Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из наиболее перспективных методов формообразования поверхностей деталей, завоевывающих все большее признание в промышленности, является размерная электрохимическая обработка (ЭХО). Технологические возможности ЭХО, - большая производительность, отсутствие износа электрода-инструмента, высокое качество поверхности и другие, - обеспечили широкое внедрение способа в производстве деталей двигателей, сложных штампов,пресс-форм и других специальных деталей. Однако достигаемая точность формообразования при этом не всегда отвечает требованиям производства, что во многих случаях не позволяет использовать ЭХО для финишных операций. Причини неудовлетворительной точности обработки определяются специфическими особенностями способа бесконтактного формообразования, протекающего в условиях узкого межэлектродного зазора. К ним в первую очередь можно отнести: изменение эффективной электропроводности межэлектродной среды, проявление диффузионных ограничений скорости растворения, пассивацию анодной поверхности, рост анодных окиеннх пленок и т.д.
Анализ существующих способов повышения точностных показателей ЭХО выявил перспективность использования дискретизации процесса растворения. Существуют различные схемы обработки: в пульсирующем электролите; импульсно - циклические с вибрацией электродов и синхронизированной подачей импульсов тока; сочетание элементов импульсно - циклической обработки со сложной кинематикой движения электрода - инструмента (ЭИ); импульсной обработки с Еибрацией ЭИ и др. В настоящее время ряд научно-исследовательских и производственных коллективов" различных стран проводят исследования по изучению закономерностей импульсной ЭХО с целью повышения точностных показателей процесса обработки. Среда них следует отметить: Тульский политехнический институт, Московский энергетический институт, Ивановскую химике - технологическую академию, Институт электрохимии Российской АН, Липецкий; государственный технический университет, Уфимский авиационный институт, Национальный научно-исследовательский институт авиационной технологии. г.Москва, научно-исследовательский институт двигателей, г Москва, а также ряд авиационных заводов (Россия); Университет штата Небраска и различные фирмы Соединенных штатов Америки; ряд научных организаций и Университетов Великобритании,
Японии, КНР, Институт прикладной физики АН Республики Молдова и др. Промышленное внедрение этой технологии ведется недостаточно интенсивно. Анализ состояния вопроса в области импульсной ЭХО показал, что сдерживающим фактором широкого развития данного способа являет-. ся недостаточность знаний о развитии физико-химических процессов в межэлектродном зазоре, протекание которых накладывает ряд ограничений как на выбор параметров обработки, так и на достигаемые технологические показатели обработанных деталей. Поэтому настоящая работа направлена на решение научно - технической проблемы, связанной с выявлением природы и механизма тешюфизических и энергетических ограничений процесса импульсной ЭХО, знание которых позволит обоснованно выбрать параметры импульсного тока, обеспечивающие повышение, производительности обработки и точности формообразования при улучшении других технологических показателей способа, а также сформулировать требования на разработку соответствующих источников импульсного тока.
Работа выполнялась в лабораториях электрохимической размерной обработки и электроискровой обработки материалов Института прикладной физики Академии наук Республики Молдова в соответствии с рядом научно-исследовательских, тем и комплексных Программ.
Цель работы.
Повышение эффективности технологий импульсной размерной ЭХО на основе изучения закономерностей высокоскоростного анодного растворения сплавов при использовании импульсов тока микросекукдаого диапазона длительностей, разработка метода управления процессом и специального технологического оборудования.
Основные решаемые задачи.
-
Установить основные закономерности, определяющие энергетические возможности импульсной ЭХО, разработать методику выбора параметров импульсов в. зависимости от технологических требований;
-
Исследовать закономерности развития во времени анодной поляризации хромоникелевых сплавов в концентрированных растворах хлоридов и нитратов натрия при использовании как одиночных, так и совокупности импульсов тока различных параметров, разработать методику расчета переходных процессов поляризации за время импульса и паузы между ними.
-
Изучить технологические показатели процесса импульсной 3X0 токами микросекундного диапазона длительностей в зависимости ^от
уровня вводимой мощности, разработать технологические рекомендации и конкретные технологии импульсной 3X0 ка лх основа.
4. Разработать принципи формирования сильноточных импульсов и на их основе широкодиапазонные но параметрам управления импульсные источники питания.
Автор защищает:
-
Установленную закономерность импульсной ЭХО, заключающуюся в том, что максимально допустимая удельная электрическая энергия, вводимая в межэлектродный промежуток конкретной электрохимической ячейки за период импульса, является величиной постоянной, зависящей, главным образом, от величины минимального иежэлоктродного зазора и температуры электролита.
-
Физическую модель ограничения по величине вводимой электрической энергии при импульсной ЭХО.
-
Методику расчета параметров импульса.
-
Обоснование и экспериментальное подтверждение возможности реализации импульсной ЭХО с высокими значениями величин тока и напряжения в импульсе.
-
Установленные закономерности анодной поляризации при высокоскоростном анодном растворении импульсами тока микросекундного диапазона.
-
Возможность повышения локализации процесса импульсной размерной ЭХО путем ограничения во времени переходных процессов поляризации разноотсгоящих от катода частей поверхности анода задаваемой длительность» импульса тока.
-
СпосоЗ повышения производительности импульсной ЭХО при сохранении повышенной локализации анодного растворения, в основе которого обеспечение ускоренной релаксации поляризации за счет подачи в паузе импульса тока противоположной полярности.
-
Методику определения электрических параметров процесса импульсной ЭХО с повышенной локализацией.
-
Разработанные программируемые источники питания для реализации предложенных способов импульсной ЭХО в униполярном и биполярном режимах подачи импульсов тока.
.Научная новизна.
I. Развиты теоретические представления о процессах, протекающих при электрохимической обработке с применением импульсов тока микросекундного диапазона длительностей, учитывающие фазовый пере-
4 ход в межэлектродной среде в результате развития теплофизических * явлений и закономерности переходных процессов поляризации. Это позволило осуществлять импульсную ЭХО с использованием плотности тока
в импульсах до 2000 А/см и более, управлять величиной фарадеевской составляющей в общем количестве электричества импульса при неизменной плотности тока в нем, существенно расширить технологические возможности способа формообразования.
-
Показано, что электрохимическая система способна воспринимать электрические мощности весьма высоких уровней, которые на порядок и более выше, чем используемые при электрохимической обработке на постоянном токе, но ограниченно во времени.
-
Установлена закономерность импульсной: ЭХО, заключающаяся в том, что максимально допустимая удельная электрическая энергия, вводимая в мекэлэктродный промежуток конкретной электрохимической ячейки за период импульса, является величиной постоянной, зависящей, главным образом, от величины минимального межэлектродного зазора и температуры электролита. Физическая модель ограничения при импульсной ЭХО в таких, условиях описывается закономерностями тепловыделения за период импульса и не связана с процессами газовыделения на электродах.
4. Получены новые данные о развитии переходных процессов нара
стания и спада поляризации ряда хромоникелевых сплавов при их вы
сокоскоростном растворении в водных растворах хлорида и нитрата на
трия с использованием импульсов тока микросекундного диапазона.
Предложена и реализована на практике возможность повышения степени
локализации процесса растворения за счет формирования неэквипотен-
циальности на разноудаленных от катода-инструмента участках поверх
ности детали-анода, создаваемой путем ограничения во времени соот
ветствующих переходных процессов нарастания поляризации, задаваемых
длительностью импульса.
Практическая значимость.
-
Обоснована и экспериментально подтверждена возможность осуществления процесса импульсной ЭХО с высотами значениями величины тока и напряжения е импульсе. Доказано, что использование при ЭХО импульсов с энергией меньшей или равной энергии, обеспечивающей фазовый переход, электрический пробой" межэлектродной среда не будет достигнут.
-
Предложены пути повышения производительности, точности и
5 снижения шероховатости поверхности обработанных деталей на основе разработанного метода определения параметров импульсов в зависимости от интенсивности тепловыделения в межэлектродном промежутке за период импульса, а также управления величиной фарадеевской составляющей в общем количестве электричества импульса при неизменной плотности тока в нем.
-
Показана возможность повышения производительности импульсной ЭХО с сохранением высокой локализации растворения путем уменьшения длительности паузы между импульсами за счет ускорения спада анодной поляризации до нулевого значения противоимпульсом тока.
-
Разработана методика расчета параметров импульсов для обработки униполярным и биполярный токами, обеслечиванщих повышенную локализацию процесса импульсной ЭХО. Разработана инженерная методика и соответствующая программа расчета электрических параметров формирующего контура генератора импульсного тока, обеспечивающих необходимый характер выделения анергии в импульсе.
-
Разработан ряд униполярных и биполярных источников питания и преобразователей постоянного тока в импульсный с регулируемыми в широком диапазоне параметрами импульсов и паузы между ними, а также конкретных технологических процессов импульсной ЭХО, которые прошли промышленные испытания и внедрены.
Реализация результатов исследований.
Разработанные униполярные и биполярные источники питания и преобразователи постоянного тока в импульсный с регулируемыми в широком диапазоне параметрами импульсов и паузы между ними, а также конкретные технологические процессы импульсной ЭХО, прошли еледувшие промышленные опробования:
на PIIG "ЮТ0РОСТРОЫ1ИЕ" в 1979 г. внедрен импульсный источник тока и технологический процесс изготовления лопатки компрессора газотурбинного двигателя, экономический эффект от внедрения составил 67900 р. в год на единицу оборудования;
на одном из предприятий в 1981 г. Комиссией Министерства Авиационной промышленности СССР проведены опытно-промышленные испытания ж приемка опытного образца импульсного источника тока и технологического процесса импульсной ЭХО лопаток ГТД, по результатам которых рекомендовано выпустить головную лариш источников под названием "ИЛИ - 5000" в кол. 10 шт для предприятий отрасли;
6 на этом же предприятии в 1987 г. Комиссией Министерства Авиационной промышленности СССР проведены опытно-промышленные испытания и приемка опытного образца импульсного источника питания "ИЛИ -5000" с рекомендацией по выпуску данных источников серийно с присвоением им I категории качества;
на одном предприятии в 1988 г.внедрен источник "ИЛИ - 5000" и технологический процесс изготовления лопаток газотурбинных двигателей, годовой экономический эффект составил 30,3 тыс. р. на одну ступень изделия;
в Научно-исследовательском институте двигателей, г.Москва, в 1991 г. внедрен импульсный биполярный источник питания на средний ток 400 А для ЭХО мтамповой оснастки, экономический эффект от внедрения составил 18 тыс .р.
Апробация работы.
По материалам диссертации были сделаны доклада на: УІ Международном симпозиуме по электрическим методам обработки, ИСЕМ-6, Краков, ПНР, 1980; Всесоюзной научно-технической конференции "Размерная электрохимическая обработка деталей машин", Тула, 1980; Уральской зональной научно-технической конференции "Прогрессивные методы электрохимической и электрофизической обработки материалов", Уфа, 1979; семинаре "Анодное растворение и катодное выделение металлов", Институт электрохимии АН СССР, Москва, 1980;семинаре "Процессы и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки", Тульский политехнический институт, Тула, 1980; научно-техническом совете отделения Научно-исследовательского института технологій и организации производства (НІШ), Москва, 1980; 37-м конгрессе Международного электрохимического общества ISE-37, Вильнюс, 1986 ; IV ИГС с международным участием по неконвенциональным технологиям в машиностроении "АМ0-89",НРБ, Ботевград, 1989 ; VI Всесоюзной научно- технической конференции ЭХО-86, г.Тула; IV ВНТК по проблемам преобразовательной техники, Киев, 1987 ; ВНТК "Комбинированные метода размерной обработки металлов", г.Уфа, 1983 ; ВКГК "Гибкие производственные системы в электротехнологии ГПС ЭМО-88", г.Уфа, 1988 ; V Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов, Кишинев, 1985 ; VI Всесоюзном совещании по электрической обработке материалов, Кишинев, 1990 ; Н-м международном симпозиуме по электрообработке, Лозанна, Швейцария, 1995 и др.
Работа автора "Процесс электрохимической обработки металлов"
7 отмечена бронзовок медалью 44 Всемирной выставки изобретений, исследований и промышленных разработок (Брюссель,EUREKA*95, 1995 ).
Публикации.
Основное содеркание работы изложено в 38 публикациях, новизна исследований подтверждена четырьмя авторскими свидетельствами СССР и патентами России.,
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 382 страницах, в том числе, содержит 97 рисунков, 6 таблиц, состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографии, включающей 234 наименования, и приложений на 65 страницах.