CC BY
25
УДК 621.9.047
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТОВ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
В.В. Любимов, В.М. Волгин, В.П. Красильников
Работа посвящена исследованию электрохимической обработки с использованием пакетов импульсов напряжения при изменении длительности единичных импульсов напряжения от 10 нс до 100 нс, межэлектродном зазоре от 10 до 30 мкм, различной скважности импульсов в пакете и различной скважности пакетов. Показано влияние процессов заряда двойного электрического слоя и анодного растворения на параметры процесса. Приведены типовые циклограммы циклической и импульсно-циклической обработки. Проведено моделирование процесса размерной электрохимической обработки с использованием наносекундных импульсов напряжения в при учете заряжения двойного электрического слоя и анодного растворения металла. При моделировании используется локально-одномерное приближение. Показано влияние процессов заряжения двойного электрического слоя и анодного растворения на параметры процесса. Исследовано изменение анодного потенциала в зависимости от числа импульсов напряжения в пакете и условий обработки. Оценено влияние скважности импульсов напряжения в пакете на остаточный заряд двойного электрического слоя в последующих импульсах пакета. Рассмотрено соотношение времени обработки и времени промывки межэлектродного зазора. Дана оценка эффективности процесса.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, пакеты импульсов напряжения.
Введение. Размерная электрохимическая обработка материалов (РЭХО) является эффективным методом обработки труднообрабатываемых материалов [1 - 3]. Совершенствование методов РЭХО связано с повышением точности обработки и надежности процесса (исключение коротких замыканий) [4 - 8].
Повышение точности обработки базируется на осуществлении процесса РЭХО при минимально достижимых межэлектродных зазорах (МЭЗ) [9]. Уменьшение МЭЗ связано с увеличением плотности тока в межэлектродном зазоре, количества продуктов реакций, температурой электролита и его газонаполнения [2]. Эти факторы оказывают дестабилизирующее влияние на процесс РЭХО, требуют сложных систем контроля за процессом анодного растворения.
РЭХО в начале своего развития осуществлялось в непрерывном режиме энергообеспечения и сближения электродов по мере анодного растворения одного из них [4]. Такой режим оказался трудно осуществляемым при использовании малых МЭЗ (менее 30...50 мкм) и при больших плотностях тока (свыше 200...300 А/см2). Это привело к необходимости периодического восстановления начальных условий обработки и к контролю параметров процесса.
Возникли и получили развитие циклические и импульсно-циклические схемы РЭХО. В циклическом режиме производится периодический контроль МЭЗ за счет касания электродов в обесточенном состоянии. В единичном цикле обработка осуществляется при постоянном напряжении (1;ц = 30.60 с).
Импульсный режим РЭХО осуществляется при использовании импульсного напряжения и постоянной скорости подачи электрода-инструмента. Рассматриваемый режим позволяет обеспечивать восстановление свойств межэлектродной среды в промежутке между импульсами напряжения. Контроль МЭЗ не осуществляется и его поддержание обеспечивается только правильным выбором скорости перемещения электрода-инструмента. Циклограммы современных импульсно-циклических схем приведены на рис. 1.
обработка при уэ =
Разработаны методы оценки состояния процесса при малых длительностях импульсов напряжения и малых межэлектродных зазорах [9]. Особое внимание уделяется использованию импульсов напряжения наносекундной длительности [10-15]. Уменьшение длительности импульсов напряжения привело к необходимости учета переходного процесса заряжения двойного электрического слоя и фарадеевской плотности тока на скорости анодного растворения и снижению начальной погрешности [16-19].
Применяются следующие варианты схем: 'V > 0
0 в рабочем цикле (рис. 1, а);
V < 0
обработка с промывочным циклом, когда Бпр^п (рис. 1, б);
г г <var <var
обработка при tHMn = \ и tOFF = \ ;
[const [const
обработка при и = <Var (рис. 1, в).
[ const
Целью данной работы является исследование эффективности процесса импуль-сно-циклической РЭХО при сверхмалых МЭЗ и импульсах напряжения наносекундной длительности. Выполнено обоснование параметров импульсов напряжения в пакете импульсов и скважности пакетов.
(В)
ц
Рис. 1. Циклограммы перемещений электрода-инструмента и напряжения: а — РЭХО без промывки МЭЗ; б — РЭХО с промывкой МЭЗ; в—циклограмма U=f(t) при переменной скважности импульсов в пакете; so-межэлектродный зазор; sпр — промывочный зазор;и—напряжение;У—координата перемещения электрода-инструмента— длительность пакета импульсов; ^п — длительность импульса; toff-длительность паузы между импульсами;
t
кр ■
длительность коррекции зазора; 1ц
■ длительность периода следования
■ скорость
ЭИ в рабочем цикле: Уз1 — скорость отвода ЭИ, Уз3 — скорость подвода ЭИ
импульсов,
кар — величина анодного растворения в единичном цикле; V-
Математическая модель. Важнейшим элементом изучения единичного нано-секундного импульса является анализ конкуренции процессов заряжения двойного электрического слоя (ДЭС) и фарадеевских процессов.
При получении математической модели будем учитывать омическое сопротивление электролита, емкости двойных электрических слоев (ДЭС) на электродах и сопротивление, обусловленное протеканием электрохимической реакции (рис. 2).
Для упрощения математического описания будем использовать локально-одномерное приближение, в рамках которого омические потери в объеме раствора могут быть определены с использованием следующего соотношения:
, (1)
ФЯ
а
где / - плотность тока в объеме раствора электролита; О - межэлектродный зазор; о -удельная электропроводность раствора электролита.
Если пренебречь эффектом ДЭС на катоде и не учитывать его поляризацию (рис. 2), то математическая модель ЭХО ультракороткими импульсами сведется к одному дифференциальному уравнению:
Ф0
Л о
(1 - а)пЕ ехр| ^—-ф-— ф
-ехр
апЕ
-ф
= а Щ-Ф,
О
Т1 ~Г1 - (2) ят т) я ят ~
где ф - потенциал электрода; С - емкость двойного электрического слоя; Е - постоянная Фарадея; Я - универсальная газовая постоянная; п - число электронов, переносимых в электрохимической реакции; а - коэффициент переноса; \ - плотность тока
обмена; и ($) - приложенное напряжение; Т - температура; ^ - время.
Начальное условие для уравнения (2) следует задавать в следующем виде:
Ф=0 = о. (3)
Будем считать, что а=0.5. В этом случае можно записать:
Сф+2/0япЬ (Аф) = о
и (г )-ф(0
О
(4)
где А = пЕ /(ЯТ) - параметр.
Электрод-инструмент (катод) Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема ЭХО с ультракороткими импульсами с учетом двойного слоя только на аноде (заготовке)
Часто потенциал электрода имеет значение существенно меньше, чем приложенное напряжение. В этом случае потенциалом электрода в правой части уравнения (4) можно пренебречь. Если, кроме того, пренебречь передним фронтом импульса напряжения, то уравнение (4) можно записать в следующем виде:
Cj+2/q sinh(Aj) = if,
(5)
гдеij¥ = sU - установившееся значение фарадеевской плотности тока.
S
Аналитическое решение уравнения (6), удовлетворяющее начальному условию (4) имеет следующий вид:
( \\ V
2-0 ехр( Лр0)
2С ' "" .....
( г
j(t )=a in 1 2i0 tanh v V
^W(iF f + 4i0 - arctanh
+ 4i
.-2
0
+ 4i0 + if
(6)
Из уравнения (6) следует, что начальная скорость изменения потенциала ДЭС равна ¡¥ / С, а стационарное значение потенциала после полного заряжения ДЭС (в
предположении, что катодной составляющей можно пренебречь) равно ф¥ =—¡п-^-,
Л -0
следует выражение для постоянной времени заряжения ДЭС:
С
т = -
Ai
F
0
-lriF ф.
(7)
Плотность тока заряжения-разряжения ДЭС определяется следующим образом:
iDL =С% <*>
Плотность тока анодного растворения (фарадеевская плотность тока) во время импульса определяется следующим образом:
'F = 'F - iDL . (9)
Во время паузы плотность тока анодного растворения равна по величине и противоположна по знаку плотности тока разряжения ДЭС:
'F =~'DL (10)
В результате интегрирования плотности тока анодного растворения за период следования импульсов можно определить величину количества электричества, которая
пропорциональна величине растворенного материала заготовки:
tpr (11)
q = J iFdt. (11)
0
где tpr = tp - период следования импульсов; ts - длительность паузы.
Производительность процесса можно охарактеризовать средней за период следования импульсов плотностью тока анодного растворения:
iF =-£-. (12)
tpr
Результаты и обсуждение. Численное решение уравнений проводилось при следующих значениях параметров: о=5 1/Ом-м, Up=4 В, Ud=0 В, tp= 100 нс, toff=50 нс, tfr=10-50 нс, а=0.5, n=2. C=0.2 Ф/м2, i0=100 A/м2.
Качественное моделирование пакетов импульсов тока на основе принятых циклограмм (рис. 2, 3, 4) при toff = 10, 50, 100 нс, количество импульсов в пакете n = 5.
Результаты численного моделирования приведены на рис. 3 для ^мп = 100 нс, s = 10, 20,30 мкм, toff = 10, 50, 100 нс, скважность q = 1, 2, 10.
Результаты математического моделирования подвергнуты анализу по следующим направлениям:
изменение соотношения токов в заряжения ДЭС и фарадеевских токов при изменении длительности единичных импульсов тока, их скважности в пакете импульсов тока в зависимости от номера импульса тока в пакете;
358
характер изменения перенапряжения (потенциала анода) во время протекания пакета импульсов тока;
влияние параметров импульсов пакета на скорость выравнивания исходной погрешности и производительность.
Кроме того, качественно выполнен анализ скважности пакетов импульсов в зависимости от параметров технологической системы.
Рассмотрена обработка в двух основных режимах:
1 - единичными импульсами напряжения;
2 - пакетами импульсов напряжения.
При обработке единичными импульсами напряжения наиболее эффективно с точки зрения интенсивности выравнивания исходной погрешности применение коротких импульсов напряжения 1имп 50 нс. В этом случае на больших зазорах имеет место длительный процесс заряжения ДЭС и очень небольшой фарадеевский ток (рис.3). При использовании больших длительностей импульсов напряжения 1имп > 50...100 нс процесс заряжения ДЭС значительно ускоряется на больших МЭЗ и преимущество коротких импульсов нивелируется.
С точки зрения производительности процесса обработки при использовании большой скважности происходит существенное уменьшение средне плотности тока за период обработки.
Уменьшение времени начала анодного растворения в импульсе тока (для второго и всех последующих импульсов тока в пакете) свидетельствует об остаточном заряде ДЭС после первого импульса тока в пакете и уменьшении интенсивности заряжения ДЭС. Такое явление характерно для всего диапазона рассмотренных ^мп и toff, то есть в (2 - i) импульсах тока анодное растворение более интенсивно по сравнению с первым импульсом тока в пакете.
\ О-О-СК* V \
1 X
к. к.
V in _ 1—w
)
» у 1 V. i к г
1 1/
200 300
100 (Vi о-о-о-о-
60 40 20 0 Т7 [
\ I Л ; 1
/ Jr \ v I х -о-
UJ О-оЛ
( / f
•60- ! 00 I 00 30 400
200 300 400
200 300
Рис. 3. Зависимости плотностей тока i от времени: iF-плотность фарадеевского тока, iDL — плотность тока заряжения-разряжения двойного электрического слоя, i— общая плотность тока; а, б, в — so = 30 мкм; г, д, е — so = 20 мкм; ж, з, и — so = 10 мкм; а, г, ж — toff = 100 нс; б, д, з — toff = 50 нс; в, е, и — toff = 10 нс
Скважность импульсов тока в пакете является важнейшим параметром пакета, влияющим на технологические показатели процесса РЭХО.
При уменьшении скважности импульсов тока в пакете (toff 100...10 нс) наблюдается усиление влияние остаточного заряда на последующие импульсы. Уменьшаются величины зарядных токов и времена задержки начала роста фарадеевского тока (рис.3). Таким образом, в пакете импульсов тока увеличивается эффективность процесса анодного растворения с точки зрения производительности. Однако процесс выравнивания исходной погрешности замедляется, так как наиболее существенно время задержки развития фарадеевского тока уменьшается в зоне больших межэлектродных зазоров (рис.3).
(а)
Рис. 4. Зависимость потенциалов Е от времени: Ei — при toff = 10 нс, E2 — при toff =50 нс, Ез — при toff = 100 нс; а — so = 30 мкм; б — so = 20 мкм;
в — s0 = 10 мкм
Скважность пакетов импульсов напряжения зависит от величин промывочных межэлектродных зазоров, гидродинамических характеристик межэлектродного пространства и скоростных характеристик системы управления движением катода-инструмента.
Ранее проведенные исследования [20] показали, что скорость перемещения катода-инструмента в режиме промывки межэлектродного пространства (МЭП) должна быть в диапазоне Уэ = 60.100 мм/мин, что позволяет избежать больших скоростных ошибок при касании электродов-инструментов в момент контроля действительного пространственного положения анодной поверхности.
Величина промывочного МЭЗ определяется необходимой величиной гидродинамического сопротивления МЭП потоку электролита.
Исследования этого процесса показали целесообразность увеличения рабочего МЭЗ до промывочного в 6-10 раз. При использовании s=5-50 мкм промывочный МЭЗ Бпр должен быть равен 30.500 мкм. Тогда время единичной промывки МЭП и кон-
irvi 2 • ^ПР о (30 + 500) троля МЭЗ составит t ПР =-= 2--.
Vn (60 +100)
Для достижения приемлемой производительности процесса желательна скважность пакетов равная 1, то есть ^ак=пр.
В процессе обработки происходит изменение перенапряжения на электродах (рис. 4), что приводит к изменению времени задержки начала анодного растворения, амплитуд токов заряжения и фарадеевских токов (рис. 3). Только при очень большой скважности импульсов напряжения в пакете (toff > 100.400 нс) происходит возврат к начальной величине напряжения. Таким образом, влияние каждого из импульсов в пакете на технологические показатели (точность обработки, производительность) различно.
Заключение. Выполнено исследование импульсно-циклической электрохимической обработки при использовании наносекундных импульсов напряжения. Показан конкурирующий характер процессов заряжения двойного электрического слоя и фара-деевских процессов. Установлен различный характер импульса тока в зависимости от его номера в пакете импульсов. Предложен метод оценки скважности пакетов импульсов в зависимости от характеристик кинематической системы станка. Выполнен анализ влияния параметров пакетов импульсов тока на точность и производительность процесса обработки.
Список литературы
1. El-Hofy H.A.G. Advanced machining processes: nontraditional and hybrid machining processes. NY: McGraw Hill, 2005. 253 p.
2. Rajurkar K.P., Sundaram M.M., Malshe A.P. Review of electrochemical and elec-trodischarge machining. Procedia CIRP 2013, 6. P. 13-26.
3. Kibra G., Bhattacharyya B., Davim J.P. (eds) Non-traditional Micromachining Processes: Fundamentals and Applications. Berlin: Springer, 2017. 422 p.
4. Schuster R., Kirchner V., Allongue P. , Ertl G. Electrochemical micromachining. Science, 2000. 289(5476). P. 98-101.
5. Kock M., Kirchner V., Schuster R. Electrochemical micromachining with ultrashort voltage pulses - a versatile method with lithographical precision, Electrochimica Acta, 2000. 48. P. 3213-3219.
6. Давыдов А.Д., Волгин В.М., Любимов В.В. Электрохимическая размерная обработка металлов: процесс формообразования. Электрохимия. 2004. 40(12). P. 14381480.
7. Kenney J.A., Hwang G.S. Etch trends in electrochemical machining with ultrashort voltage pulses. Electrochemical and Solid-State Letters 2006, 9(1). D1-D4.
8. Lyubimov У.У., Volgin V.M., Venevtsev A.Yu., Gnidina I.V. Microelectrochemi-cal machining at the ultrasmall interelectrode gaps with the use of the packets of nanosecond voltage pulses. Procedia CIRP, 2016. 42. P. 831-836.
9. Rajurkar K.P., Wei B., Kozak J. Modelling and monitoring interelectrode gap in pulse electrochemical machining. Annals of the CIRP, 1995. 44(1). P. 177-180.
10. Ahn S.H., Ryu S.H., Choi D.K., Chu C.N. Electro-chemical micro drilling using ultra short pulses. Precision Engineering, 2004. 28(2). P. 129-134.
11. Kenney J.A., Hwang G.S. Electrochemical machining with ultrashort voltage pulses: modeling of charging dynamics and feature profile evolution. Nano-technology, 2005. 16. P. S309-S313.
12. Kenney J.A., Hwanga G.S., Shin W. Two-dimensional computational model for electrochemical micromachining with ultrashort voltage pulses. Applied Physics Letters, 2004. 84. P. 3774-3776.
13. Lee E.S., Baek S.Y., Cho C.R. A study of the characteristics for electrochemical micromachining with ultrashort voltage pulses. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007. 31(7-8). P. 762-769.
14. Hotoiu E.L., Van Damme S., Albu C., Deconinck D., Demeter A., Deconinck J. Simulation of nano-second pulsed phenomena in electrochemical micromachining processes -Effects of the signal and double layer properties. Electrochimica Acta, 2013. 93. P. 8-16.
15. Volgin V.M., Lyubimov V.V., Gnidina I.V. Simulation of ion transfer during electrochemical shaping with the use of ultrashort pulses. In: Radionov A., Kravchenko O., Guzeev V., Rozhdestvenskiy Y. (eds) Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2018. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer. Cham, 2019. P. 1147-1159.
16. Mithu M.A.H., Fantoni G., Ciampi J. The effect of high frequency and duty cycle in electrochemical microdrilling. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011. 55. P. 921-933.
17. Kock M., Klammroth V., Cagnon L., Schuster R. Electrochemical micromachining of steel with ultrashort voltage pulses. INSECT, Dusseldorf. 2004. P. 177 - 187.
18. Kozak J., Rajurkar K.P., Gulbinowicz D., Gulbinowicz Z. Investigations of micro electrochemical machining using ultrashort pulses. In Proceedings 15th International Symposium on ElectroMachining ISEM'07, Pittsburgh. 2007. P. 319-324.
19. Koyano T., Hosokawa A., Furumoto Т. Analysis of electrochemical machining process with ultrashort pulses considering stray inducrance of pulse power supply. Journal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manifacturing, 2008. 12(5). P. JAMDSM0098.
20. Любимов В.В. Исследование вопросов повышения точности электрохимического формообразования на малых межэлектродных зазорах: дис. ... канд. техн. наук. Тула: ТПИ, 1973. 200 с.
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, профессор, lvv@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Волгин Владимир Мирович, д-р техн. наук, профессор, vo/ginatsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Красильников Владислав Петрович, ассистент, ferevlad@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGA TION OF ELECTROCHEMICAL MACHINING USING NANOSECOND
VOLTAGE PULSE PACKETS
V. V. Lyubimov, V.M. Volgin, V.P. Krasilnikov
The paper studies the electrochemical machining using packets of voltage pulses with the individual pulses from 10 to 100 nanoseconds, the inter-electrode gap of 10 to 30 microns, the different duty cycle of pulses and various duty cycle of packages. Typical cyclo-grams of cyclic and pulse-cyclic machining for working conditions using and not using the flushing interelectrode gap are given. The simulation of the dimensional electrochemical ma-
362
chining process using nanosecond voltage pulses for the conditions of competition of the double electric layer charging and anodic dissolution of metal is performed. The local-one-dimensional approximation is used in the simulation. The influence of the processes of charge of the double electric layer and anodic dissolution on the process parameters is shown. The change of anode potential depending on the voltage pulse number in the package and processing conditions is investigated. The influence of the duty cycle of the voltage pulses in the package on the residual charge of the double electric layer in the subsequent voltage pulses of the package is estimated. The ratio ofprocessing time and flushing time is considered. The time of single flushing is estimated. Process performance evaluation is performed.
Key words: electrochemical machining, packets pulses, nanosecond pulses.
Lyubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, lvv a tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, vo/ginatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Krasilnikov Vladislav Petrovich, assistant, ferevlad@,yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ
В.В. Любимов, В.М. Волгин
Проведено исследование формирование качества поверхности при использовании наносекундных импульсов напряжения в процессе электроэрозионной обработки. Показаны особенности формирования лунок при большой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке и стримерном формировании канала пробоя.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, качество поверхности, импульсы напряжения наносекундной длительности.
Введение. Электроэрозионная обработка (ЭЭО) широко применяется основном и инструментальном производствах. ЭЭО является одним из перспективных формообразующих процессов, так как позволяет обрабатывать труднообрабатываемые, хрупкие материалы с высокой производительность и точностью [1 - 3]. ЭЭО основана на создании высокотемпературного канала пробоя между заготовкой и инструментом в диэлектрической жидкости. В результате пробоя происходит локальное удалении материала заготовки. К сожалению, одновременно происходит износ инструмента.
Характеристики единичного разряда и образующейся при этом лунки, а также эффекты от взаимодействия последовательных разрядов с учетом энергетической неоднородности обрабатываемой поверхности оказывают существенное влияние на качество обработанной поверхности. Формированию канала разряда и единичной лунки посвящено большое количество работ, в большинстве из которых используются допущения и геометрической и энергетической однородности поверхности [4 - 6].
363
