Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы по проблеме повышения точности и качества поверхности при импульсной эхо 15
1.1. Технологические требования и способы получения малоразмерных деталей из высокопрочных материалов 15
1.2. Анализ путей повышения точности при ЭХО 17
1.3. Зависимость качества поверхности от параметров импульсной ЭХО 21
1.4. Феноменология и моделирование физико-химических процессов в межэлектродном пространстве при прохождении микросекундных импульсов высокой плотности 25
1.5. Цели и задачи исследования 30
2. Методика исследований, приборы и обору дование 33
2.1. Рабочие жидкости, материалы электродов 33
2.2. Оборудование и методика исследования для осциллографических исследований единичных импульсов тока 35
2.3. Методика и оборудование для исследования выходных технологических показателей обработки 37
2.3.1. Методика исследования качества обработанной поверхности после ЭХО 39
2.3.2. Методика определения выхода по току и производительности при ЭХО микросекундными импульсами тока высокой плотности 40
2.4. Методика сравнительных экспериментов по локализации анодного растворения 41
2.5. Оценка достоверности результатов экспериментов 45
3. Экспериментальное исследование микросе кундных импульсов тока сверхвысокой плотности 47
3.1. Осциллографическое исследование одиночных импульсов тока 47
3.1.1. Зависимости параметров импульсов от давления вМЭП 48
3.1.2. Зависимости параметров импульсов тока от величины МЭЗ 49
3.1.3. Зависимости параметров импульсов от типа и концентрации электролита 51
3.1.4. Зависимость параметров импульса от длительности переднего фронта 52
3.2. Исследования формирования импульсов напряжения при использовании источника питания с крутопадающей ВАХ 53
3.3. Осциллографическое исследование групп импульсов 56
4. Математическое моделирование и оптимизация импульсов тока 61
4.1. Феноменология явлений 61
4.2. Постановка задачи, обоснование начальных и краевых условий 64
4.3. Разработка математической модели 66
4.4. Верификация результатов моделирования 69
4.5. Результаты моделирования 70
4.6. Изменение электрического сопротивления МЭП при использовании групп импульсов тока 72
4.7. Оптимизация длительности импульсов по критерию локализации анодного растворения 74
4.7.1. Постановка задачи оптимизации 74
4.7.2. Разработка и верлфикация оптимизационной модели 76
4.8. Выявление и обоснование информативного сигнала о величине МЭЗ 77
4.9. Выводы по главе 4 78
5. Исследование выходных технологических показателей эхо импульсами тока сверхвысокой плотности 80
5.1. Исследование производительности при ЭХО импульсами сверхвысокой плотности 80
5.1.1. Определение зависимости производительности обработки от параметров единичного импульса 81
5.1.2. Производительность ЭХО при обработке пачками из нескольких импульсов 82
5.2. Исследование качества поверхности 84
5.2.1. Зависимость качества обработанной поверхности от параметров импульса тока 84
5.2.2. Зависимость качества поверхности от площади обработки и входного давления МЭП 92
5.2.3. Исследование качества обработанной поверхности для различных материалов 95
5.2.4. Исследования шероховатости обработанной поверхности для материалов с различной структурой , 98
5.2.5. Исследования микротвердости, химического состава и усталостной прочности образцов после ЭХО импульсами тока сверхвысокой плотности 99
5.3. Исследования точности копирования 103
5.4. Выводы к главе 5 106
6. Практическое использование результатов исследований 108
6.1. Технические требования к источнику питания 108
6.2. Алгоритм работы системы управления подачей и длительностью импульса 110
6.3. Технологические рекомендации по выбору режима обработки
для получения литьевой пресс-формы 112
6.4. Технологические рекомендации по выбору режима обработки
для получения чеканочной формы ювелирного изделия... 113
6.5. Выводы к главе 6 , 116
Основные выводы и результаты работы 117
Список литературы
- Зависимость качества поверхности от параметров импульсной ЭХО
- Методика и оборудование для исследования выходных технологических показателей обработки
- Зависимости параметров импульсов тока от величины МЭЗ
- Постановка задачи, обоснование начальных и краевых условий
Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс в медицинской, электронной, приборостроительной и др. отраслях промышленности неразрывно связан с использованием прецизионных малоразмерных деталей, выполненных из высокопрочных сталей и сплавов. Однако их изготовление методами, основанными на использовании механической и тепловой энергии, не всегда удовлетворяет заданным техническим требованиям по качеству поверхности и связано с интенсивным износом инструмента. Электрохимическая обработка (ЭХО) лишена указанных недостатков, однако традиционные схемы ее реализации на постоянном и импульсном токе с плотностью j< 200 А/см2 не позволяют достигнуть существенного технологического прорыва в снижении шероховатости поверхности {Ra< 0,05 мкм) и погрешности обработки (Л < ±5мкм). Решение этих задач возможно за счет увеличения анодной плотности тока (/ — 1 000 А/см2) и снижения-длительности импульса (т < 100 мкс).
Исследованиями в области ЭХО с использованием импульсов микросекундной длительности занимались такие ученые как. Любимов В.В., Дмитриев Л. Б., Капустин А.И., Саушкин Б.А., Рыбалко А.В., Галанин СИ., Дикусар А.В. и др. В лабораторных условиях была показана принципиальная возможность осуществления ЭХО при сверхвысоких (до/ = 2 200 А/см2) плотностях тока, установлены некоторые закономерности энергетических показателей процесса.
Однако в настоящее время для ЭХО на сверхвысоких плотностях тока не существует серийно выпускаемого оборудования (станков, источников питания, систем автоматического управления) и технологических рекомендаций, обеспечивающих высокопроизводительную финишную обработку поверхности с шероховатостью Ra 0,01..0,05 мкм и погрешностью обработки А < ±5мкм. Существуют также проблемы теоретического, методического и экспериментального плана, в частности, в понимании физико-химических закономерностей и предельных характеристик процесса, подходов к его оптимизации по основным выходным показателям; имеются разногласия в интерпретации ряда экспериментальных данных; отсутствуют исследования важнейших показателей качества поверхности (химического состава, микротвердости, шероховатости, усталостной прочности и др.), не рассмотрена технологическая перспектива использования более высоких (например, до 10 000 А/см2 и более) плотностей тока. В совокупности это тормозит развитие метода и снижает достоверность экспертных оценок его технологической применимости в отношении новых материалов, различных размеров и форм обрабатываемых поверхностей.
Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим развитием и оптимизацией процесса финишной электрохимической обработки импульсами тока сверхвысокой плотности, является актуальным.
Работа выполнялась в рамках государственной научно-технической программы Академии наук Республики Башкортостан '.'Проблсшг машшіДОіЯгния конструкционных материалов и технологии ; по задаюпа Министерства ( бра-зования РФ по направлению "Производственное технологи»»' (Щ -577
от 30.03.03), а также в соответствии с планами работ по контрактам и хозяйственным договорам Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и ООО «Компания Новотэч» (г. Уфа).
Цель работы:
Повышение точности и качества поверхности при электрохимической обработке малоразмерных деталей из высокопрочных сталей и сплавов за счет использования импульсов тока сверхвысокой (~1 000 А/см2 и более) плотности.
Основные решаемые задачи:
Изучить закономерности формирования микросекундных импульсов тока высокой плотности и энергетические характеристики межэлектродного пространства (МЭП) для различных скоростей ввода энергии и удельных мощностей, достижимых за время импульса, включая возможность перегрева электролита и превалирующего воздействия температуры на проводимость.
Разработать феноменологическую и математическую модели физико-химических процессов в МЭП при сверхвысоких плотностях тока, обеспечивающих существенное повышение проводимости электролита в течение действия импульса за счет перегрева электролита.
3. Исследовать зависимости выходных технологических показателей (каче
ства поверхности, производительности и точности копирования) от параметров
режима и условий обработки для различных материалов и электролитов.
Определить область оптимальных параметров процесса по критерию достижения заданной локализации и шероховатости обработанной поверхности с наибольшей производительностью.
Выявить информативные сигналы для контроля величины МЭЗ и управления процессом
Сформулировать технические требования к станку и источнику питания. Апробировать полученные технические решения и результаты исследований в производственной практике.
Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:
Результаты осциллографических исследований и энергетические характеристики МЭП для различных условий реализации ЭХО микросекундными импульсами тока сверхвысокой плотности.
Феноменологическая и математическая модели физико- химических процессов, происходящих в МЭП при протекании импульсов тока сверхвысокой плотности, учитывающие эффекты перегрева электролита и импульсного повышения давления в начальной фазе газовыделения на катоде.
Экспериментальные исследования выходных технологических показателей процесса (качества поверхности, точности копирования и производительности) для различных условий обработки, электролитов материалов широко используемых для изготовления прецизионных малоразмерных деталей.
4. Постановка и алгоритм решения задач оптимизации параметров импульса по критериям локализации и шероховатости поверхности.
Информативный сигнал о величине МЭЗ и алгоритм оптимального управления процессом.
Технические требования к источникам питания и технологические рекомендации по выбору параметров режима и условий обработки, а также результаты их промышленного использования.
Научная новизна
Установлено, что при длительности переднего фронта импульса тока 1/=200.. 1000 не для определенных сочетаний длительности и амплитуды импульса тока на межэлектродных зазорах 10..30 мкм без электрических пробоев достигаются сверхвысокие (до 22 000 А/см2) плотности тока при относительно малых (1..10 атм) давлениях электролита на входе в МЭП. Выявлено, что зависимость электрического сопротивления МЭП в импульсе от времени для этих условий имеет три минимума; положение глобального минимума при заданных параметрах импульса определяется величиной межэлектродного зазора.
На основе экспериментально полученной зависимости положения минимума электрического сопротивления МЭП от величины МЭЗ определен косвенный параметр для контроля величины МЭЗ и предложен алгоритм автоматического управления процессом.
Разработана математическая модель физико-химических процессов, происходящих в МЭП при протекании импульсных токов сверхвысокой плотности, учитывающая возможности существенного перегрева электролита (выше температуры кипения) и импульсного повышения давления электролита в начальной фазе газовыделения на катоде.
Выявлены зависимости локализации растворения, шероховатости обработанной поверхности и производительности процесса от параметров импульсов тока. Показано, что увеличение амплитуды тока позволяет увеличить локализацию анодного растворения (в 1,5...2 раза) за счет более быстрого роста проводимости электролита в областях с меньшими МЭЗ. Установлено, что в исследуемом диапазоне плотностей тока (400...2 000 А/см2) шероховатость поверхности монотонно уменьшается с увеличением амплитуды и длительности импульсов тока и при обработке хромистых и хромоникелевых сталей достигает Ra 0.02..0,03 мкм, при обработке титановых сплавов - Ra 0,04...0,06 мкм. Показано, что максимально достижимая производительность обработки снижается с увеличением плотности тока вследствие уменьшения количества электричества, прошедшего через МЭП до фазового запирания.
Методом вторичной ионной масс-спектроскопии установлено, что при обработке поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 импульсами тока сверхвысокой плотности в ней не происходит увеличения концентрация гидрида титана по сравнению с исходным состоянием.
На основе экспериментальных зависимостей Ra=Jlj, т, А) поставлена задача и разработан алгоритм определения оптимального соотношения амплитуды и длительности импульса тока, обеспечивающих достижение заданной ше-
роховатости поверхности с наибольшей производительностью обработки. Установлено, что для заданных условий обработки (геометрия МЭП, схема прокачки, состав и проводимость электролита и т.д.) существует оптимальная комбинация амплитуды и длительности импульса тока, при которых шероховатость поверхности минимальна.
7. Сформулирована и решена задача оптимизации параметров импульса тока (напряжения) по критерию локализации. Показано, что для каждого сочетания «напряжение - величина МЭЗ» существует оптимальная длительность импульса, при которой локализация анодного растворения будет максимальной.
Практическая значимость работы
Полученные экспериментальные и расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании (в том числе в САПР) технологических операций финишной обработки деталей методом ЭХО.
Технические требования к источнику питания и системе управления использованы при создании современного промышленного электрохимического оборудования на Стерлитамакском станкостроительном заводе имени Ленина (станок модели ЕСМ-1500А).
Технологические рекомендации по выбору параметров импульса тока использованы при выполнении договоров и при техническом сотрудничестве Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) с фирмой РЕМТес (Франция), ОАО «Уфимский ювелирный завод», фирмой «Новотэч» и НКТБ «Искра» (г. Уфа)
Материалы диссертации использованы в учебном процессе УГАТУ в виде методических указаний к лабораторным работам, при подговке курса лекций и при дипломном проектировании по специальности «Высокие технологии».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международном симпозиуме по электрическим методам обработки (Бильбао, 2001г.), на международной конференции «Теоретическая информатика-2000. от теории к практике» Уфа, 2000 и на ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 1 патент на изобретение и 2 международные заявки по системе РСТ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 127 страницах и состоит из введения, шести глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 78 названий; содержит 10 таблиц и 98 рисунков.
Зависимость качества поверхности от параметров импульсной ЭХО
Преимуществом электрохимического растворения металла можно считать полное отсутствие термически и механически измененного поверхностного слоя (зоны термического влияния), который является нежелательным фактором для ряда высоконагруженных деталей. Поверхность после ЭХО обладает более плавным профилем по сравнению с шлифованием и фрезерованием, что является благоприятным фактором в условиях циклического нагружения /68/.
С другой стороны, прогнозирование параметров качества поверхности при ЭХО является значительно более сложной задачей, чем в случаях с механической или электроэрозионной обработки. Специфический механизм удаления материала при ЭХО приводит к появлению сложных зависимостей показателей качества поверхности как от состава и строения материала анода» так и от параметров режимов обработки.
В зависимости от того, происходит растворение в активной или транспассивной области» поверхность будет характеризоваться различным микрорельефом.
Активное растворение может происходить, когда анодная поверхность свободна от ранее образовавшихся окисных или других пленок. Съем металла при этом происходит одновременно по всей поверхности и характеризуется сильной зависимостью локальной скорости растворения от электрохимических свойств поверхности в данной точке. Соответственно, величина и расположение микронеровностей будет в основном определяться параметрами структуры и фазовым составом поверхностного слоя ЛЗ,12/.
В нейтральных растворах солей большинство металлов растворяются в транспассивной области по механизму анодно-анионной активации/11/. В этом случае при достижении определенного потенциала окисная пленка разрушается при участии анионов электролита с образованием локальных язв (питтингов). В этих участках происходит быстрое растворение. Увеличение плотности тока приводит к тому, что эти питтинги разрастаются, пока не займут всю поверхность. Шероховатость поверхности в таких условиях получается значительно меньшей, чем в области активного растворения. При использовании кислородо-сод ержащих (пассивирующих) электролитов образуются более устойчивые защитные пленки, а транспассивное растворение начинается при меньших плотностях тока по сравнению с растворами, содержащими активирующие ионы. Поэтому шероховатость поверхности, достигаемая в пассивирующих растворах, меньше.
При использовании импульсных токов удается получить лучшее качество поверхности. Авторы /И/полагают, что пассивация поверхности после прерывания тока приводит к тому, что при повторном импульсе только часть питтингов продолжает разрастаться. Ток следующего импульса затрачивается на образование новых очагов растворения, что приводит к более равномерному их распределению по поверхности, и, как следствие, уменьшению высоты микронеровностей в целом.
Улучшение показателей качества поверхности при переходе к импульсным токам отмечается в работе /16/. При обработке постоянным током изменение толщины диффузного слоя вдоль потока электролита приводит, по мнению авторов, к появлению различных условий формирования микрогеометрии. На входе в МЭП растворение может происходить в активной области, а с ростом толщины диффузного слоя возможен переход к транспассивному растворению. Показано, что при одинаковой плотности тока (в диапазоне 10-50 А/см ) шероховатость поверхности, обработанной в импульсном режиме, намного меньше, чем при обработке постоянным током. Кроме того, обновление межэлектродной среды в паузе между импульсами позволяет выровнять качество поверхности вдоль течения электролита. Увеличение плотности тока как в импульсном, так и в постоянном режиме приводит к уменьшению шероховатости.
В работе /28/ значительное повышение качества поверхности в импульсном режиме достигается при амплитудных плотностях тока до 330 А/см2 при низкой скорости прокачки электролита.
Растворение в транспассивной области зачастую приводит к появлению струйности. Данное явление связано с гидродинамической неоднородностью диффузионного слоя в различных участках поверхности. В работе /15/ данный эффект подробно исследовался при анодном растворении меди.
С увеличением плотности тока при обработке большинства металлов наблюдается уменьшение шероховатости /11,13/. Однако при обработке ряда «сырых» и закаленных сталей в растворах NaCl может наблюдаться неизменная шероховатость в диапазоне плотностей тока 10-114 А/см2 или даже ее увеличение. Такое поведение углеродистых сталей может быть объяснено тем, что разрастанию питтингов мешает наличие цементитной фазы, микронеровности при этом имеют большую глубину.
В качестве основной причины выравнивания микронеровностей при ЭХО указывается достижение предельного анодного тока, имеющего диффузионную природу, и переход к транспассивному растворению. При этом скорость растворения микровыступов выше, чем микровпадин.
Методика и оборудование для исследования выходных технологических показателей обработки
Технологические исследования производилась на модернизированном станке СЭП-902А, оснащенном импульсным источником тока с диапазоном амплитуды 50...2050 А и длительностью 5...250 мкс при длительности переднего фронта импульса 500... 1 000 не.
Состояние обработанной поверхности определялось при помощи оптического микроскопа с увеличением в 50 и 500 раз. Значения шероховатости были измерены профилометром модели Т500 фирмы Hommel Werke. Параметром, определяющим шероховатость обработанной был поверхности выбран Яа, который измерялся на базовой длине 1,5 мм. Параметр Ra дает наибольшую информацию о состоянии поверхности и предпочтителен в тех случаях, когда распределение неровностей носит случайный характер, т.е. для поверхностей высокоточных деталей /75/.
Химический состав поверхности образцов определялся с использованием метода вторичной ионной масс-спектроскопии на установке ВИМС «Полюс 4» (МС7201М).
Микротвердость поверхности измерялась на установке Neophot 21 с приставкой для измерения микротвердости. Замер микротвердости проводился с помощью стандартной алмазной пирамидки с углом 136 при усилии Р = 20, 50 и 100 г.
Усталостная прочность титановых образцов была исследована на гидропульсаторе Instron Labtronic 8800, оснащенным цифровой камерой Olympus C2500-L.
Целью экспериментов является определение производительности и выхода по току для различных параметров импульсов. Технологическая схема приведена на рис. 2.3. Эксперименты проводились по следующей программе: 1. Предварительная обработка с целью выравнивания межэлектродного зазора по всей обрабатываемой площади. 2. Установка заданных параметров импульса и пачки импульсов. 3. Установка скорость подачи ЭИ. Скорость подачи подбиралась опытным путем приблизительно равной скорости анодного растворения в данных условиях. 4. Установка начального межэлектродного зазора 20 мкм. 5. Обработка 80... 100 мкм (в зависимости от скорости растворения) 6. Измерение величины МЭЗ. 7. Определение фактического линейного съема и скорости анодного растворения.
Для каждого режима обработки проводилось 3-5 опыт. [Проченные значения усреднялись, разброс при этом не превышал 5%. Целью методики являлось корректное сравнение локализации анодного растворения при торцевом копировании в условиях обычной импульсной ЭХО и ЭХО импульсами высокой плотности. Для проведения экспериментов использовалась специальная оснастка (рис. 2.4-2.6).
Разъемный образец 2 закрепляется на основании 1 при помощи зажима. Сверху прикладывается камера 6 и фиксируется при помощи 4-х шпилек и гаек (поз. 7 и 8). При этом окно в изолирующей части камеры (5) совмещается с разъемом образца. Электрод состоит из рабочей части (4) и держателя (3). Последний закрепляется в цанге станка. Камера имеет 2 резьбовых отверстия (9), предназначенных для входного и выходного штуцеров.
Электролит через входной штуцер попадает в камеру, а затем в канал, образованный, с одной стороны, плоской поверхностью заготовки, а с другой -специальной проточкой в камере. Электрод-инструмент подводится через окно в изолирующей части камеры и имеет возможность перемещаться вверх-вниз для вибрации и подачи. Зазор между изолятором и электродом - инструментом выбран минимальным, что уменьшает утечку электролита вверх через окно, а так же вокруг электрода (рис. 2.5). После прохождения через межэлектродный зазор электролит собирается в выходной штуцер и выводится из камеры.
Проводилось две серии экспериментов. В каждой серии одним и тем же электродом были получены 2 отпечатка: для обычной униполярной ЭХО и для ЭХО микросекундными импульсами тока. В первой серии ЭИ имел плоский гладкий торец, а во второй на торце ЭЙ была нанесена микрориска для контроля точности торцевого копирования (см. рис.2.6).
После обработки на глубину /г=400 мкм (по индикатору станка) производилось измерение продольного профиля полученных отпечатков. Для этого использовался разъемный образец, который позволяет получить сечение отпечатка (вдоль потока электролита). Координаты продольного профиля были получены при помощи измерительного окуляра микроскопа с точностью 0,005 мм. Горизонтальное положение точки профиля измерялось при помощи часового микрометра с точностью 0,01 мм. В каждом случае кроме отпечатков измерялся профиль электрода-инструмента.
В задачу каждого измерения входит оценка допущений погрешности, которая складывается из систематических и случайных ошибок измерений. Для уменьшения систематических погрешностей измерений использовались приборы, которые проходили регулярную метрологическую аттестацию.
Случайные погрешности вызываются большим числом причин, действие которых не может быть предсказано заранее, и могут быть оценены методами математической статистики. Для применяемых экспериментальных установок численные значения случайных погрешностей измерений параметров процесса, а также перечень регистрирующих приборов приведены в табл. 2.5.
Зависимости параметров импульсов тока от величины МЭЗ
Источник питания для ЭХО микросекундными импульсами тока высокой плотности деталей площадью до 2 см целесообразно строить путём параллельного включения большого числа транзисторов. В этом случае наращивание мощности источника осуществляется путем параллельного включения «источников тока». Вольтамперная характеристика (ВАХ) такого источника питания будет круто падающей.
Это дает следующие преимущества. 1. Обеспечивается необходимый( 2мкс) передний фронт импульса при максимальных плотностях тока. 2. При электрических пробоях и коротких замыканиях мощность, вводимая в МЭП, ограничивается и, как правило, уменьшается. 3. При использовании биполярного тока источник обратной полярности можно включать без задержки после основного источника питания, не опасаясь явления сквозного тока через силовые транзисторы.
В связи с вышеизложенным целью экспериментов данного раздела явилось установление принципиальной возможности получения при использовании источников питания с крутопадающей ВАХ таких же эффектов по повышению проводимости межэлектродной среды, как при использовании источников питания с «жесткой» ВАХ.
Осциллограмма напряжения при подаче прямоугольного импульса тока сверхвысокой плотности (рис. 3.12) имеет следующие характерные точки: 1. Uо - напряжение начала импульса. Зависит от начальной электропроводности среды. Участок /0 - Um-m соответствует нагреву(перегреву выше точки кипения) электролита и повышению его электропроводности. 2- Um-m минимальная величина напряжения в течении импульса. Соответствует максимальной электропроводности среды. 3. На участке Umin - UmaK происходит фазовое запирание МЭП. 4. (Лпах - максимальное напряжение, которое устанавливается источником. Источник питания ограничивает выброс напряжения, возникающий при быстром повышении электрического сопротивления межэлектродной среды (например, в момент запирания газом), и не допускает пробоя МЭП.
Параметры импульса для источников тока и напряжения сравнивались в точках с одинаковой средней плотностью тока (рис. 3.13), которая определяется как где Q- заряд за импульс, t- длительность импульса до фазового запирания.
Таким образом, источник с крутопадающей вольтамперной характеристикой позволяет достичь таких же амплитудных плотностей тока, как и источник с жесткой характеристикой. Параметры импульса (заряд за импульс энергия, за импульс, время до фазового запирания и т.д.) также являются одинаковыми для двух типов источников питания. 140
Как правило, частоту следования импульсов назначают таким образом, чтобы за время паузы происходила как минимум однократная промывка МЭП, т.е. было обеспечено восстановление свойств среды во всем объёме МЭП.
Восстановление резистивных свойств среды в МЭП было изучено на примере пары импульсов (рис.3.14). A : 1 / \ Jj h Ш \ , tl t2 ч T Рис. 3.14. Схема пары импульсов тока На рис. 3.15 приведены осциллограммы первого и последующих импульсов тока при различной продолжительности паузы. О 100 200 300 4СС 500 Є0О 700 ВСЮ Г, МКС Рис. 3.15 Осциллограмма первого и последующего импульсов тока с различными периодами следования. Электролит 5.5% NaCl, величина МЭЗ =30 мкм, напряжение /=50 В, давление на входе в МЭП / =300 кПа
В исследуемых условиях и при данной длине МЭП амплитуда импульса тока восстанавливается за 300 мкс, в то время как полное восстановление формы импульса происходит более чем за 600 мкс. (рис.3.16).
Проведённый расчёт скорости течения электролита показал, что полная замена межэлектродной среды происходит за 600 мкс (около 3 м/с). Таким образом, амплитудное значение тока не является параметром, по которому можно судить о восстановлении свойств среды, т.е. более эффективно использовать комплексный показатель, включающий не только амплитуду тока, но и время ее достижения, отсчитываемое от начала импульса. т-14 12 10
Увеличение частоты следования импульсов напряжения приводит сначала к неодинаковости скоростей растворения по направлению потока электролита, а затем, к образованию двух отчётливо различимых зон, в одной из которых каждый новый импульс подаётся в свежий электролит, а в другой - в нагретую двухфазную среду электролит-газ (рис.3.17 - 3.20). На поверхность образца в этой зоне наблюдается межзёренное растравливание. -200G 2
Постановка задачи, обоснование начальных и краевых условий
При обычной ЭХО вибрирующим электродом-инструментом импульсы тока имеют длительность 1..5 мс и амплитудную плотность тока 40..200 А/см2. В таких условиях в течение действия импульса электролит в межэлектродном зазоре нельзя считать неподвижным, что приводит к распределению свойств межэлектродной среды вдоль потока. Неоднородность свойств, в свою очередь, определяет неоднородное распределение установившейся величины МЭЗ. Как показано ранее (см. раздел 3), длительность импульсов при ЭХО с высокой плотностью тока составляет 10.. 100 мкс, что теоретически должно устранять неоднородность среды вдоль потока.
С другой стороны, вновь разрабатываемый процесс оперирует значительно большими напряжениями, что может привести к растраву необрабатываемых поверхностей и увеличению бокового зазора по сравнению с обычной ЭХО.
Для того чтобы сравнить локализацию анодного растворения при обычной ЭХО и в условиях вновь разрабатываемого процесса, был проведен специальный эксперимент по методике, изложенной в разделе 2.5. На рис. 5.42 приведены профили электрода-инструмента и отпечатков, полученных при его копировании на глубину 400 мкм.
Стрелкой указано направление потока электролита. Сравнение отпечатков, полученных, при помощи обычной ЭХО и микроЭХО показывает, что во втором случае величина МЭЗ распределена более равномерно.
В условиях обычной ЭХО отклонение профиля достигает 19 мкм в начале межэлектродного промежутка. В этой области электролит имел большую проводимость, Далее по потоку уровень газонаполнения увеличивался, соответственно проводимость снижалась. Так как системой управления поддерживался постоянным минимальный зазор, то отклонение профиля равно нулю в области выхода электролита из МЭЗ. В то же время в условиях микроЭХО отклонение профиля при той же заданной величине минимального МЭЗ не превышает 1 мкм.
На следующем этапе для оценки локализации анодного растворения было выполнено копирование риски, расположенной перпендикулярно потоку (см. рис. 2.7).
Возмущение потока электролита при обычной ЭХО вызвало дополнительное отклонение от эквидистантного профиля, при этом в условиях микроЭХО этого не наблюдается (рис. 5.44). Профили выступа на обработанной поверхности, соответствующие риске на ЭИ, приведены на рис.5.45. Высота выступа была выбрана в качестве параметра, характеризующего локализацию. При глубине риски 32 мкм высота полученных выступов составила 12 мкм для обычной ЭХО и 20 мкм для микро-ЭХО. Таким образом, 106 разрабатываемый процесс позволяет точнее копировать торцевые элементы микропрофиля ЭИ. К недостаткам нового метода ЭХО следует отнести большую величину установившегося бокового межэлектродного зазора по сравнению с традиционной ЭХО (см. рис. 5.42, 5.44). .370 1QS0 ПОР U50 Ц00 - /=1400 А/см3 /=80 А/см2 X, мкм
1 Качество обработанной поверхности улучшается с увеличением амплитуды и длительности импульса.
2. Для каждого набора условий обработки (геометрия МЭП, давление, проводимость электролита и т.д.) в области допустимых значений существует оптимальная комбинация амплитуды и длительности импульса тока, при кото рых шероховатость поверхности минимальна. Если заданная шероховатость выше минимальной, то существует точка, при которой эта заданная шерохова тость достигается с наибольшей производительностью.
3 При обработке образцов из титановых сплавов импульсами тока сверхвысокой плотности не наблюдается увеличения концентрации гидрида титана в поверхностном слое обработанной поверхности по сравнению с исходной и, как следствие, не происходит снижения усталостной прочности по сравнению с деталями, полученными финишными методами механообра ботки. По сравнению с обычной импульсной ЭХО (/ 200 А/см2) содержание гидрида титана снижается в 1,5..2 раза. При обработке хромистых сталей обнаружено обеднение поверхностного слоя хромом.
4. Уменьшение скорости прокачки электролита за счет уменьшения входного давления или увеличения гидравлического сопротивления в МЭГТ усиливает диффузионные ограничения во впадинах микрорельефа и таким образом создает условия для уменьшения шероховатости.
5. Импульсная электрохимическая обработка импульсами тока высокой плотности позволяет более точно копировать торцевой профиль электрода-инструмента по сравнению с обычной импульсной ЭХО. При отсутствии взаимовлияния импульсов погрешность копирования может быть меньше 2 мкм.
