Введение к работе
Актуальность темы исследований.
На сегодняшний день достигнутые ранее технологические возможности электрохимической обработки (ЭХО) на малых межэлектродных зазорах обеспечили широкое внедрение способа при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов, например, при производстве штампов, пресс-форм, лопаток турбин и компрессоров. К неоспоримым преимуществам ЭХО можно отнести отсутствие износа инструмента, высокое качество обработанной поверхности, несущественное воздействие на поверхностный слой заготовки. Однако достигнутые технологические показатели процесса ЭХО в области микрообработки на сверхмалых межэлектродных зазорах (СММЭЗ), такие, как точность формообразования, качество обработанной поверхности, ограничивают применение или вообще не позволяют использовать микроэлектрохимическую обработку (МЭХО) для получения высокоточных изделий без использования финишных операций.
Достигнутые технологические показатели МЭХО не являются максимальными и отражают лишь сегодняшний уровень развития технологии и оборудования. Исследования последних лет были направлены на совершенствование технологических схем МЭХО, применение коротких импульсов напряжения, расчет параметров потока электролита в межэлектродном пространстве, стабилизацию некоторых технологических параметров процесса, применение систем адаптивного управления, повышение эффективности проектирования операций сложного микроэлектрохимического формообразования (МЭХФО) и т.п.
Анализ существующих способов повышения точности МЭХО и проведенные исследования показывают значительные потенциальные возможности использования процесса анодного растворения при малых и СММЭЗ. МЭХО при величине МЭЗ 1,0 - 10,0 мкм еще недостаточно изучена. Отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору рациональных режимов обработки и проектированию электрохимических технологических систем. Не изучено поведение межэлектродной среды в процессе МЭХО, отсутствуют рекомендации по определению оптимального количества энергии, вводимой в МЭЗ, в процессе обработки с точки зрения достижения диффузионных ограничений процесса.
Поэтому очевидна необходимость исследования поведения электрохимической ячейки (ЭХЯ) при МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения с целью выявления путей расширения технологических возможностей МЭХО. В соответствии с этим настоящая работа направлена на решение научно-технической задачи, связанной с изучением форм импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ, знание которых обеспечит возможность определения и выбора рационального диапазона технологических параметров, улучшающих технологические показатели МЭХО.
Цель работы.
Целью настоящей работы является обоснование рациональных энергетических параметров МЭХО при малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, а также определение рационального диапазона технологических режимов МЭХО.
Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих задач:
-
Провести теоретические исследования основных протекающих процессов в зоне обработки при МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.
-
Осуществить выбор и обосновать рациональные энергетические параметры и длительности импульсов напряжения для МЭХО на основе теоретического расчета зависимости удельного сопротивления электролита, с учетом газонаполнения МЭЗ, от времени для различных МЭЗ и при различных значениях объемной доли газа в пузырьковом слое.
-
Разработать и апробировать методику проведения экспериментальных исследований и технологическую схему для изучения форм импульсов тока при МЭХО с применением микросекундных импульсов напряжения.
-
Разработать и создать экспериментальное оборудование, позволяющее осуществлять процессы МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.
-
Провести экспериментальные исследования форм импульсов тока при МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения для определения рациональных технологических режимов, обеспечивающих увеличение точности и уменьшение шероховатости поверхностей элементов в заготовках.
Методы исследования.
Теоретические исследования проводились на основе положений теории электрохимической обработки с использованием математического моделирования. Параметры обработки при МЭХО рассчитывались с использованием программных продуктов РТС Mathcad и MS Office 2010. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.
Положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности влияния процесса газонаполнения и изменения коэффициента объемной плотности газа в пузырьковом слое на плотность тока для различных малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения.
-
Технологическая схема для экспериментальных исследований по регистрации форм импульсов тока и осуществления процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения.
-
Результаты экспериментальных исследований по регистрации форм импульсов тока и условий осуществления процесса МЭХО на малых и СММЭЗ с применением микросекундных импульсов напряжения.
-
Рациональные диапазоны изменения технологических режимов для МЭХО на малых и СММЭЗ и с применением микросекундных импульсов напряжения.
Научная новизна заключается в обосновании рациональных диапазонов технологических параметров МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения, основанных на анализе изученных форм импульсов тока. Обосновано применение импульсного напряжения микро- и наносекундных длительностей на малых и СММЭЗ.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработаны рекомендации по выбору рациональных технологических параметров (режимов) для реализации процесса микроэлектрохимического анодного растворения на малых и СММЭЗ;
спроектирована схема для реализации и создано экспериментальное оборудование для МЭХО на малых и СММЭЗ с использованием микросекундных импульсов напряжения;
разработана методика и программное обеспечение для регистрации и анализа форм импульсов тока.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования получено распределение изменения плотности тока для малых и СММЭЗ (s = 1... 20 мкм), учитывающее влияние процесса газонаполнения. Установлены аналитические зависимости для определения рациональных длительностей импульсов с точки зрения поддержания начальных условий МЭХО.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности России (молодежные инновации)» (Тула, 2010, 2011), региональных научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности Центра России» (Тула, 2010-2013), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электро- и нанотехнологии» (Тула, 2011, 2012), X Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2011, 2012), Международной молодежной конференции «ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ». (Москва, 2011, 2013).
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 2,2 п.л.
Структура и объем работы.
