Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния вопроса.цель и задачи исследования 10
1.1. Анализ объекта исследования 10
1.2. Классификация микроэлементов поверхности 11
1.3. Сравнительный анализ методов получения микроэлементов поверхности 13
1.3.1. Получение микроэлементов поверхности механической обработкой материала 14
1.3.2. Физические методы обработки 16
1.3.3. Термомеханические методы обработки 17
1.3.4. Электрофизические методы обработки 18
1.3.5. Химические методы формообразования 19
1.3.6. Электрохимическая размерная обработка 19
1.4. Направления повышения точности электрохимического формообразования 24
1.5. Цель и задачи исследования 36
2. Теоретические исследования электрохимического микроформообразования... 37
2.1. Исследование схем электрохимической обработки микрообъектов при сверхмалых межэлектродных зазора 37
2.2. Параметры, влияющие на процесс электрохимического микроформообразования 44
2.2.1. Условия электрохимического формообразования при сверхмалых межэлектродных зазорах. Влияние величины
межэлектродного зазора 46
2.2.2. Влияние формы импульсов тока на процесс электрохимического микроформообразования при сверхмалых межэлектродных зазорах 49
2.2.3. Влияние состава и концентрации электролита на процесс электрохимического микроформообразования 51
2.2.4. Влияние способа подачи электролита в зону обработки на параметры электрохимического микроформообразования 56
2.2.5. Влияние формы электрода-инструмента на точность, качество и производительность обработки 58
2.3. Математическое моделирование локализации процесса электрохимического микроформообразования 60
2.3.1. Моделирование схемы последовательного микроформообразования точечным электродом-инструментом... 64
2.3.2. Моделирование схемы последовательного микроформообразования линейным электродом-инструментом... 79
Выводы по главе 2 82
3. Экспериментальные исследования размерного электрохимического микроформообразования 83
3.1. Комплексная методика проведения экспериментальных исследований 83
3.1.1. Методика оценки ширины зоны обработки для электрохимического микроформообразования 83
3.1.2. Методика изготовления электродов-инструментов
для электрохимического микроформообразования 86
3.1.3. Методика изучения влияния концентрации электролита на точность электрохимического микроформообразования 88
3.2. Экспериментальные исследования электрохимического микроформообразования микроэлементов 90
3.2.1. Оценка ширины зоны обработки при электрохимическом микроформообразовании 90
3.2.2. Исследование влияния концентрации электролита на точность обработки 97
3.2.3. Оценка влияния формы электрода-инструмента на точность формы 98
Выводы по главе 3 101
4. Разработка технологии и оборудования для электрохимического микроформообразования 103
4.1. Разработка оборудования для электрохимического микроформообразования микродеталей при сверхмалых межэлектродных зазорах 103
4.1.1. Разработка установки для электрохимического микроформообразования 103
4.1.2. Разработка установки для электрохимического микроформообразования с программным управлением 110
4.2. Разработка технологии электрохимического микроформообразования микродеталей при сверхмалых межэлектродных зазорах 118
4.2.1. Разработка технологических рекомендаций для электрохимического микроформообразования 118
4.2.2. Примеры реализации электрохимического микроформообразования при сверхмалых межэлектродных зазорах 121
Выводы по главе 4 124
Общие выводы 125
Литература
- Сравнительный анализ методов получения микроэлементов поверхности
- Параметры, влияющие на процесс электрохимического микроформообразования
- Математическое моделирование локализации процесса электрохимического микроформообразования
- Методика изучения влияния концентрации электролита на точность электрохимического микроформообразования
Введение к работе
В последнее время в современной мировой промышленности все более актуальной становится задача изучения способов микроформообразования и получения различных типов микрообъектов и микрорельефов. Повышение требований, предъявляемых к качеству микродеталей, с точки зрения повышения точности и качества поверхности при их обработке, заставляет технологов и исследователей искать пути их обеспечения, разрабатывать и создавать оборудование, инструментарий, технологии микроформообразования.
Важное значение имеет решение этой проблемы в различных сферах деятельности человека: в медицине (создание микроинструментария для проведения операций на сосудах головного мозга в нейрохирургии); в электротехнике, радиотехнике (создание микрозондов, микродатчиков и т.д.); в приборостроении; в полиграфии (создание микропечатных форм) и ряде других. Исходя из выше изложенного, представляется целесообразным изучить возможные методы микроформирования для получения микродеталей (например, для медицины).
Как показал анализ способов микроформообразования микродеталей, особенно, малой жесткости, одним из наиболее перспективных является метод электрохимической размерной обработки (ЭХРО). Основным преимуществом этого метода является бесконтактный способ формообразования, а также отсутствие износа инструмента. Однако, достигнутые технологические показатели процесса: точность формообразования (0,03-0,05 мм), качество обработанной поверхности ограничивают применение или вообще не позволяют использовать ЭХРО для высокоточных и финишных операций при микроформировании. Причины недостаточных технологических показателей ЭХРО определяются специфическими особенностями бесконтактного формообразования, протекающих в условиях малых межэлектродных зазоров при высоких скоростях анодных процессов: изменение эффективной электропроводности межэлектродной
среды, проявление ограничений процесса анодного растворения, формирование различных пленок на поверхности электрода, препятствующих растворению и т.д.
Достижения ученых в исследовании ЭХРО отражают современный уровень развития технологий и оборудования. Исследования последних лет были направлены на совершенствование методик соответствующего выбора и расчета параметров потока электролита в межэлектродном пространстве, стабилизацию некоторых технологических параметров процесса, применение систем адаптивного управления, повышение эффективности проектирования операций сложного электрохимического формообразования и т.п. Работы с целью повышения точностных возможностей метода ведутся в различных направлениях: использование импульсных режимов электролиза; применение различных кинематических характеристик электродов; секционирование катодов; применение рабочих межэлектродных сред с высокими локализующими свойствами, и т.п.
Анализ существующих способов повышения точности размерной электрохимической обработки, а также проведенные нами исследования показывают значительные потенциальные возможности использования процесса анодного растворения при сверхмалых межэлектродных зазорах (СММЭЗ) с дозированной подачей электролита. ЭХРО при величине МЭЗ = 5...20 мкм пока еще недостаточно изучена. Отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки и проектированию электрохимических технологических систем при сверхмалых межэлектродных зазорах.
Поэтому очевидна необходимость исследований ЭХРО при сверхмалых межэлектродных зазорах с целью выявления путей расширения технологических возможностей. Настоящая работа направлена на решение научно-технической задачи, создания микродеталей, при изготовлении которых не допустимы механические нагрузки, связанные с изучением процессов анодного растворения в условиях сверхмалых МЭЗ в микрообъеме электролита, знания о
7 которых обеспечивают возможность выбора технологических параметров, улучшающих технологические показатели ЭХРО.
Актуальность исследований подтверждается грантами:
Президента РФ № НШ - 1523.2003.8 «Создание теории и технологических методов обработки на основе нано- и микроэлектрофизических и электрохимических воздействий на материалы в электролитах, вакууме и других средах»;
Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук № 043104 Гр. «Разработка теории и методов создания микрообъектов в приборостроении электрофизикохимическими воздействиями»;
ФЦП «Интеграция» ПС №156 «Создание центра электрофизикохимиче-ских технологий изготовления микроинструментария для хирургии»;
положительным решением ФИПС о выдаче патента на изобретение (заявка №2004102165/02(002132)) от 26.01.2004г.
Целью работы является разработка технологии и оборудования для создания микродеталей за счет электрохимического микроформообразования (ЭХМФ).
Работа включает в себя теоретические и экспериментальные исследования процесса ЭХМФ микродеталей и микрорельефа при сверхмалых межэлектродных зазорах в дозированном объеме электролита. Теоретические исследования осуществлялись с применением персонального компьютера, физических процессов при анодном растворении металлов проведены методом численного моделирования с помощью программы «MSC VISUAL NASTRAN DESKTOP 2003». Экспериментальные исследования проводились с использованием методов математической статистики.
Положения, выносимые на защиту:
результаты моделирования процесса электрохимического микроформообразования при различных схемах микроформообразования при СММЭЗ в микрообъеме электролита;
результаты экспериментальных исследований влияния условий осуществления процесса электрохимического микроформообразования на точность и качество микрообъектов;
результаты технологической апробации процесса электрохимического микроформообразования точечным электродом-инструментом (ТЭИ) с дозированием электролита применительно к операциям электрохимического микроформообразования микродеталей и микрорельефов;
рекомендации по проектированию и использованию технологических систем для ЭХМФ ТЭИ при СММЭЗ в микрообъеме электролита.
Научная новизна заключается в установлении условий электрохимического микроформообразования микродеталей (тел вращения) и микроэлементов поверхности при сверхмалых межэлектродных зазорах точечным электродом-инструментом в пленке электролита, соизмеримой с величиной межэлектродного зазора, малой концентрации (порядка десятых долей процента).
Практическая ценность работы заключается в разработке технологических рекомендаций по выбору режимов обработки и по использованию технологических систем для ЭХМФ применительно к микроформообразованию точечным электродом-инструментом в условиях сверхмалых МЭЗ с дозированием электролита. Создано оборудование, позволяющее реализовать процесс электрохимического микроформообразования точечным электродом-инструментом при сверхмалых межэлектродных зазорах в пленке электролита.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 2001-2004 гг., на международной научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении", Тула, 2002г., на
9 Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в машиностроении", Пенза, 2002г., на Всероссийской научно-технической конференции " Современная электротехнология в промышленности России" Тула, 2003 г, на региональных научно-технических конференциях " Современная электротехнология в промышленности центра России " Тула, 2002г., 2003г., 2004г.. Материалы диссертации представлялись на выставках и отмечены дипломами Тульской торгово-промышленной палаты «Достижения в образовании Тульской области» (10 — 12 сентября 2002г.) г. Тула; Всероссийской выставки «Неделя высоких технологий» (9-12 июня 2003г.) г. Санкт-Петербург.
Работа состоит из следующих основных частей: анализ состояния вопроса; теоретические исследования электрохимического микроформообразования микроэлементов поверхности и микродеталей; экспериментальные исследования размерного электрохимического микроформообразования микроэлементов поверхности и микродеталей; разработка технологии и оборудования для электрохимического микроформообразования.
Работа выполнена на кафедре «Физико-химических процессов и технологий».
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору В.К. Сундукову, заведующему кафедрой ФХПТ член-корр. АТН РФ, д.т.н., профессору В.В. Любимову, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, поддержку и полезные замечания при выполнении работы.
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Анализ объекта исследования
Издавна мастера пытались создавать миниатюры: миниатюрные механизмы, гравюры, картины, украшения и т.д. Они были созданы мастерами-одиночками и, чаще в единичном экземпляре с колоссальными затратами труда. В наше время при стремительных темпах развития науки в различных сферах деятельности человека, существует проблема создания микроэлементов, микрообъектов и микрорельефов с заданными характеристиками точности и качества поверхности.
На рис. 1.1 представлена комплексная микродеталь с различными элементами типа тел вращения. Технология микроформообразования и возмож-ность различных вариантов сочетания элементов позволят создать большое разнообразие микродеталей (рис. 1.2).
Рис. 1.1. Пример комплексной микродетали типа тела вращения с различными
элементами поверхности:
1 - цилиндрический; 2 — конический; 3 — сферический
Например, в медицине существует проблема создания микроинструментария, в конструкцию которого входят микродетали (рис. 1.2). Данный инструментарий используется для лечения сосудов, диаметр их поперечного сечения составляет менее 0,5мм. В современной промышленности создаются системы защиты товаров от «подделок» с помощью различных средств (го-
лографические изображения, водяные знаки, микропечать), в том числе микрорельефов или микротиснения.
г)
д)
е)
Рис. 1.2. Примеры микродеталей, используемых в микроинструментарии:
а) цилиндрическая микрозаглушка; б) коническая микрозаглушка; в) сложно-профильная заглушка; г) цилиндрический микрозацеп; д) конический микрозацеп; е) сложно-профильный микрозацеп
Микроэлементы можно представить как сочетание микровпадин и микровыступов на поверхности микрообъекта или макрообъекта. Классифицировать геометрические параметры микроэлементов можно по высоте, глубине, форме, а также по расположению на поверхности объекта периодически повторяющихся мирорельефов.
Для выбора способа получения сложных объемных микроэлементов и микрообъектов, на примере тел вращения необходимо произвести их систематизацию.
1.2. Классификация микроэлементов поверхности
Анализ технической и нормативной литературы, рассматривающих вопросы геометрии микроэлементов, микрорельефов, показал, что четкой границы между микроэлементом и микрорельефом не существует [20]. Термин «микрогеометрия» или «микрорельеф» чаще всего употребляется применительно к шероховатости поверхности [18,20].
Из ГОСТа 2789-73 следует, что такие геометрические параметры шероховатости как высота и шаг, определяются свойствами материала, геометрическими параметрами обрабатывающего инструмента, режимами обработки и процессами пластической деформации. Шероховатость носит, как правило,
нерегулярный характер, форма элементов может быть случайной, и не является заданной, исходя из назначения микроэлемента или микрорельефа [30].
На практике, как правило, микроэлемент поверхности необходимо сформировать со строго заданными параметрами, которые задаются чертежом, причем их размеры иногда соизмеримы с шероховатостью.
Все микроэлементы поверхности предложено нами рассматривать в зависимости от образующего геометрического элемента (одноэлементные), а их совокупность рассматривать как многоэлементные.
На основании проведенного анализа геометрии различных микродеталей, микроэлементов и микрорельефов проведена систематизация геометрических элементов (рис. 1.3).
Микродеталь
Образующие элементы
Геометрия формы элемента
Прямоугольная Треугольная Синусоидальная Трапецеидальная
Геометрические размеры
Высота
Ширина
Диаметр
до 1мкм от 1 до 10 мкм от 10 до 100 мкм от 100 до 1000 свыше 1 мм
Расположение элементов -+
Рядное Шахматное
Шаг элемента
Рис. 1.3. Систематизация геометрических элементов микродеталей поверхности
Разработан ГОСТ 24773-81, в котором приводится классификация регулярных микрорельефов, их параметры и характеристики.
Имеющиеся ГОСТы не регламентируют всего многообразия микроэлементов, применяемых в последнее время на практике и не всегда отражают способ их получения.
Геометрия формы профиля микроэлемента может быть прямоугольной, треугольной, синусоидальной, трапецеидальной (симметричной и несимметричной).
Форма микроэлемента может быть: при дискретном расположении элементов - круглой, овальной, в виде галтелей, в сочетании элементов и т.д.; при непрерывном расположении - прямолинейной и криволинейной.
При создании микрообъектов типа тел вращения большое значение имеет отношение ширины микроэлемента к его глубине. В данном случае комбинированный микрообъект, представляет собой сложный контур из простых профилей: прямоугольник, треугольник и окружность (см. рис. 1.1).
При анализе геометрии микродеталей вначале, как правило, оценивают общую картину профиля, его сложность, а затем переходят к рассмотрению отдельного микроэлемента и определяют точность параметров. После чего оценивают характеристики материала заготовки и условия эксплуатации детали. Совокупность этих параметров определяет выбор методов, схем и режимов обработки.
1.3.Сравнительный анализ методов получения микроэлементов поверхности
На основе анализа различных способов обработки микрообъектов предложена следующая классификация методов получения микрообъектов (рис. 1.4).
Методы получения микрообьектов
Механические
Физические
Химические
Термомеханические
Ф отохимич еские
Электрофизические
Электрохимические
Разрушение
Пластическая деформация
Термические
Травление
Осаждение
Рис. 1.4. Возможные методы обработки микрообьектов
14 Рассмотрим некоторые способы обработки и их сочетания, которые в принципе могут быть применены для изготовления микрообъектов.
1.3.1. Получение микроэлементов поверхности механической обработкой материала
По механическим методам получения микроэлементов был проведен анализ научно-технической литературы [40, 90, 113], на основании которого к категории микроформообразования можно отнести: обработку лезвийным инструментом и обработку давлением.
Однако данные методы формообразования микрообъектов и микроэлементов на поверхностях нежестких конструкций с размерами порядка до 1 мм связаны с использованием специальных инструментов и кинематики, что делает процесс формирования весьма затруднительным или вообще невозможным. Кроме того, необходимость в изготовлении микрообъектов в большом количестве типа микрозацепа (см. рис. 1.2в) с одинаковыми геометрическими параметрами добавляет сложности серийного производства.
Возможность реализации формообразования микрообъектов в виде тел вращения механическими методами сводится к прецизионному точению и прокату. Каждый метод, в свою очередь, может быть реализован как единовременный, последовательный способ формообразования поверхности и их комбинирование.
При формообразовании микродеталей (см. рис. 1.2) точением возникает ряд трудностей технологического плана. При последовательной обработке поверхности для обеспечения точности необходимо изготавливать режущий инструмент на порядок меньше формируемого микроэлемента. Из-за этого возникают сложности в создании инструментария. При этом шероховатость поверхности микродетали, должна составлять Ra 0,1мкм, что не может быть достигнуто режущим инструментом. В процессе резания возникают побочные явления: нагрев заготовки и инструмента, деформирование заготовки. В результате данных явлений возникают нежелательные эффекты: изменение
15 структуры материала а, следовательно, и его свойств, увеличивается рост внутренних напряжений, на поверхности возникают микротрещины и т.д.
Использование схемы единовременного получения микродетали обусловлено рядом технологических трудностей. При чем, основной является получение профильного инструмента, так как от него зависит точность формы микродетали. Износ инструмента значительно влиятет на точность формообразования. Кроме того, остаются нерешенными проблемы возникновения внутренних напряжений.
Также надо учитывать, что на точность механической обработки, в частности токарной, влияет ряд факторов: износ и деформация станков, приспособлений и инструментов, деформация обрабатываемых заготовок, тепловые явления, происходящие в технологической системе и в смазочно-охлаждающей жидкости. При обработке заготовок возникают систематические и случайные погрешности отдельных элементов, что существенно влияет на точность изготовления детали в целом.
Анализ способов механического формообразования микроэлементов поверхности [40,90] выявил основные недостатки обработки лезвийным инструментом: упрочнение металла при деформации резанием, малая теплопроводность, приводящая к росту температуры в зоне контакта и, следовательно, к интенсивному схватыванию контактирующих поверхностей, что приводит к разрушению режущего инструмента; способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на поверхности контакта инструмента и заготовки.
Формообразование микроэлементов давлением является более предпочтительным способом. К достоинствам способа формирования давлением относятся высокая производительность, экономичность, возможность получения более низкой шероховатости, чем при резании и высокая стойкость инструмента [90, 113]. В научно-технической литературе выделяют вибродинамическое накатывание и накатывание профильным роликом [90].
Достоинство способа - высокая производительность. Однако, этому методу свойственны и существенные недостатки: необходимо создавать ролики с различным микрорельефом (достаточно сложный в изготовлении, дорогостоящий инструмент); при работе роликами даже относительно небольшого диаметра (40-50 мм) из-за большой площади контакта с заготовкой для выдавливания микроэлемента поверхности сравнительно малой глубины (10-12 мкм) требуется приложение значительных сил, что недопустимо при обработке мало- и среднежестких деталей. Обработка термически упрочненных деталей практически невозможна.
На основании проведенного анализа можно сделать следующий вывод, что применение механических способов для микроформообразования микроэлементов размерами на объектах и рельефах является неосуществимым.
1.3.2. Физические методы обработки
К физическим методам можно отнести методы термического воздействия на материал, например, при помощи лазера. Светолучевая (лазерная) обработка (СЛО) основана на использовании тепла, генерируемого специально сформированным световым лучом, характеризующимся оптической когерентностью и высокой концентрацией переносимой им энергии, плотность которой в месте фокусирования может быть многократно увеличена. Под влиянием температуры изменяются геометрические параметры заготовки, создавая тем самым, заданную поверхность детали [11, 19, 41, 43]. При взаимодействии с веществом лазерный луч способен оказывать интенсивное тепловое воздействие, завершающееся почти мгновенным расплавлением и испарением материала в точке фокусирования луча.
Точность лазерной обработки определяется погрешностями технологического процесса и погрешностями оборудования, с помощью которого реализуется этот процесс, а также свойствами обрабатываемого материала. Общая классификация этих погрешностей дана в работе [44]. Как показал анализ, погрешности обработки определяются в основном погрешностью плот-
17 ности мощности, реализуемой в зоне воздействия лазерного импульса и нестабильностью материала.
Микрорельеф обработанной поверхности определяется в основном гидродинамическими процессами, имеющими место при взаимодействии излучения ОКГ с материалами.
Шероховатость поверхности, полученная после обработки лазером может быть подсчитана по формуле Rz = СехЕхХ , где Се - коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала и режимы обработки; X - показатель степени; Е - энергия излучения, в соответствии с данными табл. 1.1.
Данный метод формообразования микродеталей и микроэлементов поверхности имеет ряд недостатков. Осаждение части продуктов эрозии на поверхности детали в виде грата является существенным недостатком лазерной обработки. Кроме того, метод СЛО имеет недостаток, связанный с большими энергозатратами и большой стоимостью оборудования.
Таблица 1.1
1.3.3. Термомеханические методы обработки
К термомеханическим методам получения микрообъектов можно отнести известный метод физического осаждения из паровой фазы, плазменная обработка (ПЗО). Для достижения технологических целей используют определенным образом струю ионизированного газа (плазмы), развивающую в месте соприкосновения с обрабатываемым материалом высокие температуры (от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов Кельвина). Устройства, в которых формируется плазма, получили общее название плазмотронов. Основным рабочим устройством служит плазмотрон - специальная горелка, в
18 которой взаимодействие электрической дуги и газовой среды приводит к образованию плазмы.
В табл. 1.2 приведены режимы плазменной резки для проведения разделительных операций.
Таблица 1.2
Как видно из приведенной таблицы, применение метода плазменной обработки для получения микродеталей со сложным продольным профилем и габаритными размерами менее 1 мм невозможно, т.к. диаметр сопла имеет размер в 1,5...3 раза больше [2].
1.3.4. Электрофизические методы обработки
Одним из электрофизических методов является электроэрозионная обработка, которая заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности под воздействием электрических разрядов в результате электрической эрозии. В процессе обработки эрозии подвергается как изделие, так и электрод-инструмент. Износ инструмента является основной проблемой расширения применения электроэрозионной обработки для изготовления сверхмалых объектов. Кроме того, установлено, что при электроэрозионной обработке температурные воздействия на материал изменяют его свойства, на поверхности детали образуются микротрещины. Осаждение части продуктов эрозии на поверхности детали в виде грата также является существенным недостатком для микроформообразования.
19 1.3.5. Химические методы обработки
К химическим методам формообразования микрообъектов можно отнести химическое травление определенных участков поверхности или химическое осаждение металла.
При травлении образование углублений происходит путем растворения металла, незакрытого трафаретом (изолятором), в ванне [7, 8]. Основным недостатком является необходимость использования значительного по номенклатуре количества дорогостоящих трафаретов для варьирования формой, размерами, взаимным расположением создаваемых углублений, а также возможность получения таким способом только микрообъектов вогнутой формы. Кроме того, создания трафаретов и масок с размерами, менее 0,5мм весьма затруднительно или невозможно.
Химическое осаждение является одним из наиболее доступных и простых способов получения микрообъектов в том случае, если химическое осаждение вести на предварительно подготовленную поверхность. Сущность метода заключается в восстановлении ионов металла на поверхности формы в водном растворе с помощью растворенного восстановителя [38]. У данного способа наряду с неоспоримыми достоинствами (простота оборудования, доступность материалов) есть и существенный недостаток весьма низкая скорость осаждения (около 1 мкм/ч) и сложность управления процессом.
1.3.6. Электрохимические методы обработки
Известно что, достоинствами метода ЭХО являются возможность обработки материалов без приложения значительных механических усилий, высокая эффективность процесса, практическое отсутствие износа электрода-инструмента, низкая шероховатость обработанной поверхности, минимальное влияние на физико-механические характеристики поверхностного слоя, слабая зависимость производительности процесса от механических свойств обрабатываемого материала [33].
Инструмент, применяемый при ЭХО, может быть выполнен из легко-обрабатываемых материалов. Заготовка не подвержена воздействию больших механических нагрузок, не образуются заусенцы, отсутствуют механические или тепловые явления, которые изменяют свойства поверхности заготовки и структуру материала. Последнее преимущество имеет особое значение, поскольку в настоящее время применяются все более тонкие по структуре материалы. Область применения ЭХРО еще может быть расширена в направлении получения прецизионных деталей электронных и электротехнических изделий, микроинструментария для медицины, когда размеры деталей настолько малы, что механические или термические методы обработки приводят к относительно большим изменениям, например, в геометрии изделий или физических свойств материала [2, 4, 40, 113].
Однако, общеизвестным недостатком электрохимической обработки является относительно невысокая точность обработки. Основной задачей в повышении точности обработки является повышение степени копирования поверхности электрода-инструмента на заготовке. Для этого проводятся исследования по уменьшению рабочих межэлектродных зазоров, исследования по влиянию на величину зоны анодного растворения состава и концентрации электролита и способа его подачи в межэлектродный зазор.
На основании анализа рассмотренных методов микроформообразования в дальнейшем целесообразно рассматривать способ электрохимической обработки как наиболее перспективным с точки зрения обеспечения заданных точности обработки и качества поверхности микродеталей.
Возможности применения электрохимической обработки при изготовлении микрообъектов
Исследования, проводившиеся в области электрохимической обработки при малых межэлектродных зазорах, с целью получения микрообъектов и микроэлементов поверхности, позволяют проанализировать достижения по обеспечению точности и качества поверхности.
Одним из развивающихся направлений электрохимической обработки при малых межэлектродных зазорах является получение микроотверстий.
Размеры отверстий, прошиваемых электрохимическим методом, лимитируются диаметром электрода, толщиной защитного слоя, боковым зазором и вторичными факторами: газовыделение, удаление шлама, назрев межэлектродного промежутка. Представляет определенный интерес получение отверстий диаметром 0,05—0,3 мм, когда роль электрода-инструмента выполняет отрицательно заряженная струя электролита 2 (рис. 1.5), вытекающего из диэлектрического (стеклянного) сопла 3 с высокой скоростью. Струя на определенном отрезке сохраняет форму и размеры отверстия в сопле. Для обеспечения необходимого заряда в сопло введен проводник 4, который подключен к источнику постоянного тока. Изделие 1, в котором необходимо получить отверстие, подключено к положительному полюсу.
Рис. 1.5. Схема прошивания микроотверстий:
1 - заготовка; 2 - отрицательно заряженная струя электролита; 3 - сопло; 4 - проводник
В данном примере электрод-инструмент обладает рядом положительных преимуществ: локальность обработки, обеспечиваемая за счет малой величины диаметра отверстия сопла; состава электролита; интенсивность подачи электролита обеспечивает наименьший нагрев межэлектродного про-
22 странства, постоянное удаление шлама; но также имеются и минусы; влияние силы давления струи электролита на точность изготовления деталей с малой жесткостью.
Данная схема требует дополнительных экспериментальных исследований по применению ее к формообразованию микродеталей.
Довольно часто возникает необходимость в образовании на изделиях профилированных канавок, полостей, фигурных выемок. При электрохимическом профилировании канавок (рис. 1.6а) особую трудность представляет обеспечение точности весьма малого радиуса дна канавки (R=0,l±0,05 мм) в сочетании с надлежащей геометрией по углу и диаметру. Выполнение этих условий зависит от точности изготовления инструмента (диска-катода), размеры которого должны зеркально отображать профиль канавки с учетом величины межэлектродного зазора, и, кроме того, от величины его радиальных и осевых биений.
в) в)
Рис. 1.6. Электрохимическое профилирование:
а) - канавка; б) - приспособление; в) - крепление диска-катода на шпинделе Профилирование производят следующим образом. Предварительно обработанный на токарном станке диск-электрод из нержавеющей стали или
23 титановых сплавов ОТ4, ОТ4-1, ВТ 14 закрепляют в шпинделе электрохимического станка. Крепление диска-катода на шпинделе станка показано на рис. 1.6в. Диск 1 насаживают на медное кольцо 2, которое через меднографито-вые щетки 3 соединено с отрицательным полюсом источника тока. Кольцо вместе с диском изолируют от шпинделя 4 текстолитовой втулкой 5, запрессованной на шпинделе станка. При вращении шпинделя вместе с диском с помощью спаренных резцов 4 (рис. 1.66) снимают припуск с углов диска. Вращение шпинделя производят вручную.
Положительный полюс источника постоянного тока присоединяют к обрабатываемому диску, а отрицательный — через клемму и корпус к алмазным брускам. Так как алмазные зерна, находящиеся в алмазоносном слое брусков и выступающие из токопроводящей связки, не проводят ток, то они создают между электродами необходимый зазор, непрерывно заполняемый электролитом. При прохождении тока через электролит происходит электрохимическое растворение и материал с поверхности диска снимается, а продукты растворения удаляются алмазными зернами и электролитом.
Доводка характеризуется практически незначительным силовым воздействием на обрабатываемую поверхность и отсутствием деформации инструмента. Низкое напряжение (2—5 В) обеспечивает течение процесса без ду-гообразования и бездефектную обработку.
Шероховатость поверхности диска по профилю не контролируют, так как на образующей диска не остается рисок, которые при последующей электрохимической обработке могут быть полностью перенесены на деталь.
Описанный способ доводки профиля диска-катода обеспечивает: требуемую геометрию и точность (при этом радиус дна канавки можно получить менее 0,1 мм, а овальность по внутреннему диаметру канавки — в пределах 0,02 мм); шероховатость поверхности канавки на титановых сплавах Ra < 1,25 мкм. Применив диск-катод иного профиля, можно получить новый требуемый профиль канавки.
Имеются попытки изготовления тонкой проволоки диаметром 0,03— 0,05 мм из труднообрабатываемых и малопластичных материалов: титана, молибдена и др. Процесс состоит в протягивании большего диаметра проволоки (предварительно полученной обычными методами) с малым усилием через отверстие, в которое подается электролит. Обрабатываемая проволока служит анодом, а волока или дюза — катодом.
Данные методы электрохимического микроформообразования для создания сложно профильных микрообъектов тел вращения заданных геометрических параметров неприемлемы.
Перспективным методом обработки конструктивных микроэлементов поверхности, является электрохимическая размерная обработка при сверхмалых межэлектродных зазорах. В современной электрохимической обработке доминирует тенденция к уменьшению рабочих межэлектродных зазоров. Проводились исследования по повышению точности при малых межэлектродных зазорах [10], были получены зависимости для определения длительности импульса технологического напряжения для рабочих зазоров более 0,03 мм [11].
Но данные исследования не могут быть применимы для формования микрообъектов тел вращения. Поэтому необходимо изучить теоретически и экспериментально апробировать электрохимическую обработку при сверхмалых межэлектродных зазорах.
1.4. Направления повышения точности электрохимического
формообразования
Точность электрохимической обработки, рассматриваемая в двух аспектах [12], как степень соответствия геометрии формы полученной детали геометрии формы катода (абсолютная точность) и как повторяемость размеров заданной детали в партии (относительная точность), лимитируется специфическими особенностями процесса анодного растворения материалов, осуществляемого в различных станочных системах.
В области исследований процесса электрохимической обработки с целью повышения точности обработки определены два основных направления: совершенствование существующих и создание принципиально новых схем электрохимического формообразования [27]. Основными вопросами совершенствования существующих схем размерной электрохимической обработки являются: стабилизация входных параметров процесса, изменение межэлектродных зазоров, применение напряжения различных форм, синтез новых электролитов, изменение свойств межэлектродной среды, совершенствование методов корректировки катодов, использование различных кинематических характеристик электродов [24,27].
Совершенствование технологических схем электрохимической обработки, позволяет достигнуть определенного повышения точности обработки. Однако, кардинальное улучшение технологических показателей определяется значительными организационно техническими ограничениями реализации, отсутствием достаточного объема фундаментальных знаний для определения новых, более тонких, путей их совершенствования, либо физико-химическими закономерностями собственно процесса обработки. Для каждой реальной схемы электрохимической обработки не удается в полной мере реализовать ни один из путей повышения точности автономно, не затрагивая других элементов технологической схемы. Так, при уменьшении величины зазора до 0,02 мм и менее требуются специальные способы обеспечения гидродинамического режима, временной и пространственной стабилизации свойств межэлектродной среды [37].
Выполнить определенные условия в рамках существующей схемы не представляется возможным, т. е. необходимо изменить схему формообразования. В конкретном случае это может быть осуществлено различными приёмами: применением импульсов технологического напряжения, вибрацией или вращением электрода-инструмента, пульсирующей подачей электролита, секционированием катодов, применением рабочих межэлектродных сред с высокими локализующими свойствами и т. п. [34]. Таким образом,
26 между структурными основными элементами, образующими понятие технологической схемы обработки (кинематика электрода-инструмента, рабочее напряжение, тип электролита, свойства межэлектродной среды), возникают новые качественные взаимосвязи.
Рассмотрим положительные моменты электрохимической обработки при сверхмалых межэлектродных зазорах: возможности высокопроизводительной обработки металлов и сплавов с любыми физико-механическими характеристиками; возможности сложного формообразования с использованием простейших схем движения и формы инструмента; в процессе размерной электрохимической обработки функции инструмента фактически выполняет электрическое поле, что позволяет получать детали малых размеров, а также для тщательно отработанного процесса электрод-инструмент как носитель этого поля практически не имеет износа; в процессе электрохимического формообразования отсутствует сколько-нибудь значительные силовые и температурные воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали, вследствие чего возможно получение поверхностного слоя высокого качества.
При размерной ЭХО имеются существенные недостатки: сложно осуществить контроль сверхмалого межэлектродного зазора, обеспечение точности зависит от выставления электрода-инструмента и заготовки, что существенно при обработке микрообъектов, невозможность применения любого инструмента при изготовлении различных геометрических элементов, а также влияние размеров обрабатываемого микрообъекта на выбор фасонного или точечного катода; подбор электролита с необходимой локализующей способностью, обеспечивающего значительно высокую скорость обработки.
Эти недостатки ограничивают область применения электрохимической обработки при сверхмалых межэлектродных зазорах.
Анализ путей повышения точности обработки показывает, что исследования проводятся в различных направлениях изменения свойств технологической системы. Рассмотрим, наиболее распространенные из них.
27 Стабилизация параметров электрохимической обработки
Стабилизация параметров процесса с целью повышения точности позволяет получить хорошие результаты. Для классической схемы саморегулирования точность копирования достигает 0,2-0,5 мм. Для достижения точности обработки в пределах 0,05-0,1 мм необходимо стабилизировать параметры процесса обработки в следующих пределах: напряжение ±0,2 В, скорость электрода-инструмента ±0,025 мм/мин, температура электролита ±0,9С, электропроводность электролита ±0,004 Ом см [9].
Принципиальное ограничение при реализации указанного выше способа повышения точности обусловлено следующим: даже при идеальной стабильности входных параметров режима невозможно обеспечить необходимую стабилизацию процесса в межэлектродном зазоре, особенно, при обработке микрообъектов.
Межэлектродная среда
В настоящее время для ЭХО рекомендуются различные электролиты [18, 23, 25]. Практика показывает, что нельзя рекомендовать какой-либо уни-' версальный состав электролита для обработки различных материалов. Разработка новых электролитов и их использование в известных схемах ЭХО дает* возможность достичь значительного повышения точности обработки (0,06— 0,1 мм).
Экспериментально доказано, что наибольшая точность обработки достигается в растворах электролитов, обеспечивающих возрастающую функциональную зависимость выхода металла по току при увеличении плотности тока [15].
Анализ электролитов для ЭХО металлов указывает на устойчивую тенденцию к применению в составе рабочих сред органических компонентов, либо в качестве растворителей, либо в качестве поверхностно активных веществ.
28 Несмотря на очевидные технологические преимущества новых электролитов, их широкому промышленному использованию препятствуют следующие факторы [39]:
недостаточное знание механизма влияния вводимых компонентов на электродные процессы, процессы переноса;
отсутствие технологий регенерации растворов и утилизации вторичных продуктов электролиза;
- отсутствие или низкая достоверность данных о токсичности и экологической агрессивности продуктов электролиза в новых средах.
В работе [54] отмечается, что незначительное повышение технологических показателей ЭХО не оправдывает риска, связанного с применением подобных растворов, с точки зрения охраны труда и техники безопасности.
Наиболее распространенным способом изменения свойств
межэлектродной среды, обеспечивающим повышение точности обработки, является использование неоднородных рабочих сред. Наибольшее распространение получили способы обработки с применением в качестве рабочей жидкости газожидкостной смеси [60]. Это способствует выравниванию и стабилизации свойств межэлектродной среды по межэлектродному промежутку и увеличению степени локализации процесса [60] пространственной дискретностью электропроводности. К достоинствам данного способа ЭХО относятся: повышение точности при незначительном снижении скорости съема, небольшие силы, действующие на электроды, устранение кавитации. Основной недостаток, как следствие вводимого нового элемента в технологическую систему: аномальное изменение свойств газожидкостной смеси в межэлектродном промежутке. Возможны: гидродинамическая неустойчивость потока, приводящая к местному снижению тока, переход рабочей среды в аэрозоль, т. е. среду с низкой электропроводностью, что может привести к короткому замыканию между электродами. Это накладывает еще более жесткое ограничение на режим ЭХО [24].
Разработаны способы ЭХО, в которых предусматривается снижение скорости электролита во время анодного растворения при уменьшении длительности единичного цикла обработки [45] или его полная остановка [27]. Протекание тока через электролизер с неподвижным электролитом приводит к быстрому наступлению диффузионных ограничений (уменьшение скорости анодного растворения) и к нарушению стабильности процесса (увеличению вероятности коротких замыканий). Поэтому ЭХО в движущемся с малой скоростью (менее 1 м/с) или неподвижном электролите возможна только в сочетании с прерывистостью геометрической характеристики во времени или в пространстве [23]. Эти мероприятия дают возможность уменьшить влияние гидродинамики процесса на точность обработки. Для этой же цели используется безводородный электролит [29], применяется импульсная обработка [83].
Известны технологические схемы обработки в пульсирующем электролите на импульсном токе [83]. Цикл обработки разделен на два этапа. На первом этапе производится растворение в неподвижном электролите. На втором этапе ток отключается и производится эвакуация продуктов электролиза потокам электролита. Приведен пример практической реализации данного способа: при обработке "фасонных поверхностей шатуна точность обработки составила 0,15 мм.4'
Повышение точности обработки сложнофасонных полостей может быть достигнуто за счет повышения температуры электролита на входе межэлектродного промежутка [109]. Точность обработки повысилась с ±0,5 до ±0,15 мм без снижения производительности. Указанный эффект, достигнут в результате обеспечения некоторой оптимальной зависимости величины зазора от скорости анодного растворения.
Применяется ряд технических приемов, указанных, например, в работе [34, 39, 45], способствующих повышению точности обработки, направленных на интенсификацию процессов обновления свойств межэлектродной среды. В межэлектродном промежутке предполагается устранение застойных зон,
струйности, недопустимой зашламленности, сложного движения потока электролита (турбулизации). Эти технологические приемы решают частные задачи.
В работах [5, 27] отмечается что, снизить температуру электролита, улучшить эвакуацию продуктов анодного растворения, повысить плотность тока в межэлектродном промежутке позволяет применение импульсного тока. Это один из аспектов применения импульсной обработки. Другой аспект перехода к импульсным режимам обусловливает повышение точности обработки за счет повышения размерности распределения тока в рабочей зоне, увеличение локализации процесса растворения [22, 32, 33].
Кинематика электрода-инструмента
Геометрия обрабатываемой поверхности при ЭХО, также как и других методах обработки материалов (точение, шлифование, электроэрозия), определяется кинематической линией станка и геометрией режущего инструмента [3]. Неоднородные кинематические схемы ЭХО с изменяющимся характером движения инструмента и заготовки повышают точность обработки. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено [7], что обеспечение движения катода к обрабатываемой поверхности приводит к повышению точности обработки по сравнению с обработкой неподвижным катодом в идентичных условиях. Схема размерной обработки с постоянной подачей электрода-инструмента и наложением вибрации частотой 10—104 Гц реализована на станке ЭХП-1 [35]. В одной из разработок [54] повышение точности формообразования достигается за счет того, что процесс ведется при рабочем движении ЭИ от детали при совмещении моментов подач импульсов технологического напряжения с минимальным МЭЗ. Технологическая схема позволяет получать точность обработки 0,02-0,2 мм.
Исследования процесса электрохимического формообразования вибрирующим катодом [4, 35] выявили возможность существенного улучшения точности копирования и снижения шероховатости поверхности. Факторами повышения точности являются: локальное повышение электропроводности
31 за счет кратковременного увеличения давления (способствующего снижению газонаполнения электролита); создание условий, способствующих пассивности анода (уменьшение скорости течения электролита). Следует отметить, что положительная роль вибрации в вопросе повышения точности подтверждается большим числом примеров практической реализации [36].
Известна схема, сочетающая в себе элементы импульсно-циклической обработки и обработки вибрирующим электродом-инструментом [37]. Под действием вибратора электрод-инструмент совершает периодические колебания каждые полпериода, касаясь поверхности детали. После касания электрода-инструмента его результирующее перемещение слагается из движения вверх под действием вибратора и движения вниз под действием силы тяжести. Результирующее перемещение инструмента относительно поверхности детали формирует межэлектродный зазор. При этом точность копирования деталей составляет 0,04—0,06 мм. При формообразовании сложнопрофиль-ных деталей с изменением площади обрабатываемой поверхности возможна дестабилизация процесса обработки, что может привести, с одной стороны, к значительному увеличению зазора, с другой — к короткому замыканию. Однако, при обработке микрообъектов применяемый электрода-инструмент настолько мал, что о вибрирующем катоде речи идти не может.
В схеме обработки секционным электродом-инструментом при коммутации тока по времени обработки секции задействуются последовательно через определенные промежутки времени, установленные расчетным путем, что позволяет уменьшить нестабильность свойств электролита по длине межэлектродного промежутка. При подключении любой очередной секции процесс обработки на уже задействованных секциях не прерывается. При этом точность формообразования поверхности при коммутации тока составляет 0,2—0,25 мм. Использование системы управления для обработки сложно фасонных деталей позволило достигнуть точности ЭХО 0,05-0,06 мм. Тем не менее, несмотря на существенные преимущества, данный способ имеет очевидные технические и технологические ограничения в плане дальнейшего
32 повышения точности это минимальная толщина металлических секций и их количество, определяющие наличие перемычек (или углублений) на поверхности анода в местах, противолежащих стыку секции электрода-инструмента.
Межэлектродный зазор
Сама сущность электрохимического процесса предопределяет наличие зазора между формообразующей поверхностью катода и обрабатываемой поверхностью заготовки. Известно, что относительное изменение скорости растворения двух участков поверхности анода с фиксированной неравномерностью припуска Ах может быть оценено по приближенной формуле:
AVa/Va* m/x хДх. (1.1)
Предельный переход AVa -*00 при х~* 0 позволяет сделать вывод о повышении точности копирования с уменьшением величины межэлектродного зазора. На практике подобное повышение точности обработки при прочих равных условиях возможно только для относительно больших (свыше 0,2 мм) величин межэлектродного зазора. Для повышения точности обработки при уменьшении величины зазора до малых и сверхмалых значений (0,01— 0,02 мм) требуется выполнение ряда дополнительных условий: применение импульсных токов, периодическая промывка межэлектродного промежутка, обеспечивающая своевременное восстановление и стабилизацию физико-химических свойств межэлектродной среды.
Анализ данных показывает однозначную зависимость точности обработки от величины МЭЗ. Точность обработки оценочно сопоставима с величиной межэлектродного зазора [7] A=c[s], где А - погрешность обработки. Следовательно, одно из перспективных направлений повышения точности размерной электрохимической обработки связано с переходом на обработку с использованием сверхмалых межэлектродных зазоров s<10mkm. Однако, переход на сверхмалые межэлектродные зазоры ставит новые научно-технические проблемы: обоснование понятия "межэлектродный зазор".
33 При использовании малых межэлектродных зазоров не возникает методологических трудностей по определению понятия "межэлектродный зазор" (рис. 1.7а) при наличии гладких границ.
а) ' Ф
6) Zfl
Рис. 1.7. Геометрические характеристики межэлектродного зазора:
а) малого; б) сверхмалого
При дальнейшем уменьшении межэлектродного зазора его величина становится сравнимой с шероховатостью поверхностей электродов: S«Rx (рис. 1.76). В этом случае средняя величина межэлектродного зазора должна рассматриваться как: (S) = (ZK)-(Za), где
При моделировании такого процесса необходимо нахождение параметров изменяющегося во времени случайного поля Za [12,17].
Переход на сверхмалые зазоры, в свою очередь, открывает возможность получения с помощью ЭХРО микрообъектов различного назначения.
На основании проведенного анализа схем электрохимического микроформообразования необходимо исследовать методы повышения локализации процесса анодного растворения. На рис. 1.8 представлены методы, оказывающие влияние на процесс электрохимического микроформообразования.
Методы повышения локализации процесса электрохимического микроформообразования
Геометрические
Кинематические
Физические
Рис. 1.8. Методы повышения локализации электрохимического микроформообразования
Проведем анализ влияния каждого метода на повышение локализации процесса анодного растворения.
Геометрические методы повышения локализации анодного растворения включают в себя: геометрические размеры ЭИ, величину межэлектродного зазора. Изменение геометрии ЭИ позволяет повысить локализацию процесса за счет уменьшения рабочей площади электрода-инструмента, что ведет к уменьшению энергетических затрат, а так же упрощается контроль за межэлектродным зазором, снижению газовыделения, способствует удалению шлама из межэлектродного зазора. Уменьшение межэлектродного зазора, позволяет повысить локализацию электрохимического процесса за счет уменьшения объема межэлектродного зазора и повышения локальной плотности тока.
Кинематические методы повышения локализации связаны со способом контролирования межэлектродного зазора, механизмом подачи и траектории движения электрода-инструмента и заготовки.
Физические методы повышения локализации предусматривают изменения электрических, гидро- газодинамических параметров а также концентрации, выбора состава электролита с высокой локализующей способностью.
Электрические параметры позволяют повысить локализацию электрохимического процесса за счет концентрации энергии в точке, что позволит снизить величину энергии, вводимой в локальную зону обработки.
Гидро-газодинамические параметры основаны на уменьшении объема электролита, и заполнения только электрохимической ячейки, что способствуют уменьшению зоны рассеивания, а, следовательно, ведет к повышению локализации электрохимического процесса.
Уменьшение концентрации солей электролитов приводит к снижению «активности» анодного растворения а, следовательно, уменьшению зоны рассеивания и увеличению локализации процесса.
Однако использование каждого метода в отдельности с целью повышения локализации анодного растворения, без учета других методов, существенных результатов не дает. Особенно необходимы исследования влияния всех методов повышения локализации процесса в комплексе при электрохимическом микроформообразовании.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.
На основании проведенного анализа состояния вопроса можно сделать следующие выводы:
В результате проведенного анализа эксплуатационных параметров на примере комплексной микродетали типа тела вращения, технологий ее изготовления установлено, что наиболее целесообразен методом создания микродеталей, недопускающих механических деформаций является ЭХО, так как применяемые традиционные технологии изготовления не обеспечивают достаточной точности 0,01-0,05 мм и качества поверхности Ra 0,1 мкм.
Процесс электрохимического микроформообразования микродеталей типа тел вращения недостаточно изучен с точки зрения выбора возможной схемы, электрических, кинематических, геометрических, гидрогазодинамических параметров обработки.
Сравнительный анализ методов получения микроэлементов поверхности
По механическим методам получения микроэлементов был проведен анализ научно-технической литературы [40, 90, 113], на основании которого к категории микроформообразования можно отнести: обработку лезвийным инструментом и обработку давлением.
Однако данные методы формообразования микрообъектов и микроэлементов на поверхностях нежестких конструкций с размерами порядка до 1 мм связаны с использованием специальных инструментов и кинематики, что делает процесс формирования весьма затруднительным или вообще невозможным. Кроме того, необходимость в изготовлении микрообъектов в большом количестве типа микрозацепа (см. рис. 1.2в) с одинаковыми геометрическими параметрами добавляет сложности серийного производства.
Возможность реализации формообразования микрообъектов в виде тел вращения механическими методами сводится к прецизионному точению и прокату. Каждый метод, в свою очередь, может быть реализован как единовременный, последовательный способ формообразования поверхности и их комбинирование.
При формообразовании микродеталей (см. рис. 1.2) точением возникает ряд трудностей технологического плана. При последовательной обработке поверхности для обеспечения точности необходимо изготавливать режущий инструмент на порядок меньше формируемого микроэлемента. Из-за этого возникают сложности в создании инструментария. При этом шероховатость поверхности микродетали, должна составлять Ra 0,1мкм, что не может быть достигнуто режущим инструментом. В процессе резания возникают побочные явления: нагрев заготовки и инструмента, деформирование заготовки. В результате данных явлений возникают нежелательные эффекты: изменение структуры материала а, следовательно, и его свойств, увеличивается рост внутренних напряжений, на поверхности возникают микротрещины и т.д.
Использование схемы единовременного получения микродетали обусловлено рядом технологических трудностей. При чем, основной является получение профильного инструмента, так как от него зависит точность формы микродетали. Износ инструмента значительно влиятет на точность формообразования. Кроме того, остаются нерешенными проблемы возникновения внутренних напряжений.
Также надо учитывать, что на точность механической обработки, в частности токарной, влияет ряд факторов: износ и деформация станков, приспособлений и инструментов, деформация обрабатываемых заготовок, тепловые явления, происходящие в технологической системе и в смазочно-охлаждающей жидкости. При обработке заготовок возникают систематические и случайные погрешности отдельных элементов, что существенно влияет на точность изготовления детали в целом.
Анализ способов механического формообразования микроэлементов поверхности [40,90] выявил основные недостатки обработки лезвийным инструментом: упрочнение металла при деформации резанием, малая теплопроводность, приводящая к росту температуры в зоне контакта и, следовательно, к интенсивному схватыванию контактирующих поверхностей, что приводит к разрушению режущего инструмента; способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на поверхности контакта инструмента и заготовки.
Формообразование микроэлементов давлением является более предпочтительным способом. К достоинствам способа формирования давлением относятся высокая производительность, экономичность, возможность получения более низкой шероховатости, чем при резании и высокая стойкость инструмента [90, 113]. В научно-технической литературе выделяют вибродинамическое накатывание и накатывание профильным роликом [90]. Достоинство способа - высокая производительность. Однако, этому методу свойственны и существенные недостатки: необходимо создавать ролики с различным микрорельефом (достаточно сложный в изготовлении, дорогостоящий инструмент); при работе роликами даже относительно небольшого диаметра (40-50 мм) из-за большой площади контакта с заготовкой для выдавливания микроэлемента поверхности сравнительно малой глубины (10-12 мкм) требуется приложение значительных сил, что недопустимо при обработке мало- и среднежестких деталей. Обработка термически упрочненных деталей практически невозможна.
На основании проведенного анализа можно сделать следующий вывод, что применение механических способов для микроформообразования микроэлементов размерами на объектах и рельефах является неосуществимым.
Физические методы обработки
К физическим методам можно отнести методы термического воздействия на материал, например, при помощи лазера. Светолучевая (лазерная) обработка (СЛО) основана на использовании тепла, генерируемого специально сформированным световым лучом, характеризующимся оптической когерентностью и высокой концентрацией переносимой им энергии, плотность которой в месте фокусирования может быть многократно увеличена. Под влиянием температуры изменяются геометрические параметры заготовки, создавая тем самым, заданную поверхность детали [11, 19, 41, 43]. При взаимодействии с веществом лазерный луч способен оказывать интенсивное тепловое воздействие, завершающееся почти мгновенным расплавлением и испарением материала в точке фокусирования луча.
Точность лазерной обработки определяется погрешностями технологического процесса и погрешностями оборудования, с помощью которого реализуется этот процесс, а также свойствами обрабатываемого материала. Общая классификация этих погрешностей дана в работе [44]. Как показал анализ, погрешности обработки определяются в основном погрешностью плот 17 ности мощности, реализуемой в зоне воздействия лазерного импульса и нестабильностью материала.
Микрорельеф обработанной поверхности определяется в основном гидродинамическими процессами, имеющими место при взаимодействии излучения ОКГ с материалами.
Шероховатость поверхности, полученная после обработки лазером может быть подсчитана по формуле Rz = СЕХЕХХ , где СЕ - коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала и режимы обработки; X - показатель степени; Е - энергия излучения, в соответствии с данными табл. 1.1.
Параметры, влияющие на процесс электрохимического микроформообразования
При теоретическом описании процесса электрохимического микроформообразования учитываются многообразные физические явления, возникающие в МЭЗ. К ним можно отнести: - переход заряженных частиц через границу раздела фаз; - интенсивный массовый поток продуктов реакции от поверхности электродов, эти продукты образуют с движущимся раствором многофазную систему со свойствами, отличными от свойств чистого электролита; - интенсивное газовыделение на катоде образует прикатодный газожидкостный слой, отделяющий поверхность катода от движущейся жидкой фазы. Плотность газа в этом слое выше, чем плотность газа в пузырьках, движущихся в потоке жидкости. Поток газа с жидкостью (двухфазный жидкостный поток) обладает высокой степенью сжимаемости. В таком потоке при ЭХО наблюдается "запирание" межэлектродного канала; - пространственно-временное распределение свойств межэлектродной среды (вязкости, плотности, электропроводности, коэффициентов диффузии и активностей, структуры двойных электрических слоев, скоростей катодной и анодной реакции и др.) в связи с объемным тепло- и газовыделением в межэлектродном канале; - изменение свойств межэлектродной среды вдоль потока в связи с конвективным тепло- и массопереносом; - интенсивное тепло- и газовыделение могут создать экстремальные условия, при которых режим процесса неустойчив и происходит электрический пробой МЭЗ [45]; - переменные значения потенциалов и выхода по току по поверхности электродов; - возможные отклонения скоростей анодного растворения от рассчитанных по закону Фарадея, связанные с генерацией окислителя на поверхности анода, реакцией диспропорционирования, дезинтеграцией и др [15].
При изменении параметров обработки, направленных на интенсификацию ЭХО, стационарный и квазистационарный процесс нарушается [17]. Это связано с пульсационным течением электролита в МЭЗ. С точки зрения гидродинамики поток электролита следует рассматривать как поток жидкости в узком плоском канале сложного профиля, одной стенкой канала является ЭИ, а другой - заготовка. При движении жидкости по сужающемуся каналу в наиболее узком месте скорость потока будет максимальной, а давление - минимальным. При этом начинается интенсивное парообразование или кипение электролита - в минимальном сечении канала развивается кавитация [27].
Возникновение кавитации в зоне обработки может привести к увеличению гидравлического сопротивления в МЭЗ, к резкому уменьшению площади контакта электролита с электродами и росту местного омического сопротивления [61]. Это вызывает нарушение нормального хода процесса анодного растворения и приводит к развитию аварийных ситуаций в МЭЗ вплоть до короткого замыкания.
Развитие электрического пробоя промежутка между электродами зависит от величины напряженности электрического поля между ними [36, 86]. Уменьшение МЭЗ в условиях ЭХО может привести к такому состоянию, когда в какой-то из зон малых МЭЗ напряженность электрического поля достигает критической величины и возможен электрический разряд.
Таким образом, наличие различных физических явлений в МЭЗ приводит к их взаимному влиянию, а также на процесс анодного растворения. Усиления их взаимного влияния можно ожидать в условиях СММЭЗ и ограниченного объема электролита.
Масса растворенного металла т на аноде и выделившихся на электродах газов определяется по закону Фарадея [8]: dm = E$ri(t)I(t)dt, (2.1) о где Е- электрохимический эквивалент металла, газа; 77(/)- зависимость анодного выхода металла по току от времени; I(t)- функция, описывающее изменение тока в электролизере во времени. Закон Ома для электрохимической ячейки можно записать в виде [32]: w Д(/) д; 5(/) (2-2) где 6/() - функция, описывающая изменение напряжения в электролизере во времени; R(t) - функция, описывающая изменение сопротивления электролизера во времени; S(t) - функция, описывающая изменение МЭЗ со временем; а — площадь обработки; %(t) - функция, описывающая изменение удельной электропроводности электролита. С учетом уравнения (2.2) закон Фарадея можно записать в виде: dt. (2.3) о S\4 Если предположить, что анодный выход металла по току постоянен во времени, то можно заметить, что величина съема металла зависит от формы импульса напряжения, величины МЭЗ и удельного сопротивления межэлектродной среды.
Анализ уравнения (2.3) показывает, что производительность процесса ЭХО обратно пропорциональна величине МЭЗ. В тоже время и точность электрохимического микроформообразования определяет величина МЭЗ, которая в первую очередь, зависит от схемы ЭХО [16, 36, 52]. Рассмотрим на примере ЭХО с постоянной подачей ЭИ возможности обработки при уменьшении МЭЗ до сверхмалых величин.
При межэлектродном зазоре S, равном 0,5-0,1 мм, и характерным для схем ЭХО с постоянной подачей ЭИ, скорости анодного съема металла при МЭЗ S/ и S2 мало отличаются, так как расстояния от ЭИ до заготовка в различных зонах МЭЗ сопоставимы по величине друг с другом (рис. 2.7а) [13].
Продукты анодного растворения легко удаляются потоком электролита и не оказывают существенного влияния на процессы в МЭЗ. В этом случае, для выравнивания начальной погрешности А0, необходимо удалить значительный припуск Z/.
Математическое моделирование локализации процесса электрохимического микроформообразования
Для полноты проведенного теоретического анализа различных схем микроформообразования и условий их осуществления, необходимо провести моде лирование электрических параметров ЭХЯ (схем последовательного микроформообразования точкой и линией). Это позволит определять скорость анодного растворения в любой точке анода в зависимости от расстояния до катода, оценить рассеивающую способность электролита и подобрать его концентрацию с наибольшим локализующим эффектом и обеспечивающую наибольшую скорость анодного растворения, установить влияние формы, размеров ЭИ на точность микроформообразования.
В процессе анодного растворения при сверхмалых межэлектродных зазорах явления оказывающие незначительное влияние на выходные параметры (газовыделение, нагрев межэлектродного зазора, гидродинамическое воздействие электролита на электрод-инструмент и заготовку) были исключены из рассмотрения. Отношение размеров заготовки к ЭИ варьируется в диапазоне 10...35, ЭХЯ симметрична.
Допущения, принятые при построении модели: 1. электропроводность электролита считается постоянной во времени и пространстве и не зависящей от температуры; 2. выделение теплоты в МЭЗ считается пренебрежимо малым; электроды считаются эквипотенциальными поверхностями. Математическая модель ЭХЯ двумерная. Уравнение распределения потенциала в пространстве описывается уравнением Лапласа: где р - приложенный потенциал, В. Граничные условия на участках границы, расположенных на электродах, учитывают процессы переноса в диффузионном слое и электродные процессы и задавались следующим образом: где U — напряжение, приложенное к электродам, Ер - равновесный потенциал электрода, г = r\e + r\d - перенапряжение электрода, представляющее собой сумму це и r\d электрохимического и диффузионного перенапряжений. Граничные условия на участках границы, расположенных на изоляторе или совпадающих с линиями симметрии задаются в виде Ф = 0, (2.9) что соответствует непротеканию электрического тока через границу.
Решение такой задачи позволяет определить характер распределения плотности тока на обрабатываемой поверхности в соответствии с зависимостью (2.4), а также v, скорость анодного растворения металла в конкретной точке (2.3). Распределение плотности тока на электродной поверхности определяется из решения уравнения [7,11,12]: J = -Xgrad(Py (2.10) где х - удельная электропроводность электролита, См/м.
Для численного решения уравнений был использован метод конечных разностей. На расчетную область накладывалась сетка с шагом h [77]. Для определения напряжения в точке (хі}у)) использовался пятиточечный шаблон типа «крест», состоящий из точек (Xi,yj), (Xi-h,yj), (Xi+h,yj), (Xi,yj+h), (Xi,yrh) .
Для нахождения первой производной оператора Лапласа рассматривали левую, правую и центральную разностные производные функции ut = u\xt ): xjj=ky - ui-u Vh; ux,u = (UMJ - uu )/h
Для нахождения второй производной рассматривался трехточечный шаблон, состоящий из точек Xj-h,yj, Xj+h,yj, хі}у). При этом разностный оператор записывался в форме:
Для моделирования схемы последовательного анодного растворения точечным ЭИ была рассмотрена и смоделирована ЭХЯ, расчетная схема которой приведена на рис. 2.11. Геометрические характеристики формируемых микрообъектов приведены в гл. 1.
Рассматривались два случая подачи в СММЭЗ электролита (см. 2.11.): пленкой, когда заполняется только межэлектродный зазор 3; электролит подается каплями 4. Электрод-инструмент рассматривался с изолированной и неизолированной боковой стенкой.
На основе созданной модели был смоделирован процесс анодного растворения при СММЭЗ - то есть распределение плотности тока на аноде.
Результаты моделирования распределения плотностей тока на аноде при анодном растворении при сверхмалых межэлектродных зазорах, приведены на рис. 2.12, 2.14,2.16.
Для математического анализа были взяты апробированные электролиты (NaCl, NaNCb) из работы [37]. Для полноты исследования концентрация электролитов была различна (0,1%, 1%, 5%).
При удалении от ЭИ на расстояние I,, скорость анодного растворения соответствует Vj, и, следовательно /i+i - Vj+i,... , /„ — V„. Из анализа полученных зависимостей (рис. 2.13, 2.15, 2.17) установлено, что электрохимическое микроформообразование микродеталей типа тел вращения (см. рис. 1.1, 1.2), для достижения заданной точности (±0,01 мм) и наилучшего качества поверхности (Ra 0,1 мкм) необходимо использовать электролиты на основе NaNC 3 с концентрацией солей не выше 1%, при сверхмалом межэлектродном зазоре равном 0,005 мм и пленочном нанесении электролита.
Методика изучения влияния концентрации электролита на точность электрохимического микроформообразования
Одной из сложных задач при реализации процесса электрохимического микроформообразования является создание электрода-инструмента сложной формы, размеры которого на порядок должны быть меньше размеров микро-формообразуемого микроэлемента поверхности. Анализ теоретических исследований показал, что для микроформообразования микрообъектов использование точечных электродов-инструментов позволяет осуществлять локальную обработку в том числе, микроэлементов поверхности.
Для создания точечных электродов-инструментов с заданными геометрическими параметрами была использована технология электрохимического утонения. Электрохимическая установка представляет собой комплекс агрегатов, использующих различные энергоносители и ряд механизмов и приборов, осуществляющих взаимодействие трех основных систем: механической, электрической и электролитной. На рис. 3.3, представлены схемы электрохимических ячеек, используе мых для утонения проволоки.
Перед началом электрохимического утонения производили подготовку заготовок, в следующей последовательности: электронагрев для выпрямления и закалки; обезжиривание; измерение диаметра проволоки.
Для формирования электрода-инструмента была использована проволока диаметром 0,3 мм из легированной стали 12Х18Н9Т и 0,4 мм из нержавеющей стали 40X13. Для обработки этих сталей предпочтительнее применять электролиты 10%NaCl и 10%NaNO3 + 5%Na2S04 соответственно. Установка для утонения проволоки работает следующим образом (см. рис. 3.3). Утоняемую проволоку 1 диаметром 0,3мм закрепляли в цанге 4 и помещали в ванну с электролитом 3. После этого включали двигатель с частотой вращения 300об/мин, который вращает проволоку 1, и подавали рабочее напряжение (10В) в электрохимическую ячейку. Время формообразования составляло 10-15с. В результате электрохимического микроформообразования получали ЭИ со следующими геометрическими характеристиками: диаметр рабочей части менее 0,015 мм, длина /до 0,15 мм.
Для увеличение локализации процесса электрохимического микроформообразования необходимо выявить влияние концентрации электролита на точность микроформообразования при сверхмалых межэлектродных зазорах. Для этого использовали экспериментальную установку, блок-схема которой представлена на рис 3.1.
Локализующие свойства любой технологической схемы размерной ЭХО обычно оцениваются с учетом особенностей применяемых рабочих сред по отношению к обрабатываемому материалу [80]. Речь идет об электролитах двух типов - активирующих и пассивирующих, которые отличаются друг от друга характером зависимостей выхода по току Т от плотности тока При использовании активирующих электролитов Г практически не зависит от j (рис.3.4), а для пассивирующих (рис.3.46) - указанная зависимость имеет, по крайней мере, три характерных участка: АВ - скорость анодного растворения крайне мала; ВС - резкая интенсификация съема в небольшом диапазоне плотностей тока; CD - стабилизация скорости анодного растворения на максимальном уровне.
Задача эксперимента - оценить локализующие свойства электролитов в зависимости от величины сверхмалого межэлектродного зазора и концентрации электролита. Эксперимент проводился в одинаковых для всех электролитов условиях: заготовка - проволока диаметром 0,3мм из стали 12X18Н9Т; скорость вращения заготовки - 300-г600об/мин; время обработки - 1 минута; напряжение постоянное - 2В; межэлектродный зазор - 8j (Ъ\ = 0,005мм; 5г = 0,03мм); электрод-инструмент - медная проволока диаметр 0,08мм. Электролит подавался с помощью тонкой кисточки, смачивая зону обработки, и каплями. Электрохимическое формообразование производили при температуре 20±2С в электролитах NaSC 4, КС1, NaCl, NaN03 с концентрацией 1; 5; 10% и при их различных сочетаниях.
