевых форм, которая внедрена в условиях Костромского ООО «Предприятие «ФЭСТ».

1. Технология электрохимической обработки деталей в авиадвигателестроении/ В.А.Шманев, Б.Г.Филимошин, А.Х Каримов и др. - М. -: Машиностроение, 17986.-168 с.

2. Алтынбаев А.К. Некоторые особенности электрохимического формообразования с помощью импульсного тока // Электрофизические и электрохимические методы обработки, 1974-. №6 -с. 16-19.

3. Алтынбаев А.К. Электрохимическая обработка металлов электрическими импульсами// Электрохимическая размерная обработка металлов. Кишинев: Штиинца, 1974. - с.93-100.

4. Саушкин Б.П. Исследование вопросов точности электрохимического формообразования импульсами тока применительно к обработке деталей авиационных двигателей: Дис. .канд. техн. наук. Кишинев,1975.- 175с.

5. Рыбалко А.В. Исследование закономерностей импульсной электрохимической обработки металлов: Дис. .канд. техн. Наук. -Кишинев, 1981.- 152 с.

6. Основы повышения точности электрохимического формообразования/ Ю.Н. Петров, Г.Н. Корчагин, Г.Н. Зайдман, Б.П.Саушкин. Кишинев: Штииинца,1977. - 152 с.

7. Datta М., Landolt D. Electrochemical machining under pulsed current conditions// Electrochemical Acta, 1981. vol. 26. - №7. - p.899 - 907.

8. П.Геворкян Г.Г., Волков Ю.С. О состояниях и перспективах размерной электрохимической обработки // Электронная обработка материалов, 1989.-№5.-с. 3-6.

9. А.С. 205489 СССР, МКИЗ В23Р 1/04.

10. Вишницкий А.Л. Дрозд Е.Аю, Мирзоев Р.А. Обработка импульсным током в пульсирующем потоке электролита //Новое в электрофизической и электрохимической обработке металлов. Л: Машиностроение, 1972. - с.39.

11. Любимов В.В. Исследование вопросов повышения точностиэлектрохимического формообразования на малых межэлектродных зазорах: Автореф. дис. . .канд. техн. наук. тула, 1973. - 20 с.

12. Дмитриев Л. Б. Технологические основы повышения точности размерной электрохимической обработки: Автореф. дис . .док. техн. наук. Тула, 1975. - 46 с.

13. А.С. 260787 СССР, МКИЗ В23Р 1/04.

14. А.с. 323243 СССР,МКИВ23Р 1/04.

15. Морозов Б.И., Зайдман Г.Н. Формообразование поверхности анода при электрохимической размерной обрабоке вибрирующим катодом// Электронная обработка материалов, 1973. № 4 - .с.17-20.

16. А.с. 670410 СССР, МКИЗ В23Р 1/04.

17. Румянцев Е.М. Анализ схем электрохимического формообразования// Электронная обработка материалов, 1982. №4 - с.5-10.

18. Румянцев Е.М, Бурков В.М., Волков В.И. Некоторые особенности способа электрохимического формообразования с вибрацией электродов //Изв. Вузов. Химия и хим. Технол. 1983. - т.26.-вЗ.-с.960-963.

19. Бурков В.М., Румянцев Е.М, Волков В.И Определение оптимальных гидродинамических условий ЭХО вибрирующим конусным электродом// Изв. вузов. Химия и хим. технол. 1986. - т.29 - в. 10. -с.87-90.

20. Распределение скоростей электролита в МЭЗ при ЭХО импульсным током с вибрацией электрода /Гаврилова Е.Л., Бурков В.М., Волков

21. В.И., Румянцев Е.М.// Химия и хим. технол 1988.-т.31.-в. 11.-е.66-70.

22. Румянцев Е.М.,Давыдов А.Д. Технология электрохимической обработки металлов. М.: Высшая школа, 1984. - 159с.

23. Алтынбаев А.К., Орлов В.Ф. Влияние импульсного тока на параметры процесса ЭХО. М: ГОСИНТИ, 1968. - 18с.

24. Алтынбаев А.К., Орлов В.Ф. Влияние гидродинамического фактора на вольтамперные характеристики при электрохимической обработке с различными источниками питания// Вопросы гидродинамики процесса ЭХРО. Тула, 1963. - с.38-42

25. Алтынбаев А.К., Митяшкин Д.З., Орлов В.Ф. Некоторые особенности ЭХРО металлов на импульсном токе// Новое в электрохимической обработке Кишинев: Штииинца,1972. с.65-67.

26. Седыкин В.Ф., Дмитриев Л.Б. Любимов В.В. Электрохимическая обработка сложных поверхностей на малых межэлектродных зазорах с использованием импульсов тока// Электрохимическая размерная обработка металлов. Кишинев: Штиинца, 1974. - с.73-79.

27. Петрухин Г.М. Технологические особенности электрохимического формообразования в условиях пониженного газовыделения: Дис.канд. техн. наук. -М., 1987. -с.189.

28. Datta М., Landolt D. Electrochemical saw using pulsating voltage// J. of Appl. Electrochem., 1983. v.13 -p.795-802.

29. Kozak J. Ksztaltovanie poverzchni obrobka elektrochemiczna -bezstykova (E. С. M.)// Prace Naukove. Mechanica, 1976. № 41. -Politechnica Warszawa. - Warszawa.

30. Kozak J., Lubcowski K. The basic investigation of characteristic in the pulse electrochemical machining//20 Intern. VTDR. Birmingham. England, 1979.-p. 625-630.

31. Исследование влияния параметров процесса на технологические показатели импульсной электрохимической обработки / Е. Козак, К. Лубковски, JI. Домбровски, М Стечович// VI Международн. Сим. По электрич. методам обработки металлов ISEM-6, 1980. с. 309-314.

32. Саушкин Б.П., Корчагин Г.Н., Кулешов Г.В. О некоторых явлениях в зазоре при электрохимической обработке импульсами тока // Электронная обработка материалов, 1974. №1. - с. 21-23.

33. Петров Ю.Н., Зайдман Г.Н., Саушкин Б.П. Улучшение технологических характеристик процесса при импульсном электрохимическом формообразовании// Электронная обработка материалов, 1976. №5. - с. 8-10.

34. Петров Ю.Н., Зайдман Г.Н., Саушкин Б.П. Особенности формирования погрешностей при ЭХРО импульсным током // Электронная обработка материалов, 1974. №5. - с. 17-20.

35. Петров Ю.Н., Зайдман Г.Н., Саушкин Б.П. Улучшение технологических характеристик при импульсной электрохимической обработке длинномерных деталей// Размерная электрохимическая обработка деталей машин. Часть 2. Тула, 1975. - с. 3-7.

36. Саушкин Б.П. Распределение тока по длине межэлектродного канала при импульсной электрохимической обработке // Электронная обработка материалов, 1975. №3. - с. 14-17.

37. Производительность электрохимической размерной обработки некоторых сталей в хлоридном и нитратном электролитах / А.Г. Атанасянц и др. // Электрофизические и электрохимические методы обработки, 1975. №1.-с.15-18.

38. К вопросу выбора длительности импульса напряжения при электрохимической обработке / В.В. Любимов и др. // Исследования в области электрофизических и электрохимических методов обработки металлов. Тула: ТПИ, 1977. - с. 49-53.

39. Глазков A.B., Вишницкий A.JL, Акопян С.С. Эффект локализации анодного растворения при обработке короткими импульсами тока// Электрофизические и электрохимические методы обработки металлов, 1979.-№6.- с. 10-12.

40. Саушкин Б.П. Шероховатость поверхности при импульсной ЭХРО// Электронная обработка материалов, 1975. №2 - с.21-23.

41. Влияние скорости наложения поляризующего тока на анодное растворение железа в растворе хлорида натрия при высоких плотностях тока/ Ю.Н. Петров и др.// Электронная обработка материалов, 1975. №1. - с.24-27.

42. Clerk С. LAN dolt D. Anodic leveling of model profiles with pulsating current// J. of Appl. Electrochem., 1987. v.17 -p.l 144-1149.

43. Данильченко A.T., Длугач Д.Я. Влияние импульсного тока на технологические характеристики электрохимической обработки// Электрофизические и электрохимические методы обработки, 1977. -№4-с. 1-5.

44. Давыдов А.Д., . Кабанов Б.Н. Особенности анодного растворения сплавов различного состава при электрохимической обработке постоянным и импульсным током// Междунар. симп. по электр. методам обраб. ISEM-6, 1980. с.309-314.

45. Крылов B.C., Давыдов А. Д., Козак Е. Проблемы теории электрохимического формообразования и точности размерной электрохимической обработки// Электрохимия, 1975. т.11. - в.8. -с.1155-1179.

46. Алексеев Г.А., Волков Ю.С., Мороз И.И. Некоторые особенности процесса электрохимического формообразования в импульсном режиме// Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. М.: МДНТП. - матер. Сем. 1975. - с. 63-66.

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

48. Филимоненко В.Н., Капустин А.И. Точность электрохимического формообразования при ЭХО короткими импульсами тока // Электродные процессы и технология электрохимической размерной обработки металлов. Кишинев: Штиица, 1980. -с.89-100.

49. А.С. 891299 СССР, МКИЗ В23Р 1/04.

50. Влияние импульсного режима на точность электрохимической обработки металлов /Т.М. Кузнецова, А.Г.Атанасянц, А.В.Рыбалко, С.И.Галанин // Электрохимия. 1989. XXV. - вып.7. - с.989-991.

51. Применение микро-ЭВМ для обработки электрохимическихисследований / Широбоков И.Б. // Тез. докл. 7 Обл. науч.-техн. конф. По коррозии и защите мет. в невод, и смеш. растворителях, Тамбов., 1991. с.74.

52. Математическое моделирование анодного формообразования острия микропроволоки. / С.В. Пишин, В.В. Исаев, В.В. Бакаев, В.Н. Флеров// Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1991., т.34 №8, -с. 104-107.

53. Компьютерные расчеты кинетических параметров электрохимических процессов с учетом омических потерь в электролите / Рейнгеверц М.Д. // Электрохимия. 1994. -30, №10 . -с. 1280-1283.

54. A fast implicit finite difference algorithm for the digital simulation of electrochemical processes / Rudolf M. // J. Electroanal. Chem. -1991. 314. №1-2. c.13-22.

55. Efficiency of electrochemical kinetic simulation by orthogonal collocation and finite difference methods. / Bieniasz L.K., Britz D. // Acta chem. scand. -1993.-47. c. 757.

56. Computer simulation of structure of the electrochemical double layer / Spohr E. // J.Electoanal. chem. -1998. -450, №2. -c 327-334.

57. First-principles simulations of the electosingle-rule fenceelectrolyte interface / Halley J.W., Mazzolo A., Zhou Y., Price D. // J.Electoanal. chem. -1998. -450, №2. -c 273-280.

58. Рыбалко A.B., Галанин С.И. О повышении точности измерений электрических характеристик межфазной границы металл-электролит импульсным методом // Электронная обработка материалов. 1985.3.-с.85-88.

59. Галанин С.И. Локализация анодного растворения хромоникелевых сплавов в условиях электрохимической обработки импульсами микросекундного диапазона: Дис. . канд. техн. наук. Кишинев, 1991. -189 с.

60. Методы измерения в электрохимии/ по ред. Ю.А.Чизмаджева. Т.1-М: Мир, 1977.-585с.

61. Гончаренко Г.М., Домоховская Л.Ф., Жаков Е.М. Испытательные установки и измерительные устроцства в лабораториях высокого напряжения. -М: МЭИ, 1966. -с. 131-144.

62. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. -М: Энергия, 1972., 524 с.

63. Хемминг Р.В. Численные методы. -М. 1968. зд. «Наука». 400 с.

64. Демидович Б.П., Моран И.А. Основы вычислительной математики. -М., 1970, 664с.

65. Галанин С.И., Рудовский П.Н., Соркин А.П., Жуков O.K., Калинников В. А Способ электрохимической корректировки геометрических размеров деталей типа «кольцо». Патент на изобретение РФ №2136460 от 10.09.99г.

66. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ технологии электрохимической корректировки внутренних поверхностей литьевых форм и импульсного источника питания от 26 мая 2000 года.

67. В результате приёмочных испытаний комиссия установила следующие основные данные.

68. Обрабатывались детали (аноды) из материалов 40X13 и 12X18Н9Т. В качестве электролитов льзовались водные растворы нитрата и хлорида натрия.

69. Испытания показали возможность достижения высокой локализации процесса растворения юобходимых участках обрабатываемой поверхности за счет пропускания импульсов тока деленных амплитудно-временных параметров через различные секции катода-инструмента.

70. Это дает возможность применения данного оборудования и технологии корректировки ренней поверхности литьевых форм^в-~-кйчес?ве альтернативы существующей механической ботки.дседатель комиссии: (Грошев В.А.)1Ы комиссии: 1 (Ярошенко В.В.)

71. Маслов А.Н) (Галанин С.И.) ¿¿^»«^¿^^¿^^ (Калинников В ,А.)1. АКТо внедрении завершенной научно-технической работы в производство

72. Предприятию со стороны КГТУ передана соответствующая документация, технологические ^ендации по обработке, методика расчета амплитудно-временных параметров импульсов алогического тока, обработана опытная партия литьевых форм.

73. ДОГОВОР о сотруничестве г.Кострома 25.04.2000 г.

74. ООО "ФЭСТ" в лице главного инженера Резвова О.Н. , с одной стороны, и Костромской арственный технологический университет в лице проректора по НИР д.т.н., профессора Мельникова Р.В., с другой стороны, заключили настоящий договор о нижеследующем.

75. КГТУ разрабатывает технологию корректировки внутренней поверхности литьевых форм (ом импульсной ЭХО.

76. ООО "ФЭСТ" изготавливает необходимое оборудование и оснастку.

77. ООО "ФЭСТ" обеспечивает опробывание разработанного процесса на своем производстве.