Повышение точности и качества поверхности при электрохимической обработке за счет применения импульсов тока сверхвысокой плотности

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 оптимизацииимеются разногласия в интерпретации ряда экспериментальных данныхне 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 физикохимических, 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 минимумаположение 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, 2001 г.), 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 02/90 030).

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 № 2 220 031, РСТЛШ 03/337).

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.