автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка методов и средств управления процессом электрохимической обработки в нестационарном режиме

/ КУ

Воронежский государственный технический университет

а

I Л,

л

•п На правах рукописи

-Л

Смоленцев Геннадий Павлович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

лУ?

Воронеж-1998

.¿9. О % 5 - /П-б'/о 9 2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................... 5

Глава 1. Формообразование при электрохимической обработке в

нестационарном режиме......................................... 12

1.1. Теоретические вопросы ЭХО в нестационарном режиме 12

1.2. Технологические вопросы обработки и управления в нестационарном режиме........................................ 18

1.3. Рабочие среды...................................................... 32

1.4. Локализация границ за счет свойств покрытий............ 43

1.5. Формообразование пленок с требуемыми характеристиками................................................ 56

1.6. ОборудованиеЭХО при нестационарном режиме.. 77

1.7. Инструмент для ЭХО............................................. 81

1.8. Влияние ЭХО в нестационарном режиме на эксплуатационные характеристики изделий............... 87

Выводы к главе 1....................................................... 94

Глава 2. Методика исследований........................................... 95

2.1. Научная проблема и концепция работы...................... 95

2.2. Рабочие гипотезы и критерии управления ЭХО в нестационарном режиме........................................ 96

2.3. Решение задач управления процессом с учетом поверхностных пленок и оценки влияния нестационарного режима на эксплуатационные показатели......................................................... 100

2.4. Методы локализации и управления процессом........................101

Глава 3. Физическое и математическое моделирование

локального процесса обработки в нестационарном режиме..................111

3.1. Физическая модель................................................................111

3.2. Математическая модель процесса электрохимической обработки в нестационарном режиме................................................127

3.3. Механизм формообразования границ электролизера на деталях с покрытиями....................................................................................134

Выводы к главе 3............................................................................................................143

Глава 4. Локализация процесса на границе электролизера........................145

4.1. Принципы и методики проектирования рабочих сред.... 145

4.2. Выбор метода и регулирование процесса шаблонами.... 148

4.3. Оптимизация управления режимом обработки..........................180

4.4. Электрохимическая обработка в нестационарном

режиме...................................................................................................186

Выводы к главе 4..............................................................................................................198

Глава 5. Технологическое оснащение при электрохимической

обработке в нестационарном режиме................................................199

5.1. Безразмерная обработка. Расчет технологических режимов........................................................................................................................199

5.2. размерная обработка....................................................................................206

5.3. Выбор способа электрохимического маркирования............208

5.4. Выбор рабочих сред............................................................................................215

5.5. Изготовление инструмента для размерной обработки.... 221

5.6. Методы подвода рабочих сред к зоне обработки....................239

5.7. Влияние нестационарного режима на

эксплуатационные показатели изделий..................... 245

Выводы к главе 5....................................................... 265

Глава 6. Использование результатов исследований в производстве 266

6.1. Основные концепции создания оборудования для электрохимической обработки в нестационарном

режиме.............................................................. 266

6.2. Безразмерная обработка.......................................... 268

6.3. Размерная обработка............................................. 270

6.4. Оборудование для безразмерной и размерной

обработки в проточном электролите................................................282

6.5. Оборудование для электрохимического маркирования в непроточном электролите............................................................................298

6.6. Влияние внешних воздействий на долговечность маркировки................................................................................................................320

6.7. Перспективы развития процесса ЭХО................................................323

Выводы к главе 6..............................................................................................................323

Общие выводы..................................................................................................................................324

Список литературы........................................................................................................................328

Приложения.....................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Электрохимическая размерная обработка (ЭХО) появилась в промышленности в варианте нестационарного процесса с неподвижными (в направлении зазора) электродами. Первым крупным обобщением материалу по этой проблеме применительно к ствольной артиллерии явилась докторская диссертация проф. Ф.В. Седыкина. Последующее стремительное развитие метода не оставило ученым времени для систематизации новой информации по нестационарному процессу, т.к. все внимание исследователей было переключено на стационарные методы и импульсно-циклическую обрйбо+ку, при которой управление процессом совершается путем сближения и удаления электродов по заданному закону. Развитие электрохимической размерной обработки (ЭХРО) в направлении слежения за зазором связано с усложнением кинематики оборудования, созданием дорогостоящих, и не всегда надежных, средств защиты от коротких замыканий на базе электронных и радиотехнических устройств.

Для нестационарных процессов исследования велись весьма ограниченно и занимали небольшую (особенно в теоретическом плане) долю работ в области электрохимической размерной обработки. Сложившаясй в последние годы общая экономическая ситуация заставила выполнить всесторонний экономический анализ целесообразности применения новых технологий, в том числе электрохимической размерной обработки. Выяснилось, что нестационарные процессы в ряде случаев намного конкурентоспособнее, чем все другие способы формообразования, однако применять их крайне сложно, т.к. здесь практически отсутствуют системные разработки и обобщения, учитывающие достижения последних лет в области физики, химии, технологии, теории управления процессами.

При нестационарном режиме (НР) достигаются многие показатели, которые отвечают современным запросам промышленности: высокая степень универсальности метода, когда можно без изменения кинематики

оборудования приступать к обработке другой детали, простейшая конструктивная схема станков, где требуются только настроечные перемещения и установки, возможность широкого использования модульного принципа, где большая часть модулей строится на базе серцйных комплектующих с незначительной доработкой, создание универсальйых переносных и передвижных установок с локальными ваннами, где обрабатываемая деталь составляет часть технологической системы, что позволяет производить операцию без транспортировки детали, снижение затрат на подготовку обслуживающего персонала.

Анализ показал, что без крупных теоретических разработок обработка в нестационарном режиме длительное время будет оставаться одной из разновидностей полировки, где она конкурентоспособна только в отдельных приложениях, относящихся к слабо-пассивирующимся сплавам типа нержавеющих сталей, в то время как потребность в этом методе явно возросла, особенно при выпуске экспортной продукции. Главной причиной такого положения стало несоответствие базы знаний о внутренних явления^ и критериях управления процессами состоянию разработок в этой области. Использование ЭХО в нестационарном режиме (ЭХО в НР) для случаев чистовой безразмерной обработки нередко оказывается не эффективный из-за нестабильности технологических результатов и слабой локализации процесса, что приводило к погрешностям формы, превышающим допуск на деталь.

Первые же попытки применения процесса для мелкого маркирования, где припуск по глубине измеряется микрометрами, заставил решать задачи локализации поля для получения четких границ штриха. Достигнутые положительные результаты в этой области, в основном, получены экспериментальным путем. Некоторые решения для специфичных деталей отрасли получены в работах Ф.В. Седыкина, В.М. Мордехая, З.Б. Садыкова и др. Как следует из работ А.К.Журавского [131, 132], на конечный результат обработки влияет более 120 взаимосвязанных факторов, изменяющихся в большинстве случаев по законам, которые известны в лучшем случае на уровне

уравнений регрессии для конкретных применений. Поэтому попытки управлять режимами не привели к положительным результатам, доводка метода под конкретные детали эмпирическим путем лишала его главного свойства конкурентоспособности - универсальности при переходе на новую продукцию. Кроме того, такой подход не обеспечивал стабильности процесса в течение времени обработки партии деталей.

Накопленный автором теоретический и прикладной материал позволяет решить проблему управления процессом размерной и безразмерной нестационарной электрохимической обработки. В работе рассматривается схемы формообразования с увеличением межэлектродного зазора (МЭЗ) на величину съема металла без перемещения инструмента по направлению к детали.

Цель работы; Разработка путей и методов формообразования в нестационарном режиме ЭХО деталей с заданными технологическими показателями.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Обоснование критериев управления нестационарным процессом.

2. Разработка общей физической модели обработки в нестационарном режиме поверхностей с пассивацией границ электролизера с помощью плейок и диэлектрических покрытий.

3. Создание путей управления процессом на уровне трансформации поверхностных пленок.

4. Математическое моделирование процессов в изменяющемся по времени пространстве.

5. Создание теоретических основ локализации поверхности на границе электролизера.

6. Разработка методов расчета и изготовления инструментов (шаблоны, электроды).

7. Создание комплекса технических средств и автоматизированных установок для обработки в нестационарном режиме.

8. Обоснование возможности использования обработки в нестационарном режиме для различных условий эксплуатации машин.

Методы исследования: В процессе выполнения работы использовались основные положения теоретической электрохимии, теории электрических и комбинированных методов обработки, гидродинамики, теория плецок, некоторые разделы сварки, теплотехники, оптимизации процессов, электротехники, молекулярной физики, физики твердого тела.

На защиту выносятся:

1. Критерии управления формообразованием в нестационарном режцме для основных технологических приложений процесса.

2. Физическую модель формообразования поверхностей в нестационарном режиме , в том числе получения локального цветного изображения без удаления материала.

3. Принципы управления процессом на уровне трансформации поверхностных пленок.

4. Математическую модель процесса формообразования поверхности в изменяющейся во времени и пространстве напряженностью поля.

5. Принципы и методики проектирования рабочих сред для нестационарных процессов.

6. Методы расчета и конструкции оборудования, средств технологического оснащения для обработки деталей в нестационарном режиме.

7. Обоснование использования методов обработки в нестационарном режиме для различных условий эксплуатации конструкций.

Научная новизна работы:

- разработаны физическая и математическая модели нестационарного процесса, учитывающая локализацию зоны обработки за счет внешних и внутренних воздействий;

- раскрыты методы управления границей электролизера за счет локализации поверхности при размерной обработке в нестационарном режиме;

- разработаны способы оптимизации путем трансформации поверхностных пленок, образующихся при обработке в нестационарном режиме;

- формирование единого физического показателя (градиента поля, определяющего все технологические показатели процесса и выбор технологических комплексов).

Практическая ценность работы:

- возможность расширения области использования нестационарной обработки на изделия с высокой точностью и различной серийностью за счет оптимизации путей управления и стабилизации выходных показателей процесса;

- научно-обоснованный выбор рабочих сред, что позволило создать и защитить охранными документами 6 наименований сред для различных технологических приложений нестационарного процесса;

- создание новых способов локализации процесса (на уровне изобретений), позволивших повысить стабильность и точность формообразования при расширении диапазона припусков на несколько порядков;

- создание новых способов, устройств для выполнекия технологических операций, часть которых ранее считалось неосуществимыми (изготовление каналов с переменным профилем и криволинейной осью, получение контрастных знаков без разрушения защитных пленок и др.);

- расширение применения результатов исследований в область медицинской техники для улучшения условий работы врачей, устранения болевых ощущений и травм, снижения расхода инструмента.

Работа поэтапно внедрялась в промышленность в течение более 30 лет и нашла использование в Польше, Украине, Молдавии, Казахстане, Узбекистане, Китае, в Российских городах: Воронеже, Москве, Казани, Мценске (Орловской области), Уфе, Павлове (Горьковской области).

Создано оборудование, защищенное охранными документами на

изобретения и на промышленный образец.

Общий экономический эффект от использования работы в промышленности составил более 600 млн. руб. (в ценах 1997 г).

Апробация работы:

Основные положения работы докладывались на международных конференциях и симпозиумах в Польше (1980, 1990, 1993, 1994 г.г.), СТ)Г -Туле (1985,1997), Москве (1994, 1997), Ленинграде (С-Петербурге)(1979, 1997), Луганске (1996), Кишиневе (1972), Казани (1996), Новгороде (1996), Ижевске (1990), Куйбышеве (1982), на кафедрах технического профиля в ВГТУ, МВТУ им. Баумана, Станкина, МАИ, МГИУ.

Работа отмечена Золотой медалью ВДНХ в 1986 г., а ее теоретические положения составили основы присуждения автору почетной степени чрезвычайного соросовского профессора (1995 г).

Публикации: По теме диссертации опубликована монография (изд. Машиностроение, 1983), РТМ 1.4.370-77 НИАТ, учебное пособие, 25 статей* 25 тезисов докладов, получено 26 авторских свидетельств на изобретения и на промышленный образец.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Голоденко Б.А., членам кафедры «Самолетостроение» Воронежского государственного технического университета, сотрудникам отдела электрохимической обработки НИИАСПК, сотрудникам бюро электрообработки отдела Главного технолога ВМЗ за консультации, практическую помощь в проведении экспериментов.

ГЛАВА 1

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В

НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

1.1. Теоретические вопросы ЭХО в нестационарном режиме.

Часть процессов ЭХО в нестационарном режиме осуществляется без прокачки электролита через межэлектродный зазор (например, процессы мелкого электрохимического маркирования^, или с малыми скоростями прокачки (У=2 м/с) . При этом глубина обработки ограничена несколькими микрометрами. Причиной такого явления можно принять резкое повышение электрического сопротивления межэлектродного зазора по мере накопления в нем продуктов обработки и снижения его электропроводности. Большинство исследователей основной причиной изменения электропроводности среды в зазоре считает повышение газонаполнения [93, 294, 296]. Пузырьки газа (главным образом водорода) экранизируют катодную поверхность и уменьшают сечение проводника для прохождения тока, уменьшая тем самым эффективную электропроводность [126]. Нагрев электролита в зазоре, обусловленный выделением джоулева тепла при прохождении тока, приводит к повышению его электропроводности. Эти противоположно действующие факторы частично компенсируют друг друга, но, по мнению [298] влияние первого фактора сильнее, так как при скорости электролита \=2 м/с межэлектродный зазор может быстро перекрыться газовыми пузырями, что приводит к резкому увеличению сопротивления межэлектродного промежутка и прекращению процесса.

При слишком большой скорости электролита и сложной геометрии зазора (резкие повороты потока электролита, внезапные расширения и т.д.) электрическое сопротивление может возрастать и с увеличением скорости, что объясняется нарушением сплошности потока [240, 274]. Зависимость

электропроводности (%) растворов солей от температуры (Т) выражается следующей эмпирической формулой [208]:

Х(Т) = Х25 [1+а(Т-25)+(3(Т-25)2]; (1.1)

Постоянная «а» для растворов солей примерно равна 0,022, а р связана с а приблизительной зависимостью:

(3 = 0,0163(а-0,0174); (1.2)

Повышение температуры электролита на выходе из межэлектродного п�