автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение точности и качества поверхности при электрохимической обработке за счет применения импульсов тока сверхвысокой плотности

На правах рукописи

СМИРНОВ Максим Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ ТОКА СВЕРХВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2004

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре оборудования и технологии сварочного производства

Научный руководитель -

д-р техн. наук, профессор Зайцев Александр Николаевич

Официальные оппоненты: д-р физ-мат. наук, профессор Клоков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент Касимов Радик Галеевич

Ведущее предприятие - ФГУП "Гидравлика"

Защита состоится _ 2004г. в I ^ часов

„на заседании диссертационного совета Д212.288.04 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12, корп. 3, актовый зал.

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

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д-р техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технический прогресс в медицинской, электронной, приборостроительной и др. отраслях промышленности неразрывно связан с использованием прецизионных малоразмерных деталей, выполненных из высокопрочных сталей и сплавов. Однако их изготовление методами, основанными на использовании механической и тепловой энергии, не всегда удовлетворяет заданным техническим требованиям по качеству поверхности и связано с интенсивным износом инструмента. Электрохимическая обработка (ЭХО) лишена указанных недостатков, однако традиционные схемы ее реализации на постоянном и импульсном токе с плотностью у'< 200 А/см2 не позволяют достигнуть существенного технологического прорыва в снижении шероховатости поверхности (Ла< 0,05 мкм) и погрешности обработки (Л < ±5мкм). Решение этих задач возможно за счет увеличения анодной плотности тока (/— 1 ООО А/см2) и снижения - длительности импульса (т < 100 мкс).

Исследованиями в области ЭХО с использованием импульсов микросекундной длительности занимались такие ученые как. Любимов В.В., Дмитриев Л. Б., Капустин А.И., Саушкин Б.А., Рыбалко А.В., Галанин СИ., Дикусар А.В. и др. В лабораторных условиях была показана принципиальная возможность осуществления ЭХО при сверхвысоких (до' ] = 2 200 А/см2) плотностях тока, установлены некоторые закономерности энергетических показателей процесса.

Однако в настоящее время для ЭХО на сверхвысоких плотностях тока не существует серийно выпускаемого оборудования (станков, источников питания, систем автоматического управления) и технологических рекомендаций, обеспечивающих высокопроизводительную финишную обработку поверхности с шероховатостью Яа 0,01..0,05 мкм и погрешностью обработки Д < ±5мкм. Существуют также проблемы теоретического, методического и экспериментального плана, в частности, в понимании физико-химических закономерностей и предельных характеристик процесса, подходов к его оптимизации по основным выходным показателям; имеются разногласия в интерпретации ряда экспериментальных данных; отсутствуют исследования важнейших показателей качества поверхности (химического состава, микротвердости, шероховатости, усталостной прочности и др.), не рассмотрена технологическая перспектива использования более высоких (например, до 10 000 А/см2 и более) плотностей тока. В совокупности это тормозит развитие метода и снижает достоверность экспертных оценок его технологической применимости в отношении новых материалов, различных размеров и форм обрабатываемых поверхностей.

Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим развитием и оптимизацией процесса финишной электрохимической обработки импульсами тока сверхвысокой плотности, является актуальным.

Работа выполнялась в рамках государственной научно-технической программы Академии наук Республики Башкортостан

конструкционных материалов и технологий"; по за (Й&^'^Жниртер^тва < бра-зования РФ по направлению "Производственн ле темного/»»? ЩЕ -577

ОЭ <<л>| ъЧ

от 30.03.03), а также в соответствии с планами работ по контрактам и хозяйственным договорам Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и ООО «Компания Новотэч» (г. Уфа).

Цель работы:

Повышение точности и качества поверхности при электрохимической обработке малоразмерных деталей из высокопрочных сталей и сплавов за счет использования импульсов тока сверхвысокой (~1 000 А/см2 и более) плотности.

Основные решаемые задачи:

1. Изучить закономерности формирования микросекундных импульсов тока высокой плотности и энергетические характеристики межэлектродного пространства (МЭП) для различных скоростей ввода энергии и удельных мощностей, достижимых за время импульса, включая возможность перегрева электролита и превалирующего воздействия температуры на проводимость.

2. Разработать феноменологическую и математическую модели физико-химических процессов в МЭП при сверхвысоких плотностях тока, обеспечивающих существенное повышение проводимости электролита в течение действия импульса за счет перегрева электролита.

3. Исследовать зависимости выходных технологических показателей (качества поверхности, производительности и точности копирования) от параметров режима и условий обработки для различных материалов и электролитов.

4. Определить область оптимальных параметров процесса по критерию достижения заданной локализации и шероховатости обработанной поверхности с наибольшей производительностью.

5. Выявить информативные сигналы для контроля величины МЭЗ и управления процессом

6. Сформулировать технические требования к станку и источнику питания. Апробировать полученные технические решения и результаты исследований в производственной практике.

Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:

1. Результаты осциллографических исследований и знергетические характеристики МЭП для различных условий реализации ЭХО микросекундными импульсами тока сверхвысокой плотности.

2. Феноменологическая и математическая модели физико- химических процессов, происходящих в МЭП при протекании импульсов тока сверхвысокой плотности, учитывающие эффекты перегрева электролита и импульсного повышения давления в начальной фазе газовыделения на катоде.

3. Экспериментальные исследования выходных технологических показателей процесса (качества поверхности, точности копирования и производительности) для различных условий обработки, электролитов материалов широко используемых для изготовления прецизионных малоразмерных деталей.

4. Постановка и алгоритм решения задач оптимизации параметров импульса по критериям локализации и шероховатости поверхности.

5. Информативный сигнал о величине МЭЗ и алгоритм оптимального управления процессом.

6. Технические требования к источникам питания и технологические рекомендации по выбору параметров режима и условий обработки, а также результаты их промышленного использования.

Научная новизна

1. Установлено, что при длительности переднего фронта импульса тока Т/^200.. 1000 не для определенных сочетаний длительности и амплитуды импульса тока на межэлектродных зазорах 10..30 мкм без электрических пробоев достигаются сверхвысокие (до 22 000 А/см2) плотности тока при относительно малых (1..10 атм) давлениях электролита на входе в МЭП. Выявлено, что зависимость электрического сопротивления МЭП в импульсе от времени для этих условий имеет три минимума; положение глобального минимума при заданных параметрах импульса определяется величиной межэлектродного зазора.

2. На основе экспериментально полученной зависимости положения минимума электрического сопротивления МЭП от величины МЭЗ определен косвенный параметр для контроля величины МЭЗ и предложен алгоритм автоматического управления процессом.

3. Разработана математическая модель физико-химических процессов, происходящих в МЭП при протекании импульсных токов сверхвысокой плотности, учитывающая возможности существенного перегрева электролита (выше температуры кипения) и импульсного повышения давления электролита в начальной фазе газовыделения на катоде.

4. Выявлены зависимости локализации растворения, шероховатости обработанной поверхности и производительности процесса от параметров импульсов тока. Показано, что увеличение амплитуды тока позволяет увеличить локализацию анодного растворения (в 1,5...2 раза) за счет более быстрого роста проводимости электролита в областях с меньшими МЭЗ. Установлено, что в исследуемом диапазоне плотностей тока (400...2 000 А/см2) шероховатость поверхности монотонно уменьшается с увеличением амплитуды и длительности импульсов тока и при обработке хромистых и хромоникелевых сталей достигает Яа 0.02..0,03 мкм, при обработке титановых сплавов - Яа 0,04...0,06 мкм. Показано, что максимально достижимая производительность обработки снижается с увеличением плотности тока вследствие уменьшения количества электричества, прошедшего через МЭП до фазового запирания.

5. Методом вторичной ионной масс-спектроскопии установлено, что при обработке поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 импульсами тока сверхвысокой плотности в ней не происходит увеличения концентрация гидрида титана по сравнению с исходным состоянием.

6. На основе экспериментальных зависимостей Ка=Л), т, А) поставлена задача и разработан алгоритм определения оптимального соотношения амплитуды и длительности импульса тока, обеспечивающих достижение заданной ше-

роховатости поверхности с наибольшей производительностью обработки. Установлено, что для заданных условий обработки (геометрия МЭП, схема прокачки, состав и проводимость электролита и т.д.) существует оптимальная комбинация амплитуды и длительности импульса тока, при которых шероховатость поверхности минимальна.

7. Сформулирована и решена задача оптимизации параметров импульса тока (напряжения) по критерию локализации. Показано, что для каждого сочетания «напряжение - величина МЭЗ» существует оптимальная длительность импульса, при которой локализация анодного растворения будет максимальной.

Практическая значимость работы

1. Полученные экспериментальные и расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании (в том числе в САПР) технологических операций финишной обработки деталей методом ЭХО.

2. Технические требования к источнику питания и системе управления использованы при создании современного промышленного электрохимического оборудования на Стерлитамакском станкостроительном заводе имени Ленина (станок модели ЕСМ-1500А).

3. Технологические рекомендации по выбору параметров импульса тока использованы при выполнении договоров и при техническом сотрудничестве Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) с фирмой РЕМТес (Франция), ОАО «Уфимский ювелирный завод», фирмой «Новотэч» и НКТБ «Искра» (г. Уфа)

4. Материалы диссертации использованы в учебном процессе УГАТУ в виде методических указаний к лабораторным работам, при подговке курса лекций и при дипломном проектировании по специальности «Высокие технологии».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международном симпозиуме по электрическим методам обработки (Бильбао, 2001г.), на международной конференции «Теоретическая информатика-2000. от теории к практике» Уфа, 2000 и на ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 1 патент на изобретение и 2 международные заявки по системе РСТ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 127 страницах и состоит из введения, шести глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 78 названий; содержит 10 таблиц и 98 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

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

В первой главе дана характеристика технических требований, предъявляемых к малоразмерным прецизионным деталям из высокопрочных сталей и сплавов. Содержится анализ путей повышения точности обработки и качества поверхности. Показано, что наиболее перспективным направлением в этой связи является существенное сокращение длительности и повышение плотности импульсов тока. Рассмотрены основные подходы к объяснению феноменологии и моделированию процессов, происходящих в межэлектродном пространстве при воздействии микросекундных импульсов тока высокой плотности О' ~ 1000 А/см2). Дана оценка современного состояния техники и технологии в рассматриваемой области. Сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований.

Во второй главе приведены методики и технические характеристики оборудования и измерительной техники для экспериментальных исследований. Приведена характеристика точности используемых измерительных инструментов. Дано обоснование выбора используемых материалов электродов, электролитов и условий экспериментов.

Эксперименты проводились для двух типовых качественно различных электролитов: активирующих (на основе водных раствора №С1, различных концентраций) и кислородосодержащих, пассивирующих (на основе водных растворов В качестве материалов анода использовались хромистая

(40X13), хромоникелевая (12Х18Н10Т), высокоуглеродистая (ШХ15), высоколегированная (4Х4НФС) стали, а так же титановый сплав ВТ6.

В третьей главе проведено осциллографическое исследование основных энергетических закономерностей формирования импульсов тока высокой плотности (до 22 000 А/см ).

Показано, что в общем случае на осциллограмме импульса тока (при использовании источника напряжения) наблюдаются три локальных максимума .¿пахь _/тах2» jrt*xЗ (рис. 1) Первый локальный максимум возникает через /тМ1= 0.5...2 мкс. Его параметры достаточно хорошо согласуются с решениями, полученными из уравнений Кирхгоффа для разрядной цепи, образованной источником питания, подводящими проводами и электрохимической ячейкой в МЭП. Относительная величина первого локального максимума /таХ| уменьшается с увеличением напряженности Е электрического поля. Время /тах2 достижения второго максимума составляет 7лихг=5..15 мкс. Его относительная величина также уменьшается с увеличением напряжения (увеличением

напряженности Е при заданной величине зазора 5 приложенного к МЭП). При напряженностях Е более 10 000 В/см наблюдается только третий (глобальный) максимум тока. Максимальная плотность тока в третьем максимуме полученная при проведении экспериментов, превышала 20 000 А/см2. После достижения третьего максимума происходит быстрое повышение электрическо-

го сопротивления МЭП, существенно снижается ток, создаются условия для электрического пробоя между электродами.

Рис. 1. Осциллограммы плотности тока У для различных ^=10..50 В) напряжений: электролит - 5,5% №0; материал анода и като-да-40X13; величина МЭЗ ¿=30 мкм; давление электролита Р=3 атм

0 20 40 60 80 100

I, МКС

Расчетным путем показано, что в рассматриваемых условиях при уменьшении длительности переднего фронта импульса напряжения температура электролита в МЭП может достигать 400 °С, что значительно превышает его температуру кипения при данном давлении. Экспериментально подтверждено, что при этом существенно повышается проводимость электролита (как проводника второго рода) и создаются предпосылки для достижения сверхвысоких плотностей тока.

Изучен процесс восстановления свойств межэлектродной среды в паузе между импульсами на примере пары импульсов. В том случае, когда период подачи импульсов меньше, чем время восстановления свойств электролита по длине прокачки, происходит формирование макродефектов поверхности, связанной с неодинаковой скоростью растворения в различных участках МЭП. В результате снижается точность копирования и ухудшается шероховатость обработанной поверхности.

Исследовано изменение электрического сопротивления и энергетических характеристик (заряд и энергия за импульс) МЭП для микросекундных источников, имеющих различные вольтамперные характеристики: «жесткую» и «крутопадающую». Показано, что существенного различия в достижимых плотностях тока, технологических и энергетических показателях не наблюдается. Однако техническая реализация источника питания с крутопадающей характеристикой требует меньше материальных и временных затрат, возможны более простые и эффективные схемные решения для управления и защиты от коротких замыканий.

В четвертой главе предложена феноменологическая модель процесса, учитывающая влияние факторов газонаполнения и температуры для различных напряженностей электрического поля и давлений.

Разработана математическая модель (1)..(18) формирования импульса тока, учитывающая факторы газонаполнения, перегрева среды, импульсного повышения давления при прохождении импульса, а так же параметров электриче-

ского контура, включающего в себя двойные электрические слои анода и катода.

В основу модели положены следующие допущения:

1. Электролит представляет собой двухфазную газожидкостную смесь. При протекании через МЭИ тока эта смесь рассматривается как некоторая однородная среда с эффективной электропроводностью о,/, зависящей от температуры Г и объемной концентрации Сг газообразного водорода.

2. Газовая фаза состоит из выделяющегося в процессе электролиза водорода. Ее термодинамические свойства описываются уравнением состояния идеального газа.

3. Вследствие вязкости г| жидкости газ, вытесняющий её из зазора, создает дополнительное давление

4. В силу достаточно малой длительности процесса тепловыделения в течение времени действия импульса напряжения, считаем, что нагрев электролитной фазы под действием джоулева тепла происходит адиабатично. Температуру газовой фазы полагаем равной температуре жидкой фазы.

5. Разрядная цепь состоит: из источника питания с жесткой вольт-амперной характеристикой; подводящих кабелей, обладающих резистивным сопротивлением Яс и индуктивностью Ьс', межэлектродного промежутка, представляющего собой активное сопротивление столба электролита в МЭП Якт, последовательно соединенного с Я„Са , ЛЛ и Л/С/ - контурами и источниками ЭДС <р„ ф4 , имитирующими анодный и катодной ДЭС, (Здесь индексы а,кп/ соответственно относятся к аноду, катоду и оксидной пленке на аноде)

6. Значения электродных потенциалов приняты постоянными и равными стационарным значениям.

Пренебрегая искажениями, вносимыми газовыми пузырьками, будем считать, что усредненная напряженность Е электрического поля равна

(1)

где и,т - напряжение на МЭП; 5 - величина межэлектродного зазора. Сопротивление столба электролита:

где

(2)

(3)

где - температурный коэффициент электропроводности; - электропроводность электролитной фазы при начальной температуре

При этом в единице объема электролитной фазы плотностью р будет рассеиваться мощность не зависящая от объемной концентрации газа Падение напряжения в МЭП:

и,гт - И,

' ест *хест' I»

где /| - ток, протекающий в цепи анод-катод.

Тогда нагрев электролитной фазы будет обусловлен плотностью тока

/-«„[иаЛГ-Гв^, (5)

отличающейся от ¿.у усредненной по всему объему МЭП плотности тока

Л/ = °г/£:- (6)

Температура Т рассчитывается из условия, что вся энергия, выделяемая в импульсе, идёт только на нагрев электролита (нет потерь тепла во внешнюю среду)

¿Т

Е•

(7)

где - удельная электроёмкость электролита; - средняя плотность то

ка; А — площадь электрода.

Из уравнения состояния идеального газа и закона Фарадея находим вьг ражение для объёма Уя газовой фазы:

у

(8)

где е* — электрохимический эквивалент водорода; Ц/, - молярная масса водорода; К - универсальная газовая постоянная; Q - заряд, прошедший через ячейку.

Относительное объёмное газонаполнение Сг , как функция температуры Т, прошедшего заряда Q и давления Р, имеет вид:

С

цРУ

(9)

Уравнение для заряда (2, прошедшего через МЭП:

(10)

Для оценки давления Р, которое возникает при вытеснении электролита (жидкой фазы) выделяющимся газом, используем решение известной задачи о двух круглых плоских пластинах, сближающихся в вязкой несжимаемой жидкости. Согласно решению этой задачи, сила давления Р на пластинку равна

Р-

злуыг

(П)

здесь - скорость сближения пластин; - расстояние между пластинами; - радиус пластин; - коэффициент динамической вязкости.

Скорость сближения пластин и заменяем скоростью роста объёма газовой фазы Ур отнесённой к единице поверхности:

и = — А

1

ЛI

Для упрощения нахождения температуру и давление в формуле (8)

а

принимаем равными начальным. Отсюда:

Подставляя Р=(Р-Рц)А и (13) в (11), получим выражение для текущего давления в МЭП:

(14)

Следующие уравнения получены из законов Кирхгоффа для схемы замещения силовой разрядной цепи и МЭП: 1

¿1 г

V« ■

' КестЧ

(15)

сй2 1 (•

КСа

сЧА

1

К}С{

('1 -'4). =

где ц - значение тока, проходящего в цепи «анод - катод»; ¡г, /4, ^ - токи, протекающие соответственно через сопротивления Иа Щ Я*. Результаты моделирования показали хорошее качественное и количественное совпадение с экспериментальными данными (рис.2)

£,В/см

Рис. 2. Фактическая и расчётная зависимости амплитуды плотности тока/щахЗ и положения максимума /тахЗ от напряжённости поля Е: электролит - 5,5% №01, материал анода и катода - 40X13; величина МЭЗ $==30 мкм; давление электролита Р=3 атм

На основе разработанной математической модели показано, что при ЭХО импульсами тока сверхвысокой плотности нагрев электролита является определяющим фактором проводимости. Если длительность импульсов меньше чем время фазового запирания, то разница электрического сопротивления МЭП в начале и конце импульса положительна, в отличие от ЭХО на малых плотностях тока, где эта разница отрицательна вследствие влияния газонаполнения.

Произведена оптимизация параметров импульса по критерию локализации анодного растворения. Показано, что для каждого сочетания «напряже-

ние - величина МЭЗ» существует оптимальная длительность импульса, при которой локализация будет максимальной. Установлено, что для рассматриваемых условий при использовании источника питания с жесткой ВАХ оптимальная длительность импульса на 10 - 15% меньше времени достижения максимума тока.

В пятой главе приведены результаты исследования влияния параметров режима на основные выходные технологические показатели ЭХО импульсами тока высокой плотности.

Для ЭХО с вибрацией электрода-инструмента определены зависимости производительности обработки и выхода по току от параметров импульса для одного импульса в пачке. Показано, что величина анодного выхода по току для сталей, в рассматриваемых условиях составляет 0,6..0,8 (рис. 3), что соответствует значениям для ЭХО при низких (до 200А/см2) плотностях тока.

При этом максимально достижимая производительность за импульс уменьшается с увеличением амплитуды тока (отмечено пунктиром на рис. 4), так как уменьшается количество электричества, которое можно пропустить через электрохимическую ячейку до фазового запирания. Поэтому на этапе обработки, когда требуется снять основной припуск, следует выбирать режимы обработки с меньшим током в импульсе и большей длительностью.

0,8 0,6 0,4

оа о

* 1

_». у = 600 А/см" + }= 800 А/см2 у =1000 А/см2

О 20 40 60

т, мкс

Рис. 3. Зависимость анодного выхода по току ц от амплитуды / и длительности т импульса плотности тока: обрабатываемый материал 40Х13.

50 т, мкс

Рис. 4. Зависимость скорости анодного растворения стали 40X13 от амплитуды ] и длительности т импульса тока (пунктиром показана линия максимально достижимой скорости растворения)

Для увеличения производительности обработки проводилась обработка группами из нескольких импульсов. Показано, что производительность обработки растет линейно с увеличением числа импульсов в пачке.

Были проведены экспериментальные исследования по копированию торцевого профиля ЭИ. На примере копирования риски показано, что ЭХО импульсами тока сверхвысокой плотности позволяет достигать более высокой (в 1,5-2 раза) локализации анодного растворения по сравнению с традиционной виброЭХО. Кроме того, в данном случае отсутствует погрешность копирова-

ния, связанная с неоднородностью электрических свойств межэлектродном промежутке вдоль течения электролита (отсутствует влияние газового клина). Проведено исследование влияния параметров импульса тока (амплитуды и длительности) и площади обработки на шероховатость поверхности при ЭХО. Показано, что шероховатость обработанной поверхности уменьшается при увеличении амплитуды и длительности импульсов тока (рис.5).

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности Яа от длительности импульса Т для различных плотностей тока у. 8%МаЫОз, материал анода - 40X13

Т. МКС

В результате аппроксимации экспериментальных данных была получена двухмерная математическая зависимость шероховатости поверхности от амплитуды и длительности импульса тока Проекция этой поверхности на плоскость } — тдает семейство кривых равной шероховатости (рис.6).

Рис.6. Линии равной шероховатости Яа(/,т)=С0П& и схема выбора параметров импульса тока. а - зависимость максимально допустимой длительности импульса х от плотности тока }\ Ь — линия заданной шероховатости; А/ - рабочая точка; Я - минимальная достижимая

шероховатость

Для выбранного набора параметров режима обработки в координатах _/ — т определена кривая *=/(]), каждая точка которой соответствует положению минимума на осциллограмме импульса напряжения (кривая а на рис.6). Выше нее находится зона запрещенных параметров, в которой возможен электрический пробой МЭП. Точка Я, в которой эта кривая касается некоторой линии равной шероховатости, указывает минимально достижимую шероховатость поверхности.

Кривая Ъ на рис.6 соответствует заданной шероховатости, которая должна быть больше, чем в точке Я. Первое пересечение кривых Ъиа, дает точку Л/ с координатами (]*Л*) в которой заданное качество поверхности достигается при большей производительности и меньшей энергоемкости процесса обработки.

По этой методике были найдены оптимальные (по критерию шероховатости поверхности ) параметры импульса и определена минимально достижимая шероховатость поверхности для исследованных материалов (табл.2).

Таблица 2

Наименьшая шероховатость, полученная на образцах из различных материалов

Материал Наименьшая шероховатость, Яа, мкм

40X13 0,02

12Х18Н10Т 0,03

ВТ6 0,04

111X15 0,06

4Х4НФС 0,08

Проведено экспериментальное исследование влияния длины тракта прокачки электролита на шероховатость обработанной поверхности. На рис.7 показано, что при прочих равных условиях при большей длине прокачки удается получить меньшую шероховатость.

Рис. 7 Зависимость шероховатости обработанной поверхности .ка от длительности импульса т при разной дайне прокачки электролига I, амплитудная плотность тока /=1000 А/см2; обрабатываемый материал 40X13

Т. МКС

Так как при прочих равных параметрах длина прокачки определяет гидравлическое сопротивление МЭЗ, а значит, и скорость движения электролита, то было решено провести эксперимент с различной скоростью прокачки при одинаковой длине. Установлено, что снижение входного давления с Р=1,5 до 0,3 атм в рассматриваемых условиях позволяет снизить шероховатость

с Яа=0,04 до Яа=0,02. Сделано предположение, что замедленное течение электролита в приэлектродной области увеличивает толщину диффузного слоя и создает дополнительное ограничение скоростей растворения во впадинах микрорельефа.

Установлено, что микротвердость поверхности после ЭХО ниже, чем исходной, что обусловлено наличием на последней наклепа, возникшего вследствие механической подготовки образцов.

Исследование химического состава обработанной поверхности методом вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) показало, что для сплава ВТ6 изменение содержания гидрида титана в поверхностных слоях по сравнению с исходным практически не обнаружено, в то время как при традиционной импульсной ЭХО (/»80 А/см2) увеличение его концентрации составило около 90%.

При исследовании методом ВИМС химического состава обработанной поверхности образцов из 40X13 было обнаружено, что она обеднена хромом (на 20 - 30%) по сравнению исходной.

В шестой главе приведены примеры практического использования результатов исследований. Определены технические требования к источнику питания. Приведены технические параметры модернизированного электрохимического станка для ЭХО микросекундными импульсами сверхвысокой плотности тока.

На основе детерминированной зависимости положения максимума от величины межэлектродного зазора предложен алгоритм управления рабочей подачей инструмента и длительностью импульса, позволяющий поддерживать постоянной величину МЭЗ при обеспечении наилучшей локализации анодного растворения.

Приведены примеры технологических операций ЭХО импульсами тока сверхвысокой плотности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований электрохимической обработки для представителей групп хромистых, хромоникелевых, высокоуглеростых сталей и титановых сплавов импульсами тока сверхвысокой плотности выявлены оптимальные условия и определены режимы, при которых для деталей площадью до 2 см2 с наибольшей производительностью обеспечиваются высокая точность копирования (погрешность менее 10 мкм) и качество поверхности (Яа менее 0,05 мкм).

1. Определены основные закономерности формирования микросекундных

импульсов тока высокой плотности и энергетические характеристики МЭП. Установлено, что зависимость электрического сопротивления МЭП от времени для единичного импульса имеет три минимума, причем положение глобального

минимума (при прочих равных условиях) определяется величиной межэлектродного зазора (РСТ 'О 02/090030).

2. Разработана феноменологическая и математическая модели физико-химических процессов в МЭП при протекании импульсных токов сверхвысокой плотности. Установлено, что при больших скоростях ввода энергии в МЭП превалирующее развитие по сравнению с газонаполнением получают процессы нагрева электролита. Поэтому при ЭХО на сверхвысоких плотностях тока разница электрического сопротивления МЭП в начале и конце импульса положительна в отличие от ЭХО на малых плотностях тока, где она отрицательна вследствие влияния газонаполнения МЭП (Пат. РФ №2220031, РСТ/ЯИ 03/00337).

3. Выявлены зависимости локализации растворения, шероховатости обработанной поверхности и производительности процесса от параметров импульсов тока. Показано, что увеличение амплитуды тока позволяет увеличить локализацию анодного растворения (в 1,5...2 раза) за счет более быстрого роста проводимости электролита в областях с меньшими МЭЗ. Установлено, что в исследуемом диапазоне плотностей тока (400...2000 А/см2) шероховатость поверхности монотонно уменьшается с увеличением амплитуды и длительности импульсов тока и при обработке хромистой (40X13) и хромоникелевой (12Х18Н10Т) сталей достигает Яа 0,02..0,03 мкм, при обработке титанового сплава (ВТ6) - Яа 0,04...0,06 мкм. Показано, что максимально достижимая производительность сокращается с увеличением плотности тока вследствие уменьшения количества электричества, прошедшего через МЭП до фазового запирания.

4. Методом вторичной ионной масс-спектроскопии установлено, что при обработке поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 импульсами тока сверхвысокой плотности в ней не происходит увеличения концентрация гидрида титана по сравнению с исходным состоянием.

5. Сформулированы и решены задачи оптимизации параметров импульса по критериям локализации и шероховатости поверхности. Показано, что для каждого сочетания «напряжение - величина МЭЗ» существует оптимальная длительность импульса, при которой локализация анодного растворения будет максимальной. Установлено, что для каждого набора условий обработки в области допустимых значений существует оптимальная комбинация амплитуды и длительности импульса тока, при которых шероховатость поверхности минимальна.

7. На основе выявленных закономерностей формирования импульса тока предложены информативные параметры для контроля и управления величиной МЭЗ, фазой подачи группы импульсов и предложен алгоритм автоматического управления процессом обработки.

8. Определены диапазоны изменения параметров обработки для различных материалов и технические требования к источнику питания, необходимые

для создания опытного образца электрохимического станка. Сформулированы подходы к выбору оптимальных режимов обработки.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Метод электрохимической обработки с оптимальной длительностью импульса: Паиент на изобретение РСТ WO 02/090030 Al IPC7 B23H 3/02 08.05.01 / А.Н. Зайцев, С.В. Безруков, АЛ. Белогорский, М.С. Смирнов.

2. Смирнов М.С. Электрохимическая обработка импульсами тока микросекундной длительности, Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей ГТД. Научная школа УГАТУ /М.С. Смирнов, И.Л.Агафонов, С.В. Безруков и др. Уфа: УГАТУ, 2002. С. 185 - 208.

3. Смирнов М.С. Электрохимическая размерная обработка микросекундными импульсами тока// Материалы международной конфереции по электрическим методам обработки ISEM XIII/ Смирнов М.С, Зайцев А.Н., Агафонов И.Л., Безруков С.В., Бильбао, Испания, 2001. - том. I, С. 213- 230.

4. Смирнов М.С., Зайцев А.Н. Оптимизация длительности импульсов тока высокой плотности при электрохимической обработке по критерию локализации // Теоретическая информатика-2000: от теории к практике : Труды межд. конф. / М.А. Смирнов, А.Н. Зайцев - Уфа: УГАТУ, 2000. С.84 - 87.

5. Способ электрохимической обработки титана и титановых сплавов: Патент на изобретение РФ №2220031 МКИ7 В 23 Н 3/00, 3/02 Опубл.27.12.03. Бюл.36./ М.С Смирнов, С.В. Безруков, Н.С. Гимаев, А.Н. Зайцев, и др.

6. Метод электрохимической обработки титана и титановых сплавов: Патент на изобретение РСТ RU 03/00337 А2 IPC7 В23Н 3/00, 3/02 / М.С Смирнов, С.В. Безруков, Н.С. Гимаев, А.Н. Зайцев, и др.

СМИРНОВ Максим Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ ТОКА СВЕРХВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 13.04.04. Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman Cyr.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9

Тираж 100 экз. Заказ № 256

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

№12 4 0 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЭХО.

1.1. Технологические требования и способы получения малоразмерных деталей из высокопрочных материалов.

1.2. Анализ путей повышения точности при ЭХО.

1.3. Зависимость качества поверхности от параметров импульсной ЭХО.

1.4. Феноменология и моделирование физико-химических процессов в межэлектродном пространстве при прохождении микросекундных импульсов высокой плотности.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ.

2.1. Рабочие жидкости, материалы электродов.

2.2. Оборудование и методика исследования для осциллографических исследований единичных импульсов тока.

2.3. Методика и оборудование для исследования выходных технологических показателей обработки.

2.3.1. Методика исследования качества обработанной поверхности после ЭХО.

2.3.2. Методика определения выхода по току и производительности при ЭХО микросекундными импульсами тока высокой плотности.

2.4. Методика сравнительных экспериментов по локализации анодного растворения.

2.5. Оценка достоверности результатов экспериментов.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА СВЕРХВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ.

3.1. Осциллографическое исследование одиночных импульсов тока

3.1.1. Зависимости параметров импульсов от давления в МЭП.

3.1.2. Зависимости параметров импульсов тока от величины МЭЗ.

3.1.3. Зависимости параметров импульсов от типа и концентрации электролита.

3.1.4. Зависимость параметров импульса от длительности переднего фронта.

3.2. Исследования формирования импульсов напряжения при использовании источника питания с крутопадающей ВАХ.

3.3. Осциллографическое исследование групп импульсов.

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ИМПУЛЬСОВ ТОКА.

4.1. Феноменология явлений.

4.2. Постановка задачи, обоснование начальных и краевых условий.

4.3. Разработка математической модели.

4.4. Верификация результатов моделирования.

4.5. Результаты моделирования.

4.6. Изменение электрического сопротивления МЭП при использовании групп импульсов тока.

4.7. Оптимизация длительности импульсов по критерию локализации анодного растворения.

4.7.1. Постановка задачи оптимизации.

4.7.2. Разработка и верификация оптимизационной модели.

4.8. Выявление и обоснование информативного сигнала о величине МЭЗ.

4.9. Выводы по главе 4.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭХО ИМПУЛЬСАМИ ТОКА СВЕРХВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ.

5.1. Исследование производительности при ЭХО импульсами сверхвысокой плотности.

5.1.1. Определение зависимости производительности обработки от параметров единичного импульса.

5.1.2. Производительность ЭХО при обработке пачками из нескольких импульсов.

5.2. Исследование качества поверхности.

5.2.1. Зависимость качества обработанной поверхности от параметров импульса тока.

5.2.2. Зависимость качества поверхности от площади обработки и входного давления МЭП.

5.2.3. Исследование качества обработанной поверхности для различных материалов.

5.2.4. Исследования шероховатости обработанной поверхности для материалов с различной структурой.

5.2.5. Исследования микротвердости, химического состава и усталостной прочности образцов после ЭХО импульсами тока сверхвысокой плотности.

5.3. Исследования точности копирования.

5.4. Выводы к главе 5.

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

6.1. Технические требования к источнику питания.

6.2. Алгоритм работы системы управления подачей и длительностью импульса.

6.3. Технологические рекомендации по выбору режима обработки для получения литьевой пресс-формы.

6.4. Технологические рекомендации по выбору режима обработки для получения чеканочной формы ювелирного изделия.

6.5. Выводы к главе 6.

Технический прогресс в ряде областей высоких технологий, в медицинской, электронной, приборостроительной и других отраслях промышленности неразрывно связан с использованием прецизионных малоразмерных деталей, выполненных из высокопрочных и твердых материалов. Изготовление таких деталей методами, основанными на использовании механической и тепловой энергии, не всегда удовлетворяет заданным техническим требованиям по точности и качеству поверхности и связано с интенсивным износом инструмента.

Электрохимическая обработка (ЭХО) лишена указанных недостатков, однако традиционные схемы ее реализации на постоянном токе и с использованием импульсов миллисекундного диапазона длительностей с плотностью до 200 А/см2 не позволяют обеспечить высокую точность обработки, вследствие изменения свойств межэлектродной среды вдоль прокачки электролита (с появлением так называемого «газового клина») в течение действия импульса тока, а также достигнуть существенного технологического прорыва в снижении шероховатости поверхности (Да« 0,05 мкм). Решение этих задач возможно за счет использования импульсов сверхвысокой плотности тока (/' > 1000 А/см2) с длительностью х менее 100 мкс.

Исследованиями в области ЭХО с использованием импульсов микросекундной длительности занимались такие ученые как Любимов В.В., Дмитриев Л. Б. (Тульский политехнический институт); Капустин А.И. (Новосибирский технический институт); Саушкин Б.П., Рыбалко А,В., Галанин С.И., Дикусар А.И. (Институт прикладной физики АН Молдовы) и др. В лабораторных условиях была показана принципиальная возможность осуществления У

ЭХО при сверхвысоких (до у - 2200 А/см ) плотностях тока, установлены некоторые закономерности энергетических показателей процесса.

Однако в настоящее время для ЭХО на сверхвысоких плотностях тока не существует серийно выпускаемого оборудования (станков, источников питания, систем автоматического управления) и технологических рекомендаций, обеспечивающих высокопроизводительную финишную обработку с шероховатостью поверхности Ка 0,02.0,05 мкм и погрешностью обработки Д < 5мкм. Существуют также проблемы теоретического, методического и экспериментального плана, в частности, в понимании физико-химических закономерностей и предельных характеристик процесса, подходов к его оптимизации; имеются разногласия в интерпретации ряда экспериментальных данных; не рассмотрена технологическая перспектива использования более высоких плотностей тока, например, до 20 ООО А/см и др. В совокупности это тормозит развитие метода и снижает достоверность экспертных оценок его технологической применимости в отношении новых материалов, различных размеров и форм обрабатываемых поверхностей.

Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим развитием и оптимизацией процесса финишной электрохимической обработки импульсами тока сверхвысокой, плотности является актуальным.

Цель работы

Повышение точности и качества поверхности при электрохимической обработке малоразмерных деталей из высокопрочных материалов за счет использования импульсов тока сверхвысокой (>1000 А/см ) плотности.

Основные решаемые задачи

1. Разработать феноменологическую и математическую модели физико-химических процессов в МЭП при сверхвысоких плотностях тока.

2. Изучить закономерности формирования микросекундных импульсов тока сверхвысокой плотности и энергетические характеристики межэлектродного пространства (МЭП) для различных условий реализации ЭХО.

3. Исследовать зависимости выходных технологических показателей процесса от параметров режима и условий обработки для различных материалов и электролитов.

4. Определить область оптимальных параметров процесса по критерию локализации и качества обработанной поверхности.

5. Выявить информативные сигналы для контроля и алгоритм управления процессом

6. Сформулировать технические требования к станку и источнику питания. Апробировать полученные технические решения и результаты исследований в производственной практике.

Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту

1. Результаты осциллографических исследований и энергетические характеристики МЭП для различных условий реализации ЭХО микросекундными импульсами тока сверхвысокой плотности.

2. Феноменологическая и математическая модели физико- химических, процессов, происходящих в МЭП при протекании импульсов тока сверхвысокой плотности, учитывающие эффекты перегрева электролита, импульсного повышения давления межэлектродной среды и газообразование на катоде.

3. Экспериментальные зависимости выходных технологических показателей процесса (шероховатости, точности копирования, производительности) от параметров режима и условий обработки для различных электролитов и для типовых материалов, наиболее широко используемых для изготовления прецизионных малоразмерных деталей.

4. Постановка и алгоритм решения задач оптимизации параметров импульса по критериям локализации и шероховатости поверхности.

5. Информативный сигнал о величине МЭЗ и алгоритм оптимального управления процессом.

6. Технические требования к источникам питания и технологические рекомендации по выбору параметров режима и условий обработки, а также результаты их промышленного использования.

Научная новизна

1. Установлено, что при длительности переднего фронта импульса тока Ту=200.1000 не для определенных сочетаний длительности и амплитуды импульса тока на межэлектродных зазорах 10.30 мкм без электрических пробоев достигаются сверхвысокие (до 22 ООО А/см ) плотности тока при относительно малых (1.10 атм) давлениях электролита на входе в МЭП. Выявлено, что зависимость электрического сопротивления МЭП в импульсе от времени для этих условий имеет три минимума; положение глобального минимума при заданных параметрах импульса определяется величиной межэлектродного зазора.

2. На основе экспериментально полученной зависимости положения минимума электрического сопротивления МЭП от величины МЭЗ определен косвенный параметр для контроля величины МЭЗ и предложен алгоритм автоматического управления процессом.

3. Разработана математическая модель физико-химических процессов, происходящих в МЭП при протекании импульсных токов сверхвысокой плотности, учитывающая возможности существенного перегрева электролита (выше температуры кипения) и импульсного повышения давления электролита в начальной фазе газовыделения на катоде.

4. Выявлены зависимости локализации растворения, шероховатости обработанной поверхности и производительности процесса от параметров импульсов тока. Показано, что увеличение амплитуды тока позволяет увеличить локализацию анодного растворения (в 1,5.2 раза) за счет более быстрого роста проводимости электролита в областях с меньшими МЭЗ. Установлено, что в исследуемом диапазоне плотностей тока (400.2 ООО А/см2) шероховатость поверхности монотонно уменьшается с увеличением амплитуды и длительности импульсов тока и при обработке хромистых и хромоникелевых сталей достигает Яа 0,02.0,03 мкм, при обработке титановых сплавов - Яа 0,04.0,06 мкм. Показано, что максимально достижимая производительность обработки снижается с увеличением плотности тока вследствие уменьшения количества электричества, прошедшего через МЭП до фазового запирания.

5. Методом вторичной ионной масс-спектроскопии установлено, что при обработке поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 импульсами тока сверхвысокой плотности в ней не происходит увеличения концентрация гидрида титана по сравнению с исходным состоянием.

6. На основе экспериментальных зависимостей Ка=/{;\ т, А) поставлена задача и разработан алгоритм определения оптимального соотношения амплитуды и длительности импульса тока, обеспечивающих достижение заданной шероховатости поверхности с наибольшей производительностью обработки. Установлено, что для заданных условий обработки (геометрия МЭП, схема прокачки, состав и проводимость электролита и т.д.) существует оптимальная комбинация амплитуды и длительности импульса тока, при которых шероховатость поверхности минимальна.

7. Сформулирована и решена задача оптимизации параметров импульса тока (напряжения) по критерию локализации. Показано, что для каждого сочетания «напряжение - величина МЭЗ» существует оптимальная длительность импульса, при которой локализация анодного растворения будет максимальной.

Практическая значимость работы

1. Полученные экспериментальные и расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании (в том числе в САПР) технологических операций финишной обработки деталей методом ЭХО.

2. Технические требования к источнику питания и системе управления использованы при создании современного промышленного электрохимического оборудования на Стерлитамакском станкостроительном заводе имени Ленина (станок модели ЕСМ-1500А).

3. Технологические рекомендации использованы в рамках договоров и при техническом сотрудничестве Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) с фирмой РЕМТес (Франция), ОАО «Уфимский ювелирный завод», фирмой «Новотэч» и НКТБ «Искра» (г. Уфа) .

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международном симпозиуме по электрическим методам обработки (Бильбао, 2001г.), на международной конференции «Теоретическая информатика-2000: от теории к практике», (Уфа 2000) и на ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ.

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе и 1 патент на изобретение и 2 международные заявки по системе РСТ, прошедшие экспертизу «по существу» .

Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 127 страницах и состоит из введения, шести глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 78 названий, содержит 10 таблиц и 93 рисунка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований электрохимической обработки для представителей групп хромистых, хромоникелевых, высокоуглеростых сталей и титановых сплавов импульсами тока сверхвысокой плотности выявлены оптимальные условия и определены режимы, при которых л для деталей площадью до 2 см с наибольшей производительностью обеспечиваются высокая точность копирования (погрешность менее 10 мкм) и качество поверхности (Яа менее 0,05 мкм).

1. Определены основные закономерности формирования микросекундных импульсов тока высокой плотности и энергетические характеристики МЭП. Установлено, что зависимость электрического сопротивления МЭП от времени для единичного импульса имеет три минимума, причем положение глобального минимума (при прочих равных условиях) определяется величиной межэлектродного зазора (РСТ WO 02/090030).

2. Разработана феноменологическая и математическая модели физико-химических процессов в МЭП при протекании импульсных токов сверхвысокой плотности. Установлено, что при больших скоростях ввода энергии в МЭП превалирующее развитие по сравнению с газонаполнением получают процессы нагрева электролита. Поэтому при ЭХО на сверхвысоких плотностях тока разница электрического сопротивления МЭП в начале и конце импульса положительна в отличие от ЭХО на малых плотностях тока, где она отрицательна вследствие влияния газонаполнения МЭП (Пат. РФ №2220031, РСТЛШ 03/00337).

3. Выявлены зависимости локализации растворения, шероховатости обработанной поверхности и производительности процесса от параметров импульсов тока. Показано, что увеличение амплитуды тока позволяет увеличить локализацию анодного растворения (в 1,5. .2 раза) за счет более быстрого роста проводимости электролита в областях с меньшими МЭЗ. Установлено, что в исследуемом диапазоне плотностей тока (400.2000 А/см2) шероховатость поверхности монотонно уменьшается с увеличением амплитуды и длительности импульсов тока и при обработке хромистой (40X13) и хромоникелевой (12Х18Н10Т) сталей достигает Ra 0,02.0,03 мкм, при обработке титанового сплава (ВТ6) - Ra 0,04.0,06 мкм. Показано, что максимально достижимая производительность сокращается с увеличением плотности тока вследствие уменьшения количества электричества, прошедшего через МЭП до фазового запирания.

4. Методом вторичной ионной масс-спектроскопии установлено, что при обработке поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 импульсами тока сверхвысокой плотности в ней не происходит увеличения концентрация гидрида титана по сравнению с исходным состоянием.

5. Сформулированы и решены задачи оптимизации параметров импульса по критериям локализации и шероховатости поверхности. Показано, что для каждого сочетания «напряжение - величина МЭЗ» существует оптимальная длительность импульса, при которой локализация анодного растворения будет максимальной. Установлено, что для каждого набора условий обработки в области допустимых значений существует оптимальная комбинация амплитуды и длительности импульса тока, при которых шероховатость поверхности минимальна.

7. На основе выявленных закономерностей формирования импульса тока предложены информативные параметры для контроля и управления величиной МЭЗ, фазой подачи группы импульсов и предложен алгоритм автоматического управления процессом обработки.

8. Определены диапазоны изменения параметров обработки для различных материалов и технические требования к источнику питания, необходимые для создания опытного образца электрохимического станка. Сформулированы подходы к выбору оптимальных режимов обработки.

1. Политехнический словарь / Гл. ред. А.Ю.Ишлинский. М.: Сов. энциклопедия, 1989. - 655 с.

2. Амирханова H.A. Теоретические основы электрохимической обработки. Уфа: УГАТУ, 1994.

3. Журавский А.К. О структуре точности ЭХО деталей // Новое в электрохимической размерной обработке металлов: Тез. докл., Кишинев: Штииница, 1972, С. 74-75.

4. Саушкин Б.П. и др. Проблемы и перспективы развития импульсной электрохимической размерной обработки / Б.П.Саушкин, А.Г.Атанасянц, Г.А.Сычков//Электронная обработка материалов, 2003, №2, С. 10-22.

5. Тенденции и перспективы развития ЭХРО. Опыт разработки прогноза методом экспертных оценок / А.И.Дикусар, Г.Н.Зайдман, В.И.Петренко, М.М.Ботошанский, А.И.Негру и др. II Электронная обработка материалов, 1984, №5, С. 8-13.

6. Шляков В.Г. Разработка и исследование способа электрохимического формообразования сложных поверхностей на малых межэлектродных зазорах, Автореф. дис. канд. техн. наук, Тула: ТЛИ, 1971, С. 29.

7. Байрамян А.Ш. Основы теории размерной электрохимической обработки // Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: Тез. докл, Ереван, 1966, С. 28 -46.

8. Электроэрозионная и электрохимическая обработка. Расчет, проектирование, изготовление и применение электродов- инструментов. 4.2., М.: Научно-исследовательский институт информации по машиностроению, 1980, С. 163.

9. Кащеев В.Д., Влияние различных видов электрохимической обработки на шероховатость поверхности металлов. Электродные процессы и технология электрохимической размерной обработки. Кишинев: Штииница, 1980.

10. Г.Н. Зайдман, Б.А. Саушкин. Роль фазового состава в формировании микрорельефа поверхности при ЭХРО металлов и сплавов. Тезисы докладов на конференции «Применение электрохимических и электрохимических методов обработки. Пермь 1976 г.

11. Электродные процессы и процессы переноса при электрохимической размерной обработке металлов. /Под ред. B.C. Крылова. Кишинев: Штиница, 1983.

12. Быков В.К, Елисеев А,А. Некоторые технологические показатели РЭХО на малых МЭЗ. // Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов. Тула: ТПИ 1978.

13. D.Landolt, R,H Muller, C.W.Tobias. Cristollographic factors in High-Rate Dissolution of Copper// Journal of The Electrochenical Society, Vol.118, №1, P. 36

14. Саушкин Б.П. Шероховатость поверхности при импульсной электрохимической обработке металлов// Электронная обработка материалов, 1975, №2.

15. Седыкин Ф.В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. -М.Машиностроение, 1976, 302 с.

16. Давыдов А.Д. Электрохимическое растворение металлов в импульсных режимах/ Сб. трудов. Всесоюзной научно- технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении», Тула: ТулГТУ, 1997, С.6-11.

17. Хухро М. Проектирование процесса ЭХО в смеси электролит газ // Международ. симп. по электрическим методам обработки ISEM-8, М., 1986, С. 116-119.

18. Электроэрозионная и электрохимическая обработка. Расчет, проектирование, изготовление и применение электродов- инструментов, 4.2, М.: Научно-исследовательский институт информации по машиностроению, 1980, 163 с.

19. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей: Учебн. пособие / Ю.С.Елисеев, В.В.Крымов, A.A. Митрофанов и др.; Под ред. Б.П. Саушкина, М.: Дрофа, 2002, 656 с.

20. Румянцев Е.М. Теоретические аспекты электрохимического формообразования повышенной точности // Современная электротехнология в машиностроении: Сб. тр. научн.-тех. конф., Тула: ТГУ, 1997, С. 109 — 111.

21. Основы повышения точности электрохимического формообразования / Ю.Н.Петров, Г.Н.Корчагин, Г.Н.Зайдман, Б.П.Саушкин. — Кишинев: Штииница, 1977, 117 с.

22. Де Регт С. Применение ЭХО для производства прецизионных деталей // Межд. симп. по электрическим методам обработки ISEM-8, М., 1986, С. 129-138.

23. Идрисов Т.Р. Влияние дополнительной поляризации электродов на точность и качество поверхности при электрохимической обработке микросекунд-ньгами имульсами тока. Автореф. дис. канд. техн. наук. , Уфа: УГАТУ, 2003, 18 с.

24. Филимоненко В.Н., Капустин А.И., Точность электрохимического формообразования при ЭХРО короткими импульсами тока // Электродные процессы и технология электрохимической обработки металлов, Кишинёв: Шти-ница, 1980.

25. Тимофеев В.А., Клоков В.В., Смоленцев В.П. Расчет продолжительности цикла при электрохимической обработке металлов// Электронная обработка материалов, 1972, №6.

26. М. Datta and D.Landolt. Electrochemical machining under pulsed current conditions. Electrohem, acta, 1981, 26, N 7, 899-907.

27. Саушкин Б.П., Кумов Г.В. О некоторых явлениях в зазоре при ЭХО импульсами тока// Электронная обработка материалов, 1971 , №1.

28. Кузнецова Т.М, Атанасянц А.Г. Влияние импульсного режима на кинетику анодного растворения жаропрочных сплавов при ЭХО // Электронная обработка материалов, 1987, №4.

29. Румянцев Е.М. Анализ схем электрохимического формообразования // Электронная обработка материалов, 1982, №4, С.5 10.

30. Козак Е, Давидов А.Д. Два основных аспекта проблемы повышения точ-. ности электрохимической размерной обработки при переходе к импульсным режимам//Электрохимия, 1983, вып. 7, С. 867 874.

31. Панов Г.Н., Гарин В.Н., Головайчиков М.И. Приближенный расчет параметров электрохимической размерной обработки// Технология машиностроения, вып. 13. Тула: ТПИ, 1973.

32. Maria Chuchko, Adán Ruszai, Maria Zybura-Skabalak. The Influence Of Electrochemical Machining on Machined Surface Geometry. Proceedings of XII International Symposium For Electromachining, Vol.1, P. 521 526 .

33. Зайдман Г.Н., Петров Ю.Н. Формообразование при электрохимической размерной обработке металлов, Кишинёв: Штииница 1990, С 113 121.

34. Рыбалко A.B., Галанин С.И., Бобанова Ж.И. Динамика поляризации электрода при нестационарном электролизе//Электронная обработка материалов.-1988, №4, С.21 -24.

35. Рыбалко A.B., Галанин С.И, Амплитудно-временные характеристики нарастания и спада поляризации в условиях импульсной ЭХО// Электронная обработка материалов, 1990, №4.

36. Рыбалко A.B., Галанин С.И., Дикусар А.И. Локализация анодного растворения в условиях электрохимической обработки импульсами микросекундного диапазона длительностей//Электронная обработка материалов 1992, №5, С. 4 -10.

37. Рыбалко A.B., Дикусар A.B. Электрохимическая обработка импульсами микросекундного диапазона//Электрохимия, 1994, Том.ЗО, №4. С. 490 498.

38. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н. Импульсная электрохимическая обработка металлов // Электродные процессы и технология электрохимического формообразования Кишинёв: Штиница, 1987, С. 66-83.

39. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н., Энегельгарт Г.Р. О фазовом запирании при ЭХО импульсами большой мощности. //Электронная обработка материалов -1980, №3, С. 25-29.

40. Дмитриев Л.Д., Любимцев В.В., Шляков В.Г. Условия повышения точности электрохимического формообразования // Технология машиностроения, Тула: ТЛИ, 1973, С. 113 118.

41. Рыбалко A.B., Зайдман Г.Н О пробое межэлектродного промежутка в условиях электрохимической размерной обработки// Электронная обработка материалов, 1984, №6, С. 83-85.

42. Любимов В.В. Исследование повышения точности электрохимического формообразования на малых межэлектродных зазорах: Автореф. дис. канд. техн. наук., Тула:ТПИ, 1973, 25 с.

43. Седыкин Ф.В., и др. О некоторых параметрах импульсной электрохимической обработки на малых межэлектродных зазорах/ Ф.В. Седыкин, Л.Б. Дмитриев, В.В. Любимов, В.К. Пашков, В.К. Сундуков// Технология машиностроения, Вып.31, Тула: ТПИ, 1973 г.

44. Михеев H.A., и др. Вопросы управления процессом формообразования при использовании импульсного тока/ H.A. Михеев, В.Г. Шляков, С.М. Адилов,

45. B.C. Сальников// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов, Тула:ТПИ, 1977.

46. Михеев H.A., Сальников B.C., Адилов С.М., К определению критической длительности импульса технологического напряжения// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов, Тула:ТПИ, 1978.

47. Dieter Landolt. Throwing Power Measurements during High Rate Nickel Dissolution under Active and Transpassive Conditions.J. Electrochem. Soc: Electrochemical Science and Technology. 1972, P.708 712.

48. Амирханова Н.А., Журавский А.К. О рациональном составе электролита для электрохимической обработки материалов // Электрохимическая обработка металлов: Сб. науч. тр., Кишинев: Штииница, 1971, С. 99 104.

49. Сенина О.А., Филимошин В.Г. К вопросу повышения точности электрохимической обработки в проточном электролите // Размерная электрохимическая обработка деталей машин: Материалы научн.-тех. конф. Тула: ТПИ, 1975, 4.1, С. 162-164.

50. Зайдман Т.Н., Принь Г.Н. Формирование погрешности формы и размера при электрохимической размерной обработке металлов // Современные проблемы электрохимического формообразования: Сб. науч. тр., Кишинев: Штииница, 1978, С. 9- 13.

51. Амирханова Н.А. и др. Особенности электрохимической обрабатываемости мартенситно-стареющей стали 02Н18К9М5Т (ЭП-637) / Н.А.Амирханова, Н.З.Гимаев, А.Ф.Зорихин, С.Н.Шарипова, и др. // Электронная обработка материалов, 1989, №1, С.68 70.

52. Атанасянц А.Г. и др. Исследование анодного растворения сплавов ЖС-6У, ЖС-26 применительно к электрохимической размерной обработке /

53. A.Г.Атанасянц, Т.М.Кузнецова, В.А.Корниенко, В.И.Кузин // Электронная обработка материалов, 1985, № 3, С. 5-8.

54. Орлов Б.П. Соколов Б.М., Кашпирев Б.В. Исследование влияния параметров импульсного тока на локализацию анодного растворения// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов, Тула: ТПИ, 1979.

55. Дмитриев Л.Б. и др. Условия повышения точности электрохимического формообразования в импульсном режиме / Л.Б.Дмитриев, В.В.Любимов,

56. B.Г.Шляков // Технология машиностроения. Вып.31. Исследования в области электрофизических и электрохимических методов обработки металлов, Тула, 1973, С. 113-118.

57. Rolf Schuster, Viola Kirchner, Philippe Allongue, Gerhard Ertl. Electrochemical Micromachining. Science, 2000, Vol 289., P. 98 101.

58. Viola Kirchner, Laurent Cagnon, Rolf Schuster and Gerhard Ertl. Electrochemical machining of stainless steel microelements with ultrashort voltage pulses. Applied physics letters, 2001, Vol.79, №11, P 1721 1723.

59. Багманов B.X. О механизме электрического пробоя электролита в условиях ЭХО. Технология авиастроения. Электрические методы обработки материалов: Межвузовский научный сборник, Вып.2, Уфа: УАИ, 1982 .

60. Карагин В.Г. Влияние плотности тока на глубину растравливания при электрохимической размерной обработке// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов в авиастроении. Казань: КАИ, 1991, С. 25-30.

61. Волкова Г.А., Зингерман A.C. Пробой электролитов. Электрохимические и электрофизические методы обработки: материалы семинара, сборник 1. М: 1968.

62. Оценка влияния разогрева и газонаполнения на электропроводность электролита на полное сопротивление межэлектродного промежутка/ Ф.В. Седы-кин, Ю.В. Полутин, В.И. Зайцев, Н.Е. Гучек, В.М. Иванов.

63. Каримов А.Х., Александров Я.И., Минуллин М.С. Измерение электропроводности стационарного и проточного элктролиа при ЭХО// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов в авиастроении, Казань: КАИ 1991.

64. Пупков Е.И. Геометрические параметры шероховатости поверхности после размерной электрохимической обработки. Технология машиностроения .Вып. 31. Исследования в области электрофизической и электрохимической обработки металлов, Тула: ТПИ, 1973.

65. Артамонов Б.А., и др. Размерная электрическая обработка металлов/ Б.А. Артамонов, А.Л. Вишницкий, Ю.С. Волков, A.B. Глазков. Под.ред. A.B. Глаз-кова. Москва: Высшая школа, 1978.

66. Любимов В.В., Захаркин С.И., Медведев В.В. Анализ возможностей и условий осуществления электрохимической обработки на свехмалых межэлектродных зазорах/Современная электротехнология в промышленности центрач

67. России. Исследования, инновации, применение, Тула.ТулГУ, 1998, С. 74 77.

68. Loutrell S.P., Cook N.H. Trans ASME, B.J. Eng.Ind., Vol. 95, №4, P. 9971005, 1973.

69. Каримов A.X., Александров Я.И., Минуллин M.C. Измерение электропроводности стационарного и проточного электролита при ЭХО металлов// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов, Казань: КАИ, 1991.

70. Сундуков В.К., Бобринец А.Н., Стрельников В.И., Исследование производительности размерной ЭХО// Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов. Тула: ТПИ, 1978.

71. Smirnov M.S., Zaitsev A.N., Agafonov I.L., BezrukovS.V., Belogorsky A.L., Zhitnikov V.P., Electrochemical dimensional machining by microsecond duration current pulses. Proceedings of The 13th International Symposium For Electro-machining. Bilbao 1998.

72. Точность и производственный контроль в машиностроении: Справочник / И.И. Балонкина, А.К. Кутай, Б.М. Сорочкин, Б.А. Тайц; Под. ред. А.К. Кутая, Б.М. Сорочкина, JL: Машиностроение, 1983, 368 с.

73. Воробьев А.А., и др. Предпробивные явления в водных растворах электролитов в сверхвысоких импульсных электрических полях/ Воробьев А.А., Рюмин В.В., Семкин Б.В., Семкина О.П., Ушаков В.Я., // Электроная обработка материалов, 1971, №3

74. Даниэльс, Фаррингтон, Олберти. Физическая химия. М: Наука, 1978.

75. Ландау М.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. М: Наука, 1982.