Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по проблеме повышения точности и качества поверхности при электрохимической обработке малоразмерных деталей 16
1.1 Номенклатура и технические требования, предъявляемые к малоразмерным деталям 16
1.2 Основные направления повышения точности ЭХО 23
1.3 Основные направления повышения качества поверхности деталей при ЭХО 30
1.4 Анализ методов измерения ЭП при нестационарном электролизе импульсами тока высокой плотности 34
1.5 Цель и задачи исследования 39
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 41
2.1 Методика измерения ЭП в нестационарных условиях при высоких плотностях тока 41
2.1.1 Измерение ЭП методом разрыва электрической цепи 41
2.1.2 Получение зависимостей ЭП от длительности поляризации и плотности тока 43
2.2 Установка для измерения ЭП 45
2.2.1 Высокочастотный ключ для коммутации тока 47
2.2.2 Измерительная аппаратура 49
2.2.3 Электрохимическая ячейка для измерения ЭП 49
2.3 Лабораторная установка для исследования процесса электрохимического формообразования 50
2.4 Установка для поиска информационного сигнала о состоянии процессов вМЭП 53
2.5 Модернизированная промышленная установка для технологических исследований 55
2.6 Материалы электродов и рабочие жидкости 57
2.7 Методика исследования поверхности после ЭХО 57
2.8 Оценка достоверности результатов экспериментов 59
Глава 3. Исследование зависимостей ЭП от длительности поляризации в условиях импульсной униполярной и биполярной ЭХО 62
3.1 Зависимости ЭП от длительности поляризации в активирующем электролите NaCl . 62
3.2 Зависимости ЭП от длительности поляризации в пассивирующем электролите NaN03 . 68
3.3 Влияние температуры, давления и рН электролита на характер установления ЭП 72
3.4 Влияние дополнительной поляризации на характер установления ЭП 74
3.4.1 Зависимости ЭП от длительности поляризации при подаче дополнительных импульсов обратной полярности 74
3.4.2 Зависимости ЭП от длительности поляризации при подаче дополнительных импульсов прямой полярности 78
3.4.3 Исследование ЭП в условиях нестационарности физико-химических свойств поверхности 80
3.5 Феноменологическая модель процесса установления ЭП в условиях нестационарного электролиза при высоких плотностях тока 82
3.6 Построение математической (интерполяционной) модели установления ЭП Выводы по Главе 3 88 Глава 4. Исследование и оптимизация процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока 91 4.1 Математическое моделирование процесса ЭХО микросекундными импульсами тока при воздействии единичного импульса 91 4.1.1 Постановка задачи для расчета формы детали при ЭХО микросекундными импульсами тока 91 4.1.2 Верификация математической модели процесса ЭХО при копировании малоразмерного полусферического ЭИ 94 4.2 Моделирование процесса ЭХО при воздействии последовательности микросекундных импульсов тока 99 4.2.1 Постановка задачи, обоснование начальных и краевых условий для моделирования процесса ЭХО при копировании ступенчатого ЭИ 99 4.2.2 Определение величины снимаемого припуска при копиро вании ступеньки 103 4.2.3. Определение коэффициента локализации при учете нагрева электролита и газовыделения 109 4.2.4 Определение коэффициента локализации с учетом зависимостей ЭП от длительности поляризации 112 4.2.5 Результаты моделирования 116 4.2.6 Оптимизация процесса по критерию максимальной производительности при заданном коэффициенте локализации процесса 121 4.3 Информационный сигнал о достижении максимальной локализации в процессе ЭХО 122 4.4 Информационный сигнал об изменении физико- химических свойств поверхности при биполярной ЭХО 126 4.5 Информационный сигнал о наличии растворения ЭИ при биполярной ЭХО 127 4.6 Влияние параметров импульсов на качество обработанной поверхности 129 4.6.1 Обработка группами униполярных импульсов микросекундной длительности 129 4.6.2 Обработка группами биполярных импульсов микросекундной длительности 132 4.6.3 Исследование физико-химических свойств поверхности после биполярной ЭХО . 135 4.7 Сравнение основных технологических показателей при различных режимах импульсной ЭХО . 140 Выводы по главе 4 . 144 Глава 5. Практическое использование результатов исследования 146 5.1 Разработка требований к источнику питания для ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока 146 5.2 Разработка требований к системе автоматического управления процессом ЭХО микросекундными импульсами тока 149 5.3 Примеры операций технологического применения 150 5.3.1 Изготовление элементов замкового соединения съемного зубного протеза 150 5.3.2 Изготовление элементов опорных штифтов для армирования зубных корней 152 5.4 Внедрение результатов исследований в учебном процессе 153 Выводы по главе 5 156 Основные выводы и результаты работы .157 Литература Введение к работе Актуальность темы Детали и конструктивные элементы с характерным размером порядка 1 мм находят широкое применение в различных отраслях промышленности и в ряде случаев определяют современный уровень технического прогресса в медицинской и электронной технике, приборостроении, в ряде областей высоких технологий. Традиционные электрофизические и механические методы обработки для изготовления такого рода деталей не всегда приемлемы. Они либо не обеспечивают требуемой точности и шероховатости поверхности, либо приводят к недопустимым изменениям физико-механических свойств поверхностного слоя, возникновению заусенцев и острых кромок. Одним из путей решения этой проблемы является применение импульсной электрохимической обработки (ЭХО). Однако в настоящее время уровень ее технической реализации в промышленности недостаточно высок. На лучших серийных образцах станков может быть достигнута шероховатость Ra 0,2..0,8 мкм, погрешность обработки ± 10..20 мкм, что не позволяет в полной мере охватить номенклатуру рассматриваемого класса деталей. В то же время в ряде научных школ Российской Федерации, Республики Молдова, стран Западной Европы на лабораторном и опытно-промышленном уровне были получены результаты, показывающие возможность дальнейшего повышения точности и качества обработанной поверхности при ЭХО за счет использования биполярных импульсов тока микро- и наносекунд ного диапазона. Большой вклад в изучение теории и технологии процесса импульсной ЭХО внесли: А.Г. Атанасянц, СИ. Галанин, А.Д. Давыдов, А.И. Дикусар, Л.Б. Дмитриев, Г.Н. Зайдман, В.В. Любимов, Е.М. Румянцев, А.В. Рыбалко, Б.П. Саушкин, Ф.В. Седыкин, М. Data, D. Landolt, R, Schuster и др. Однако в настоящее время для ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока не существует серийно выпускаемого оборудования (станков, источников питания, систем автоматического управления) и технологических рекомендаций, обеспечивающих высокопроизводительное автоматизированное изготовление малоразмерных деталей с шероховатостью поверхности Ra менее 0,1..0,2 мкм и погрешностью обработки менее 10 мкм. Существуют проблемы и теоретического плана, в частности, в понимании физико-химических особенностей процесса и подходов к его оптимизации, имеются разногласия в интерпретации ряда экспериментальных данных. В совокупности это тормозит развитие метода и снижает достоверность экспертных оценок его технологической применимости в отношении новых материалов, различных размеров и форм обрабатываемых поверхностей. Причинами этого являются: низкая достоверность и неполнота описания зависимостей анодного и катодного потенциалов в суще-ственно нестационарных условиях при высоких (до 100 А/см ) плотностях тока и при различных знаке и интенсивности дополнительной поляризации обрабатываемой поверхности током малой (менее 1 А/см2) плотности; отсутствие в известных работах информации о совокупном влиянии параметров и схем подачи рабочих импульсов и дополнительных импульсов тока обратной полярности на химический состав и физико-механические свойства поверхностного слоя детали, а также на выходные технологические показатели процесса (шероховатость поверхности, производительность, энергоемкость); отсутствие формального математического описания процесса биполярной ЭХО микросекундными импульсами тока, позволяющего поставить и решить задачу определения оптимальных параметров дополнительной поляризации обрабатываемой поверхности и рабочих импульсов тока с точки зрения производительности и точности; отсутствие научно обоснованных информационных сигналов, позволяющих в процессе обработки определять условия достижения наибольшей точности и качества обработанной поверхности, и максимально допустимое значение тока обратной полярности, при котором не возникает электрохимического растворения рабочей поверхности электрода-инструмента (ЭИ). Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим исследованием, оптимизацией и повышением выходных технологических показателей процесса электрохимического изготовления малоразмерных деталей микросекундными импульсами при наличии дополнительной поляризации электродов током малой плотности как основы для разработки технологических процессов и оборудования является актуальным. Работа выполнялась в рамках государственной научно-технической программы Академии наук Республики Башкортостан "Проблемы машиноведения конструкционных материалов и технологий", а также в соответствии с заданием Министерства образования РФ по направлению "Производственные технологии" (ПР-577 от 30.03.03). Цель работы: повышение точности и качества поверхности малоразмерных деталей при ЭХО микросекундными импульсами за счет дополнительной поляризации электродов током малой плотности. Основные решаемые задачи: Усовершенствовать методику, разработать экспериментальную оснастку и электронное оборудование для определения зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока в условиях нестационарности электродных процессов (при длительности поляризации 5..100 мкс) и при высоких (до 100 А/см ) плотностях тока. Установить и представить в виде математических моделей зависимости анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока для типовых групп металлов и электролитов в условиях высокоскоростного растворения при различных знаке и интенсивности дополнительной поляризации обрабатываемой поверхности током малой плотности, Выявить влияние параметров и схем подачи дополнительных импульсов тока на химический состав и физико-механические свойства поверхностно- го слоя детали, а также на выходные технологические показатели процесса (точность, шероховатость поверхности, производительность, энергоемкость). Разработать математическую модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, позволяющую поставить и решить задачу определения оптимальных параметров рабочего и дополнительного импульсов с точки зрения производительности и точности обработки. Выявить информационные сигналы, позволяющие определять условия достижения наибольшей точности копирования, контролировать изменение физико-химических свойств обрабатываемой поверхности и определять предельные параметры импульса тока обратной полярности, при которых не возникает электрохимического растворения ЭИ. Разработать требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка для ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, технологические рекомендации по выбору режимов обработки. Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту: Усовершенствованная методика для определения зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока в условиях нестационарности электродных процессов (при длительности поляризации 5..100 мкс) при высоких (до 100 А/см2) плотностях тока. Экспериментальные зависимости анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока для типовых групп электродных материалов в водных растворах хлорида и нитрата натрия при различных знаке и интенсивности дополнительной поляризации обрабатываемой поверхности током малой плотности. Математическая модель формообразования при ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, учитывающая зависимости анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияние на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменение температуры и газонаполнения электролита в межэлектродном промежутке (МЭП). 4. Информационные сигналы и алгоритмы, позволяющие оперативно определять параметры импульсов для достижения наибольшей локализации процесса обработки, контролировать увеличение содержания хрома в поверхностном слое при биполярной ЭХО хромосодержаших сталей и определять предельные (по амплитуде и длительности) параметры импульса обратной полярности, при которых отсутствует растворение ЭИ. Научная новизна: На основании усовершенствованной методики измерения электродных потенциалов получены зависимости анодного и катодного потенциалов от дли-тельности поляризации (5.Л 00 мкс) и плотности рабочего тока (до 100 А/см ) при различных знаке и интенсивности дополнительной поляризации, которые могут быть использованы в дальнейших фундаментальных и прикладных исследованиях нестационарного электролиза, а также для математического моделирования и прогнозирования технологического результата обработки. Установлено, что при подаче дополнительного импульса тока обратной полярности перед рабочим импульсом увеличивается время установления электродных потенциалов. При этом, чем ниже плотность рабочего тока на участке обрабатываемой поверхности, тем в большей степени влияет дополнительный импульс на установление потенциалов, т.е. увеличивается неэквипотенциаль-ность обрабатываемой поверхности и повышается локализация процесса растворения. Установлено, что при ЭХО сталей в нитратном электролите подача дополнительного импульса тока малой плотности прямой полярности перед рабочим импульсом приводит к пассивации обрабатываемой поверхности, в результате чего увеличивается установившееся значение анодного потенциала. При этом за счет выбора таких параметров рабочего и дополнительного импульсов тока, при которых процесс активации и растворения будет происходить на участках поверхности, наиболее приближенных к ЭИ, повышается точность обработки. Установлено, что в условиях биполярной ЭХО хромосодержащих сталей за счет восстановления ионов хрома в поверхностном слое в течение импульса обратной полярности происходит увеличение содержания хрома либо полное покрытие обработанной поверхности хромом, приводящее к существенному снижению шероховатости обработанной поверхности (Ла менее ОД мкм) и уменьшению потенциала растворения материала. Разработана модель формообразования при ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока с учетом зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияния на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменения температуры и газонаполнения электролита в МЭП. На основе модели поставлена и решена задача оптимизации параметров дополнительного и рабочего импульсов для достижения максимальной производительности при заданном коэффициенте локализации. На основе анализа формы импульсов напряжения на МЭП выявлены информационные сигналы, позволяющие определять параметры импульсов для достижения наибольшей локализации процесса обработки, контролировать увеличение содержания хрома в поверхностном слое при биполярной ЭХО хромосодержащих сталей и определять предельные параметры импульса обратной полярности, при которых отсутствует растворение ЭИ. Практическая значимость работы: 1. Полученные экспериментальные зависимости анодных и катодных потенциалов от длительности поляризации и плотности тока могут быть исполь- зованы при прогнозировании выходных технологических результатов ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока. 2. 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 использованы в рамках хоздоговоров и международных контрактов Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) при разработке операций изготовления малоразмерных элементов деталей медицинской техники и имплантантов. Материалы работы использованы при разработке и внедрении в учебный процесс методических указаний к лабораторным работам в УГАТУ. Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: VII Международном Фрумкинском симпозиуме по электрическим методам обработки (Москва, 2000 г.), Международной конференции «Теоретическая информатика. От теории к практике» (Уфа, 2000 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов» (Уфа, 2000 г.), III Международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (Иваново, 2001 г.), Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2002 г.), IV Международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (Иваново, 2003 г.) и на ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУ. Публикации По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях центральной, международной печати и 2 патента Российской Федерации на изобретение. Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 178 страницах и состоит из введения, пяти глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 168 названий, содержит 8 таблиц и 131 рисунок. Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре оборудования и технологии сварочного производства. Автор благодарит научного руководителя проф., д.т.н. А.Н. Зайцева, а также проф., д.т.н. Н.А. Амирханову, проф., д.ф-м.н. В.П. Житникова, сотрудников межкафедральной учебно-научно-производственной лаборатории электрических методов обработки УГАТУ и предприятия "Новотэч" за внимание и помощь в работе. Эксплуатационные свойства деталей в значительной степени определяются качеством поверхности. Качество обработанной поверхности характеризуется микрогеометрией (шероховатостью) и физико-механическими параметрами поверхностного слоя (микроструктура материала, микротвердость и др.). После ЭХО могут наблюдаться: "струйность", возникающая из-за гидродинамической неоднородности потока электролита; питтинги, имеющие место при протекании процесса растворения по механизму анодно-анионной активации; наводораживание поверхности, связанное с диффузией выделяющегося водорода в глубь обрабатываемого материала. Стали в большинстве случаев анодного растворения не наводораживаются /89/. Проблеме снижения наводоражи-ваемости обработанной поверхности титана и его сплавов большое внимание уделено в работе /90/. Шероховатость поверхности при размерной ЭХО изменяется в широком диапазоне от Лг=10-40 мкм до Л 0,02-0,16 мкм /91/. В основе механизма образования шероховатости лежат электрохимические процессы, протекающие на поверхности растворяемого металла. Шероховатость поверхности после ЭХО определяется комплексом параметров, главными из которых является химический и фазовый состав металлов или сплавов, их структура. Данные параметры определяют электрохимическую гомогенность или гетерогенность материала. В первом случае создаются предпосылки для высокого класса чистоты обработанной поверхности. Во втором случае происходит распределение плотности тока между микроучастками, представляющими различные фазы. Различие скоростей растворения на микроучастках является причиной появления микронеровностей на обрабатываемой поверхности. Результаты исследований /92/ свидетельствуют о существенном влиянии структуры на формирование микрорельефа обработанной поверхности. Структурный фактор влияет не только на формирование микрорельефа, но воздействует на более крупные его формы за счет влияния микрорельефа на гидродина мику электролита /92/. С уменьшением зернистости материала размеры неровностей уменьшаются, а для металлов с крупным зерном имеют место микроуглубления по границам зерна /93/. В случае анодного растворения сплавов шероховатость поверхности обусловлена электрохимической неоднородностью различных фаз в сплаве. Так при растворении стали I2X18H10T в растворе нитрата натрия происходит преимущественное растворение избыточных карбидных фаз — карбида хрома и карбида титана /94/, что приводит к возникновению частых мелких углублений. При растворении этой стали в растворе хлорида натрия при малых потенциалах скорость растворения избыточных фаз меньше скорости растворения основы сплава, поэтому на поверхности происходит формирование микровыступов. При значительном отличии скоростей растворения различных составляющих сплава может происходить выпадение отдельных металлических частиц в раствор с образованием кратеров, что вызывает понижение чистоты поверхности /95/. Динамика сглаживания исходной и формирования собственной шероховатости во многом определяется свойствами используемых электролитов /96/. Анионный состав, рН и температура электролита существенно влияют на формирование микропрофиля обработанной поверхности, например, в растворах нитратов поверхность металла растворяется более равномерно по сравнению с хлоридным электролитом /97/. С повышением температуры электролита шероховатость поверхности, как правило, увеличивается вследствие увеличения растравливания по границам зерен /98/. Защелачивание электролита до рН более 12 приводит к значительному увеличению шероховатости железа и сталей в растворах хлорида и нитрата натрия /98/. Авторами /99/ было отмечено, что в хлоридных электролитах для малых значений плотностей тока (до 20 А/см ) у большинства материалов шероховатость поверхности уменьшается с увеличением плотности тока, а в интервале плотностей тока 20-100 А/см2 не существует единой закономерности шероховатости обработанной поверхности от плотности тока. Однако в большинстве случаев повышение плотности тока приводит к уменьшению шероховатости поверхности вплоть до ее полирования /100, 101/, что может быть связано с достижением области предельного тока, имеющего диффузионную природу, ростом анодного потенциала и переходом от селективного к более равномерному растворению сплава /102/. В /103/ при плотности тока выше 1600 А/см в условиях ЭХО стали 40X13 импульсами тока микросекундной длительности в 5% растворе NaCl было достигнуто значение Ла 0,06 мкм, а в 8% NaNC 3 - 0,02 мкм. Использование импульсного режима обработки существенно повышает качество обработанной поверхности /94, 104/: уменьшается глубина растравливания металла по границам зерен, уменьшается абсолютная величина высоты микронеровностей, поверхность приобретает однородный микрорельеф. Так после обработки стали 08Х18Н10Т с амплитудой плотности тока 25 А/см2 в растворе NaCl импульсами тока длительностью 3 мс и скважностью 3,5 шероховатость 7?а составляла 0,5 мкм. Улучшение качества поверхности в условиях импульсной ЭХО связано с тем /105/, что в течение импульса на обрабатываемой поверхности образуются пленки различной природы, а в паузе между импульсами происходит депассивация поверхности преимущественно на вершинах микрорельефа. В случае растворения сплавов по механизму анодно-анионной активации в течение импульса тока происходит образование и разрастание питтингов, а в паузе между импульсами - пассивация проактивиро-ванной поверхности. При подаче следующего импульса тока образуются новые питтинги в связи с чем происходит уменьшение шероховатости поверхности /106/. Установка для поиска информационных сигналов о состоянии процессов в МЭП (рис. 2.13) включает оснастку с электродами в виде отрезков трубки из стали 12Х18Н10Т с изолированными боковыми поверхностями. Данная оснастка позволяет обеспечить хорошую прокачку электролита и свести к минимуму паразитные токи рассеяния. Межэлектродный зазор устанавливался равным 5=20 мкм с помощью микрометрического винта и контролировался индикатором часового типа. Отсчет начинался от точки электрического контакта. При анализе формы импульса напряжения на МЭП источник питания имел крутопадающую вольтамперную характеристику, т.е. на выходе блока коммутации БК формировались импульсы тока прямоугольной формы. При анализе формы импульса тока в МЭП источник питания имел жесткую характеристику, т.е. на выходе БК формировались импульсы напряжения прямоугольной формы. Схема экспериментальной установки для поиска информационных сигналов о состоянии процессов в МЭП: ЗГ - задающий генератор; ИП -источник питания; БК - блок коммутации тока; ЦО - цифровой осциллограф; ДТ - датчик тока; ЭИ - электрод-инструмент; ЭЗ - электрод-заготовка. Эксперименты по исследованию технологических режимов обработки проводились на опытно-промышленной установке, имитирующей производственные условия, на базе модернизированного электрохимического копироваль-но-прошивочного станка модели 4420Ф11 (рис. 2.14) с источником технологического тока для биполярной обработки микросекундными импульсами. Для формирования групп импульсов был разработан специальный задающий генератор (см. рис. 2.14), который управлял выходным блоком источника, формирующего группы биполярных импульсов тока микросекундной длительности, следующие с задаваемой частотой или синхронно с вибрацией ЭИ. При ЭХО с вибрацией ЭИ на задающий генератор поступает сигнал запуска в момент нижнего положения ЭИ от управляющего компьютера. Сравнение точности обработки различных режимов импульсной ЭХО осуществлялось по копированию малоразмерного элемента (рис. 2.15). ЭИ из стали 40X13 имел паз глубиной 350 мкм и шириной 180 мкм. ЭЗ изготавливался из отрезка трубки из стали 12Х18Н10Т. Важной особенностью данной схемы является практическое отсутствие этапа врезания ЭИ в ЭЗ. Профили микровыступов измерялись с помощью оптического микроскопа и специального устройства позиционирования. При получении зависимостей анодного потенциала от плотности тока и длительности импульса в качестве ИЭ использовались широко распространенные конструкционные материалы: стали 40X13, 12Х18Н10Т, титан ВТ6, а также компоненты этих материалов железо, хром, никель. Зависимости анодных потенциалов платины необходимы для сравнительного анализа, т.к. при подаче импульса тока в начале происходит заряд ДЭС, а далее на поверхности платинового электрода протекают реакции не связанные с растворением металла (например, выделение кислорода). В качестве ИЭ при измерении катодных потенциалов использовались нержавеющие стали (40X13, 12Х18Н10Т) и латунь (ЛС62), наиболее часто применяемые в производственной практике ЭХО для изготовления ЭИ, а также платина как наиболее предпочтительный (вследствие отсутствия растрава и катодных отложений) материал ЭИ. При обработке большинства сталей и сплавов в промышленности в основном используются активирующий электролит - водный раствор хлорида натрия (NaCl) и пассивирующий электролит - водный раствор нитрата натрия (NaNCb). Концентрации электролитов NaCl (8%) и NaNC 3 (15%) были выбраны такими, чтобы электропроводности растворов были равны. Методика исследования поверхности после ЭХО Измерения профиля и шероховатости Ra поверхности проводились с помощью профилометра Т500 фирмы Hommel Werke. 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 /141/. Ra определяется как среднее арифметическое абсолютных отклонений профиля в пределах базовой длины / (в данной работе принято / -1,5 мм). Для изучения электрохимических свойств поверхности использовалась лабораторная установка, позволяющая получать потенциодинамические кривые зависимостей ЭП исследуемого материала от плотности тока (рис. 2.16). Установка включает: потенциостат (П); генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), задающий амплитуду и скорость развертки потенциала; цифровой осциллограф (ЦО) для регистрации значения потенциала и тока. Измерения электродных потенциалов проводились с помощью хлорсеребряного электрода сравнения, соединенного с исследуемым электродом через солевой мостик, при скорости развертки потенциала 0,2 В/с в электролите 8% NaN( j. Измеренные значения ЭП переводились в водородную шкалу потенциалов. Исследования проводились при низких плотностях тока ( 50 мА/см ), поэтому погрешности, связанные с наличием омического падения потенциала между ИЭ и ЭС были пренебрежимо малы. В последние годы увеличился интерес к схемам импульсной электрохимической обработки с подачей в паузе между рабочими импульсами напряжения или тока определенной формы и полярности /53/. За счет этого предполагается осуществлять специальную физико-химическую подготовку обрабатываемой поверхности, обеспечивающую усиление технологического эффекта создаваемого рабочими импульсами, либо создающую новые свойства поверхности путем эффективного использования последействия от рабочего импульса. Например, применение дополнительных импульсов обратной полярности позволяет усилить эффект неэквипотенциальности поверхности, и как следствие повысить степень локализации процесса растворения /59/, могут быть растворены катодные отложения /148/, могут измениться физико-химические свойства поверхностности /111/. В связи этим важно знать зависимости ЭП ц а к = р ал (tj) при изменении знака и величины дополнительного поляризующего тока в паузе между рабочими импульсами. Дополнительный импульс тока малой плотности обратной полярности вызывает перезарядку емкости двойного слоя, в результате чего время установления анодного потенциала в течение рабочего импульса увеличивается (рис. 3.28-3.33). При этом, чем ниже плотность рабочего тока, например, на участках обрабатываемой поверхности удаленных от ЭИ, тем в большей степени влияет дополнительный импульс на установление потенциалов, т.е. увеличивается не-эквипотенциальность обрабатываемой поверхности. Таким образом, при определенных параметрах дополнительных и рабочих импульсов значение потенциала достигнет потенциала растворения на участках обрабатываемой поверх 75 ности наиболее приближенных к ЭИ и не достигнет на более удаленных участках, что приведет к повышению степени локализации обработки. Зависимости анодных потенциалов стали 12Х18Н10Т от длительности поляризации в 15% растворе NaN( 3 при различных параметрах дополнительного импульса тока обратной полярности (плотность тока рабочего импульса 10 (а) и 40 А/см2 (б)). 3.4.2 Зависимости ЭП от длительности поляризации при подаче дополнительных импульсов прямой полярности Повышение локализации процесса анодного растворения возможно при осуществлении процесса по механизму пассивность - транспассивность /66/. Дополнительные импульсы тока малой плотности прямой полярности, подаваемые в паузе между рабочими импульсами, вызывают пассивацию поверхности обрабатываемой детали, в результате чего можно усилить эффект неэкви-потенциальности обрабатываемой поверхности и тем самым увеличить локализацию процесса анодного растворения. На рис. 3.34, 3.35 представлены зависимости анодных потенциалов стали 40X13 от длительности поляризации в 8% растворе NaCl и 15% растворе NaNC 3 в условия униполярной ЭХО и при подаче дополнительного импульса тока малой плотности прямой полярности длительностью 200 мкс и плотностью тока 0,5 и 1 А/см при плотностях тока основного (рабочего) импульса 10 (а) и 40 А/см2 (б). При подаче дополнительного импульса тока малой плотности прямой полярности перед рабочим импульсом тока наблюдается незначительное уменьшение времени установления анодного потенциала (см. рис. 3.34, а и 3.35, а). При этом в пассивирующем электролите (NaNOj) происходит подъем кривых установления анодного потенциала в течение рабочего импульса тока (см. рис. 3.35), который может быть связан с пассивацией анода в течение действия дополнительного импульса. Чем меньше амплитуда рабочего импульса тока, тем больше влияние дополнительного импульса на характер установления анодного потенциала в рабочем импульсе. Таким образом, за счет пассивации обрабатываемой поверхности дополнительными импульсами тока малой плотности прямой полярности и выборе таких параметров рабочего импульса, при которых процесс активации произойдет на участках поверхности наиболее приближенных к рабочей поверхности ЭИ, можно повысить точность обработки. При подаче на ЭХЯ импульса тока или напряжения происходит заряд конденсаторов ДЭС анода и катода, после чего начинает протекать электрохимическая реакция. Можно предположить, что момент окончания процесса заряда емкости ДЭС и начала процесса растворения отразится на сигналах напряжения или тока в МЭП. Для анализа осциллограммы тока в МЭП применялся источник напряжения с жесткой вольтамперной характеристикой, т.е. на выходе формировались импульсы напряжения прямоугольной формы. При подаче последовательности импульсов, когда в паузе между импульсами поляризация не успевает спадать до стационарного значения, можно предположить, что емкость ДЭС практически постоянна. Тогда при заряде емкости через сопротивление столба электролита RM ток будет монотонно изменяться по экспоненциальному закону (рис. 4.29, а). При анализе осциллограммы напряжения на МЭП источник имел крутопадающую вольтамперную характеристику, т.е. на выходе источника формировались импульсы тока прямоугольной формы. Во время заряда емкостей ДЭС анода и катода постоянным током напряжение увеличивается по линейному закону до момента /, когда достигается потенциал растворения (рис. 4.29, б и 4.30, а). С увеличением частоты следования импульсов суммарная емкость ДЭС в течение паузы не успевает разрядиться и время заряда t уменьшается (см. рис. 4.30,6). При подаче импульса тока обратной полярности между рабочими импульсами происходит ускоренный разряд емкости ДЭС и время t увеличивается (см. рис. 4.30, в). Таким образом, можно увеличивать частоту подачи импульсов (а значит и производительность обработки) при сохранении требуемой локализации процесса. В /161/ предложен способ электрохимической обработки, при котором используются импульсы тока с длительностью не менее времени заряда емкости ДЭС в точках, расположенных на минимальном МЭЗ, и не более времени Осциллограммы напряжения и тока в МЭП для условий: ЭИ и ЭЗ сталь 12Х18Н9Т; электролит 8% NaN03; плотность тока 20 А/см", частота следования импульсов 10 Гц (а), 100 Гц (б) и 100 Гц с импульсом обратной по-лярности длительностью 50 мкс и плотностью 2 А/см (в). заряжения емкости ДЭС в точках, расположенных на расстоянии от катода, равном максимально допустимой величине МЭЗ и характеризующей допустимую погрешность обработки. С учетом /154/ можно предложить следующий способ определения длительности импульсов для достижения заданной точности обработки (рис. 4.31): 1) рассчитывается распределение плотностей тока в МЭП; 2) на ЭХЯ подаются импульсы тока плотностью, соответствующей участку МЭЗ, на котором не должен протекать процесс растворения; 3) длительность импульса выбирается меньше длительности t заряда емкости ДЭС (см. рис.. 4.31, а); 4) на ЭХЯ подаются импульсы тока плотностью, соответствующей участ ку МЭЗ, на котором должен протекать процесс растворения. При этом на ос циллограмме напряжения МЭП должен появиться практически горизонтальный участок, связанный с протеканием реакции растворения металла (рис. 4.31, а). Как было установлено в главе 3, при подаче дополнительного импульса тока малой плотности обратной полярности после рабочего импульса в условиях ЭХО хромсодержащих сталей существенно уменьшается (на 600-800 мВ) значение установившегося потенциала в рабочем импульсе. Такое значительное изменение может отразиться на осциллограмме напряжения. Контролировать изменение состояния системы металл-электролит при подаче импульса обратной полярности в условиях обработки группами микросекундных импульсов надежнее всего по остаточной поляризации в паузе между импульсами, когда отсутствует поляризующий ток через ЭХЯ (рис. 4.32).Основные направления повышения качества поверхности деталей при ЭХО
Лабораторная установка для исследования процесса электрохимического формообразования
Влияние температуры, давления и рН электролита на характер установления ЭП
Верификация математической модели процесса ЭХО при копировании малоразмерного полусферического ЭИ
Похожие диссертации на Влияние дополнительной поляризации электродов на точность и качество поверхности при электрохимической обработке микросекундными импульсами тока
