автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Удаление катодных отложений при выполнении технологических операций биполярной электрохимической обработки

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор литературы по проблемам механизма образования, контроля и удаления катодных отложений на поверхности электрод-инструмента при электрохимической обработке.

1.1 Механизм и условия возникновения катодных отложений на поверхности электрод-инструмента.

1.2 Классификация и аналитический обзор методов контроля и удаления катодных отложений.

13 Методы контроля величины катодных отложений.

1.4 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Методика экспериментального исследования катодных отложений.

2.1 Технологическое оборудование, оснастка, инструмент и измерительная техника.

2.2 Материалы электродов, электролиты.

2.3 Методика определения фазового состава катодных отложений.

2.4 Методика исследования электродного потенциала поверхности ЭИ, покрытой катодными отложениями.

Глава 3. Экспериментальные исследования катодных отложений при импульсной униполярной и биполярной ЭХО.

3.1 Фазовый и химический состав катодных отложений.

3.1.1 Исследование влияния природы электролита на фазовый и химический состав катодных отложений на стальном и латкнном ЭИ при Зшиполярной обработке.

3.1.2 Исследование влияния природы электролита на фазовый и химический состав катодных отложений на стальном и латунном ЭИ при биполярной обработке.

3.1.3 Исследование влияния материала детали на физико-химические свойства катодных отложений.

3.2 Геометрические параметры катодных отложений.

3.2.1 Униполярная обработка.

3.2.2 Биполярная обработка.

3.2.3 Исследование влияния материала ЭИ и заготовки.

3.3 Исследование влияния катодных отложений на выходные технологические показатели (энергоемкость производительность, точность и качество поверхности).

3.4. Исследование зависимости электродного потенциала ЭИ после выключения тока от величины катодных отложений.

3.5 Определение максимально допустимой величины тока обратной полярности для удаления катодных отложений.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Механизм образования и удаления катодных отложений при биполярной ЭХО вибрирующим ЭИ.

4.1 Анализ условий образования катодных отложений в характерных зонах МЭП по длине тракта прокачки электролита.

4.2 Механизм образования и удаление КО при биполярной ЭХО.

4.3 Анализ особенностей образования катодных отложений в электролитах на основе NaNOs и NaCl.

4.4 Анализ особенностей образования катодных отложений при ЭХО сталей и титанового сплава.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Практическое использование результатов исследований.

5.1 Технические предложения по реализации оперативного контроля за возникновением и удалением катодных отложений в процессе обработки.

5.1.1 Технические предложения по схеме контроля и очистке катодных отложений на поверхности ЭИ.

5.1.2 Алгоритм и технические требования к источнику питания.

5.2 Технологические рекомендации по проектированию технологических операций ЭХО (выбор материалов электродов электролитов, режимов, схем обработки).

5.3 Расчетные зависимости геометрических параметров катодных отложений при униполярной и биполярной ЭХО.

5.4 Определение оптимальной интенсивности воздействия очищающих импульсов обратной полярности.

5.5 Примеры технологических операций ЭХО.

Выводы по главе 5.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности формирования геометрии, фазового и химического состава катодных отложений во времени и по длине тракта прокачки электролита в межэлектродном промежутке при импульсной ЭХО вибрирующим электрод-инструментом, а также разработан способ их оперативного контроля и удаления током обратной полярности без прерывания процесса обработки при выполнении технологических операций прецизионного копирования.

1. Разработаны методики, технологическая оснастка и модернизировано оборудование для комплексного исследования геометрии и физико-химических свойств КО наАповерхности ЭИ в различных условиях импульсной ЭХО вибрирующим ЭИ.

2. Выявлен характер влияния КО на выходные технологические показателей ЭХО. При этом установлено, что при возникновении КО за счет снижения локальной скорости анодного растворения наблюдается изменение формы обработанной поверхности; наименьшая достигаемая шероховатость обработанной поверхности определяется микрорельефом КО и практически не зависит от шероховатости поверхности ЭИ; КО способствуют увеличению энергетических затрат на реализацию процесса в среднем на 5 - 15%.

3. Установлено, что в начальный период времени ЭХО происходит интенсивный рост КО, в последующем он резко замедляется, и величина КО достигает некоторого установившегося значения, характерного для данного режима, условий обработки и физического сродства продуктов анодного растворения и материала ЭИ. При этом показано, что при ЭХО сталей время достижения установившегося значения величины КО на латунном электроде значительно больше, чем на стальном. пассивирующем кислородосодержащем электролите на основе ЫаМОз. Это объясняется тем, что при использовании электролита на основе МаС1 образуется мелкокристаллический Ре(ОН)з, который в виде твердых частиц шлама концентрируется на дне ванны, образуя взвесь, и в меньшей степени (по сравнению с МаКОз) коллоидный раствор.

5. Разработана комплексная модель механизма образования и удаления КО, в рамках которой подтверждена гипотеза о том, что их возникновение обусловлено электрофоретическим переносом положительно заряженных гранул (оксидов и гидроксидов) к поверхности ЭИ, где они адсорбируются и адгезионно связываются с подложкой катода. Выдвинуто предположение, что при подаче импульса тока обратной полярности происходит кратковременное существенное (до рН=1 - 2) закисление приэлектродной области, необходимое для химического растворения КО. Впервые выявлены особенности образования КО по длине прокачки электролита в МЭП при ЭХО. При этом установлено, что при подаче рабочих импульсов тока прямой полярности на поверхности ЭИ могут образовываться характерные зоны, возникающие при существенно различных сочетаниях плотности тока, температуры и гидродинамических параметрах потока электролита и различающиеся фазовым, химическим составом и формой. Фазовый и химический состав КО при ЭХО сталей для различных материалов ЭИ и составов электролитов в одноименных зонах практически одинаков, различие состоит лишь в количественном соотношении элементов фазового состава КО. Выдвинута гипотеза о том, что при ЭХО титановых сплавов типа ВТ6 образуются два типа коллоидных гранул - положительно и отрицательно заряженные частицы. При этом поверхности катода достигает лишь незначительная часть положительно заряженных коллоидных гранул рутила (ТЮг) и оксида алюминия (А12О3).

168 форма кривой напряжения на МЭП, при протекании тока обратной полярности в паузе между рабочими импульсами - информацию о пассивном состоянии или анодно-анионной активации поверхности ЭИ, при которой происходит ее электрохимическое повреждение.

7. Разработан и апробирован на промышленном оборудовании алгоритм оперативного контроля и удаления КО, основанный на циклическом анализе и сравнении с заданными значениями параметров формы кривой спада остаточной поляризации электродов и формы импульса напряжения обратной полярности. Сформулированы технические требования к источникам питания и технологические рекомендации по выбору материалов электродов, электролитов и режимов обработки, обеспечивающих снижение интенсивности образования КО, которые были апробированы при разработке технологических процессов ЭХО и создании электрооборудования для универсальных копировально-прошивочных станков.

1. Антипов Е.Л., Волков Ю.С. Катодное осаждение вещества заготовки на вращающемся инструменте при финипшом электрохимическом шлифовании. // Электронная обработка материалов.- 1977.- № 2.- С.8 10.

2. Давыдов А.Д., Кобанов Б.Н. Роль рН электролита при электрохимической размерной обработке (Обзор).// Электронная обработка материш1ов.-1977.- №2- СЮ 15.

3. Давыдов А.Д., Козак Е. Высокоскоростное электрохимическое формообразование.- М.: Наука, 1990. 275 с.

4. Зайдман Г.Н., Корчагин Т.Н. Электродные процессы и технология электрохимической размерной обработки металлов. 1980. - С.54-63.

5. Корнилов E.H., Покровский Ю.Ю., Пупков Е.И. Исследование катодных пленок в процессе электрохимической обработки нержавеющей стали. // Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов. Тула: Политехи, ин-т. 1978. - С. 10 - 16.

6. Маэда С. Методы электрохимической обработки /ЛСикай то кочу., 1963. №9. - Т.7.

7. Мороз И.И. и др. Электрохимическая обработка металлов. М.: Машиностроение, 1969. 208 с.

8. Сенина O.A. О влиянии электрохимических свойств материала катода инструмента на процесс ЭХРО. // Электродные процессы и технология электрохимической размерной обработки металлов. Кишинев: Штиинца, -1980-С. 66-71.

9. Сенина О.А., Дикусар А.И., Петров Ю.Н. Влияние материала электрода и природы катиона на скорость катодного газовыделения в растворах нитратов при высоких плотностях тока. // Электронная обработка материалов. 1979.- № 3.-С.13 -18.

10. Филимоненко В.Н., Капустин A.M. Точность электрохимического формообразования при ЭХРО короткими импульсами тока.// Электродные процессы и технология электрохимического формообразования: Сборник, -Кишинев " Штиинца", 1980.- С. 89 -100.

11. Flm-enbrock, Zerckle, Тоф. Checking the one-dimensional model of a two-phase flow with a frontal gap at ECM. "Proceedings of the American Society of mechanics engineers. Series B. Machinery Design and Construction", 1976, -№2.

12. B.Mohanta S., Fahidy T.Z. // Elektrochim. acta. 1974. Vol. 19. pp. 771- 775.

13. Шелудко А.Д. Коллоидная химия.-М.: Мир, 1984.

14. Рид М.Н. Ренгеноспектральный анализ.- М.:Наука, 1979. 129 с.

15. P.Duncumb and S.J.B.Reed; "The calculation of Stopping Power and Backscatter Effects in the Electron Probe Microanalysis", Quantitative Electron Probe Microanalysis, NBS Special Publication 298, Ed. By K.F.J.Heimich, Page 133, 1968.

16. K.F.J.Heinrich, Proc. 11* Intemation Conference, X-ray Optics and Microanalysis, LONDON, ont. 1986

17. K.F.J.Heinrich, "Comparisons of Algorithms for X-ray Mass Absorption Coefficients", Microbeam Analysis 279, 1986

18. Лазарев Э.М., Корнилова З.И., Федорчук Н.М. Окисление титановых сплавов. М.: Наука, 1985. -129 с.

19. Иванов Н.И. К анализу возникновения погрешностей при размерном электрохимическом формообразовании // Электролитические и электрофизические методы обработки материалов: Сб. статей. Тульский политех, институт, 1978. 126 с.

20. Патент 2038928 (RU), МКИ В23Н 3/02. Способ электрохимической размерной обработки / Н.З. Гимаев, А.Н. Зайцев, СВ. Безруков (RU). Опуб. В БИ№19.- 1995.

21. Житников В.П., Зайцев А.Н. Математическое моделирование электрохимической размерной обработки: научное издание УГАТУ, -Уфа, 1996.-221с.

22. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа.- 2000, 558 с.

23. Винарский М.С, Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологичкских исследованиях. В. "Техшка". 1975, - 168 с.

24. Политехнический словарь под ред. А.Ю. Ипшинского, изд. 2-е. М.: "Советсткая энциклопедия", 1980.

25. Исследование катодных отложений при импульсной ЭХО сталей вибрирующим электрод-инструментом. Зайцев А.Н., Гимаев Н.З., Амирханова H.A., Куценко В.П., Маркелова Н.И. // Электронная обработка материалов. -2001.-№2.-0.4-12.

26. Удаление катодных отложений при импульсной электрохимической обработке Амирханова Н.А, Гимаева Н.З, Куценко В.Н., Зайцев А. И,. Маркелова Н.И. // Технология металлов. -2001.- №7.- С.25-31.

27. Маркелова Н.И. Исследование отложений на электрод-инструменте при импульсной электрохимической обработке // Технология и оборудование современного машиностроения: Тезисы докладов. Уфа: УГАТУ, 2000.-C.21.

28. Маркелова Н.И. К вопросу оптимизации параметров режима при импульсной электрохимической обработке // Математическое моделирование в решении научных и технических задач: Тезисы докладов. Вьш.2.- Уфа, 2001.-С 7-9.

29. Маркелова Н.И. Исследование катодных отложений при импульсной ЭХО // Актуальные проблемы химии и химической технологии: Тезисы докладов. Иваново: ИГХТА. - 2001. -С. 15.

30. Зб.Амирханова Н. А. Теоретические основы электрохимической размерной обработки: Учебное пособие. УГАТУ, Уфа, 1994. 77 с.

31. Попил OB Д.Я. Электрохимическая м электрофизическая обработка материалов: Справочник 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1982.-400 с.

32. Егоров М.Е., Дементьев В.И. Технология машиностроения. М.: Высшая школа, 1965. 590 с.

33. Справочник по электрохимии под ред. A.M. Сухотина. Л.: Химия, 1981.-488 с.

34. Дикусар А.И., Энгельгардт Г.Р., Петренко В.И. Электродные процессы и процессы переноса при электрохимической размерной обработке металлов. Кишинев " Штиинца", 1983.- 207 с.

35. Дамаский Б.Б., Петрий O.A. Введение в электрохимическую кинетику: Учеб. пособие для вузов. Под ред. А.Н. Фрумкина. М.: Высшая школа, 1975. -416 с.

36. Шманев В.А., Филимошин В.Г., Каримов А.Х. Технология электрохимической обработки деталей в авиадвигателестроении. М.: Машиностроение, 1986. - 168 с.

37. Артамонов Б.А., Волков B.C., Дрожалова В.И. Электофизические и электрохимические методы обработки материалов: Учеб. пособие в 2-х томах. М.: Высшая школа, 1983. - 208 с.

38. Фрумкин А.Н. Потенциал нулевого заряда. М.: Наука, 1979.-260 с.

39. Измерения в промышленности. Справ, изд. под ред. Перфоса П. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990. - 384 с.

40. Мищенко К.П. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов. Л.: Химия, 1976. - 473 с.

41. Седыкин Ф.В. Технология и экономика электрохимической обработки. -М.: Машиностроение, 1980. 350 с.

42. Ривкин СЛ. Термодинамические производные для воды. Справочник.- М.: Машиностроение, 1977. 472 с.

43. Артемченко А.И. Физика и химия растворов. -М.: Наука, 1972. 87 с.

44. Давыдов А.Д. Электрохимическое растворение металлов в импульсных режимах // Современная электротехнология в машиностроении: Сб. трудов. Тула: 1997. - Сб.174

45. Вишницкий А.Л., Дрозд Е.А., Мирзоев P.A. Обработаа импульсным током в пульсирующем потоке электролита // Новое в электрофизической и электрохимической обработке металлов. Л., 1972.- С.39.

46. Амирханова H.A., Журавский А.К. Выбор рациональных составов электролита для ЭХО деталей. // Вопросы совершенствования технологии производства машин. Уфа, -1984. С.5-7.

47. О точностных возможностях метода размерной электрохимической обработки. В.Ф. Седыкин, Л.Б. Дмитриев, В.В. Бородин и др. // Электронная обработка материалов. 1973.-№1.- С. 11-14.

48. Зайдман Г.Н. Особенности формирования микрогеометрии поверхности при ЭХО многофазных металлических систем.// Электронная обработка материалов. 1977. -ХЛ1. - С.12-15.

49. Румянцева Е.М., Давыдов А.Д. Технология электрохимической обработки металлов. М.: Высшая школа, 1984. - 159 с.

50. Саушкин Б.П. Анодное растворение железа, хрома и хромистых сталей в нейтральных растворах хлорида и хлората натрия // Электронная обработка материалов. 1974. -№6. —С.5-9.