Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по проблеме повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке твердых сплавов типа WC-Со
1.1 Область применения, номенклатура и технические требования, предъявляемые к деталям из твердых сплавов 13
1.2 Основные направления повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов 21
1.3 Цель и задачи исследования 28
Глава 2. Методика экспериментальных исследований
2.1 Усовершенствованная методика и лабораторное оборудование для поляризационных исследований 29
2.2 Лабораторная и опытно-промышленная установки для технологических исследований 36
2.3 Материалы электродов и рабочие жидкости 42
2.4. Технологические схемы обработки 45
Выводы по Главе 2 50
Глава 3. Оптимизация состава электролита и выявление механизма электрохимического растворения WC — Со твердых сплавов
3.1 Потенциодинамические исследования анодного растворения твердых сплавов в различных электролитах 51
3.1.1 Влияние концентрации NaOH на анодную поляризацию твердого сплава 59
3.1.2 Влияние концентрации NaOH в смеси NaN03+NaOH на анодную поляризацию твердого сплава 60
3.1.3 Влияние концентрации кобальта на анодную поляризацию твердого сплава 61
3.1.4 Влияние величины зерна WC на анодную поляризацию твердого сплава 64
3.1.5 Анодное поведение WC-Co твердого сплава и его составляющих в кислотной среде 71
3.2. Гальваностатические исследования анодного растворения твердых сплавов с различным содержанием Со и различной величиной зерна в различных электролитах 74
3.2.1. Определение выхода по току гравиметрическим методом 74
3.2.2. Парциальные выхода по току по вольфрамат-ионам и ионам кобальта 77
3.2.3. Определение объемных скоростей растворения
компонентов твердых сплавов 86
3.2.4. Определение эффективной энергии активации 95
3.3. Анализ поверхности твердых сплавов после анодного растворения в различных электролитах 99
3.4. Механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов при ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока высокой плотности в комбинированном электролите 102
Выводы по Главе 3 115
Глава 4. Исследование выходных технологических показателей, математическое моделирование и оптимизация параметров режима микросекундной биполярной ЭХО твердых сплавов
4.1 Влияние параметров режима обработки выходные технологические показатели процесса 117
4.2 Влияние размеров зерна карбида вольфрама (WC) 142
4.3 Влияние содержания кобальта 150
4.4 Математическое моделирование процесса микросекундной биполярной ЭХО твердых сплавов 156
4.5 Постановка и решение задач оптимизации 166
4.6. Разработка и обоснование нового способа электрохимической обработки микросекундными импульсами биполярного тока 172
4.7 Разработка способа определения оптимального МЭЗ при
микросекундной ЭХО импульсами биполярного тока 173
Выводы по главе 4 182
Глава 5. Практическое использование результатов исследования
5.1 Разработка требований к источнику питания 183
5.2 Разработка требований к системе автоматического управления 184
5.3 Примеры технологических операций импульсной ЭХО твердых сплавов 185
5.3.1 Технологическая операция объемного копирования 185
5.3.2 Технологическая операция трепанации объемных элементов постоянного сечения 187
5.3.3 Технологическая операция изготовления шестигранного штампа 189
5.3.4 Технологическая операция изготовления фильеры кгруглого сечения 191
5.4 Внедрение результатов исследований в учебном процессе 193
Выводы по главе 5 199
Основные выводы и результаты 200
Литература
- Основные направления повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов
- Лабораторная и опытно-промышленная установки для технологических исследований
- Влияние концентрации NaOH в смеси NaN03+NaOH на анодную поляризацию твердого сплава
- Влияние содержания кобальта
Введение к работе
Твердые WC-Co сплавы находят широкое применение в промышленности для изготовления формообразующего инструмента: штампов, пресс-форм, фильер и др.
Электрофизические и механические методы, традиционно используемые для обработки такого рода материалов сопряжены со значительным износом инструмента, малопроизводительны, либо не обеспечивают требуемой точности и шероховатости поверхности. Одним из путей решения этой проблемы является применение электрохимической обработки (ЭХО). Большой вклад в решение этой проблемы за последние двадцать лет внесли ученые: Атанасянц А.Г., Паршутин В.В., Береза В.В., Левин А.И., Нечаев А.В. и др. Однако уровень полученных ими результатов не соответствует современным требованиям. Так, известные по научно- технической литературе показатели по шероховатости поверхности составляют - Ra 0,8..3,2 мкм; по погрешности обработки - ± 20 мкм, что не позволяет в полной мере охватить номенклатуру рассматриваемого класса деталей, либо после операции ЭХО требуются последующие трудоемкие операции слесарно-механической доводки.
В ряде научных школ Российской Федерации, Республики Молдова на
лабораторном и опытно-промышленном уровне были получены результаты,
подтверждающие принципиальную возможность дальнейшего повышения
точности и качества поверхности при ЭХО за счет использования биполярных
импульсов тока микросекундного диапазона высокой плотности. Однако
применительно к электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов это
направление исследований практически не развивалось. В результате не
существует технологических рекомендаций, обеспечивающих
высокопроизводительную обработку деталей с шероховатостью поверхности Ra менее 0,1 мкм и погрешностью обработки менее ±10 мкм; нет научно-обоснованных подходов к оптимизации в указанных условиях состава электролита и параметров режима обработки; нет общей научной позиции в
интерпретации ряда' экспериментальных данных; отсутствует серийно
выпускаемое оборудование (станки, источники питания, системы автоматического управления). Имеются также проблемы и теоретического плана, в частности, в понимании механизма анодного процесса растворения композиционного материала, имеющего макрокомпоненты с существенно различными электрохимическими свойствами при воздействии биполярных импульсов тока микросекундного диапазона.
Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим исследованием, оптимизацией и повышением выходных технологических показателей процесса электрохимической обработки твердых сплавов, за счет использования биполярных импульсов микросекундного диапазона является актуальным. Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных научно-исследовательских работ и международных контрактов Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ).
В связи с вышеизложенным сформулирована цель работы: снижение шероховатости и повышение точности поверхности деталей из WC-Co твердых сплавов при электрохимической обработке, за счет использования импульсов биполярного тока микросекундного диапазона.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Усовершенствовать методику поляризационных исследований WC-Co
твердых сплавов при высоких плотностях тока.
Определить оптимальный состав электролита для электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона.
Выявить особенности и уточнить механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов при прохождении последовательность микросекундных импульсов биполярного тока высокой плотности.
4. Разработать способ импульсной электрохимической обработки твердых
сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально
допустимых межэлектродных зазорах.
5. Исследовать выходные технологические показатели ЭХО твердых
сплавов с различной величиной зерна WC и различным содержанием кобальта
микросекундными импульсами биполярного тока высокой плотности.
6. Разработать математическую модель процесса ЭХО твердых сплавов
микросекундными импульсами биполярного тока, позволяющую
прогнозировать развитие физико-химических процессов в электролите и на
поверхности электродов, а также поставить и решить задачу определения
оптимального МЭЗ.
7. Разработать технические требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка, а также технологические рекомендации по выбору режимов обработки для типовых операций ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока.
В результате выполнения поставленных задач были полученные следующие основные результаты:
Экспериментальная методика поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока
Результаты поляризационных исследований, результаты исследований химического состава поверхностного слоя методами вторичной масс-спектроскопии и микрорентгеноспектрального анализа и результаты исследования электрохимической обрабатываемости WC-Co твердых сплавов в водных электролитах на основе нитрата натрия различной концентраций и различной величины водородного показателя (рН).
Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения
WC-Co твердых сплавов последовательностью микросекундных импульсов биполярного тока в водных растворах электролитов на основе нитрата натрия.
4. Новый способ импульсной электрохимической обработки WC-Co
твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах.
5. Математическая модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, учитывающая зависимости анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияние на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменение температуры и газонаполнения электролита в межэлектродном промежутке (МЭП).
По результатам работы опубликовано 9 печатных работ, получен патент Российской Федерации на изобретение.
Результаты работы в целом и отдельные ее части представлялись и обсуждались на: международном симпозиуме «Computer science and Information Technology(CSIT)», Budapest, Hungary -2004; ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ; Всероссийской молодежной научно- технической конференции «Проблемы современного машиностроения», Уфа-2004; Международной компьютерной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы», Уфа- 2004г; Международной молодежной научной конференции XII Туполевские чтения, Казань- 2004г.
Диссертация изложена на 227 страницах и состоит из введения, пяти глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 53 названий, содержит 17 таблиц и 169 рисунков.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Смыслову A.M., а также благодарит д.т.н., профессора Амирханову Н.А., д.ф.-м. н., профессора Житникова В.П., к.т.н. Идрисова Т.Р. и коллектив лаборатории электрических методов обработки Уфимского государственного технического университета за помощь и внимание к работе.
Основные направления повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов
Как показали результаты исследований ряда ученых А.К.Алтынбаева, А.Д.Давыдова, Л.Б.Дмитриев, Зайдмана Г.Н., В.В.Любимова, Б.П.Саушкина и др., современные тенденции в области повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке, прежде всего, связаны с применением импульсного тока [1 - 5]. В работах указанных авторов доминирует мысль о том, что с уменьшением длительности импульса до величин, при которых газ не успевает заполнить МЭП, анодное растворение протекает интенсивнее, чем на постоянном токе, выравниваются свойства электролита по длине прокачки, снижается вероятность возникновения коротких замыканий (КЗ), улучшается эвакуация продуктов электрохимических реакций.
При использовании импульсов микросекундного диапазона возникают новые эффекты, способствующие повышению точности и качества обработанной поверхности. Так, в работах В.И.Благодарского и А.Д.Давыдова [2,6] отмечается, что наибольшая локализация процесса достигается при работе в режиме, при котором на обрабатываемой поверхности создается потенциал максимально близкий к потенциалу анодной активации. По мнению авторов, может быть определена некоторая критическая длительность импульса, при которой материал, постепенно переходя в пассивное состояние, теме не менее обрабатывается с высокой производительностью. Эффект повышения локализации усиливается при использовании депассивации поверхности в паузе импульсами тока обратной полярности. Положительная роль импульсов обратной полярности в паузе состояла в восстановлении образующихся на обрабатываемой поверхности окислов атомарным водородом, разрушением пассивной пленки газообразным водородом и снижением концентрационной поляризации за счет периодического изменения направления тока.
В трудах профессора А.Д. Давыдова[2,6,7] отмечается, что анодная активация в кислородосодержащих электролитах требует затрат определенного количества электричества, которое расходуется на заряд двойного электрического слоя (ДЭС), пассивацию металла, выделение кислорода и анодно- анионную активацию. Таким образом, по мнению автора, существует некоторое критическое время импульса, при котором процесс анодного растворения не будет происходить, даже если потенциал превышает потенциал анодной активации, таким образом, усиливается нелинейность зависимости выхода по току от плотности тока. В работах [8,9] отмечается, что при использовании импульсов тока микросекундной длительности, длительность импульса становится соизмеримой со временем переходной характеристики нарастания потенциала. Т.е. предполагается, что за счет различной скорости нарастания поляризации разноудаленных от катода участков анодной поверхности достигается существенная неэквипотенциальность обрабатываемой поверхности.
Указывается, что диапазон длительности импульса тока, при которой возможно достижение такого эффекта должен составлять 50..500мкс.
В работах сотрудников Уфимского государственного авиационного технического университета [3,10 - 14] показано, что времена установления электродных потенциалов для весьма широкой гаммы материалов при плотностях тока 50..200А/см составляют 5..50мкс.
Таким образом, обобщая приведенную выше информацию, можно выделить, по крайней мере, три существенных фактора, определяющих эффект от использования импульсов микросекундного диапазона.
Первый фактор связан с выравниванием свойств межэлектродной среды по длине тракта прокачки электролита и сокращением систематической составляющей погрешности формы. Для его реализации требуется правильный выбор соотношения амплитуды и длительности импульса тока, определяющих интенсивность теплогазовыделения и скорость движения межэлектродной среды в МЭП.
Второй фактор связан с характерными временами достижения критического состояния межэлектродной среды, например, временем достижения фазового перехода (вскипания электролита) или парогазового запирания МЭП.
Третий фактор связан с существенным изменением свойств электродных пленок и в общем случае физико-химических свойств поверхности в течение переходных процессов в двойном электрическом слое при приложении импульса напряжения.
Первый и второй факторы проявляются в диапазоне плотностей тока 20..200А/см2 и при относительно длинных импульсах миллисекундного (І.ЛОмс) диапазона. Для факторов третьей группы - характерны более короткие времена Ю.ЛООмкс. При этом с увеличением длительности импульса роль третьей группы факторов снижается, вследствие протекания последующих более длительных физико-химических процессов, характеризующихся установившимися значениями электродных потенциалов и, соответственно, другими выходными технологическими показателями и закономерностями.
К сожалению, в известных работах, посвященных исследованию механизма анодного растворения, исследованию технологических закономерностей ЭХО твердых сплавов, возможность применения импульсов тока микросекундной длительности и высокой плотности (порядка 100А/см ) не рассматривалась.
В работах В.В.Паршутина, В.В.Березы[15] потенциодинамические поляризационные исследования твердых сплавов проводились для плотностей тока не превышающих 15 А/см . Соответственно этому, анализ химического состава поверхностных пленок, микрорельефа обработанной поверхности и понимание механизма анодного растворения формировались в ограниченной информативной области. Другая проблема состояла в том, что штатная методика и ее аппаратурное обеспечение для поляризационных исследований дают значительные трудно компенсируемые погрешности при высоких плотностях тока [15].
Лабораторная и опытно-промышленная установки для технологических исследований
Технологические исследования производилась на модернизированном станке (рис.2.6, рис.2.7) СЭП-905(концерн «Инмаш», г.Стерлитамак), табл.2. Модернизации подверглись: 1) источник технологического тока; (Табл.2.2) 2) система управления электрохимического станка; 3) узлы механической системы; 4) система подачи и регенерации электролита.
Управление станком и процессом обработки осуществляется посредством микропроцессорной системы управления (СУ), которая представляет собой промышленный компьютер. Для данной работы была разработана специальная программа управления процессом обработки. Посредством программы задаются все технологические параметры режима обработки: параметры рабочих импульсов, подача рабочего стола, давление электролита. Так же с помощью системы управления фиксируются показания датчиков температуры и давления электролита в гидравлической системе станка.
Формирование импульсов (см.рис.2.8) осуществляется специальным биполярным импульсным источником питания (ИП). Подача рабочего стола (4) станка (см.рис.7) осуществлялась при помощи привода (Д1) через редуктор (Р). Обработка проводилась вибрирующим электродом инструментом (2), вибрация которого осуществляется вибратором (1), который приводится в движение приводом (ДО). Обработка ведется в среде электролита, который подается насосом (6) из основного бака станка (Б1), по гидравлической системе станка. В баке станка имеются датчик температуры (5) и датчики давления (7,9) до фильтра тонкой очистки (8).
Схема технологических импульсов: tpp - длительность группы импульсов; їипп - длительность импульса прямой полярности (рабочего импульса); їиош - длительность импульса обратной полярности в паузе между рабочими импульсами; їиопп _ Длительность дополнительного импульса обратной полярности в паузе между группами; tni — длительность паузы между рабочими импульсами; tnn - длительность паузы между рабочим импульсом и импульсом обратной полярности в группе; tnm - длительность паузы между группой и дополнительным импульсом обратной полярности ипп - амплитуда рабочего импульса; иош - амплитуда импульса обратной полярности в паузе между рабочими импульсами; иопн - амплитуда дополнительного импульса обратной полярности в паузе между группами;
В производственной практике, кроме собственно требований к химическим и физическим свойствам (определенный состав анионов и катионов, вязкость, электропроводность и др.), выбор электролита ограничивают соображения стоимости и дефицитности, а так же условия безопасности обслуживания электрохимических установок. Поэтому в промышленности для обработки конструкционных материалов используются, как правило, водные растворы азотнокислого и хлористого натрия различных концентраций [41], а при обработке твердых сплавов используют сложносоставные электролиты с добавлением гидроксида натрия.
В данной работе при исследовании обрабатываемости твердых вольфрамовых сплавов (табл.2.4) использовались электролиты: 8%NaN03, 20%NaNO3, l;3;5;7;10%NaOH, 8%NaN03+l;3;5;7;10/oNaOH, 5%NaCl+10%Na2CO3.
Для выявления влияния концентрации щелочи на процесс растворения и влияние концентрации в смеси с азотнокислым натрием, были рассмотрены концентрации щелочи в диапазоне 1 - 10 %. Концентрация азотнокислого натрия должна быть не менее 8% так как при меньших концентрациях, как известно, Со пассивируется, так же как и Fe.
Свойства используемых электролитов приведены в табл.2.3 [42].
В качестве материала катода использовался 40X13, как распространенная в промышленности нержавеющая конструкционная сталь.
Так как в экспериментах использовались, кроме рабочих импульсов прямой полярности, импульсы обратной полярности, которые могут, при определенных условиях привести к травлению катода, то так же в качестве материала для инструмента использовалась платина и платинированный титан.
Влияние концентрации NaOH в смеси NaN03+NaOH на анодную поляризацию твердого сплава
Изучено влияние концентрации кобальта в твердых сплавах AG15, AG20, AG25fBK15, ВК20, ВК25 содержание кобальта в них соответственно 15, 20, 25%)) на их анодное растворение (рис. 3.9, 3.16). При ионизации твердых сплавов в растворе 8%NaNOs на поляризационной кривой (рис. 3.9) отчетливо выделяются два локальных пика, которые свидетельствуют об ионизации кобальта в активной области и области транспассивного растворения. После потенциала выделения кислорода 3.2 В (см. рис.3.9) начинается участок повышения плотности тока, который заканчивается пассивацией. Заметно влияние содержания кобальта в сплаве на анодную поляризацию: наиболее активен сплав AG25(BK25), в котором содержится 25% кобальта. На поверхности образца после анодной поляризации во всех случаях наблюдается плотная пленка (рис.3.10.а, б, в).
Аналогичный характер, описанному выше, потенциодинамических кривых наблюдается при анодной поляризации сплавов в электролите 8%NaCl (рис.3.5).
В растворах NaOH где концентрации варьируются от 1 до 10 % наблюдается пассивация сплавов до 0.8 В (см. рис.3.16). Дальнейший подъем плотности тока потенциодинамических кривых обусловлен ионизацией вольфрама W из карбида WC и реакцией выделения кислорода. С возрастанием концентрации кобальта плотности тока в области потенциалов выше 0.8 В заметно снижаются (см. рис.3.16.6, в, г). Что объясняется тем, что поскольку кобальт в щелочной среде пассивируется, то при большей его концентрации в сплаве пассивация кобальта происходит в больших масштабах и процесс анодного растворения лимитируется.
При добавлении 1% NaOH в 8% NaN03 ход поляризационных кривых (рис.3.17) меняется незначительно, отсюда можно констатировать, что концентрации щелочи порядка 1% недостаточно, чтобы ионизировать W из его карбида. При увеличении концентрации щелочи до 3% и выше (см. рис.3.17.6, в) область активации начинается с 0.8 В. При этом на начальном участке подъема плотности тока проявляется пассивирующее действие щелочи на кобальт, так как кривые для сплавов с большим содержанием кобальта располагаются ниже, чем потенциодинамические кривые в области потенциалов выше 4В в электролитах 8% NaN03+l% NaOH и 8% NaNO3+10% NaOH (см. рис.3.17.а, г) отличаются от кривых в электролитах 8% NaN03+3% NaOH8% и NaN03+5% NaOH (см. рис.3.17.6, в), что может быть связано с различным содержанием кобальта в связке для разных сплавов растворенного вольфрама и его карбида, которые ионизируются при добавлении щелочи.
При концентрации щелочи 10% в 8%NaN03 преобладающее действие на характер потенциодинамических кривых оказывает щелочь (ср. рис.3.16.г и рис.3.17.г).
Приведенные выше результаты позволяют сделать вывод: существует некоторая минимально допустимая концентрация NaOH в базовом составе NaN03 при которой возможно электрохимическое растворение обоих компонентов. Причем эта концентрация относительно не велика и для разных сплавов находится в диапазоне 1 - 3%. Можно предположить, что корректировку величины рН электролита имеющего некоторую базовую основу, например 8%NaN03 или 8%NaN03+l% NaOH для различных условий, можно регулировать за счет подачи импульса обратной полярности, производящего дополнительное защелачивание при приэлектродного слоя электролита в МЭП.
Несмотря на большее содержание кобальта в сплаве AG 15 потенциодинамические кривые (рис.3.18.6, в, г) для него в растворе щелочи (3..10%) располагаются выше, чем для сплава TSF44. Поверхность сплава AG15 после анодной поляризации, характеризуется большей неоднородностью (рис.3.19.в, 3.20.в), чем сплав TSF44 (см. рис.3.19.г, 3.20.г), что может быть связано с более медленным растворением зерен карбида вольфрама, имеющих большую величину у сплава AG15.
В электролите 8%NaN03 с концентрацией щелочи 1..5% анодное поведение сплавов существенно отличается (рис.3.21.а, б, в): сплав AG 15(ВК 15) при достижении потенциала 5.8 В пассивируется, а TSF44(BK 120М) продолжает интенсивно растворяться (рис.3.23.6, 3.24.6). Данное явление можно связать с различием в размере зерен и протяженностью их границ. Установлено, что сплавы с величиной зерна менее 0,7 мкм в исследуемом диапазоне потенциалов интенсивно растворяются, а сплавы с величиной зерна более 1,5 мкм пассивируются (рис.3.26, 3.27).
В электролите 8%NaNO3+10%NaOH потенциодинамические кривые сплавов подобны потенциодинамические кривым полученным в l0%NaOH. Ионизации сплава практически не наблюдается (см. рис.3.25.а, б), а преимущественно протекает реакция выделения кислорода.
Влияние содержания кобальта
Исходной базой для теоретического описания является феноменологическая модель импульсной ЭХО твердых сплавов. Для моделирования выбрана следующая расчетная схема: электрод-инструмент (катод) с плоским торцом прямоугольного сечения совершает периодические колебания в направлении плоской обрабатываемой поверхности электрод — заготовки (анода) по гармоническому закону. При этом в процессе сближения электродов в МЭП возникает значительное избыточное давление электролита, которое за относительно небольшой отрезок времени может значительно превысить начальное .входное давление [22]. В момент повышения давления через МЭП пропускают импульс тока, инициирующий развитие известных физико-химических процессов, важнейшими из которых (определяющими параметры процесса ЭХО) являются: выделение газа на катоде, анодное растворение и нагрев электролита согласно закону Джоуля-Ленца. Выделяющийся на катоде газ (водород) образует пузырьковый слой, прилегающий к катодной поверхности [22].
Высокое импульсное давление электролита в стадии подвода ЭИ к заготовке создает, благоприятные условия для прохождения значительных токов электролиза на малых (0.01-0.05мм) межэлектродных зазорах (МЭЗ). Так, уменьшение объема газовой фазы снижает вероятность "запирания" МЭП газом, а значительные допустимые перегревы — снижают вероятность вскипания электролита[62]. Оба указанных фактора способствуют также повышению проводимости электролита. В стадии отвода ЭИ происходит резкое падение давления электролита в МЭП, сопровождающееся его вскипанием и адиабатическим расширением образующейся газовой фазы, объем которой может стать соизмеримым с объемом МЭП. В этом случае проводимость электролита резко снизится и процесс электролиза прервется.
Рассмотрим характер изменения давления электролита в зазоре. При этом примем, что длительность импульса достаточно мала и, следовательно, газонаполнение электролита и его нагрев в течение действия импульса не изменят гидромеханических свойств жидкости. Формализуем условия задачи. Примем, что ЭИ и заготовка имеют плоские, параллельные друг другу рабочие поверхности, жидкость (электролит) является вязкой и несжимаемой, а ее течение вдоль - плоским и ламинарным. Рабочая поверхность заготовки неподвижна, а поверхность ЭИ совершает возвратно-поступательные движения в направлении оси z по гармоническому закону.
Рассматривается, точечное приближение, т.е. считается, что в каждой точке МЭП свойства среды одинаковы.
Концентрацию газа Cg(t) и температуру T{t) найдем из следующих соображений. Пренебрежем диффузией и теплопроводностью, т.е. будем считать, что изменение газонаполнения и температуры происходит только благодаря механическому движению частиц жидкости в МЭП и локальным выделением газа и джоулева тепла.
Тогда на основе закона Фарадея и уравнения Менделеева - Клапейрона имеем для изменения объема газа в МЭП:
Для расчета скорости растворения в соответствии с законом Фарадея применяется следующее уравнение где r\ - анодный выход по току для сплава; є - электрохимический эквивалент; іі - электрохимический эквивалент водорода; j — плотность тока; рсе -плотность электролита; Се/ - теплоемкость электролита; Cg — объемное газонаполнение, Pj.o — давление электролита на входе и выходе из МЭП; vce — кинематическая вязкость электролита; о — электропроводность электролита; wli2 - скорость электролита на входе и выходе из МЭП; U — напряжение, приложенное к МЭП; s — величина межэлектродного зазора; o(t) -электропроводность электролита в соответствующем сечении.
Описанная выше система уравнений (4.1 - 4.5, 4.8 - 4.11) является моделью процесса при прохождении через МЭП единичного импульса тока. Для группы импульсов начальные значения переменных в паузе равны их значениям в конце предыдущего импульса и наоборот.
При использовании микросекундных импульсов напряжения время установления электродных потенциалов становится соизмеримым с длительностью импульса. Таким образом, при построении математической модели следует учитывать, что величины анодного и катодного потенциалов зависят как от плотности тока, так и от времени (pa(j,t) и ф (//)[22]. Для аппроксимации экспериментальных зависимостей по плотности тока использовалось представление ФС/ U ) = Фо + ae bJ + ce dj а - a(fi \ъ = b(li \с = c( i \d = d(tt). (4.12) где a,b,c,d- коэффициенты и функции;
Для получения зависимостей по времени использовалась кусочно-линейная интерполяция или аппроксимация экспоненциальной зависимостью методом наименьших квадратов.
При подаче импульсного тока происходит увеличение потенциалов, а при отключении, в паузе - уменьшение. Зависимость анодного потенциала от времени в паузе аппроксимируется экспоненциальной зависимостью[22] Фа(/) = 1.67-Є0-11(і-Є-0-020 ). В связи с этим при подаче серии импульсов происходит изменение формы зависимости анодного потенциала (рис.4.56). Предполагается, что электрохимическое растворение начинается с момента, когда анодный потенциал достигает некоторого критического значения фсг, меньшего, чем максимальное значение фтах- Это может явиться причиной увеличения коэффициента локализации (рис. 4.56а). Однако, при уменьшении длительности паузы между импульсами tp значение потенциала при увеличении номера импульса в серии возрастает (рис. 4.566), что приводит к уменьшению эффекта локализации.
