Особенности процессов размерной обработки металличесих изделий электролитно-плазменным методом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

188

7 а ив). 2005 -

&НТУ

The peculiarities of the processes of the bimetallic articles dimentional processing by electrolytic-plasma method are shown.

Ю. Г. АЛЕКСЕЕВ, А. А. КОСОБУЦКИИ, А. Ю. КОРОЛЕВ, Д. С. НИСС, В. Д. КУЧЕРЯВЫЙ, >1. ПОВЖИК, УП«Технопарк БИТУ«Метолыт»

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСИХ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТР0ЛИТН0-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ

УДК 621.74

Физико-химические процессы, протекающие при электролитно-плазменной обработке

Электролитно-плазменная обработка (ЭПО) является высокопроизводительным методом снижения шероховатости, очистки, подготовки под покрытия поверхностей изделий сложной формы [1]. Это экологически чистый и безвредный процесс, протекающий с использованием электролитов с низкой концентрацией солей.

ЭПО — процесс, состоящий из двух параллельных стадий обработки детали (анод) в электролите (катод): окисление всех компонент материала анода за счет взаимодействия с ионами О-и гидроксильными группами ОН-; избирательное сглаживание (удаление) окисленных микровыступов на поверхности анода за счет ионно-пучко-вого распыления (травления). На рис. 1 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая отражает три стадии анодного процесса в электролите.

1. Классический электролиз (О—А), сопровождающийся выделением на аноде пузырьков кислорода и электрохимическим растворением материала анода.

,о

О Напряжение

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика анодного процесса в электролите

2. Переходная фаза (А—В), при которой под воздействием высокого напряжения в зоне контакта металлического анода и электролита происходит вскипание электролита и у поверхности анода образуется большое количество пузырей пара, чередующееся возникновением «электролитных мостиков» и дискретных электрических разрядов.

3. Устойчивая фаза процесса (В—С), сопровождающаяся формированием парогазовой оболочки (ПГО) вокруг обрабатываемой поверхности, соответствующая режиму ЭПО. ПГО состоит из паров воды, газообразных продукт.ов окисления компонентов обрабатываемых поверхностей и активированных ОН"-, Н+- и О - ионов.

Плотность тока в устойчивой фазе процесса составляет 0,15—0,4 А/см2. Возрастает электрическое сопротивление в цепи деталь—электролит. При этом сила тока резко уменьшается и напряжение источника питания почти полностью прикладывается к образовавшейся ПГО. Таким образом, из-за высокой локальной напряженности электрического поля возникает частичная ионизация газа с протеканием электрического тока через ПГО в виде импульсных и диффузных электрических разрядов. Электрический ток, проходя через ПГО, влечет возникновение плазменных процессов, характерных для газового разряда.

На границе раздела раствор—газ наблюдается интенсивное образование гидроксила, который в реакции ОН +ОН ->Н20+0 образует в газовой среде свободные молекулы воды. Они, как диэлектрик с большой диэлектрической постоянной, притягиваются к аноду в области максимальной напряженности поля и поляризуются на нем. Высокая концентрация гидроксила приводит к покрытию анода тонким слоем поляризованных молекул воды, способствуя образованию вокруг анода слоя промежуточного раствора. Между электро-

л^бнту-

литом и образовавшимся слоем происходят электрические микроразряды.

Адсорбированный слой молекул воды образуется за счет свободных молекул, находящихся в газовой среде с высокой напряженностью электрического поля (между раствором и анодом) при безэлектродном разряде ионов ОН". Качественный химический анализ собранных с анодов растворов (при различных составах электролитов) показал [2], что они представляют собой раствор с высокой концентрацией различных ионов, вызывающих интенсивные окислительные процессы на поверхности анода, происходящие в результате протекания электрохимических реакций между анодом и промежуточным слоем, что подтверждается наличием ионов анода в растворе. Электрические разряды между основным раствором и промежуточным слоем сосредоточены преимущественно на макро- и микровыступах поверхности анода. Электроразряды сопровождаются микровзрывами, которые отрывают образовавшийся оксидный слой и способствуют нивелированию поверхности. Незначительный нагрев анода, несмотря на интенсивные многочисленные электрические разряды, связан с активным испарением электролита в ПГО и, как следствие, сопровождается значительным поглощением тепла. Таким образом, в качестве основных механизмов полирования при ЭПО выступают электрические разряды, ионно-химическое и чисто ионное распыление образующихся оксидных слоев.

На разработанной специально для эксперимента малогабаритной установке ЭПО (рис. 2), оснащенной необходимой контролирующей аппаратурой и смотровым окном в рабочей ванне, проводили визуальные наблюдения, цифровую видеосъемку и фотографирование пульсирующей ПГО на образцах в различных фазах процесса.

Рис. 2. Экспериментальная установка ЭПО

В качестве объектов исследований использованы образцы различной формы из стали 12Х18Н10Т (цилиндрической, плоской, сложной) в большом диапазоне размеров (площадью от 3 до 1000 мм2 в поперечном сечении, длиной до 200 мм) и при их различном расположении в зоне обработки (вертикальном и горизонтальном).

Согласно проведенным исследованиям, а также из практического опыта обработки изделий

аггггпг ктпглтп'.к /ма

- а (36), 2005/ ЮЭ

сложной пространственной формы, кривизна поверхности, степень ее выпуклости или вогнутости, ориентация и глубина погружения оказывают значительное влияние на особенности формирования ПГО, ее толщину и стабильность, и, как следствие, на интенсивность протекания процесса ЭПО.

Исследование процессов формирования парогазовой оболочки при обработке изделий различной формы и размеров. Влияние формы и размеров обрабатываемых изделий на скорость съема материала

Обработке подвергали ленты различной толщины и трубки разного диаметра, установленные при обработке вертикально. По результатам исследований отмечено, что величина ПГО на образцах разной формы и размеров неодинакова (рис. 3, 4).

Анализ видеонаблюдений ПГО и измерения в масштабе показали, что толщина ПГО лежит в пределах 0,01-1,2 мм. Эти данные хорошо согласуются с результатами, приведенными в работах [3, 4]. Показано, что при обработке выпуклых криволинейных поверхностей толщина П ГО меньше, чем над плоской поверхностью. В области кривизны возрастает напряженность электрического поля и интенсифицируются физико-химические процессы. Обработка вогнутых поверхностей сопровождается увеличением толщины ПГО в области кривизны по сравнению с плоским участком.

Толщину ПГО прежде всего определяет давление в парогазовой оболочке, которое, согласно

Рис. 3. Формирование ПГО на плоских образцах различной толщины. Показаны поперечные сечения плоских лент, вертикальное расположение при обработке: 1 — обрабатываемое изделие—анод; 2 — ПГО; 3 — электролит—катод

Рис. 4. Формирование ПГО на образцах цилиндрической формы. Показаны поперечные сечения прутков, вертикальное расположение при обработке. Обозначения те же, что на рис. 3

190

1ПГЛъс |? КЯГШЯРпгп

I 4 (36), 2005 -

закону Лапласа, над криволинейной поверхностью при ЭПО описывается уравнением р = р0 + ре + рр + р,

где PQ — внешнее давление; Р — давление слоя электролита; Рр — дополнительное давление электролита на ПГО, вызванное силой пондемоторно-го взаимодействия; Рг — дополнительное давление, обусловленное кривизной поверхности электролита на границе оболочка-электролит.

Так, в работах [5, 6] приведены расчетные значения эффективной толщины ПГО в зависимости от радиуса кривизны обрабатываемого образца и приложенного к аноду напряжения. Показано, что при обработке выпуклых криволинейных поверхностей толщина ПГО меньше, чем над плоской поверхностью. В области кривизны возрастает напряженность электрического поля и интенсифицируются физико-химические процессы, приводящие к увеличению съема металла в области кривизны по сравнению с плоским участком. Обработка вогнутых поверхностей сопровождается увеличением толщины ПГО в области кривизны по сравнению с плоским участком, что приводит к снижению производительности процесса. Энергия электрического поля в электролите концентрируется на выпуклых поверхностях, где толщина ПГО минимальна, и чем меньше радиус кривизны поверхности и тоньше ПГО, тем больше интенсивность съема материала, так как плотность электрических разрядов в этих условиях значительно возрастает. Этим объясняется акцентированный съем с острых кромок и заусенцев. Для вогнутых поверхностей наблюдается обратная зависимость и полное отсутствие обработки в отверстиях и полостях малого диаметра.

Установлена экспериментальная зависимость между скоростью съема материала V и исходным наружным радиусом образца г0. Для этого подвергали обработке пруток исходного диаметра 1,5 мм, расположенного горизонтально на глубине 245 мм, в течение 180 мин, при этом через каждые 20 мин процесс останавливали и проводили измерения диаметра. На рис. 5 показаны результаты эксперимента, а также результаты математической обработки — линия тренда.

^БНТУ

0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0

1 V ! 1 = 0,001 Зг0-12315 F? = 0,9245 I

0,1 0,3 0,5 0,7

Исходный радиус г0, мм

0,9

Экспериментальная зависимость между скоростью съема и исходным диаметром описывается формулой

V = 0,0013А-,-1'2315 при достоверности аппроксимации Д2=0,9245.

Аналогичная зависимость получена при обработке вертикально расположенных образцов на глубине 40 мм с различным исходным радиусом (1, 3 и 5 мм). На рис. 6 показана зависимость усредненной скорости съема материала от исходного наружного радиуса образцов после обработки в течение 3 ч.

0,003

л X

ь I

Q. s 0,0025 * 2

к га

l! О °

0,002

0,0015

—0

0,5

1,5 2,5 3,5

Исходный радиус г0, мм

4,5

5,5

Рис. 5. Влияние исходного наружного радиуса на скорость съема материала

Рис. 6. Зависимость усредненной скорости съема материала от исходного радиуса образцов при вертикальном их расположении в электролите

С уменьшением исходного наружного радиуса скорость съема материала возрастает. Таким образом, если предположить, что скорость пропорциональна толщине ПГО, а в соответствии с зависимостью, полученной в работах [5, 6], эффективная толщина ПГО определяется радиусом обрабатываемой детали, то экспериментальные данные показывают хорошую сходимость с теоретическими расчетами. Толщина ПГО и ее форма, как было указано выше, существенно влияют на интенсивность протекающих на обрабатываемой поверхности физико-химических процессов и, как следствие, на производительность процесса и качество полируемой поверхности.

Исследование влияния ориентации и глубины погружения обрабатываемого изделия на съем материала и формирование парогазовой оболочки

Обработке подвергали образцы цилиндрической формы (диаметр 2, 6 и 10 мм, длина 110 мм) при их вертикальном расположении в зоне обработки. На рис. 7 представлены зависимости, отражающие распределение в вертикальном направлении размерного съема материала заготовок по мере удаления от поверхности электролита после обработки в течение 3 ч.

С увеличением расстояния от поверхности электролита повышается интенсивность съема материала. При этом представленные зависимости имеют три выраженные зоны:

I — переходная зона от поверхности электролита до зоны устойчивой ПГО. Ее глубина зависит от диаметра заготовки;

oD rUTV

»ьн 1 У

/;ггггпг готшггпте / iqi

- в (36). 2005/ IV I

s 1,6 £

« 1,4

I U

P

03

s

Ф ^

0

>s

3

5 0,4

1 0,2 ci

Q- 0

1 0,8 0,6

-О-Го =1 мм -О- г0 =3 мм -¿У- г0 =5 мм /

I/

20

40 60 80

Глубина погружения, мм

100

120

Рис. 7. Распределение размерного съема материала при вертикальной обработке цилиндрических заготовок

Зона I

Рис.

II - зона устойчивой ГТГО вокруг вертикально расположенной цилиндрической поверхности;

III — зона интенсивного съема в зоне сопряжения цилиндрической поверхности с плоской торцовой.

На рис. 8 показаны характерные зоны формирования ГТГО при обработке цилиндрической вертикально расположенной заготовки.

Переходная зона I характеризуется пониженным съемом, что связано со значительным увеличением толщины ПГО за счет накопленного объема поднимающихся вдоль цилиндрической поверхности пузырей пара и газа и резким снижением гидростатического давления при выходе пузырей на поверхность. При этом вертикальный размер переходной зоны ПГО изменяется в зависимости от радиуса цилиндра. С уменьшением радиуса увеличивается длина (глубина) данной зоны.

В зоне II наблюдается прямо пропорциональная зависимость между съемом и глубиной погружения. Это можно объяснить характером изменения толщины ПГО на этом участке. На рис. 9 показана фотография процесса ЭПО, из которой видно, что ближе к верхней поверхности электролита толщина ПГО больше, имеется линейная зависимость между толщиной ПГО и глубиной погружения образца, что обусловлено рядом факторов:

1) перепадом гидростатического давления электролита в вертикальном направлении;

Зона II

Зона III

. Характерные зоны формирования ПГО при обработке цилиндрической вертикально расположенной заготовки: 1 — заготовка (анод); 2 — электролит (катод); 3 — ПГО

2) образованием и ростом пузырьков пара и газа, а также их объединением и турбулентным перемешиванием в процессе их движения к поверхности электролита;

3) температурным градиентом в вертикальном направлении;

4) переменной скоростью перемещения электролита вместе с поднимающимися пузырями пара и газа.

Можно установить математическую зависимость между съемом

материала и параметрами, определяющими его величину в зоне И. В общем виде она будет описываться уравнением А г = ак+Ь. Увязывая

ч г Л <,

Рис. 9. Вид ПГО, формирующейся на вертикальной поверхности обрабатываемого образца: 1 — заготовка (анод); 2 — электролит (катод); 3 — ПГО

192

1глгтьс г: готпшлтгп

I 4 (36), 2005 -

ШЬБНТУ

коэффициент а с исходным радиусом образца, ползаем его значение, равное 0,0016г0"0'43, а коэффициент Ь, равный 0,412/*0 0 3i. Полученные эмпирические зависимости можно использовать при расчетах припусков на обработку поверхностей при полировке деталей прецизионной техники, при подготовке поверхностей для нанесения покрытий, а также при выполнении обработки изделий небольших габаритов, когда размерный съем становится соизмерим с номиналом габарита.

Формирование зоны интенсивного съема III связано с концентрацией напряженности электрического поля на линии сопряжения цилиндрической и плоской торцовой поверхностей заготовки. Тонкая ПГО, образующаяся в торцовой части заготовки, достаточно стабильна (пузырьки газа движутся в радиальном направлении, перемещая электролит вдоль плоской поверхности, что также способствует повышению интенсивности съема). Кроме того, в зоне III происходит одновременный съем материала с цилиндрической и торцовой поверхностей. При этом радиус сопряжения плоской торцовой поверхности и цилиндрической минимален, что приводит к резкому увеличению съема.

На рис. 10 показаны поперечные сечения горизонтально обработанных образцов диаметром 6 мм через 1, 2 и 3 ч ЭПО. Максимальный съем и соответственно минимальная толщина ПГО наблюдаются в нижней зоне образца. Причинами этого, как и в случае с вертикальной обработкой, являются достаточно высокая стабильность ПГО в этой 1,8 - -зоне, а также перепад давления электролита.

Отрываясь от нижней поверхности, пузырьки пара и газа обтекают заготовку по образующей и устремляются вверх к поверхности электролита. Пузырьки, образующиеся на верхней части образца, суммируются с пузырьками, двигающимися вдоль криволинейной поверхности и, поднимаясь, образуют на верхней части вспененный слой большой толщины, блокирующий обработку (рис. И).

Для установления влияния глубины погружения на интенсивность съема исследовали зависимости съем—время на трех образцах при различной глубине их погружения (5, 125 и 245 мм). Для этого контролировали диа-

/у

К \ у

И (

ti ------т А \ j У

А V / и

\J

Рис. 10. Изменение профиля образца в процессе ЭПО (заштрихованная зона — удаленный в процессе ЭПО материал): а — б — 2; в - 3 ч

Рис. 11. Вид ПГО, формирующейся на боковой поверхности круглого обрабатываемого образца: / - заготовка (анод); 2 — электролит (катод); 3 — ПГО

метр образцов при времени обработки от 20 до 180 мин через каждые 20 мин. В качестве исходного образца использовали пруток диаметром 1,5 мм. Обработку проводили в 4%-ном растворе сульфата аммония при температуре 80°С.

На рис. 12 показаны кривые, характеризующие интенсивность съема материала при различ-

-о Глубина 245 мм -о- Глубина 125 мм Глубина 5 мм

50 100 150

Продолжительность ЭПО, мин

200

Рис. 12. Влияние времени обработки на изменение диаметра заготовки при различных глубинах погружения в электролит. Прямые линии - линии тренда

ДЕБИТУ

г. гтг^г: глпгп л^гггггг:г?

- 4 (36), 2005

/193

0,0039

х 0,0037 5

0,0035 0,0033

2

ш ^

" 0,0031 л

ь

о 0,0029 о

о 0,0027 0,0025

ных значениях глубины погружения в электролит [7].

На рис. 13 представлены обработанные данные результатов эксперимента для установления зависимости скорости съема от глубины погружения.

Анализ экспериментальных данных говорит о том, что интенсивность съема материала в приповерхностном слое электролита (глубина 5 мм) в 1,5 раза ниже, чем на глубине 245 мм. Таким образом, после обработки в течение 3 ч диаметр образца в приповерхностном слое составил 0,45 мм (скорость съема — 0,35 мм/ч), на глубине 125 мм — 0,18 мм (0,44 мм/ч), а на глубине 245 мм - 0,01 мм (0,497 мм/ч). Линейный рост скорости съема прежде всего объясняется уменьшением толщины ПГО за счет линейного роста по глубине давления электролита на нее.

Исследование влияния температурных параметров на скорость съема материала и формирование ПГО

Исследование влияния температуры электролита на съем металла при ЭПО проводили в диапазоне температур электролита 42— 99°С. Обработку осуществляли при концентрации электролита 4% и глубине погружения 150 мм. Длительность обработки составляла 10 мин.

На рис. 14 показана зависимость величины съема от температуры электролита.

Из рисунка видно, что чем ниже температура (в пределах указанного интервала), тем интенсивнее протекает процесс ЭПО, но увеличивается риск срыва процесса в область электрогидродинамического режима, сопровождающегося «бросками» тока, дуговыми разрядами между технологической оснасткой и обрабатываемой деталью, прижогами острых элементов детали.

Повышенную интенсивность съема можно объяснить уменьшенным парообразованием, формирующим толщину ПГО, и возрастающей интенсивностью протекающих в ПГО физико-химических процессов за счет относительного возрастания концентрации агрессивной газовой фазы. По мере увеличения температуры электролита повышается стабильность процесса ЭПО, но парообразование растет, толщина ПГО увеличивается и продолжительность процесса (при температуре 90-95°С) возрастает в 1,2-1,3 раза.

При достижении электролитом температуры 95-99°С процесс ЭПО переходит в качественно

1 V = 4*10-6 + 0,0029

к - I

50 100 150

Глубина погружения, мм

200

250

Рис. 13. Зависимость между скоростью съема и глубиной погружения в электролите при горизонтальном расположении обрабатываемых образцов

Рис. 14. Зависимость скорости съема материала от температуры электролита новое состояние. Электролит вскипает, ПГО теряет свои первоначальные размеры и форму, вся деталь оказывается погруженной в сплошную подвижную пену, электрическое сопротивление которой значительно выше по сравнению с ПГО в установившемся режиме ЭПО. При этом продолжительность процесса увеличивается в 2,0—2,5 раза, блеск обрабатываемой поверхности уменьшается, достижимый класс шероховатости увеличивается.

Исследование влияния продолжительности ЭПО на закономерность изменения скорости шероховатости

Время обработки, как параметр процесса элек-тролитно-плазменного полирования, является одним из определяющих факторов, влияющих на конечный результат — показатель шероховатости поверхности Ка. С увеличением времени обработки шероховатость поверхности снижается до определенного предела. С целью исследования влияния времени обработки на Яа был проведен эксперимент, в котором 20 образцов с исходной шероховатостью /?/=28 мкм обрабатывали на одном режиме с различной продолжительностью (шаг —

19a /v

rfTrG Г КЯГР.ПГЛТГГ.К

(36). 2005 -

85 tziJTV шЬп 1У

1 мин). В результате была получена зависимость «шероховатость — время обработки» (рис. 15). Очевидно, что представленная зависимость имеет характерные зоны.

I зона характеризуется относительно малой протяженностью (^=3 мин) и высокой интенсивностью процесса (средняя скорость снижения

шероховатости =0,02 мкм/мин).

Для II зоны характерны большая протяженность (tn=7 мин) и средняя скорость снижения

шероховатости 1)^=0,007 мкм/мин.

Для III зоны характерны «боковая» тенденция и средняя скорость снижения шероховатости в

рамках эксперимента vRa =0,001 мкм/мин.

Ra, мкм

0,200

0,180

0,160

0,140

0,120

0,100

0,080

0,060

0,040

0,020

0,000

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Рис. 15. Влияние продолжительности обработки на шероховатость поверхности МИН

Из результатов, полученных на основании проведенных исследований, следует, что при известной исходной шероховатости поверхности, используя полученные характеристики зон, можно установить производительность процесса и время обработки, необходимое для достижения требуемого значения Яа.

Проведенные исследования закономерностей формирования ПГО и съема материала в процессе ЭПО в зависимости от формы, размеров обраба-

тываемых поверхностей, температуры электролита, ориентации и глубины погружения в электролите положены в основу технологических процессов изготовления на УП «Технопарк БНТУ «Метолит» изделий медицинской техники: финишная обработка травматологических имплантантов и инструментов повышенной коррозионной стойкости и формообразование гибких тонких ультразвуковых волноводов для внутрисосу-дистого разрушения тромбов.

SLbhty

4 (36). 2005

/195

Литература

1. Способ электрохимической обработки: A.c. 1314729 СССР / В.К. Станишевский, А.Э. Паршуто, A.A. Кособуцкий.

2. Стрелюк М.И., Кособуцкий A.A., Савицкий A.A., Житкевич J1.C. Электролитно-плазменная обработка и регенерация рабочих электролитов // Материалы 51-й НТК профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА «Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА». Мн., 1995. В 8-и ч. 4.4. С. 65-66.

3. My рас B.C. Некоторые элементы процесса электролитического нагрева // Сб. тр. ФТИ АН БССР. Мн., 1956. Вып. 3.

4. Лазаренко Б.Р., Дураджи В.Н., Факторов и ч A.A., Б р я н ц е в И.В. Об особенностях электролитно-

го нагрева при анодном процессе // Электролитная обработка материалов. 1974. №3.

5. Авсеевич О.И., Синькевич Ю.В., Головкина Е.Я., Романчук С.И. Электрогидродинамическая модель прианодной зоны при электроимпульсном полировании металлов. М., 1988. Деп. в ВИНИТИ, № И (205).

6. Авсеевич О.И., Синькевич Ю.В., Головкина Е.Я., Терехов С.Н., Романчук С.И. Расчет толщины парогазовой оболочки при электроимпульсном полировании. Мн.: Машиностроение, 1990. Вып. 15. С. 60—63.

7. Степаненко A.B., Доманевский Д.С., Алексеев Ю.Г. и др. Электролитно-разрядная обработка металлов (ЭРОМ) // Сб. тр. VI Рос. выставки «Изделия и технологии двойного назначения»: Докл. Междунар. конф. «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». М., 21-24 октября 2003 г. С. 84-86.