автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Микроэлектрохимическая обработка на малых и сверхмалых межэлектродных зазорах с применением микросекундных импульсов напряжения

На правах рукописи

ВЕНЕВЦЕВА Светлана Николаевна

МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА НА МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК ¿013

Тула 2013

005544005

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Любимов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: Сальников Владимир Сергеевич

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Автоматизированные станочные системы»

Татаринов Игорь Владимирович

кандидат технических наук,

заместитель директора ООО «ИТО - Туламаш»

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится «30» декабря 2013 г. В 16.00 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 ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «29» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований.

На сегодняшний день достигнутые ранее технологические возможности электрохимической обработки (ЭХО) на малых межэлектродных зазорах обеспечили широкое внедрение способа при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов, например, при производстве штампов, пресс-форм, лопаток турбин и компрессоров. К неоспоримым преимуществам ЭХО можно отнести отсутствие износа инструмента, высокое качество обработанной поверхности, несущественное воздействие на поверхностный слой заготовки. Однако достигнутые технологические показатели процесса ЭХО в области микрообработки на сверхмалых межэлектродных зазорах (СММЭЗ), такие, как точность формообразования, качество обработанной поверхности, ограничивают применение или вообще не позволяют использовать микроэлектрохимическую обработку (МЭХО) для получения высокоточных изделий без использования финишных операций.

Достигнутые технологические показатели МЭХО не являются максимальными и отражают лишь сегодняшний уровень развития технологии и оборудования. Исследования последних лет были направлены на совершенствование технологических схем МЭХО, применение коротких импульсов напряжения, расчет параметров потока электролита в межэлектродном пространстве, стабилизацию некоторых технологических параметров процесса, применение систем адаптивного управления, повышение эффективности проектирования операций сложного микроэлектрохимического формообразования (МЭХФО) и т.п.

Анализ существующих способов повышения точности МЭХО и проведенные исследования показывают значительные потенциальные возможности использования процесса анодного растворения при малых и СММЭЗ. МЭХО при величине МЭЗ 1,0 — 10,0 мкм еще недостаточно изучена. Отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору рациональных режимов обработки и проектированию электрохимических технологических систем. Не изучено поведение межэлектродной среды в процессе МЭХО, отсутствуют рекомендации по определению оптимального количества энергии, вводимой в МЭЗ, в процессе обработки с точки зрения достижения диффузионных ограничений процесса.

Поэтому очевидна необходимость исследования поведения электрохимической ячейки (ЭХЯ) при МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения с целью выявления путей расширения технологических возможностей МЭХО. В соответствии с этим настоящая работа направлена на решение научно-технической задачи, связанной с изучением форм импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ, знание которых обеспечит возможность определения и выбора рационального диапазона технологических параметров, улучшающих технологические показатели МЭХО.

Цель работы.

Целью настоящей работы является обоснование рациональных энергетических параметров МЭХО при малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, а также определение рационального диапазона технологических режимов МЭХО.

Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих задач:

1. Провести теоретические исследования основных протекающих процессов в зоне обработки при МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.

2. Осуществить выбор и обосновать рациональные энергетические параметры и длительности импульсов напряжения для МЭХО на основе теоретического расчета зависимости удельного сопротивления электролита, с учетом газонаполнения МЭЗ, от времени для различных МЭЗ и при различных значениях объемной доли газа в пузырьковом слое.

3. Разработать и апробировать методику проведения экспериментальных исследований и технологическую схему для изучения форм импульсов тока при МЭХО с применением микросекундных импульсов напряжения.

4. Разработать и создать экспериментальное оборудование, позволяющее осуществлять процессы МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.

5. Провести экспериментальные исследования форм импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения для определения рациональных технологических режимов, 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 МЭХО рассчитывались с использованием программных продуктов РТС Mathcad и MS Office 2010. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния процесса газонаполнения и изменения коэффициента объемной плотности газа в пузырьковом слое на плотность тока для различных малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.

2. Технологическая схема для экспериментальных исследований по регистрации форм импульсов тока и осуществления процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения.

3. Результаты экспериментальных исследований по регистрации форм импульсов тока и условий осуществления процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения.

4. Рациональные диапазоны изменения технологических режимов для МЭХО на малых и СММЭЗ и с применением микросекундных импульсов напряжения.

Научная новизна заключается в обосновании рациональных диапазонов технологических параметров МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, основанных на анализе изученных форм импульсов тока. Обосновано применение импульсного напряжения микро- и наносекундных длительностей на малых и СММЭЗ.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору рациональных технологических параметров (режимов) для реализации процесса микроэлектрохимического анодного растворения на малых и СММЭЗ;

- спроектирована схема для реализации и создано экспериментальное оборудование для МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения;

- разработана методика и программное обеспечение для регистрации и анализа форм импульсов тока.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования получено распределение изменения плотности тока для малых и СММЭЗ (s = 1...20 мкм), учитывающее влияние процесса газонаполнения. Установлены аналитические зависимости для определения рациональных длительностей импульсов с точки зрения поддержания начальных условий МЭХО.

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». (Москва, 2011, 2013).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 2,2 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 89 наименований; общий объем - 110 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса о применении МЭХО на малых и СММЭЗ, а также рассмотрены процессы, происходящие при МЭХО на малых и СММЭЗ.

Установлено, что на данный момент точность обработки ограничена 10 -20 мкм, при традиционном методе МЭХО плотность тока составляет не более 150 А/см2, а при импульсной МЭХО - 1000 А/см2. Однако известно, что точность МЭХО в большинстве случаев лимитируется не точностью оборудования, а точностью процесса анодного растворения. Это и является основным недостатком МЭХО на сегодняшний день, причем повышение точности возможно различными метода-

ми — от применения импульсно-циклических схем до применения в качестве электролита газожидкостных смесей.

В результате анализа научно-технической литературы установлено, что на сегодняшний день повышение точности МЭХО ведется в направлении изменения свойств технологической системы. В большинстве случаев для повышения точности обосновано уменьшение МЭЗ, при этом ранее не исследовалась область СММЭЗ порядка 1,0 - 10,0 мкм (рис. 1).

Однако переход на малые и СММЭЗ имеет существенные ограничения, которые в основном связаны с газонаполнением, эвакуацией продуктов реакций, а также наступлением диффузионных | ограничений, что объясняется крайне малым объемом электролита в зоне обработки. Это, в свою очередь, влечет за собой ограничения, накладываемые на величину вводимой в МЭЗ энергии, а следовательно, и на длительность импульсов напряжения.

Сделан вывод об актуальности изучения формы импульса тока для обоснования рациональных энергетических параметров МЭХО на малых и СММЭЗ, а также для определения оптимального диапазона технологических режимов МЭХО.

Обоснована необходимость изучения формы импульсов тока, протекающего через ЭХЯ во время МЭХО.

На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований протекающих процессов при МЭХО на малых и СММЭЗ на основе теоретического расчета зависимости удельного сопротивления электролита, с учетом газонаполнения МЭЗ, от времени для различных МЭЗ и при различных значениях объемной доли газа в пузырьковом слое.

Особое внимание было уделено тому, что газообразование играет важнейшую роль в производительности электролиза. Пузырьки водорода индуцируют поток в ячейке и увеличивают перенапряжения, которые в два раза больше, чем термодинамические перенапряжения.

Математическая модель для оценки формы импульса тока в предлагаемых диапазонах МЭЗ и длительностей импульсов напряжения представлена в виде линейного уравнения и разработана на основе математической модели, описывающей форму тока с учетом большинства параметров, предложенной Любимовым В.В.

8003-

I С

Рис. 1. Области исследования МЭХО на малых и СММЭЗ: 1 -область исследований Любимова В.В.;

2 - область исследований Сундукова В.К.;

3 - область исследований Захаркина С.И.;

4 - не исследованная область

Однако из-за существования ряда недостатков, например, в модели не учитываются изменение объемной доли газонаполнения МЭЗ, данную математическую модель невозможно применять для прогнозирования формы тока на малых и СММЭЗ. К недостаткам предложенной математической модели также можно отнести то обстоятельство, что газонаполнение межэлектродного промежутка принято постоянным для установившегося тока, в то время как газонаполнение является динамическим процессом и вносит основные ограничения в длительность импульса напряжения с точки зрения поддержания максимального тока.

Для учета данного фактора при определении коэффициента удельной электропроводности электролита было использовано уравнение электропроводности газожидкостной смеси с учетом объемной доли газа в пузырьковом слое

где Л0— удельное сопротивление электролита, Ом см; э - межэлектродный зазор, мкм;£- объемная доля газа в пузырьковом электрическом слое; Ь - толщина пузырькового слоя, мкм.

Необходимо заметить, что при использовании данного уравнения принято, что объемная доля газа в пузырьковом электрическом слое неизменна и лежит в пределах 0,4-0,8. Данное допущение вероятно ошибочно при исследовании поведения формы тока на малых и СММЭЗ. Очевидно, что в первоначальный момент £ равно нулю, в дальнейшем после появления первых пузырьков толщина пузырькового слоя остается неизменной, однако при этом ¿"увеличивается до некоторой величины. Впоследствии £ будет увеличиваться незначительно, в то время как толщина пузырькового слоя будет расти с некоторой скоростью V, при этом согласно исследованию Волгина В.М., £ не превысит значения 0,74. Для оценки объемной доли газа в пузырьковом слое было использовано полученное автором аналитически уравнение

/ -т\

£(£) = 0,74 ' (1 — е~ )>

где И^) - толщина пузырькового слоя к в момент времени s - межэлектродный зазор.

Для определения толщины пузырькового слоя (Ь) использовалась зависимость

/г(г) = 1

где ? - длительность импульса напряжения, мкс; V - скорость заполнения межэлектродного зазора газом, мм/с.

Полученные результаты расчета £ приведены на рис.2.

В результате подстановки изменяющегося значения е(Ч) в уравнение электропроводности газожидкостной смеси в межэлектродной среде были рассчитаны зависимости удельного сопротивления МЭЗ от времени для различных МЭЗ (рис.3).

г-Т

-:(t> 1(0 0.48

.■до

■:3(0

Г ^. • ~ ~ ~

//.

; f t

/ / 1 мкм — 5 мкм 10 мкм 20 мкм

V

Рис. 2. Зависимости объемной доли газа в пузырьковом слое от времени для различных межэлектродных зазоров ( электролит 15 %-й №N03, 12 В)

66

Rd) Run«:

юп RJItV

; i

п

■ S - 1 мкм

s - 5 мкм s - 10 мкм s - 20 мкм

:- ю t. с

: 4. ю

Из рис. 3 видно, что при значении МЭЗ 1,0 мкм происходит почти мгновенное заполнение МЭЗ и значение удельного сопротивления достигает максимума за t = 25 мкс. При увеличении МЭЗ до 20,0 мкм заполнение МЭЗ происходит за t = 400 мкс, при этом значение удельного сопротивления возрастает постепенно. Данные расчеты необходимо учитывать при расчете длительности импульсов напряжения, прикладываемых к электрохимической ячейке.

При расчете предполагалось, что скорость заполнения межэлектродного промежутка газом составляет 50 мм/с, что примерно соответствует установившейся плотности тока 120 А/см2, однако, как уже указывалось выше, плотность тока в начальный момент времени на несколько порядков больше, соответственно v Ф const, но

Рис.3. Зависимости удельного сопротивления МЭЗ от времени для различных межэлектродных зазоров ( электролит 15 %-й №N03, 12 В) ввиду сложности расчетов скорость заполнения межэлектродного зазора принята постоянной.

В результате всех преобразований получена система линейных уравнений, описывающая изменение плотности тока во времени с учетом процесса газообразования и уплотнения пузырькового слоя.

В результате решения следующей системы уравнений получены зависимости, приведенные на рис.4:

ад = я,—> 1;

Д(С) = до-

' h(_t) ■ [(1 - 0,74 ■

( zifflYrl

(1-е s J) 2 -

1]

-+ 1

¿(0 =

Uh( 1 ~ Rs

В результате анализа полученных зависимостей было установлено, что при МЭХО на малых и СММЭЗ, менее 20,0 мкм, в начальный промежуток времени после приложения напряжения на электрохимическую ячейку происходит резкое уве-

личение величины плотности тока, после чего происходит резкое падение параметра до некоторого минимального установившегося значения.

Так при МЭХО на МЭЗ равном 1,0 мкм, в 15 %-ном водном растворе электролита ЫаЫОз в начальный момент времени за 0,05 мкс наблюдается нарастание плотности тока до некоторого максимального значения -12000 А/см2, которое поддерживается около 0,05 — 0,1 мкс и затем в течение 20 мкс уменьшается до установившейся величины плотности тока 1500 А/см2.

Как видно из полученных результатов, переход в области малых и СММЭЗ позволяет выйти на новый энергетический уровень в МЭХО. Плотность тока при классической электрохимической обработке не превышает 180 А/см2, в то время как переход даже на МЭЗ, равные 10,0 - 20,0 мкм, теоретически позволит использовать плотности тока порядка 2500 А/см2, а использование МЭЗ в области 1,0 - 5,0 мкм позволит достичь плотностей тока до 12000 А/см2, однако достижение сверхбольших плотностей тока маловероятно в связи с присутствием отрицательной обратной связи в виде скорости газообразования и диффузии, а также вследствие несовершенства энергетических систем, обеспечивающих электрохимическую ячейку.

Проведенное математическое моделирование протекающих процессов в МЭЗ при МЭХО на малых и СММЭЗ позволило определить рациональные диапазоны длительностей импульсов напряжения, исходя из скорости роста удельного сопротивления межэлектродной среды (рис.5).

Полученные результаты позволяют определить наиболее рациональные энергетические параметры импульсов напряжения для осуществления процесса МЭХФО, минимизировать потери электрической энергии за счет нагрева и увеличения сопротивления межэлектродной среды вследствие газообразования. Использование результатов проведенного исследования позволит получить наиболее эффективное распределение плотности тока по поверхности анода-заготовки в процессе обработки и, как следствие, достичь более высокой точности обработки.

Целью третьей главы являлась разработка технологической схемы и методики для изучения процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, в частности, для изучения формы импульсов технологического тока. Для достижения поставленной цели в ходе работы были решены следующие задачи.

Проведен анализ и обоснован выбор технологической схемы регистрации и записи формы импульсов тока с учетом того, что измерение и регистрация импульсов тока в диапазоне длительностей от 50 не является достаточно сложной задачей.

I 25* 10* А см;

1(1)

~ 7.5» 10 1211)

,3(11 *■">

— 1 мкм

5 мкм

ь - 10 мкм

ь - 20 мкм

О к* 10 1 10 2 4*10 3.2*10 4.10

I, С

Рис.4. Зависимости плотности тока от времени для различных МЭЗ ( электролит 15 %-й ЫаЖ)3, 12 В)

МЭЗ, мкм

В связи с этим, подключение регистрирующего прибора не должно вносить изменений в импеданс электрохимической ячейки, и при этом снимаемый сигнал должен быть хорошо различим и читаем. С учетом вышесказанного была выбрана и обоснована схема измерения импульсов тока, приведенная на рис. 6. Разработаны и изготовлены электроды-инструменты (ЭИ) для проведения исследо-

2

и

-Е

ь

7

Рис.5. Рекомендуемая длительность импульса напряжения

при МЭХО для различных зазоров ваний с учетом того, что при скоростях нарастания тока, характерных для импульсов напряжения длительность от 200 до 1 мс, любые изменения в ЭХЯ будут влиять

на саму форму импульса тока. Учитывая существование емкости двойного электрического слоя (ДЭС), зависящей от площади рабочей части ЭИ, были изготовлены 5 цилиндрических ЭИ с рассчитанными геометрическими параметрами. Для исключения влияния краевых эффектов боковые части ЭИ были изолированы.

ЭИ изготовлены из электротехнической меди М1 ТУ 48-0814-105-2000. Изоляторы боковых поверхностей изготовлены из ABC пластика марки 0445Е ТУ2214-159-05766801-2011.

Для получения шероховатости рабочей части ЭИ на порядок меньшей величины МЭЗ были применены электрохимическое полирование в растворе 1200 мг/л ортофосфорной кислоты и 120 г/л хромового ангидрида, а также ручная полировка фетровым материалом с применением пасты ГОИ №2. В результате были получены ЭИ с характеристиками, приведенными в табл. 1.

Заготовки для обработки изготавливались из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 толщиной 3 мм круглой формы диаметром 50 мм. Все поверхности заготовок подвергались шлифовке шлифшкуркой №200, далее №500, №1000 и №2000.

Рис. 6. Схема установки для проведения исследований: 1 - источник импульсов напряжения; 2 - токовый шунт; 3 - система позиционирования ЭИ; 4 - электрод-инструмент; 5 - заготовка; 6 - персональный компьютер для сбора информации и управления системой позиционирования; 7 - осциллограф

Таблица 1

Геометрические характеристики электродов-инструментов_

ЭИ Диаметр рабочей части ЭИ, мм Площадь обработки, см2 Емкость ДЭС, мкФ Шероховатость Ra, мкм

После токарной обработки После электрохимического полирования После ручного полирования с пастой ГОИ №2

1 1,13 0,01 0,2 2,1 0,29 0,092

2 2,52 0,05 1 1,38 0,41 0,105

3 3,57 0,1 2 1,83 0,15 0,066

4 7,98 0,5 10 0,74 0,12 0,098

5 11,28 1 20 0,93 0,13 0,041

Для снижения шероховатости применялось механическое полирование на фетровом круге с пастой ГОИ №2. Для полировки образцов (заготовок) было спроектировано и изготовлено специальное приспособление из капролона (ПА6) ТУ 6— 06-142-90.

Измерения шероховатости поверхностей заготовок и электродов-инструментов проводились на профилографе-профилометре Kosaka Lab. Surfcorder SE 1700a-39.

В ходе работы была разработана методика проведения экспериментальных исследований МЭХО на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением импульсов напряжения нано- и микросекундной длительности: обезжиривание заготовок (образцов) и электродов-инструментов; установка и закрепление ЭИ и заготовки; подвод ЭИ к заготовке до короткого замыкания, определяемое цифровым мультиметром в режиме «прозвонки цепей»; отвод ЭИ на необходимый МЭЗ, подача электролита; включение источника импульсов напряжения с визуальным контролем прохождения импульса напряжения с помощью осциллографа, находящегося в ждущем режиме; отключение источника питания после прохождения одного импульса и запись получаемой осциллограммы на USB-накопитель; отвод ЭИ. промывка МЭЗ.

Разработаны методика анализа полученных результатов, а также программное обеспечение для обработки записанных осциллограмм и вычисления энергетических характеристик импульсов тока. Программное обеспечение разработано в среде программирования С# Sharp с использованием библиотеки OpenCV для обработки изображений и позволяет автоматически распознавать и анализировать полученные осциллограммы. При этом программным кодом предусмотрен автоматический расчет максимального тока в импульсе (imax), средней плотности тока (icp), длительности импульса (t„Mn), а также площади самого импульса (S„Mn), что было бы гораздо труднее рассчитать вручную.

В результате проведенной работы был создан измерительно-аналитический комплекс для исследования характеристик импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ с применением импульсов напряжения микро- и наносекундных длительностей.

Четвертая глава посвящена проведению экспериментальных исследований по изучению формы импульса тока при МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микро- и наносекундных импульсов напряжения для определения оптимального диапазона рациональных технологических режимов и условий обработки с целью достижения высоких технико-экономических показателей процесса.

Рис.7. Общий вид экспериментальной электрохимической установки: 1 - персональный компьютер; 2 - источник питания схемы-формирователя импульсов напряжения; 3 - источник питания ЭХЯ; 4 - осциллограф; 5 - генератор сигналов произвольной формы; 6 - схема-формирователь импульсов напряжения;

7 - токовый шунт;8 - линейный позиционер; 9 - ЭИ; 10 - ЭХЯ; 11 - микроскоп Установка состоит из следующих элементов и систем: сменной технологической ячейки; системы перемещения ЭИ, реализуемого с помощью компьютерного управления; системы формирования импульсов напряжения; осциллографа; микроскопа. Система формирования импульсов напряжения позволяет в широком диапазоне варьировать параметры импульсов напряжения: длительность импульсов 0: = 0,05... 10 мс), амплитуду (и = 1... 16 В) и частоту следования импульсов напряжения (Г = 0,1 Гц...МГц). Система перемещения ЭИ позволяет перемещать ЭИ в вертикальной оси с двунаправленной дискретностью 0,4 мкм. Использование осциллографа необходимо для регистрации и записи импульсов тока, а микроскопа -для визуального наблюдения за процессом МЭХО на малых и СММЭЗ.

По разработанной методике была проведена серия опытов. Диапазон изменения технологических параметров процесса МЭХО на малых и СММЭЗ приведен в табл. 2.

Таблица 2

Параметр Диапазон величин

Длительность импульсов т, мкс 0,2-1000

Частота следования импульсов £ Гц 1

Амплитуда импульсов и, В 8-16

Величина МЭЗ, мкм 1-20

Концентрация электролитов Ыа>Юз, №С1 5%, 10%, 15%

Разработано и изготовлено экспериментальное оборудование (рис.7), позволяющее осуществлять процессы МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием импульсов напряжения длительностью 50 не - 1000 мкс._

При этом использовались ЭИ с площадью рабочей части 0,01, 0,1 и 1 см2. В результате был получен массив данных, который в последующем рассматривался с точки зрения энергетических характеристик регистрируемых импульсов тока.

Для оценки энергетической эффективности МЭХО было осуществлено наложение изображений форм импульсов тока в программе Adobe Photoshop CS6 (рис.8, 9).

На рис. 8, а, б наблюдается осцилляция плотности тока в течение первых 100 не обработки, связанная с возникающим колебательным процессом, который, в свою очередь, связан с зарядкой емкости двойного электрического слоя на границе электрод-электролит. При этом колебательный процесс заканчивается после 100 -130 не и, вероятно, связан с протеканием емкостного тока, после чего можно говорить о протекании через электрохимическую ячейку (ЭХЯ) только фарадеевского тока.

а б

Рис.В. Формы импульсов тока различных длительностей для межэлектродных зазоров 1, 5, 10, 20 мкм и площади рабочей части ЭИ 0,01 см2: а - 200 не; б - 1 мке

После 250 не обработки (рис.8, а) начинается рост плотности тока, при этом скорость роста тока связана с величиной МЭЗ. Динамика изменения плотности тока, проиллюстрированная на рис. 8, б, говорит об экспоненциальном характере изменения плотности тока, что также указывает на увеличение электропроводности за счет нагрева. Причем, чем меньше МЭЗ, тем быстрее происходит нагрев электролита.

Полученные результаты показывают (рис. 9, в, г), что с уменьшением МЭЗ происходит резкое увеличение плотности тока. Форма кривой плотности тока при МЭЗ 20,0 мкм существенно отлична от формы кривой плотности тока при МЭЗ 1,0 мкм. При этом явно наблюдается увеличение максимальной плотности тока на МЭЗ, достигая 2000 А/см2 при МЭЗ 1,0 мкм.

При этом согласно рис. 9, в, г, можно утверждать, что рациональной длительностью импульса напряжения для МЭЗ 1,0 мкм будет 15-25 мке; для МЭЗ 5,0 мкм - 17 - 27 мке; для МЭЗ 10,0 мкм - 30 - 50 мке; для МЭЗ 20,0 мкм - 50 -80 мке.

Данная зависимость сохраняется в общих чертах и для больших площадей обработки (рис. 9, б), за исключением увеличения продолжительности переходных и колебательных процессов.

Замечено, что при использовании больших площадей рабочей части ЭИ (Soh > 0,1 см2) увеличивается время нарастания импульса напряжения, что связанно с увеличением протекающего тока в 10 раз, то есть до 200 А. В частности, на рис. 9, б можно заметить, что плотности тока к концу импульса напряжения практически уравниваются для МЭЗ, равных 1,5, 10 мкм, при этом общий протекающий ток становится равным 50 А. Это свидетельствует о достижении энергетических

ограничении, связанных с максимальными вольт-амперными характеристиками самого источника напряжения.

иа

1 мкм

5 мкм

10 мкм

2£| мкм

¿т=е.00у£ 0 1 /ДТи***«*» Сиг в - 100.eps Сиг А - 1 00.0ув в 9 --------1 МКМ ------ 5 мкм ---------10 мкм ^^ --------20 мкм

О

в"""" ' ' ' ....... .....< 0<1вН2

сш=зев*и М 25.0 оэ СН1 /88< М РО5:100.0О5

ТЕиОУЯЕ 1ЕСВ0У I

ДТ=0.0в>15 1

Сиг В = 1 00г,? СигА = 1 .00(1:5

— 1 мкм

— 5 мкм

— 10 мкм

" 20 мкм

в г

Рис.9. Формы импульсов тока различных длительностей для межэлектродных зазоров 1,5, 10, 20 мкм и площади рабочей части ЭИ 0,01 см2:а- 10 мкс; в - 100 мкс;

г - 1 мс;для площади рабочей части ЭИ 0,1 см2: 6-10 мкс Полученные экспериментальные данные хорошо коррелируют с разработанной математической моделью, однако расчётные плотности тока не были достигнуты, что можно объяснить более сложными процессами, протекающими в электрохимической ячейке на СММЭЗ.

Также необходимо обратить внимание на увеличение плотности тока в начале обработки (г = 10 мкс), связанное, как предполагается, с нагревом электролита, который, в свою очередь, приводит к увеличению электропроводности межэлектродной среды.

В целом можно утверждать, что при использовании источников напряжения, подходящих по мощности для определенных условий и площадей обработки, полученные результаты будут отличаться незначительно от результатов, полученных для площади обработки 0,01 см2. В связи с этим остальные расчеты и аналитические зависимости получались исходя из результатов, полученных для наименьшей площади рабочей части разработанных и изготовленных ЭИ.

На основе полученных экспериментальных данных были построены зависимости максимальной плотности тока от различных МЭЗ и напряжений, для 5 %-ного электролита №С1 и площади обработки 0,01 см2 и от концентрации электролита для электролитов №С1 и №ЫО:ь площади обработки 0,01 см2, напряжения 12 В (рис. 10, 11).

Рис.10. Зависимости максимальной плотности Рис.11. Зависимости максимальной плотности тока от различных межэлектродных зазоров тока от концентрации электролита и напряжений, для 5 %-ного электролита №С1 для электролитов ЫаС1 и №N03,

и площади обработки 0,01 см2 площади обработки 0,01 см2, напряжения 12 В

Для апробации и уточнения полученных результатов была проведена МЭХО на малых и СММЭЗ образцов из нержавеющей стали 18Х12Н10Т. Для обработки использовался кольцевой ЭИ из латуни ЛА77-2 ГОСТ 17711-80 (рис. 12), через который осуществлялась прокачка электролита.

а б

Рис. 12. Электрод-инструмент для экспериментальной обработки: а - размеры рабочей части ЭИ; б - фото рабочей части ЭИ Параметры обработки и полученные результаты приведены в табл. 3. На рис. 13 приведены фотографии полученных полостей. Как и ожидалось, при большей длительности импульсов процесс анодного растворения более производителен,

а б в

Рис. 13. Кольцевые полости полученные МЭХО на СММЭЗ: а - образец №3; б - образец №2; в - образец №1

ЫаМОЗ

2150 2100 2050 2000 1950 1900 1850 1800

10 15

Концентрация электролита, %

3400 2900 2400 1900 14 00 900 400

1 5 10 20

Величина межэлектродного зазора, мкм

Полученные результаты после МЭХО на СММЭЗ

Таблица 3

Показатели Номер образца

1 | 2 | 3

Параметры обработки

Амплитуда импульсов напряжения, В 12 12 12

Длительность импульсов, мкс 1 20 100

Вид и концентрация электролита 5 %-й №М()3 10 %-й ЫаС1 15%-й №N0,

Частота следования импульсов, кГц 10 10 10

Время обработки, мин 20 20 20

Полученные результаты

Глубина обработки, мкм 60 150 180

Внешний диаметр паза, мм 3,55 3,57 3,58

Внутренний диаметр паза, мм 2,97 2,965 2,96

Погрешность обработки, мкм 5 15 20

На донной части кольцевой полости образца №2 (рис. 13, б) присутствуют дефекты поверхности, которые связаны с дефектами на поверхности электрода-инструмента, что говорит о высокой точности копирования геометрии его поверхности, равной 15 мкм.

На рис. 13, в - кольцевые полости имеют наименьшую глубину, равную 60 мкм, а также наибольшую шероховатость, порядка 1,5 мкм, которая вероятно связана с недостаточной плотностью тока в течение одного импульса напряжения, что приводит к растравливанию поверхности по границам зерен.

На основе полученных результатов были предложены рациональные диапазоны изменения технологических параметров МЭХО на СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения (табл.4).

Таблица 4

Рекомендуемые диапазоны изменения технологических параметров МЭХО

Изменяемые параметры Показатели

Точная обработка Производительная обработка

Амплитуда импульсов напряжения, В 8-12 12-16

Длительность импульсов, мкс 1-20 20-100

Вид и концентрация электролита 5 %-й ЫаЫОз 15 %-й №С1

В общем можно сделать вывод, что с уменьшением длительности импульса напряжения уменьшаются и погрешность обработки, и скорость процесса. Исходя из этого можно рекомендовать разделение операции микроэлектрохимического формообразования на малых и СММЭЗ на черновую и чистовую с различными параметрами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного анализа современного состояния развития МЭХО установлено, что наиболее перспективными являются схемы МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения и что переход на СММЭЗ имеет существенные ограничения, которые в основном связаны с эвакуацией продуктов реакций, а также с наступлением диффузионных ограничений, которые обусловлены минимальным объемом электролита.

2. Теоретические исследования процесса МЭХО на малых и СММЭЗ позволили установить, что скорость заполнения МЭЗ газом прямо пропорционально величине МЭЗ, что необходимо учитывать при переходе на малые и СММЭЗ. Так,

16

например при МЭЗ, равном 1,0 мкм, происходит почти мгновенное его заполнение газом, а значение удельного сопротивления рабочей среды достигает максимума за / = 25 мкс. Расчеты показали, что при МЭХО на малых и СММЭЗ, менее 20 мкм, в начальный промежуток времени после подачи напряжения на электрохимическую ячейку происходит резкое увеличение величины плотности тока, при этом его экстремальное значение под держивается в течение ^ = 10 мкс, после чего происходит резкое уменьшение плотности до некоторого минимального установившегося значения. Исходя из этого, были установлены аналитические зависимости для определения рациональных длительностей импульсов напряжения с точки зрения поддержания начальных условий МЭХО на малых и СММЭЗ.

3. Разработана комплексная методика проведения экспериментальных исследований по изучению формы импульсов тока на малых и СММЭЗ при МЭХО с использованием длительностей импульсов напряжения от 200 не до 1 мс, включающая методику по снижению шероховатости рабочей поверхности ЭИ и методику подготовки заготовок. Разработаны методика анализа полученных результатов, а также программное обеспечение для обработки записанных осциллограмм и вычисления энергетических характеристик импульсов тока

4. Разработано и создано экспериментальное оборудование, позволяющее осуществлять процессы МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием импульсов напряжения длительностями 50 нс...1 мс.

5. При помощи экспериментальной установки проведены исследования формы импульса тока на малых и СММЭЗ с применением импульсов напряжения микро- и наносекундной длительности. Исходя из полученных результатов, были обоснованы технологические режимы для МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения. На основании теоретических и экспериментальных исследований была проведена экспериментальная МЭХО образцов из стали 18Х12Н10Т на малых и СММЭЗ.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Любимов В.В., Веневцева С.Н. Методика исследования формы тока при электрохимической обработке в диапазоне частот 10 Гц - 1 МГц // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - Вып. 8. - С. 341 - 348.

2. Веневцева С.Н. Проектирование электродов-инструментов для экспериментальной электрохимической обработки на сверхмалых зазорах и методика их изготовления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - Вып. 9. Ч. 2 -С. 345-350.

3. Баранова С.Н. Микроэлектрохимическая обработка при сверхмалых зазорах. Современная электротехнология в промышленности России (молодежные инновации) // Сборник трудов научно-технической конференции. Тула, 12 октября 2010 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 56-59.

4. Сундуков В.К., Баранова С.Н. Современная электротехнология в промышленности центра России // Труды XI Региональной научно-технической конференции. Тула, 10 ноября 2010 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 106-115.

5. Максимов Д.А., Баранова С.Н. Электрохимическая размерная обработка на сверхмалых межэлектродных зазорах // XXXVII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ:

научные труды Международной молодежной конференции: в 8 т. Москва, 5-8 апреля 2011,- М.:МАТИ, 2011ТЗ.- С. 111 -113.

6. Максимов Д.А., Баранова С.Н. Анализ эффективности электрохимической размерной обработки на сверхмалых зазорах: материалы докладов X Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «ТЕХНИКА XXI ГЛАЗАМИ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ»,- Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 367-369.

7. Веневцева С.Н., Белоусов И.А. Микроэлектрохимическая обработка материалов с применением наносекундных импульсов технологического напряжения // Современная электротехнология в промышленности России (молодежные инновации): сборник трудов научно-технической конференции. Тула, 7 октября 2011 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 9-10.

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

9. Веневцева С.Н. Способ исследования формы тока при электрохимической обработке в мегагерцовом диапазоне частот // Современные электро- и нанотехнологии в промышленности России (молодежные инновации): сборник трудов научно-технической конференции. Тула, 11 октября 2013 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.-С. 25-26.

10. Веневцева С.Н. Методика проведения экспериментальных исследований по изучению формы импульса тока при электрохимической обработке на сверхмалых зазорах // Высокие критические электро- и нанотехнологии: труды I Региональной научно-технической конференции. Тула, 29 октября 2013 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 147- 150.

11. Быков И.А., Веневцева С.Н. Математическое моделирование поведения электропроводности электролитов при электрохимической обработке на сверхмалых межэлектродных зазорах // Высокие критические электро- и нанотехнологии: труды I Региональной научно-технической конференции. Тула, 29 октября 2013 г. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 138 - 141.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 21.11.2013 Формат бумаги 60x84 'Аб. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 1,2 Уч.изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 098 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, проспЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

ФГБОУ ВПО «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

на правах рукописи

04201453254 ВЕНЕВЦЕВА Светлана Николаевна

МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА НА МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор В.В. Любимов

Тула 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................9

1.1. Анализ уровня развития микроэлектрохимической обработки..........9

1.2. Современные пути повышения точности и качества поверхности после микроэлектрохимической обработки...............................................12

1.3. Анализ перехода на малые и сверхмалые межэлектродные зазоры. 26

1.4. Выводы по главе 1..................................................................................32

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ.........................................36

2.1. Применения импульсного напряжения микро-и наносекундной длительности на малых и сверхмалых межэлектродных зазорах............36

2.2. Математическое моделирование процесса анодного растворения при малых и сверхмалых межэлектродных зазорах..................................43

2.3. Вводы по главе 2....................................................................................54

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ.........................................56

3.1. Анализ и обоснование выбора технологической схемы регистрации

и записи формы импульсов тока.................................................................56

3.1.1 Выбор датчика тока для регистрации форм гшпульсов тока......58

3.2. Проектирование электродов-инструментов для микроэлектрохимической обработки на малых и сверхмалых межэлектродных зазорах и методики их изготовления............................65

3.3. Подготовка образцов для исследований..............................................69

3.4. Разработка методических указаний по проведению экспериментальных исследований..............................................................71

3.5. Разработка программного обеспечения для вычисления коэффициента локализации и методики для анализа полученных данных .........................................................................................................................73

3.6. Вводы по главе 3....................................................................................75

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ ФОРМЫ ТОКА НА МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ.........................................77

4.1. Разработка и создание экспериментального оборудования..............77

4.2. Проведение экспериментальных исследований.................................82

Выводы по главе 4.........................................................................................96

Общие выводы.......................................................................................................98

Список литературы.............................................................................................100

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день достигнутые ранее технологические возможности электрохимической обработки (ЭХО) на малых межэлектродных зазорах (МЭЗ) обеспечили широкое внедрение способа при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов, например, при производстве штампов, пресс-форм, лопаток турбин и компрессоров. К неоспоримым преимуществам ЭХО можно отнести отсутствие износа инструмента, высокое качество обработанной поверхности, несущественное воздействие на поверхностный слой заготовки. Однако достигнутые технологические показатели процесса ЭХО в области микрообработки на сверхмалых межэлектродных зазорах (СММЭЗ), такие, как точность формообразования, качество обработанной поверхности, ограничивают применение или вообще не позволяют использовать микроэлектрохимическую обработку (МЭХО) для получения высокоточных изделий без использования финишных операций.

Достигнутые технологические показатели МЭХО не являются максимальными и отражают лишь сегодняшний уровень развития технологии и оборудования. Исследования последних лет были направлены на совершенствование технологических схем МЭХО, применение коротких импульсов напряжения, расчет параметров потока электролита в межэлектродном пространстве, стабилизацию некоторых технологических параметров процесса, применение систем адаптивного управления, повышение эффективности проектирования операций сложного микроэлектрохимического формообразования (МЭХФО) и т.п.

Анализ существующих способов повышения точности МЭХО и проведенные исследования показывают значительные потенциальные возможности использования процесса анодного растворения на малых и СММЭЗ. МЭХО при величине МЭЗ 1,0 - 10,0 мкм еще недостаточно изучена. Отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору рациональных режимов обработки и проектированию электрохимических

4

технологических систем. Не изучено поведение межэлектродной среды в процессе МЭХО, отсутствуют рекомендации по определению оптимального количества энергии, вводимой в МЭЗ, в процессе обработки с точки зрения достижения диффузионных ограничений процесса.

Поэтому очевидна необходимость исследования поведения электрохимической ячейки (ЭХЯ) при МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения с целью выявления путей расширения технологических возможностей МЭХО. В соответствии с этим, настоящая работа направлена на решение научно-технической задачи, связанной с изучением форм импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ, знание которых обеспечит возможность определения и выбора рационального диапазона технологических параметров, улучшающих технологические показатели МЭХО.

Цель работы.

Целью настоящей работы является обоснование рациональных энергетических параметров МЭХО при малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, а также определение рационального диапазона технологических режимов МЭХО.

Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих

задач:

1. Провести теоретические исследования основных протекающих процессов в зоне обработки при МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.

2. Осуществить выбор и обосновать рациональные энергетические параметры и длительности импульсов напряжения для МЭХО на основе теоретического расчета зависимости удельного сопротивления электролита, с учетом газонаполнения МЭЗ, от времени для различных МЭЗ и при различных значениях объемной доли газа в пузырьковом слое.

3. Разработать и апробировать методику проведения экспериментальных исследований и технологическую схему для изучения

форм импульсов тока при МЭХО с применением микросекундных импульсов напряжения.

4. Разработать и создать экспериментальное оборудование, позволяющее осуществлять процессы МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.

5. Провести экспериментальные исследования форм импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения для определения рациональных технологических режимов, 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 МЭХО рассчитывались с использованием программных продуктов РТС Mathcad и MS Office 2010. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния процесса газонаполнения и изменения коэффициента объемной доли газа в пузырьковом слое на плотность тока для различных малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.

2. Технологическая схема для экспериментальных исследований по регистрации форм импульсов тока и осуществления процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения.

3. Результаты экспериментальных исследований по регистрации форм импульсов тока и условий осуществления процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения.

4. Рациональные диапазоны изменения технологических режимов для МЭХО на малых и СММЭЗ и с применением микросекундных импульсов напряжения.

Научная новизна заключается в обосновании рациональных диапазонов технологических параметров МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, основанных на анализе изученных форм импульсов тока. Обосновано применение импульсного напряжения микро- и наносекундных длительностей на малых и СММЭЗ.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны рекомендации по выбору рациональных технологических параметров (режимов) для реализации процесса микроэлектрохимического анодного растворения на малых и СММЭЗ;

- спроектирована схема для реализации и создано экспериментальное оборудование для МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения;

- разработана методика и программное обеспечение для регистрации и анализа форм импульсов тока.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования получено распределение изменения плотности тока для малых и СММЭЗ (б = 1.. .20 мкм), учитывающее влияние процесса газонаполнения. Установлены аналитические зависимости для определения рациональных длительностей импульсов с точки зрения поддержания начальных условий МЭХО.

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

7

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». (Москва, 2011, 2013).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 2,2 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 89 наименований; общий объем - 110 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков и 10 таблиц.

Работа выполнена на кафедре «Электро-и нанотехнологии» и лаборатории «Электрофизических и электрохимических методов обработки» им. Ф.В. Седыкина Тульского государственного университета.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н.,

профессору В.В. Любимову, д.т.н., профессору [В.К. Сундукову|, д.т.н., профессору В.М. Волгину, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, поддержку и полезные замечания при выполнении работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ уровня развития микроэлектрохимической обработки

К современным механизмам и машинам предъявляются высокие требования в отношении их быстроходности, долговечности, грузоподъемности и надежности.

В настоящее время в машиностроении, используют большое количество самых разнообразных средств и методов достижения заданного качества деталей. Требования к надежности отдельных узлов и деталей машин все возрастают, и в связи с чем, в машиностроении встал вопрос - как повысить качество изделия, снизить трудоемкость и себестоимость изготовления.

Применение новых конструкционных материалов зачастую не дает большого эффекта, так как в настоящее время детали машин могут изготавливаться из материала более твердого, чем режущий инструмент, а значит и более хрупкого, подверженного при обработке хрупкому разрушению.

Альтернативой резанию выступают литье, травление, пластическое деформирование, порошковая металлургия.

Однако, затраты при осуществлении этих операций соизмеримы с затратами на механическую обработку резанием.

Необходим другой, более качественный и дешевый метод изготовления деталей. В этой роли в настоящее время выступает такой метод как микроэлектрохимическая обработка (МЭХО) [60].

Электрохимический метод обработки деталей с помощью интенсивного контролируемого анодного растворения является одним из новых и наиболее производительных и перспективных. Этим методом обрабатывают детали из сверхтвердых, вязких и жаропрочных материалов, широко применяемых в промышленности.

При этом после обработки отсутствуют заусенцы и острые кромки, что в большинстве случаев позволяет сократить ручной труд, либо исключить из технологических процессов соответствующие операции [85].

К преимуществам микроэлектрохимической обработки можно отнести:

- точное копирование поверхности образца;

- обеспечение требуемых физикохимико-механических характеристик;

- получение сложнопрофильных изделий.

По сравнению с механической обработкой МЭХО имеет следующие преимущества:

- за одну операцию, при простом поступательном движении инструмента формируется сложная форма детали с высокой точностью и финишным качеством поверхности;

- отсутствует износ инструмента;

- на показатели обрабатываемости не оказывают существенного влияния на физико-механические свойства материала заготовки (твёрдость, прочность, вязкость);

- электрод-инструмент изготавливается из более дешёвых и легкообрабатываемых материалов (латунь, нержавеющая сталь и т.д.) [85].

Эффективность и качество процесса микроэлектрохимического формообразования определяются производительностью и точностью обработки [38].

Точность микроэлектрохимической обработки зависит от ряда параметров, которые можно условно разделить на две группы: технологические (внешние) параметры, которые поддаются контролю и управлению, например такие как:

- напряжение на электродах;

- состав электролита в межэлектродном промежутке (МЭП) или в межэлектродном зазоре (МЭЗ);

- жесткость системы.

Параметры, которые не поддаются контролю в процессе работы:

- свойства электролита в объеме МЭП;

- локальные значения плотности тока и выхода по току.

Независимость выходных технологических показателей [16] метода

МЭХО от физико-механических свойств обрабатываемого материала позволяет обрабатывать с одинаковым успехом как закаленные, так и незакаленные стали, титановые сплавы, кремний и д.р.

Также известно что, достоинствами микроэлектрохимической обработки являются возможность обработки материалов без приложения механических усилий, высокая эффективность процесса, практическое отсутствие износа электрода-инструмента, низкая шероховатость обработанной поверхности (11а < 0,13 ^ 1,52 мкм) [7,8], а так же минимальное влияние на физико-механические характеристики поверхностного слоя, слабая зависимость производительности процесса от механических свойств обрабатываемого материала [55,67].

Погрешность копирования формы на современных станках осуществляется на малых торцевых (10...20 мкм) и боковых (20..40 мкм) межэлектродных зазорах, что позволяет в большинстве случаев не осуществлять трудоемкую итерационную коррекцию формы и размеров рабочей части электрода-инструмента в процессе отработки технологии.

Разрешающая способность при копировании регулярного рельефа с торца электрода-инструмента на деталь находится в микрометровом диапазоне и достигает величин 5 -НО мкм.

На данный момент серийно выпускаемые станки, такие как ЭХФ-А1 [86] и ЕТ3000 [87], позволяют обрабатывать заготовки с максимальной площадью 120 см2 и 45 см2 соответственно, достигая при этом точность обработки 0,01 - 0,015 мм, параметр шероховатости 11а 0,05 - 0,16 мкм, выходное напряжение в импульсе 6 - 22 В, максимальный ток в импульсе

8000 А [86] и 3000 А [87]. Достигаемая производительность обработки

Л

2000 мм /мин.

Видно, что точность обработки ограничена 10-20 мкм, при этом традиционном методе МЭХО плотность тока не более 180 А/см2, а при импульсной микроэлектрохимической обработке (ИМЭХО) плотность от 1000 А/см . Однако известно, что точность микроэлектрохимической обработки в большинстве случаев лимитируется не точностью оборудования, а точностью процесса анодного растворения [44]. Это и является основным недостатком микроэлектрохимической обработки на сегодняшний день, причем повышение точ�