Введение к работе
Актуальности толы. Использование титана в конструктивных элементах авиационной и ракетной техники получило весьма широкое распространение в связи с целым рядом уникальных физико-механических и физико-химических свойств титановых сплавов. Однако большая трудоемкость процесса механической обработки титана требует создания новых технологических способов с высокой эффективностью обработки.
Существующие методы обработки титановых сплавов, несмотря на большое разнообразие, ограничены в применении по ряду причин. Например, традиционные механические способы требуют дорогого износостойкого инструмента и довольно значительных энергозатрат на их осуществление. Применение специальных видов обработки с использованием ультразвукового, светолучевого и лазерного воздействия также сопряжено с большими капитальными и эксплуатационными затратами. Альтернативой перечисленных способов является электрохимическая размерная обработка титановых сплавов, позволяющая осуществлять экономически выгодный технологический процесс с относительно небольшими энергозатратами.
Специфическое поведение титана при его анодной обработке ставит перед исследователями целый ряд проблем. Известна высокая склонность титановых сплавов к пассивации и образованию в дальнейшем устойчивой окисной пленки, для пробоя которой необходимо использовать источники высоких напряжений. После ее пробоя необходимо снизить напряжение на электродах до уровня, обеспечивающего устойчивый анодный процесс. Обработка титана вследствие указанных причин становится неустойчивой, система может перейти в автоколебательный режим с положительным коэффициентом обратной связи.
В последнее время появились сообщения об аномальных изменениях температуры электролита в зоне электрохимической реакции и влиянии этих изменений на кинетику электродных процессов. Поэтому установление причин возникновения температурных эффектов, а также выявление взаимосвязи величины этих эффектов с технологическими параметрами процесса является, несомненно, актуальной задачей исследований, так как температура электролита в зоне реакций является одним из главных факторов, который определяет скорость электрохимического процесса. Лучших условий стабилизации процесса можно достичь, используя импульсные режимы обработки. Они создают предпосылки для стабилизации условий в межэлектродном зазоре (МЭЗ) и реализации системы управления процессом обработки титана с более устойчивыми характеристиками регулирования. Поэтому актуальным является изучение взаимосвязи кинетических параметров процесса (скорость съёма металла, скорость протока электролита и его
температура) с режимами импульсного тока (длительность импульса, частота следования, скважность). Варьируя параметрами импульсного тока, можно обеспечить: 1) улучшение качества обрабатываемых изделий, 2) повышение скорости съёма металла, 3) снижение неравномерности съёма металла по длине зазора, 4) повышение степени локализации анодного процесса. В связи с этим необходим поиск путей совершенствования новых технологических процессов с использованием импульсных режимов питания электродов.
С учётом этого в диссертации проанализированы различные аспекты взаимосвязи температуры и теплового эффекта на электродах с режимами анодного растворения (плотностью тока, скоростью протока электролита и его химическим составом, параметрами импульсного тока).
Работа выполнялась на кафедрах "Технология машиностроения" и "Общая химия" Воронежского государственного технического университета по координационным планам ГК по высшему образованию на 1995-2000 гг., межвузовской научно-технической программе "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" и научному направлению Научно-технического совета Комитета по высшей школе "Химия, химические технологии и химическое машиностроение".
Целью работы является повышение эффективности процессов формообразования деталей из титановых сплавов за счёт оптимизации режимов и выбора рациональных путей управления процес- сами анодной обработки.
Забачи исследований:
-
исследование влияния электродных тепловых эффектов на кинетику электрохимической размерной обработки титановых сплавов;
-
исследование взаимосвязи технологических параметров с величинами и знаками термокинетических эффектов и оценка истинных скоростей электродных процессов с учётом реальных температур;
-
раскрытие особенностей механизма анодного растворения титановых сплавов в условиях взаимодействия тепловых и электрических полей при импульсных режимах обработки с целью создания систем управления процессом;
-
математическое описание процесса анодного растворения в условиях взаимодействия тепловых и электрических полей при импульсных режимах обработки на основании исследованных механизмов электрохимических реакций;
-
формирование исходных условий для проектирования новых приемов электрохимической размерной обработки с учётом математической модели, разработанной на основании экспериментальных данных.
Научная новизна.
Определён механизм и природа термокинетических эффектов.
возникающих на. электродах при электрохимической размерной обработке титановых сплавов. В отличие от существующих предложенная ~ методика"расчёта величины "поверхностной температуры электрода позволяет оценить истинную температуру и кинетические параметры электрохимических реакций (скорость обработки, выход по току металла и т. д. ) .
Впервые показано, что термокинетические эффекты являются следствием протекающих в приэлектродном пространстве химических реакций гидратации, дегидратации, молизации газов, теплот образования веществ или их разложения и не могут быть объяснены лишь электрической природой их возникновения (джоулевы потери, эффекты Пельте, Томсона и т.д.).
Установлено, что перераспределение энергии тепловыделения за счёт различных механизмов её образования зависит не только от природы электролита, но в значительной мере определяется кинетикой электрохимического процесса.
На основании кинетических исследований и установления взаимосвязи между кинетическими параметрами и эффектами тепловыделения предложена физическая модель взаимодействия тепловых и электрических полей при ЗХРО титановых сплавов.
Разработана математическая модель, описывающая зависимость величины термокинетических зффектов от параметров технологического процесса и позволяющая с достаточно хорошей точностью определить величину ДТ при любых условиях протекания электрохимического процесса.
Установлена взаимосвязь электрических параметров с механизмом анодного растворения титановых сплавов, на основании которой определены критерии выбора частот следования импульсов и их скважности.
Практическая ценность. Использование данных установленного механизма формообразования поверхности в импульсном режиме при ЗХРО и данных о влиянии состава металла, размера МЭЗ, концентрации электролита, скорости протока электролита с последующим обоснованием технологических параметров и выбором частоты следования импульсов, плотности тока и скважности позволило предложить режимы обработки. Разработана технология, позволяющая вести интенсивную электрохимическую размерную обработку деталей из титановых сплавов с повышенной точностью и лучшим качеством обрабатываемой поверхности.
На основании результатов исследований взаимосвязи термокинетических эффектов с электрохимическими параметрами импульсов тока и качеством обработки предложена двухконтурная система оптимизации процесса ЗХРО титановых сплавов, отличающаяся от ранее описанных схем большей устойчивостью и надёжностью в работе.
Предложенные технологические режимы апробированы в производственных условиях в Научно-исследовательском институте "Авто-
4 матизированные системы производства и контроля" (г. Воронеж)и на основании полученных в производстве показателей представлен акт промышленных испытаний опытной партии деталей.
Достоверность научных положений диссертации, эффективность разработанной технологии обработки изделий из титана подтверждены публикацией в открытой печати и ее практическим использованием в учебном процессе и в производстве. Применение рекомендуемых режимов способствует уменьшению шероховатости поверхности на 70 %, что позволяет разработанную технологию рекомендовать для дальнейшего совершенствования технологических процессов электрохимической обработки титана. Это подтверждается результатами обсуждений на научных конференциях (Рязань, Луганск ), выступлениями на научно-технических конференциях ВГТУ и публикациями статей в центральной печати. Результаты исследований использованы в учебном процессе ВГТУ (каф. самолётостроения) и применены при разработке новых процессов на предприятии (в Научно-исследовательском институте "Автоматизированные системы производства и контроля", г. Воронеж). Технология апробирована на указанном предприятии при изготовлении опытной партии деталей.
Автор защищает:
-
установленную взаимосвязь величины теплового эффекта на электродах с режимами анодного растворения титана (так как поверхностная температура электрода определяется прежде всего плотностью анодного тока и зависит от скорости протока электролита; величина термокинетического эффекта зависит от природы электролита; температура на электродах обусловлена характером протекающих электрохимических процессов на электродах);
-
механизм возникновения эффектов тепловыделения на электродах при электрохимическом формообразовании и паритеты определённых тепловых процессов при различных электрохимических реакциях;
-
методику моделирования процессов взаимодействия тепловых и электрических полей, отличающуюся от предлагаемых ранее тем, что эффект взаимодействия определяется через реальные технологические параметры (і, Т, Q, F, X );
-
методику расчёта оптимальных электрических параметров импульсов при заданном качестве обработки деталей из титановых сплавов;
-
системы оптимизации двухконтурного типа, построенные на основании результатов исследований взаимосвязей AT = Г (і, Q, F), отличающихся большей устойчивостью и лучшими характеристиками регулирования.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Региональном межвузовском семинаре "Процессы теплообмена в энергомашиностроении" (Воронеж, 1995; 1996), на Межвузовской научно-практической конференции "Автомати-
5 зация проектирования и производства изделий в машиностроении" (Луганск, 19S6), на 23-й Всероссийской молодёжной научной конференции" "Гагар^Гскии чтения" (Москва, 1997), на Международной научно-технической конференции "К. Э. Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика" (Рязань, 1997), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (Воронеж, 1996-1998).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ. Из них 11 публикаций в виде статей и 6 тезисов выступлений на конференциях.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений; содержит 208 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка, 18 таблиц и 8 страниц приложений.