Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время актуальной становится задача изготовления различных микрообъектов и микродеталей из высокопрочных материалов (вольфрама, молибдена, их сплавов и др.), обработка которых классическими методами (механической обработкой) затруднена. Электрохимическое формообразование (ЭХФ) является эффективным методом получения изделий различной геометрической формы из труднообрабатываемых материалов. Метод нашел широкое применение в различных областях машиностроения и приборостроения. Осесимметричные детали из вольфрама и других труднообрабатываемых металлов и сплавов, имеющие коническую рабочую поверхность (зонды, датчики, инструменты для микрообработки) широко используются в различных отраслях науки и техники в качестве электродов и элементов измерительных приборов в сканирующей зондовой микроскопии и других аналогичных приложениях. К геометрии и качеству поверхности этих деталей предъявляются повышенные требования. Диаметр рабочей поверхности (0,01 10 мкм) обычно много меньше ее длины, а радиус при вершине конуса может быть менее 10 нм. Традиционные методы механической обработки для получения таких деталей оказываются неэффективными из-за малой жесткости заготовки и высокой твердости и вязкости обрабатываемого материала. В литературе описан ряд схем ЭХФ осесимметричных деталей и приведены результаты их экспериментального исследования, однако детальные теоретические модели электрохимического микроформообразования поверхностей осесимметричных деталей в настоящее время отсутствуют. Это существенно снижает эффективность применения электрохимической обработки, так как форма и размеры осесимметричных деталей зависят от условий обработки: состава и концентрации и температуры электролита, геометрии зоны обработки, режимов обработки, которые из-за отсутствия адекватных математических моделей, обычно определяются методом проб и ошибок.
Таким образом, отсутствие комплексных математических моделей и методов анализа физико-химических процессов при ЭХФ не позволяет в полной мере использовать потенциальные возможности метода, приводит к необходимости проведения большого объема экспериментальных исследований для определения рациональных режимов обработки.
Поэтому данная работа, направленная на разработку технологии электрохимического микроформообразования осесимметричных деталей на основе теоретических исследований, включающих разработку математических моделей физико-химических процессов, в совокупности с экспериментальными исследованиями, является актуальной.
Актуальность исследований подтверждается грантами РФФИ (03-01-96372 «Математическое моделирование ионного переноса в многокомпонентных системах в условиях вынужденной и естественной конвекции», 06-01-96311 "Теоретическое исследование конвекции Рэлея-Бенара в многокомпонентных электрохимических системах: влияние миграции и кинетики электродных реакций") и грантом Президента РФ (№ НШ-1523.2003.8 «Разработка и исследование технологий создания объектов и их свойств за счет электрофизикохимических воздействий на материалы»).
Цель работы. Повышение эффективности электрохимического микроформообразования осесимметричных деталей из труднообрабатываемых материалов путем определения схемы и рациональных режимов обработки с использованием детальных математических моделей физико-химических процессов и эволюции обрабатываемой поверхности.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теоретической электрохимии, механики жидкости, математического моделирования. Вычислительные эксперименты проводились с использованием метода конечных разностей и метода граничных элементов. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная регистрирующая аппаратура.
Положения, выносимые на защиту:
математическое описание процесса электрохимического микроформообразования при естественной и вынужденной конвекции электролита;
математическое описание и методы расчета эволюции обрабатываемой поверхности при микроэлектрохимическом формообразовании;
экспериментальные исследования влияния условий осуществления процесса электрохимического микроформообразования на геометрию и качество обработанной поверхности;
рекомендации по выбору схем электрохимического микроформообразования поверхностей осесимметричных деталей;
методика проектирования операций электрохимического микроформообразования осесимметричных деталей;
Научная новизна. Разработаны математические модели электрохимического микроформообразования осесимметричных деталей при вынужденной и естественной конвекции электролита, учитывающие процессы переноса в объеме электролита и в диффузионных слоях, а также влияние поверхностного натяжения на границе раздела анод-электролит-воздух, и предложен метод моделирования эволюции обрабатываемой поверхности, обеспечивающий учет топологических изменений.
Практическая ценность работы.
предложены технологические схемы электрохимического микроформообразования поверхностей осесимметричных деталей;
разработаны рекомендации по выбору схем электрохимического микроформообразования поверхностей осесимметричных деталей;
предложена методика проектирования операций электрохимического микроформообразования осесимметричных деталей;
создано технологическое оснащение для реализации процесса электрохимического микроформообразования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ, 2002-2006 гг.; научно-технических конференциях "Современная электротехнология в машиностроении", Тула, 2002–2006 гг.; Федеральной итоговой научно-технической конференции «Всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам (в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам», Москва, 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Современная электротехнология в промышленности России" Тула, 2005 г.; 8ом Международном Фрумкинском симпозиуме, Москва, 2005 г.; региональных научно-технических конференциях "Современная электротехнология в промышленности центра России " Тула, 2002-2004, 2006 гг.
Результаты исследований отмечены дипломом Министерства образования РФ и используются в ТулГУ при проведении лабораторных работ на кафедре «Физико-химические процессы и технологии» по теме: «Изучение технологии создания микро- и наноизделий электрохимическим методом».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 15-ти печатных работах, в том числе 6 работ опубликовано в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК 2002-2006 гг. Объем публикаций 4.9 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах и состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 142 наименований, содержит 88 рисунков и 5 таблиц.
