автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование взаимосвязи термокинетических и электрохимических параметров при импульсных режимах обработки титановых сплавов

л*

На правах рукописи

-

МАНДРЫКИНА Ирина Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ТЕРНОКИНЕТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ РЕЖИМАХ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.03.01

"Процессы механической и Физико-технической обработки, станки и инструмент"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж -1998

Работа выполнена на кафедрах "Технология машиностроения" и "Общая химия" Воронежского государственного технического университета.

Научный руководитель:

Научный консультант: Официальные оппоненты:

заслуженный работник высшей школы, доктор технических наук, профессор Смоленцев В. П.

кандидат технических наук, доцант Шалимов Ю. Н.

доктор технических наук, профессор Саушкин Б. П.,

кандидат технических наук. Сухорукое Н. В.

Ведущее предприятие:

Научно-исследовательский институт "Автоматизированные системы производства и контроля" (г. Воронеж)

Защита диссертации состоится 16 декабря 1998 г. в •/ ^ часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 063.81.06 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026 Воронеж, Московский проспект, 14.

С дисертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "" ноября 1998 г.

Учёный секретарь /1

диссертационного совета Болдырев А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту а льност о темы. Использование титана в конструктивных элементах авиационной и ракетной техники получило весьма широкое распространение в связи с целым рядом уникальных физико-механических и физико-химических свойств титановых сплавов. Однако большая трудоёмкость процесса механической обработки титана требует создания новых технологических способов с высокой эффективностью обработки.

Существующие методы обработки титановых сплавов, несмотря на большое разнообразие, ограничены в применении по ряду причин. Например, традиционные механические способы требуют дорогого износостойкого инструмента и довольно значительных энергозатрат на их осуществление. Применение специальных видов обработки с использованием ультразвукового, светолучевого и лазерного воздействия также сопряжено с большими капитальными и эксплуатационными затратами. Альтернативой перечисленных способов является электрохимическая размерная обработка титановых сплавов, позволяющая осуществлять экономически выгодный технологический процесс с относительно небольшими энергозатратами.

Специфическое поведение титана при его анодной обработке ставит перед исследователями целый ряд проблем. Известна высокая склонность титановых сплавов к пассивации и образованию в дальнейшем устойчивой окисной плёнки, для пробоя которой необходимо использовать источники высоких напряжений. После ее пробоя необходимо снизить напряжение на электродах до уровня, обеспечивающего устойчивый анодный процесс. Обработка титана вследствие указанных причин становится неустойчивой, система может перейти в автоколебательный режим с положительным коэффициентом обратной связи.

В последнее время появились сообщения об аномальных изменениях

температуры электролита в зоне электрохимической реакции и влиянии этих изменений на кинетику электродных процессов. Поэтому установление причин возникновения температурных эффектов, а также выявление взаимосвязи величины этих эффектов с технологическими параметрами процесса является, несомненно, актуальной задачей исследований, так как температура электролита в зоне реакций является одним из главных факторов, который определяет скорость электрохимического процесса. Лучших условий стабилизации процесса можно достичь, используя импульсные режимы обработки. Они создают предпосылки для стабилизации условий в межэлектродном зазоре (МЭЗ) и реализации системы управления процессом обработки титана с более устойчивыми характеристиками регулирования. Поэтому актуальным является изучение взаимосвязи кинетических параметров процесса (скорость съёма металла, скорость протока электролита и его

температура) с режимами импульсного тока (длительность импульса, частота следования, скважность). Варьируя параметрами импульсного тока, можно обеспечить: 1) улучшение качества обрабатываемых изделий, 2) повышение скорости съёма металла, 3) снижение неравномерности съёма металла по длине зазора, 4) повышение степени локализации анодного процесса. В связи с этим необходим поиск путей совершенствования новых технологических процессов с использованием импульсных режимов питания электродов.

С учётом этого в диссертации проанализированы различные аспекты взаимосвязи температуры и теплового эффекта на электродах с режимами анодного растворения (плотностью тока, скоростью протока электролита и его химическим составом, параметрами импульсного тока).

Работа выполнялась на кафедрах "Технология машиностроения" и "Общая химия" Воронежского государственного технического университета по координационным планам ГК по высшему образованию на 1995-2000 гг., межвузовской научно-технической программе "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" и научному направлению Научно-технического совета Комитета по высшей школе "Химия, химические технологии и химическое машиностроение".

Цел ь ю работы является повышение эффективности процессов формообразования деталей из титановых сплавов за счёт оптимизации режимов и выбора рациональных путей управления процес-• сами анодной обработки.

ЗаЗачи исследований:

1) исследование влияния электродных тепловых эффектов на кинетику электрохимической размерной обработки титановых сплавов;

2) исследование взаимосвязи технологических параметров с величинами и знаками термокинетических эффектов и оценка истинных скоростей электродных процессов с учётом реальных температур;

3) раскрытие особенностей механизма анодного растворения титановых сплавов в условиях взаимодействия тепловых и электрических полей при импульсных режимах обработки с целью создания систем управления процессом;

4) математическое описание процесса анодного растворения в условиях взаимодействия тепловых и электрических полей при импульсных режимах обработки на основании исследованных механизмов электрохимических реакций;

5) формирование исходных условий для проектирования новых приёмов электрохимической размерной обработки с учётом математической модели, разработанной на основании экспериментальных данных.

Научная н о в и з н а.

Определён механизм и природа термокинетических эффектов.

возникающих на электродах при электрохимической размерной обработке титановых сплавов. В отличие от существующих предложенная - методика"расчета величины "поверхностной температуры электрода позволяет оценить истинную температуру и кинетические параметры электрохимических реакций (скорость обработки, выход по току металла ИТ. д. ) .

Впервые показано, что термокинетические эффекты являются следствием протекающих в приэлектродном пространстве химических реакций гидратации, дегидратации, молизации газов, теплот образования веществ или их разложения и не могут быть объяснены лишь электрической природой их возникновения (джоулевы потери, эффекты Пельте, Томсона и т.д.

Установлено, что перераспределение энергии тепловыделения за счёт различных механизмов её образования зависит не только от природы электролита, но в значительной мере определяется кинетикой электрохимического процесса.

На основании кинетических исследований и установления взаимосвязи между кинетическими параметрами и эффектами тепловыделения предложена физическая модель взаимодействия тепловых и электрических полей при ЗХРО титановых сплавов.

Разработана математическая модель, описывающая зависимость величины термокинстических зффектов от параметров технологического процесса и позволяющая с достаточно хорошей точностью определить величину Дт при любых условиях протекания электрохимического процесса.

Установлена взаимосвязь электрических параметров с механизмом анодного растворения титановых сплавов, на основании которой определены критерии выбора частот следования импульсов и их скважности.

Практическая ценность.

Использование данных установленного механизма формообразования поверхности в импульсном режиме при ЗХРО и данных о влиянии состава металла, размера МЭЗ, концентрации электролита, скорости протока электролита с последующим обоснованием технологических параметров и выбором частоты следования импульсов, плотности тока и скважности позволило предложить режимы обработки. Разработана технология, позволяющая вести интенсивную электрохимическую размерную обработку деталей из титановых сплавов с повышенной точностью и лучшим качеством обрабатываемой поверхности.

На основании результатов исследований взаимосвязи термокинетических эффектов с электрохимическими параметрами импульсов тока и качеством обработки предложена двухконтурная система оптимизации процесса ЗХРО титановых сплавов, отличающаяся от ранее описанных схем большей устойчивостью и надёжностью в работе.

Предложенные технологические режимы апробированы в производственных условиях в Научно-исследовательском институте "Авто-

матизированные системы производства и контроля" (г. Воронеж)и на основании полученных в производстве показателей представлен акт промышленных испытаний опытной партии деталей.

Достоверность научных положений диссертации, эффективность разработанной технологии обработки изделий из титана подтверждены публикацией в открытой печати и её практическим использованием в учебном процессе и в производстве. Применение рекомендуемых режимов способствует уменьшению шероховатости поверхности на 70 %, что позволяет разработанную технологию рекомендовать для дальнейшего совершенствования технологических процессов электрохимической обработки титана. Это подтверждается результатами обсуждений на научных конференциях (Рязань, Луганск ), выступлениями на научно-технических конференциях ВГТУ и публикациями статей в центральной печати. Результаты исследований использованы в учебном процессе ВГТУ (каф. самолетостроения) и применены при разработке новых процессов на предприятии (в Научно-исследовательском институте "Автоматизированные системы производства и контроля", г. Воронеж). Технология апробирована на указанном предприятии при изготовлении опытной партии деталей.

Автор защищает:

1) установленную взаимосвязь величины теплового эффекта на электродах с режимами анодного растворения титана (так как поверхностная температура электрода определяется прежде всего плотностью анодного тока и зависит от скорости протока электролита; величина термокинетического эффекта зависит от природы электролита; температура на электродах обусловлена характером протекающих электрохимических процессов на электродах);

2) механизм возникновения эффектов тепловыделения на электродах при электрохимическом формообразовании и паритеты определённых тепловых процессов при различных электрохимических реакциях;

3) методику моделирования процессов взаимодействия тепловых и электрических полей, отличающуюся от предлагаемых ранее тем, что эффект взаимодействия определяется через реальные технологические параметры (1, Т, 0, Р, X );

4) методику расчёта оптимальных электрических параметров импульсов при заданном качестве обработки деталей из титановых сплавов;

5) системы оптимизации двухконтурного типа, построенные на основании результатов исследований взаимосвязей ДТ = ГЦ, О, Р), отличающихся большей устойчивостью и лучшими характеристиками регулирования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Региональном межвузовском семинаре "Процессы теплообмена в энергомашиностроении" (Воронеж, 1995; 1996), на Межвузовской научно-практической конференции "Автомати-

зация проектирования и производства изделий в машиностроении" (Луганск, 1956), на 23-й Всероссийской молодёжной научной конференции" "Гагар^Гскии чтения" (Москва, .1997), на Международной научно-технической конференции "К. Э. Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика" (Рязань, 1997), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (Воронеж, 1996-1998).

Публикации. Но результатам исследований опубликовано 17 печатных работ. Из них 11 публикаций в виде статей и 6 тезисов выступлений на конференциях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений; содержит 208 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка, 18 таблиц и 8 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность выбранного направления исследований, дана общая характеристика работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор и анализ опубликованных работ, касающихся анодной электрохимической размерной обработки титана и его сплавов, проанализированы явления, сопровождающие процесс электрохимического растворения, определены особенности, присущие титановым сплавам при первичном распределении тока на аноде и при дальнейшем протекании технологического процесса. Конкретизированы направления поиска путей улучшения основных технологических показателей процесса формообразования - точности, производительности и качества обработки поверхности, позволившие сформулировать задачи аналитического обзора.

При экспериментальном и теоретическом изучении процесса влияния температуры, которая создаётся непосредственно в зоне реакции МЭЗ, на скорость, качество и точность электрохимической размерной обработки установлено, что в основном температура определяет изменение всех технологических показателей, т. к. остальные параметры могут быть застабилизированными. Необходимо отметить, что такие факторы, как природа электролита, наличие поверхностно-активных веществ, характер протекающих на электродах реакций, продолжительность действия тока, электропроводность раствора, плотность тока, в значительной мере влияют на величину и знак температурных эффектов. Изучение природы температурных эффектов и изменения значения температуры электролита в межэлектродном пространстве позволяет избежать нестабильности и непредсказуемости протекания процесса. Основной целью рассмотренных работ было определение, как правило, одного отдельного фактора, влияющего на изменение температуры, и упускались другие немаловажные причины.

которые необходимо учитывать при проектировании процесса обработки деталей с заданными технологическими показателями точности и качества обработки поверхности.

В публикациях, посвящённых импульсной обработке титана и его сплавов, можно отметить следующее: применением импульсного тока при электрохимической обработке, при оптимальных параметрах достигается десятикратное увеличение точности обработки поверхностей по сравнению с результатами, полученными с применением постоянного тока. В первом случае этому способствует создание активных участков растворения в зонах, наиболее благоприятных для обработки титановых сплавов. Здесь преобладает ряд технологических преимуществ, которые присущи только импульсной электрохимической обработке исследуемого металла: релаксация свойств электролита в паузе между рабочими импульсами, возможность поддержания на аноде значения положительной составляющей поляризующего тока, где сохраняется активированное состояние поверхности, при этом не успевают развиться диффузионные ограничения (при малых длительностях импульса).

Анализ публикаций и патентной литературы выявил большое количество составов электролитов, применяемых для ЗХРО металла. Анализ химического состава с точки зрения возможных химических и электрохимических процессов на электродах при рассмотрении такой важной характеристики, как скорость обработки, позволил выделить 3 основные группы электролитов: 1) электролиты с большими скоростями обработки, имеющие высокую электропроводность; 2) электролиты с малыми скоростями обработки, с низкой электропроводностью; 3) электролиты со средними значениями скорости обработки. Выбор вводимых компонентов основывается на влиянии химического состава электролита на производительность, энергоёмкость процесса, а также на показатели качества обрабатываемой поверхности.

Вторая глава содержит общую методику исследований, сведения о разработке необходимой экспериментальной базы для исследований, а также методики обработки и анализа экспериментальных данных.

При разработке методики эксперимента учитывались составы рабочих сред и марки обрабатываемых сплавов с позиций особенностей электрохимического поведения этих материалов (отличающихся химическим составом компонентов) в электролитах, преимущественно с электрохимическим контролем процесса.

1) Поскольку в задачу исследований входили такие разделы эксперимента, как определение эффектоз тепловыделения на электродах при различных электрохимических режимах обработки, то нами была сконструирована установка для электротермографических исследований, позволяющая измерять разность температур на входе и выходе электролитической ячейки и температуру непосредственно на поверхности электрода с фиксацией измеряемых параметров с помощью

электронного потенциометра или осциллографа.

2) Для определения электрохимических параметров___ анодного_____________

" растворения "~тйта!ш"в~ус~лоЪ'ях, приближённых к производственным,

сконструирована электрохимическая ячейка с автоматическим поддержанием заданной величины зазора, позволяющая использовать полученные результаты непосредственно в реальных технологических процессах.

3) Так как общий тепловой баланс электрохимической системы складывается из целого ряда тепловых эффектов (эффекты образования или разрушения определенных веществ), а также тепловыделения за счбт образования на электродах газов-теплоносителей, для определения теплового баланса электролитической ячейки сконструирован расходомер газа, измерительная схема которого позволяет фиксировать температуру газа и его объём.

4) Поскольку титан является сильным геттером водорода, при его обработке происходит довольно интенсивное наводораживание, количественная оценка которого даёт возможность уточнить различные стадии электрохимического процесса. Для определения остаточного содержания водорода использовалась установка вакуумной экстракции, с применением азотной ловушки, позволяющей значительно повы-'сить точность измерений.

5) Для регулирования скорости протока электролита в широком интервале измерения значений сконструирована и изготовлена пнев-могидравлическая система прокачки с плавной регулировкой рабочего давления редукционным клапа-юм, позволяющая изменять скорость протока в пределах 0,1-10 м/с с точностью ±5 % от заданной величины и обеспечивающая многократное использование электролита в замкнутой системе оборота.

6) Кинетические методы исследования процессов анодного растворения титана в значительной мере расширяют свои возможности при использовании импульсных режимов питания электродных систем. В этом случае удаётся не только определить характер контролируемой стадии процесса, но и дать количественную оценку определенным параметрам ( например, величина предельного тока, скорость изменения потенциала и т. д.), поэтому была разработана установка импульсного тока для формирования П-образных, /\/\-треугольных и -/|-пилообразных импульсов с мгновенной мощностью импульса 10 Вт и частотой следования от 1 до 500 Гц.

7) Определение качества обрабатываемой поверхности деталей из титановых сплавов является одной из важнейших характеристик процесса. В то же время интегральная оценка качества поверхности не учитывает особенностей токораспределения по поверхности электрода, поэтому нами была проведена модернизация промышленной установки, позволяющая наблюдать визуально профиль обработанной поверхности на экране осциллографа.

8) Для выяснения особенностей механизма растворения титана

в области активного и пассивного состояния и изучения кинетики переходных процессов сконструирована установка для снятия потен-циодинамических кривых с электромеханической развёрткой в диапазоне скорости развёртки от 0,01 до 30 В/с.

Третья глава содержит сведения теоретических исследований процесса электрохимической размерной обработки титановых сплавов в импульсных режимах обработки. Процесс обработки представляет собой функционально зависимое взаимодействие трёх главных факторов: тепловые поля, физико-механическое воздействие и электрические поля. Учет требований, предъявляемых к точности изготовления деталей и особенностям технологии анодного растворения титановых сплавов, позволил провести оценку влияния данных факторов на технологический процесс и выбрать из возможных вариантов наиболее значимые.

Математическая модель анодной обработки представляется с учётом всего сказанного уравнением сП X о / (П сЦ йь 1 -»

- =—— Г -ТН, X, V,, ) -К— + ч,— + ш,— - — %(Пу Е ,). -Ь.

с11 р(Т) " ^ йх (Зу р(Т) 1

X

где - -- V2 ■ Т( ¡, 1, Ч„) - перенос тепла за счёт теплопроводности;

р(Т)

/ (И (11 (31 ч

(о^—— + Шу—— + ыг—— J- конвективная составляющая.

В выражении для конвективной составляющей компонентами значений для направлений X и У можно пренебречь, т. к. в направлении 2. массоперенос осуществляется в объёмах, значительно превышающих таковой в направлении (X, У), т.е. принять в качестве условия неравенство

сП , (И (И х

(Л,- » Шх— , ц,- .

■ йг 1 дх ^ сЗу >

В выражении для химической составляющей

плотность должна входить как температурозависимая от технологических параметров величина

1 г

->

где ,3, = ииД1+ д) - плотность потока массы за счёт молекулярного и конвективного переноса. Так как пик температуры смеси изменяет свое значение вследствие тепловых эффектов на электродах, то согласно эффекту Соре нарушается порядок перемещения составля-

ющих электролит компонентов, и это приводит к изменению кинетики электродных процессов.

В конечном итоге уравнение теплового баланса импульса энергии примет вид

Температура электрода определяется как Тал.да = Тзл_та ЛТ:

1

ЛТ =--,

а + Упр-и

где ДТ - величина температурного перепада между Тэ л _ д а - ТЭЛ_та; а - определяемый коэффициент по номограммам; Чар - скорость протока, м'с; ь - плотность тока. Л/см'.

При электрохимической обработке титановых сплавов используют высокие плотности глодного тока, применение которых сопровождается бурным газовыделекием водорода на катоде и кислорода на аноде, что вынуждает разрабатывать дополнительные меры по контролю газонаполнения МЭЗ, который может привести к нестабильности технологического процесса. Взаимосвязь водородного перенапряжения 'Лиг с

плотностью тока определяется по уравнению Тафеля выражением

Г|,,2= а + Ь ; или 1 = к ехр (п/Ь), где а, Ь и к - конс/тглты [к = ехр(-а/Ь)].

Разработанный метод гозволил выявить основные причины, приводящие к нестабильности г.роцесса, поэтому при изготовлении катода-инструмент;! необходимо учитывать этот фактор и подбирать оптимальные режимы токонесущих поверхностей.

Предполагаемые механизмы тепловыделения на электродах подтвердились исследованием зависимостей ДТ = Ша, Упр). Расчёт общего теплового эффекта проводим как сумму отдельных стадий, реакций и эффектов (рис. 1):

а о 3 'Зиол + От. Л« + °ГИДР + Одегияр + Оокс + От + 0ц + О».

ГД° Оиол ~ теплоты молизации, определяемые количеством тепла, выделяющегося при сбразовании водорода на катоде и кислорода на аноде; 0т.лж ~ джэулевы потери в МЭЗ, энергия дессипа-ции; йГИЛр - теплота гидратации ионов металла при переходе в гидооксиды; 0,,„г»лэ - теплота дегидратации разряжающихся на катоде ионов; 0„кс - теплота образования оксидов в процессе перехода металла в пассивное состояние; О, - эффект Томсона; О,, - теплота Пельтье; Од - эффект Зеебека.

Теплообразующие эектрохимического процесса размерной обработки титана и его сплавов

_ 1

т

е

п

л

о

Г)

б

Р н

а а

3

У а

ю н

Щ о

и Я

е е

п

Р

о

Ц

1!

С

С

ы

Теплота разрушения кристаллическом решётки металла

Теплота молиза-ции кислорода

Теплоты гидратации ионов металла

Теплоты образования оксидов

Теплота хемо-сорбции

- Эффект Пельтье

Т

е

п

л

о

п

б

Р в

а

3 М

У Э

и 3

Щ

и

е

п

Р

0

Ц

е

с

с

ы

Потери, связан ные с изменением газонаполнения в МЭЗ

Дасоулевы потери

'Г

е

а

л

о

о

б

Р Н

а а

3

У к

и а

Щ т

к о

е Д

е

п

I' о

И

1!

С

С

Ы

Теплоты восстановления ионов гидро-ксония

Теплота мо-лизации водорода

Теплота хе-мосорбции

Теплоты дегидратации

.Эффект Зеебека

Рис. 1. Теплообразующие процессы при ЭХРО титана

Расчёт реальных температурных полей, возникающих в МЭЗ, с принятым равномерным законом распределения тока по площади электрода для любого элементарного объёма определяли с учётом закона Фурье

сП

Ч = р -Ср о^ 4 - X

(1х

1

йх

Чх КОНВ. = Р'Ср"°\( 'Ч

- плотность теплового потока, входящего в элементар-

- плотность теплово-

КОН Е .

где чх те

ный объём за счёт теплопроводности; го потока, входящего в элементарный объём за счёт конвективного переноса тепла вдоль оси X; р - плотность среды; Ср - удельная теплоёмкость; ц, - скорость конвективного потока.

Расчёт позволил установить прямую зависимость температуры от тока, а общее количество теплоты записать: Чх = Ч:< тепл. + Чхкон в.

Определение температурного поля в межэлектродном пространстве в условиях проточного электролита с учётом некоторых ограничений

и

позволяет представить баланс теплоты для рассматриваемого объема в виде уравнения

--------------------------------------------(Ю! + (Шг = (Ш3,----------------------------------------------

где сЮ, - разность между входящим и выходящим из элементарного объема теплоты, сЮг - внутреннее тепловыделение; сЮ3 - изменение энтальпии в элементарном объёме. Разность теплзт на входе и выходе из элементарного объёма электролита

СК^ - сЩх + сИу КЮ;, = -I- + —— + -6Х.

йх йу йг '

Знание реальных температурных полей позволяет избежать нестабильности процесса, связанного с пробоем МЭЗ или "фазовым запиранием". Возникновение термокинетической неустойчивости вызвано повышением температуря в мэжэлектродном зазоре, что приводит к "вскипанию" электролита и пробою.

Рассмотрены вопросы изменения кислотности рабочей среды. С учётом производительности, ■ выхода по току и повышения качества обрабатываемой поверхности необходимо, чтобы в электролите всегда поддерживалось опредоионное значение кислотности электролита, которая определялась с учётом всех заданных технологических пара-

РН0

метров по формуле; рН5=------ехр grad [ОН].

Оел. имп Умэз

Р 22,4

Обеспечение оптимальны?: режимов обработки достигается импульсными режимами подачи напряжения на ячейку. При определении длительности импульсов тока придерживались правила: короткий импульс тока должен обеспечивать локализацию тока на обрабатываемом электроде, но при этом не должно возникать электрического пробоя электролита в зазоре. Это позволяет снизить температурные градиенты в зоне реакции и повысить градиент электрического поля за счёт увеличения тока в импульсе.

н п =ЕП 0 с т О, где С1 - скважность импульсов тока.

При выборе оптимальной частоты следования должно выполняться

условие (условие полного обмена электролита по длине качала)

У„

п г 1 шах

р < "Р

' тяу *

'канал

Разработанные и математически доказанные параметры задавае-

мых процессов обработки с учётом влияния температурных полей, позволяют снизить затраты на обеспечение проведения технологического процесса, повысить эффективность обработки, при этом иметь полную картину каждой составляющей стадии протекания анодной электрохимической обработки титановых сплавов.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований электрохимической размерной обработки титановых сплавов с применением разной скорости протока электролита (от О до 6,6 м/с), различного химического состава электролита и при подаче определённого напряжения на ячейку. Полученные результаты исследований подтвердили теоретически установленные закономерности влияния термокинетических и электрохимических параметров, непосредственно связанных с тепловыми эффектам в ЮЗ, на кинетику анодного растворения исследуемых сплавов титана и показали их удовлетворительную сходимость с расчётными значениями. Это позволило рекомендовать предлагаемый метод для разработки новых режимов подачи мощности на станок при обработке корпусных деталей.

Выявлено влияние параметров импульсного тока при различных вариантах их комбинаций. На рис. 2 приведены зависимости изменения потенциала электрода и диаграммы токов, на которых видно, что интегральная плотность тока остаётся постоянной, независимо от остальных параметров (т^ип, • и практически не наблюдает-

ся спада тока при высокой его локализации на поверхности электрода, что подтверждается осциллограммами токов и напряжений (в). Анализ поляризационных кривых позволил оценить кинетические параметры анодного растворения, а именно, скорость растворения и показатели качества поверхности обработанной детали. Увеличение скважности импульсов уменьшает коэффициент шероховатости поверхности металла, но здесь необходимо указать, что использование "жёстких" режимов обработки титановых сплавов ограничено определённым значением напряжения пробоя электролита и при применении импульсных режимов питания электродов следует соблюдать границы 0 от 2 до 10. Верхний предел скважности импульсов определяется собственным временем релаксации иона

0,553 „

Хр = - • 10 С. при ЭТОМ Хц > Хр + "Сраз. ,

р

Езл

Ш

□

Т , МГТС

к

6)

/V

в)

гт

X, шсс

Рис. 2. Осциллограммы поляризации электродов прямоугольными импульсами, частота следования 500 Гц, Т=2 мкс: а - х^ =100 мкс, 0=2. Л=100 А/см2;, б - С„ = 400 мкс, 0=5, Л =100 А/см2; в - -С„=200 мк< 0=10, Л=100 А/см"

где с - концентрация в г-ион/л для данного компонента электролита.

Определение шероховатости обработанной поверхности показало, что коэффициент шероховатости снижается на 70 % в отличие от обработки постоянным током.

Пятая глава содержит описание математической модели определения эффектов тепловыделения на электродах аналитическим методом по задаваемым технологическим параметрам процесса (Лт, С1, У„р). В качестве зависимостей лля математического описания приняты графики функций Т=Г(Л, УПП). Наиболее близкой по геометрическому подобию функций являются кривые, описываемые уравнением общего вида

1

у =--.

а + Ь-х

При замене параметра X на значение плотности тока, а параметра Ь - на скорость протока общий вид уравнения определится как

1

Т » - .

а + Упр-1а

Семейство кривых, полученных для разных составов электролита, будут разл!'чаться крутизной характеристики <р(Т) при разных ско-

ростях протока электролита Ч2, зависеть как от скорости протока, электролита.

У3, при этом сП'/сИ будет так и от химического состава

2

Т

Из анализа зависимостей угловых функций от скорости протока установлено, что линейное изменение имеет <Г= ф (Упр/. Поэтому он может быть использован для аппроксимации любого значения промежуточных скоростей протока.

Основным преимуществом разработанной модели является чётко выраженная взаимосвязь величины температуры на электроде от технологических параметров процесса. Определение называемых значений температуры осуществляется методом линейной аппроксимации, т.к. зависимость а=ГОа) носит линейный характер.

При разработке оптимальных режимов процесса анодного растворения титановых сплавов определены граничные области параметров импульсного тока, например, скважность импульсов (3 выбирается по двум критериям. Минимальное значение 0 определяется условием полной замены состава электролита в канале обработки из соотношения

п ^ып + ^ауз _ ^пр Ц = - И г =

^-иип ^канал

при Ц = 2 обеспечивается полная замена электролита.

Верхний предел скважности определяется из соотношения

^ ^ ^рвлак

В работе приводятся структурно-функциональные схемы, определяющие взаимосвязь разрабатываемой технологии с фундаментальными науками.

Для системы управления процессом разработана двухконтурная система выбора корректирующих параметров, позволяющая осуществлять регулирование технологическим процессом с изменяющимся коэффициентом обратной связи в зависимости от величины отклонения регулируемого параметра.

Приводится описание линии оптимизации отработанного электролита с выходом готового продукта для использования в смежных производствах.

Выводы по работе

1. Установлены закономерности влияния теплового эффекта на электродах на кинетику анодного растворения титановых сплавов от природы электролита и режима анодной обработки, при этом наиболее существенное влияние на величину теплового эффекта оказывает не только плотность анодного тока, но и режим подачи напряжения в МЗЗ.

2. Установлено, что взаимосвязь величины и знаков теромоки-нетических эффектов с технологическими параметрами анодной обра-

ботки титановых сплавов определяется характером химических и электрохимических процессов, протекающих на электродах.

-------------3выявленная - взаимосвязь природы термокинетических эффек---------------

тов с технологическими режимами электрохимических процессов даст возможное! э оцени-л их величину и вклад в общий тепловой баланс электродной системы, что, в свою очередь, дает возможность определить нст1нную температуру на электроде и рассчитать аналитически реальные скорости электрохимических реакций.

4. Установлено, что эффект тепловыделения зависит от природы электролита, величины поляризующего тока, на основании этой зависимости определен механизм протекания анодных реакций, а раскрытие этого механизма дает возможность осуществить выбор оптимального химического состава электролита и режимов анодной обработки.

5. На основании установленных закономерностей изменения величины тепловых эффектов в зависимости от технологических параметров ¡анодной обработки и природы электролита предложена классификация энергетических эффектов химических и электрохимических реакций, на основании систематизации производится оценка их вклада в осуществление любого электрохимического процесса.

6. Установлено, что величину вводимой мощности в МЭЗ можно контролировать, варьируя величиной температурного эффекта, что способствует повыие-нию плотности тока примерно б 1,5 раза, введением бромидов, снижающих температурный эффект на аноде, или регулируя скоростью протока электролита.

7. Установлено, что при экзотермических реакциях вектор теплового поля направлен встречно электрическому, в результате чего снижается скорость электрохимической реакции, что в конечном итоге позволяет определить пути интенсификации процесса.

8. Исследованное совместное влияние температурных и электрических полей на кинетику электрохимических реакций явилось основанием для разработки математической модели взаимодействия теплового и электрического поля, которая обеспечивает решение задач оптимизации технологических процессов анодной обработки титановых сплавов

9. Проведенные эксперименты и выявленные закономерности составили основание для разработки методики выбора параметров импульсного тока. Методика дает возможность вести расчёт частоты

следования и длительности импульса при заданном значении тска в импульсе.

10. Для полной стабилизации (полный обмен электролита в зоне МЭЗ, fm,iX ; Vnp/i3.13(,pa) длительность импульса следует выбирать исходя из максимальной плотности тока, например, при увеличении

плотности тока в 5 раз х„мп составляет 1 /ГСЛ0д. Значения f и t могут корректироваться в зависимости от геометрических размеров обрабатываемой детали (определяется шах длиной канала зазора).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Мандрыкина И. М., Шалимов Ю.Н. Исследование температурных эффектов в электрохимических преобразователях //Процессы теплообмена в энергомашиностроении: Тез. докл. Регион, межвуз. семин. -Воронеж, 1995,- С. 74.

2. Шалимов Ю. Н., Лагунов В. С., Мандрыкина И. М. Автоматизированная установка для комплексных исследований физико-химических свойств электролитов// Техника машиностроения, - 1996. -N 3.- С. 35-37.

3. Мандрыкина И. М., Шалимов Ю. Н., Смоленцев В. П. Оптимизация технологических параметров процесса электрохимической обработки титана и его сплавов // Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении: Тез. докл. Межд. науч. -практ. конф. 14-17 мая 1996. - Луганск: ЛУГУ. -1996,- С. 37.

4. Мандрыкина И.М., Шалимов Ю. Н. Особенности процессов теп-ломассопереноса при ЗХРО титана и его сплавов // Процессы теплообмена в энергомашиностроении: Тез. докл. Регион, межвуз. семин. - Воронеж, 1996.- С. 58.

5. Мандрыкина И. М., Шалимов Ю. Н. Основные аспекты использования импульсных режимов для ЭХРО титановых сплавов // Повышение надежности и ресурса узлов и агрегатов летательных аппаратов технологическими методами. 23 Гагаринские чтения: Тез. докл. Всерос. молод, науч. конф. 8-12 апреля 1997. - М.: МГАТУ, 1995,- С. 37.

6. Шалимов Ю. Н., Мандрыкина И. М., Звягинцева А. В. Технологические возможности использования импульсных режимов обработки материалов в производствах ракетостроения // К.Э. Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика: Тез. докл. Межд. науч.-техн. конф. - Рязань: РГРТА, 1997. -С. 54-56.

7. Шалимов Ю. Н., Гуляев A.A., Мандрыкина И. М. Моделирование электрических полей в электрохимических преобразователях / Воронеж. гос. техн. ун-т. - Воронеж, 1996.- 6 с.- Деп. в ВИНИТИ 16.01. 96, N 178-В 96.

8. Смоленцев В. П., Мандрыкина И. М. Шалимов И. Н. Термокинетические эффекты и основные аспекты их использования в ресурсосберегающих электрохимических технологиях / Воронеж, гос. техн. ун-т. - Воронеж, 1996,- 9 с,- Деп. в ВИНИТИ 14.02.96, N 475-В 96.

9. Мандрккина И. II. Гибкоструктурные электрохимические технологии в процессах машиностроения // Гибкоструктурные нетрадиционные технологии в мгиииностроении и приборостроении: С б науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1996.-С. 107. - ИЗ.

1 Г! Гранкин 3. Д., Шалимов Ю. Н., Спиридонов В. А., Гуляев А А , Мандрыкина И. М. Наводораживание тонких никелевых электрохимических покрытий, полученных импульсным током / Воронеж, гос. toxi. >11-х. - Впгонож, 1996,- 10 е. - Дел. в ВИНИТИ 09.07.96. N 2264-В 96.

11. Шалимов Ю. Н., Мандрыкина И. М., Хрипунов К. Г. Моделирование теплоэнергетических процессов в электрохимических реакторах разложения воды // Нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 1. - Воронеж: ВГТУ,

1996,- С. 71 - 76.

12. Шгшимов В. Н., Мандрыкина И. М. Особенности процессов теп-ломассопереноса в электролитах при импульсных режимах электролиза // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1996. -С. 104 - 110.

13. Шглимов т.н., Мандрыкина И. М., Хрипунов К. Г. Термокине-

тичсскис эффекты и осьозные аспекты их использования в технологиях машиностроение ■'/ Пэогрессивные технологии авиационнсго и ма-1:;ине:стрситёльного про^ззодства: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, л 996 - С. 20-22

14. Мандрыкина И М Перспективы создания гибкоструктурчых систем :.:лек"ро,чи)!и^е;ких технологиях // Прогрессивные технологии авиациенного и машиностроительного производства: Минвуз, сб. науч тр. - Воронеж: ВГТ/, 1996.-С. 23-25.

15. Шалимове. Н., Хрипунов К. Г., Мандрыкина И. М. Моделирование процессов тепломгссопереноса в плоскопараллельных электрохимических преобразователях // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж. ВГТУ, 1937,- С. 85-91.

16. Шалимов Ю. Н., Мандрыкина И.М. Тепломассоперенос в условиях нестационарного электролиза// Моделирование процессов тепло-и масоооЗмена: Тез. докл. Регион, межвуз. семин. - Воронеж,

1997,- С. 42.

17. Шалимов Ю. , Мандрыкина И. М., Смолснцсв В. П. Принципы гостроения экспортных систем оптимизации электрохимических технологий// Нетрадиционные- технологии в машиностроении и^ приборостроении: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ ып. 2. -

С. 26-32.