автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Электрохимическое микроформообразование на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения

На правах рукописи

ВЕНЕВЦЕВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ МИКРОФОРМООБРАЗОВАНИЕ НА СВЕРХМАЛЫХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАКЕТОВ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 0 ит 2014

Тула 2014

005554003

005554003

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Любимов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: Рахимянов Харис Магсуманович, д-р.техн.наук,

профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технологии машиностроения»

Грачев Олег Евгеньевич, канд.техн.наук, ООО «Технологические системы защитных покрытий» (г. Москва), начальник отдела научно-технических разработок

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» (г. Москва)

Защита диссертации состоится «2» декабря 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 (9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», http://tsu.tula.ru/science/dissertation/diss-212-271-01/уепеусеу-аи/

Автореферат разослан «15» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Микросистемные технологии рассматриваются сегодня как ключевые технологии с экономическим потенциалом, сравнимым с микроэлектроникой.

Преимущества микротехнических изделий очевидны: повышенная функциональная точность, меньшая масса детали или узла, обладающих при этом более высокими эксплуатационными возможностями. Тенденцией последних лет стало увеличение потребности не только в самих деталях, но и в составленных из нескольких таких деталей микрокомпонентах, располагаемых в более крупных деталях и узлах. Это обусловлено массовым переходом на модули, в которых функции нескольких деталей или подсистем не могут осуществляться посредством только одного узла, даже достаточно сложного.

Наибольшее распространение микродетали и микрокомпоненты получили в медицинской и биомолекулярной технике и электронике. Очевидна потребность в подобных деталях в медицине, где от их размеров (и размеров изготовленных из таких деталей приборов, например, кардиостимуляторов) нередко зависят возможность выполнения операций и время выздоровления пациентов. Авиационная промышленность также нуждается в миниатюрном крепеже, фитингах и датчиках, приборах для контроля потока воздуха и жидкости. В автомобилестроении вполне реально использование сверхмалых электродвигателей и исполнительных органов для систем безопасности, обеспечения удобства водителей и т. д. В сложных системах впрыска топлива и их элементах микродетали также находят свое место. При этом точность и качество обработанных изделий стремительно растут, а размеры типовых деталей уменьшаются. Однако оптимальный выбор размеров изделия представляет собой компромисс между возможностями технологии и затратами на его изготовление. Учитывая вышесказанное, возникает острая необходимость в технологическом решении, позволяющем получать высокое качество обработанной поверхности.

Электрохимическое микроформообразование (ЭХМФО) занимает лидирующие позиции во всем объеме получаемых микроизделий. Это связано с рядом неоспоримых преимуществ по сравнению как с традиционными, так и с нетрадиционными методами обработки. Во-первых, форма электрода-инструмента (ЭИ) остается неизменной на протяжении всего процесса обработки. Во-вторых, электрохимическое анодное растворение протекает, не оказывая практически никакого воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали. В-третьих, при ЭХМФО электрод-инструмент не разрушается, что в отличие от электроэрозионной обработки позволяет изготавливать такие электроды минимальных размеров.

На данный момент в технической литературе отсутствуют данные о технологическом обеспечении и технологических режимах, позволяющих проводить электрохимическую микрообработку на межэлектродных зазорах величиной порядка 5 мкм.

В связи с этим обоснование рациональных режимов и разработка технологического обеспечения для осуществления процесса электрохимического микроформообразования на малых и сверхмалых межэлектродных зазорах (МЭЗ) с применением пакетов микросекундных импульсов технологического напряжения для

получения микрополостей с точностью порядка 5 мкм является актуальной научной задачей.

Цель работы

Целью настоящей работы является повышение точности электрохимического микроформообразования с помощью использования сверхмалых межэлектродных зазоров и применения пакетов микросекундных импульсов напряжения.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ получаемых микроизделий и их классификации, а так же возможных конкурентных методов микроформообразования относительно электрохимической обработки.

2. Провести теоретические исследования по обоснованию условий электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения с целью выбора и обоснования рациональных технологических параметров обработки.

3. Разработать технологическое обеспечение, позволяющее осуществлять электрохимическое микроформообразование на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

4. Разработать комплексную методику получения фасонных поверхностей в заготовках и регистрации форм импульсов тока при электрохимическом микроформообразовании на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

5. Провести экспериментальные исследования для определения рациональных технологических режимов электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения, обеспечивающих увеличение точности и уменьшение шероховатости поверхностей элементов в заготовках.

Методы исследования

Теоретические исследования проводились на основе положений теории электрохимической обработки с использованием математического моделирования. Параметры обработки при электрохимическом микроформообразовании рассчитывались с использованием программных продуктов РТС Matlab, Maple и MS Office 2010. При проведении экспериментальных исследований применялась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния процесса газонаполнения и нагрева, а также скважности и длительности импульсов напряжения на плотность тока при электрохимическом микроформообразовании на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

2. Технологическая схема для электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

3. Результаты экспериментальных исследований по получению фасонных поверхностей в металлических заготовках и регистрации форм импульсов тока при электрохимическом микроформообразовании на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

4. Рациональные диапазоны изменения технологических режимов для электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

Научная новизна заключается в обосновании условий осуществления электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения для достижения максимальной точности обработки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору технологических параметров (режимов) для реализации процесса ЭХМФО на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения;

- разработано технологическое обеспечение и создано экспериментальное оборудование для ЭХФМО на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения;

- разработано программное обеспечение для полной автоматизации процесса ЭХМФО на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения;

- на основе разработанной автоматизированной системы для регулирования межэлектродного зазора при электрохимической обработке металлических и полупроводниковых материалов был получен патент на полезную модель;

- отдельные результаты работы использованы в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению 150700 «Машиностроение» (профиль "Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки материалов"): включены в разделы лекционных курсов ряда дисциплин («Технология и методы обработки концентрированными потоками энергии», «Технология физико-химической обработки металлических и неметаллических материалов», «Физико-химические методы микро- и нанообработки»); применяются при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также при проведении научно-исследовательской работы.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования получена зависимость плотности тока от времени, учитывающая влияние процесса газонаполнения и нагрева электролита, длительности переднего фронта импульсов напряжения и временных параметров пакетов микросекундных импульсов напряжения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Современная электротехнология в промышленности России (молодежные инновации)" (Тула, 2010, 2011), региональных научно-технических конференциях "Современная электротехнология в промышленности Центра России" (Тула, 2010-2013), Всероссийской научно-технической конференции "Высокие, критические электро- и нанотехнологии" (Тула, 2011, 2012), X Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (Тула, 2011, 2012), Международной молодежной конференции (ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. М„ 2011,2013).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 1,5 печ.л., авторский вклад 1,3 печ.л.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 104 наименований, 1 приложения; общий объем - 164 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность решаемой задачи, ее практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ получаемых микроизделий и их классификации, а также возможных конкурентных методов микроформообразования по сравнению с электрохимической обработкой. Также рассмотрено современное состояние вопроса о применении ЭХМФО на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения, а также пути повышения точности электрохимического микроформообразования.

Установлено, что микросистемные технологии нашли широкое распространение в медицинской, биомолекулярной, микроэлектронной и авиационной промышленности, в связи с чем существует необходимость в технологическом решении, позволяющем получать микроизделия, размером менее 0,1 мм, с высокой точностью, порядка 1 - 5 мкм, и высоким качеством обработанной поверхности. Существующие классификации микроизделий разделяют такие изделия по различным признакам и не обладают универсальностью. Исходя из этого предложена классификация микроизделий, учитывающая их применяемость, материал и геометрические параметры формообразующих поверхностей и их взаимное расположение.

Определено, что ЭХМФО является наиболее перспективным методом в области изготовления микрообъектов и микроизделий по множеству показателей, таких, как отсутствие износа электрода-инструмента, незначительное влияние на поверхностный слой обрабатываемой поверхности, обеспечение высокой производительности, а также возможность непосредственного управления величиной снимаемого припуска. Также установлено, что в литературе отсутствуют сведения о технологическом обеспечении и рациональных технологических режимах для электрохимического микроформообразовании на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения, позволяющих получать микроизделия с точностью порядка 5-15 мкм.

В результате анализа научно-технической литературы установлено, что для увеличения точности МЭХО необходимо уменьшение величины межэлектродного зазора до 1 - 20 мкм одновременно с ограничением вводимой в МЭЗ энергии за счет использования импульсов напряжения длительностью Тимп = 1...100 мкс и их пакетирования.

Сделан вывод об актуальности исследования технологических процессов, происходящих при электрохимическом микроформообразовании и разработке технологического оснащения для электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследова-

ния.

Во второй главе приведены результаты теоретического исследования электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

Для определения рациональных технологических параметров электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с использованием пакетов микросекундных импульсов напряжения и, в частности, для расчета временных характеристик вводимой энергии в МЭЗ предложено использовать коэффициент локализации Кл, который, в свою очередь, можно описать следующим образом:

к. =-

Е\п( 0Л(0<*

(» _

{ 5

ф,(/)/2(/)<Л

где Е- электрохимический эквивалент для газа; /7(0- зависимость анодного выхода газа по току от времени; /, (г) - функция, описывающая изменение тока в электролизере во времени на меньшем межэлектродном зазоре; /,(г) - функция, описывающая изменение тока в электролизере во времени на большем межэлектродном

зазоре.

гэзо

1&Ч)

иое

Я

£ 1(КЯ>

^ м»

в

р ш

2

Рис. 1. Соотношение площадей импульсов тока:

1 - импульсы тока для 5 = 5 мкм;

2 - импульсы тока для в = 20 мкм

„ _2

К„

Учитывая, что определённый интеграл является площадью части графика функции в пределах интегрирования, можно утверждать, что коэффициент локализации можно найти из соотношения площадей под кривыми функции тока от времени (рис. 1).

В таком случае коэффициент локализации определится как соотношение сумм площадей импульсов тока для двух различных межэлектродных зазоров:

^имп2

В связи с тем, что расчёт площади фигуры для каждого импульса в пакете довольно трудоемкая задача, было предложено для определения коэффициента локализации использовать огибающие кривые по максимумам отдельных импульсов тока (рис. 2).

Тогда для определения коэффициента локализации возможно использовать следующее соотношение:

К„ =

Б2-й2

где и - площади под огибающими кривыми по максимумам импульсов тока в пакете; £>, и 02 - коэффициенты заполнения пакетов импульсами тока.

Обоснована возможность использования точек перегиба огибающих кривых для определения перехода плотности тока в пакете в диапазон установившихся значений ¡уст и соответственно переход электрохимического микроформообразования из области достижения высокой точности I в область высокой производительности II.

Отдельно проанализированы лимитирующие факторы и разработана соответствующая математическая модель ЭХМФО на сверхмалых МЭЗ с применением пакетов микросекундных импульсов напря-

I II

т, Тгюк 1 -

Рис. 2. Определение перехода величины плотности тока в

пакете импульсов в область установившихся значений: I - зона обработки с высокой точностью; II - зона обработки с высокой производительностью; ¿уст - установившееся значение плотности тока в пакете; Т„ — точка перегиба; Тп!и: - длительность пакета импульсов тока в пакете

жения, которая учитывает нагрев и газонаполнение электролита, а также импульс-но-циклический характер энергетического воздействия на электрохимическую ячейку. В результате расчетов получено, что нагрев электролита до температуры кипения в МЭЗ, равном 5 мкм, произойдет за 1,7-10"5 с, в то время как для зазора величиной 50 мкм это время составит 1,7-10"3 с. Особое внимание уделено объемной доле газа в электролите. В частности, рассмотрены вопросы скорости газонаполнения, которая в математических моделях В.В. Любимова и С.Н. Веневцевой принята постоянной, что не соответствует действительности. Это связано с пропорциональной зависимостью скорости газонаполнения электролита от плотности тока, которая, в свою очередь, зависит от межэлекгродного зазора. Выяснено, что максимальное значение скорости наблюдается при МЭЗ = 5 мкм и составляет 167 мм/с, в то время как при МЭЗ = 100 мкм оно равно 30 мм/с. После всех подстановок была получена система уравнений, описывающая зависимость плотности тока от времени с учетом нагрева и газообразования:

í/(t) = U • - е"1*^ ;

í/(t)-f(í)-t T(t) = Т0 +-< 180 С;

¿(0 -1 ■ ки

■Рэ

■Я„

rnt) ■ m ■ i

V Сэ-Рз'Д

е(0 = -

М • Рэ • S

Kt) = *iB[i + /Hr(t))](i-t(t) = -——.

+ Т0 + 273

■ < 0.76;

у У* £

Гпак

В результате расчетов по полученной системе уравнений, описывающей процесс ЭФХМО на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения и с учетом применения импуль-сно-циклических схем обработки, были получены зависимости плотности тока от различных условий, например 1от времени (рис. 3). На основе Рис. 3. Зависимость плотности тока полученных данных были

от времени при 8 = 5 мкм, Э = 30 % определены зависимости уста-

новившегося значения плотности тока в пакете от коэффициента заполнения импульсами напряжения и длительности импульсов для различных межэлектродных зазоров. В результате проведенного математического моделирования изменения плотности тока при электрохимическом микроформообразовании можно установить диапазон рациональных параметров обработки. При этом учитывались не только величина установившейся плотности тока, но и точка перегиба, причем выбор длительности импульсов тока и коэффициента заполнения импульсами напряжения определялась относительно величины установившейся плотности тока. В свою очередь, длительность пакета импульсов определялась исходя из точек перегиба огибающей линии по максимумам импульсов тока для выбранных длительности импульсов тока и коэффициента заполнения импульсами напряжения. Полученные данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ п/п Режимы Показатели

1 МЭЗ, мкм 5- 10 20-50

2 Длительность пакета, мс 40-100 80-160

3 Длительность импульса, мкс 1-10 5-20

4 Коэффициент заполнения импульсами напряжения, % 20-40 30-55

Определено, что для обеспечения наиболее точного электрохимического микроформообразования необходимо использовать МЭЗ величиной менее 5 мкм, Длительность импульсов тока необходимо установить в пределах 1-3 мкм, коэффициент заполнения должен быть не более 30 %, длительность пакетов импульсов тока не должна превышать 50 мкс, после чего необходима промывка межэлектродного зазора для обновления электролита и возвращения к начальным условиям обработки.

Цель третьей главы разработка технологического обеспечения для проведения экспериментальных исследований процесса электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения.

Было показано, что для реализации режимов обработки, определенных в результате математического моделирования, необходимо использовать оборудование, которое позволило бы с высокой точностью позиционировать электрод-инструмент относительно заготовки. С учетом того, что область данного исследования микроэлектрохимической обработки лежит в диапазоне сверхмалых МЭЗ, во внимание принимался тот факт, что общая погрешность перемещений ЭИ должна быть на порядок меньше самого межэлектродного зазора.

Проведенный анализ серийновыпускаемого оборудования позволил сделать вывод о невозможности применения готовых технологических решений. В связи с этим возникла потребность в проектировании, изготовлении и сборке из готовых модулей экспериментальной электрохимической установки, удовлетворяющей всем требованиям для проведения необходимого исследования. Анализ предложений различных компаний, занимающихся реализацией программных позиционеров и линейных трансляторов, позволил выбрать оптимальный вариант ЗГЭ-стола с учетом соотношения цены, точности перемещений и размеров рабочей зоны, которым и является 3-координатный стол «Вариант Г1 (программный)», производства ООО «МП Реабин». Данный 3-координатный ЗО-стол является устройством для высокоточного перемещения шпиндельной головки относительно рабочего стола как вручную (посредством клавиатуры), так и по программе. Работа ЗО-стола осуществляется при подключенном РС-совместимом компьютере и блоке управления БУ-03 через программы управления СЫС, например, МасЬ2, ККАМ4 и пр. Для высокоточного перемещения электрода-инструмента и выставления межэлектродного зазора был выбран моторизованный линейный привод 8МТ30-50 производства компании «Уюоп 81агк1а», гак как характеристики данного устройства полностью удовлетворяют предъявляемым требованиям. В частности приводы серии 8МТ173-ОСЕ поставляются с двигателем постоянного тока, включая энкодер, что позволяет отслеживать положение платформы с точностью до 400 нм. Перемещениями управляет контроллер 8ЭСМСЗ, подключенный к персональному компьютеру. В комплект-привода также входят различные средства для разработки программною обеспечения и кроссплагформенная библиотека для использования встроенных команд и работы с приводом. В результате проведенной работы была разработана система перемещения и позиционирования электрода-инструмента с точностью 400 нм, позволяющая проводить ЭХМФО в мультиплицирующем режиме на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения. Разработаны и изготовлены электрододержатель, электроды-инструменты, рабочая ванна, система подачи электролита в зону обработки. Рабочая область экспериментальной установки составляет 100x200 мм.

Было установлено, что для энергообеспечения электрохимической ячейки с необходимыми характеристиками серийно изготовляемых источников питания не существует, в связи с чем появилась потребность в разработке и изготовлении такого источника. Для этого была разработана система энергообеспечения электрохимической ячейки на основе коммутирующей схемы с использованием полевых М08РЕТ-гранзисгоров, спроектирована и изготовлена печатная плата, проведена отладка оборудования, подобраны необходимые элементы, компоненты и датчики. Функциональная и электрическая схемы разработанного коммутирующего устройства приведены на рис. 4 и 5 соответственно.

3 5

1 !

2 - i

PWM IN+ _TU V

A kDl

Vdd(drv 12B

- Vdd'load; Л 6 50 B

Load * Load -

Рис. 4. Функциональная схема источника импульсов напряжения на основе транзистора, работающего в «ключевом» режиме: 1 - задающий генератор импульсов (пакетов

импульсов); 2 - драйвер транзистора; Рис' 5- Электрическая схема коммутирующего

3 - стабилизированный источник питания устройства на MOSFET-транзисторах:

драйвера; 4 - коммутирующее устройство; С1...С7 - конденсаторы; R1 - резистор; D1 -диод

5 - источник питания нагрузки; Шоттке; D2 - супрессор (TVS диод);

6 - нагрузка (электрохимическая ячейка) Х1 " MOSFET-транзистор; Х2 - драйвер

В результате получено коммутирующее устройство, позволяющее использовать при ЭХМФО импульсы требуемой формы, длительностью от 100 не, амплитудой от 4 до 16 В, с возможностью регулировки коэффициента заполнения импульсами напряжения от 10 до 90 % и частоты следования до 10 МГц. Также в системе энергообеспечения предусмотрен токовый датчик, позволяющий регистрировать форму импульсов тока с точностью до 40 мА и длительностью от 3 мкс. Общий вид экспериментальной автоматизированной электрохимической установки представлен на рис. 6.

2 4 5 12 13 И 15

Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки:

1 - линейный источник питания нагрузки; 2 - линейный источник питания коммутационного

устройства и насоса системы прокачки электролита; 3 - осциллограф; 4 - задающий генератор

импульсов; 5 - коммутирующее устройство; 6 - блок управления высокоточным приводом;

7 - высокоточный привод; 8 - магистраль подачи электролита; 9 - электрододержатель;

10 - электрод-инструмент; 11 - заготовка; 12 - датчик тока; 13 - шланг для слива отработанного электролита; 14 - ЗЭ-стол; 15 - рабочая ванна

Разработаны система синхронизации и автоматического управления (САУ) экспериментальной электрохимической установкой, а также соответствующее про-

граммное обеспечение. Предложена и реализована схема определения «нулевого»

11

межэлектродного зазора с точностью до 2 мкм. Разработанная САУ и программное обеспечение позволяют в широком диапазоне регулировать временные параметры процесса электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения. Так, например, возможно задать длительность одного пакета импульсов напряжения от 100 мс, количество пакетов от 1 шт, частоту следования от 30 МГц. На основе разработанной автоматизированной системы для регулирования межэлектродного зазора при электрохимической обработке металлических и полупроводниковых материалов был получен патент на полезную модель.

Четвертая глава посвящена проведению экспериментальных исследований электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения с целью определения диапазонов рациональных технологических режимов и условий обработки для достижения высоких точностных показателей процесса. Для этого разработана комплексная методика проведения экспериментальных исследований для изучения ЭХМФО на сверхмалых зазорах: б = 1...20 мкм с применением пакетов (Тпак = 100...500 мс) микросекундных импульсов напряжения длительностью Тимп = 0,1 ...100 мкс, включающая в себя методику получения, оцифровки и анализа осциллограмм пакетов импульсов тока, методику электрохимического микроформообразования с последующим анализом точности полостей, методику получения мультиплицированных полостей, регулярных микрорельефов и геометрических элементов в поверхностях заготовок.

В соответствии с разработанной методикой были изготовлены электроды-инструменты с необходимыми геометрическими характеристиками. При этом изготовление ЭИ для регистрации и оцифровки форм импульсов тока проводилось в три этапа: высокоточное точение, получистовое фрезерование боковых граней и получение рабочей части на электроэрозионном проволочно-вырезном станке для формирования необходимой геометрии с заданной шероховатостью (табл. 2).

Таблица 2

№ п/п Параметр Значение

1 Материал ЭИ Л О 70-1 ГОСТ 15527-70

2 Диаметр отверстия для подачи электролита, мм 3

3 Площадь рабочей части, мм" 20

4 Шероховатость рабочей части 11а, мкм 1,5

Заготовки для проведения экспериментальной электрохимической обработки изготавливались из стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72) толщиной 3 мм круглой формы диаметром 50 мм. Обрабатываемые поверхности заготовок подвергались шлифовке шкуркой №200, далее №500, 1000 и 2000. Для снижения шероховатости применялось механическое полирование на фетровом круге с пастой ГОН №2.Измерение шероховатости поверхности электрода-инструмента и заготовок проводилось на профилографе-профилометре Kosaka Lab. Surfcorder SE 1700a-39.

В результате проведенных исследований были получены осциллограммы форм импульсов тока для различных режимов электрохимического микроформообразования. После оцифровки и анализа осциллограмм импульсов тока были получены семейства огибающих кривых для различных условий и режимов обработки, на основе которых были получены коэффициенты локализации. В частности, на рис. 8 приведены зависимости коэффициента локализации от длительности пакета импульсов напряжения для различных межэлектродных зазоров и коэффициентов локализации. С учетом полученных данных были уточнены рациональные режимы электрохимического микроформообразования с использованием пакетов микросекундных импульсов напряжения (табл. 3) для высокоточной обработки, при которой Кл > 3, и точной обработки с приемлемой производительностью, при которой 3> Кл> 2.

Таблица 3

Уточненные режимы ЭХМФО с использованием пакетов _микросекундных импульсов напряжения_

№ Параметр Диапазон значений для МЭЗ, мкм

п/п 5-10 20-50

1 Длительность импульсов напряжения, мкс 1 - 10 20-50

2 Коэффициент заполнения импульсами напряжения, % 20-30 30-50

3 Длительность пакетов импульсов напряжения, мс 300 - 500 150-300

Данные показатели хорошо согласуются с данными, полученными при математическом моделировании процесса электрохимического микроформообразования. С использованием предложенных уточнённых режимов электрохимического микроформообразования были получены фасонные элементы в поверхности заготовок (рис. 9).

Длительность пакета импульсов напряжения, мкс

Рис. В. Зависимость коэффициента локализации для МЭЗ, равного 5 мкм, от длительности пакета импульсов напряжения при различных условях: 1 - Тимп - 1 мкс, О - 20 %; 2 - ТИШ1 - 50 мкс, О -50 %; 3 - Т„мп - 100 мкс, О -80 %

Рис. 9. Фасонные элементы в поверхности заготовки, полученные в мультиплицирующем режиме (МЭЗ 5 мкм, Тимп - 20 мкс, Б - 50 %, Тпак - 500 мс)

Полученные полости наглядно демонстрируют возможности электрохимического микроформообразования на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения. Разработанная методика и установленные рациональные режимы позволяют получать фасонные элементы с точностью до 5 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача по обоснованию рациональных режимов и разработке технологического обеспечения для осуществления процесса электрохимического микроформообразования на малых и сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов технологического напряжения для получения микрополостей с точностью порядка 5 мкм. Полученные в работе данные могут найти применение в медицинской и биомолекулярной технике, электронике и авиапромышленности. Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению 150700 «Машиностроение» (профиль "Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки материалов"): включены в разделы лекционных курсов ряда дисциплин («Технология и методы обработки концентрированными потоками энергии», «Технология физико-химической обработки металлических и неметаллических материалов», «Физико-химические методы микро- и нанообработки»); применяются при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также при проведении научно-исследовательской работы.

1. Проведенный анализ современного состояния микрообработки позволяет определить метод электрохимического микроформообразования как самый пер- 1 спективный в области изготовления микрообъектов и микроизделий по множеству показателей. Определено, что для увеличения точности ЭХМФО необходимо

уменьшение величины межэлектродного зазора до 1 - 20 мкм. Однако в литературе отсутствуют сведения о технологическом обеспечении и рациональных технологических режимах для ЭХМФО на сверхмалых зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения, позволяющих получать микроизделия с точностью порядка 5 — 15 мкм.

2. Предложено описание процесса ЭХМФО на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением пакетов микросекундных импульсов напряжения с помощью огибающих кривых. Обоснована возможность использования точек перегиба огибающих кривых по максимумам импульсов тока в пакетах для определения перехода плотности тока в диапазон установившихся значений. Определено, что использование сверхмалых межэлектродных зазоров накладывает существенные ограничения на количество вводимой в МЭЗ энергии. В частности, при уменьшении МЭЗ с 30 до 1 мкм скорость газонаполнения увеличивается с 58 до 173 мм/с, а скорость нагрева - с 0,2 до 11 °С/мкс. При этом время полного заполнения МЭЗ газом уменьшается с 200 до 50 мкс, а время до закипания электролита уменьшается с 300 до 64 мкс. Исходя из этого определено, что длительность импульсов напряжения должна быть ограничена примерно 100 мкс.

3. Разработано технологическое обеспечение, позволяющее с точностью до 1 мкм устанавливать межэлектродный зазор и использовать импульсы требуемой формы, длительностью от 100 не, амплитудой от 4 до 16 В, с возможностью регулировки коэффициента заполнения от 10 до 90 % и частоты следования до 10 МГц.

4. Разработана комплексная методика проведения экспериментальных исследований для изучения электрохимического микроформообразования на сверхмалых зазорах: б = 1...20 мкм с применением пакетов (Тпак = 100...500 мс) микросекундных импульсов напряжения длительностью Т^ш = 0,1... 100 мкс.

5. Проведены экспериментальные исследования формы пакетов импульсов тока, протекающего в электрохимической ячейке и огибающих кривых импульсов тока, установлены рациональные технологические режимы электрохимического микроформообразования на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением микросекундных импульсов напряжения. Доказано, что для достижения точности обработки Д < 10 мкм необходимо использовать межэлектродные зазоры менее 10 мкм, Т11МЛ в диапазоне 1 — 10 мкс, Тпа11 в диапазоне 300 — 500 мс, В в диапазоне 20 -30%.

6. Разработанное технологическое обеспечение и технологические режимы ЭХМФО позволяют получать мультиплицированные полости и геометрические элементы поверхностей в заготовке, расположенные с различной систематизацией, с точностью копирования микрорельефа рабочей части электрода-инструмента Д до 6 мкм. Это делает возможным применение данного метода обработки при получении микропресс-форм в электронной и авиакосмической промышленности, различных микроизделий, микродатчиков и сенсоров в биомолекулярной и медицинской отраслях промышленности.

)

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях: (. ч

1. Веневцев А.Ю. Экспериментальная установка для электрохимического микроформообразования с применением ультракоротких импульсов напряжения// Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 8. С. 321-326.

2. Веневцев А.Ю. Усовершенствование установки для электрохимической обработки полупроводниковых материалов с применением импульсно-циклических схем // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 8. С. 335 - 341.

3. Любимов В.В., Веневцев А.Ю. Исследование электрохимического получения микро- и нанорельефов в полупроводниковых материалах с применением импульсно-циклических схем // Известия ТулГУ. Технические науки. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 9.4.2. С. 358 - 364.

4. Веневцев А.Ю. Создание экспериментальной электрохимической установки для получения микро- и нанорельефов импульсами наносекундной длительности // Материалы докладов XI Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых «ТЕХНИКА XXI ГЛАЗАМИ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ». Тула: ТулГУ 2012. С. 227-230.

5. Веневцев А.Ю., Веневцева С.Н., Максимов Д.А. Анализ перспектив применения наносекундных импульсов в размерной электрохимической обработке // ХХХУ1Х ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ: научные труды Международной молодежной конференции: в 9 т. Москва, 9-13 апреля 2013 г. М.:МАТИ, 2013. ТЗ. С. 123-125.

Изд.лицЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 03.10.14 Формат бумаги 60x84 '/¡в. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2 Уч. изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ /«£/ Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.