CC BY
115
УДК 621.0.047.4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВЕРХМАЛЫХ ЗАЗОРАХ И МЕТОДИКА ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
С.Н. Веневцева
В работе проведены результаты проектирования электродов-инструментов для электрохимической обработки в мегагерцовом диапазоне. Так же предложена методика изготовления таких электродов инструментов с учетом особенностей, характерных для таких режимов.
Ключевые слова: микрообработка, наносекундные импульсы, электрод-инструмент, сверхмалые зазоры, двойной электрический слой.
Миниатюризация промышленных изделий ведет к переходу различных видов обработки в микро- и нанометровый диапазон. В частности, при электрохимической обработке известна прямая зависимость погрешности обработки от величины межэлектродного зазора (МЭЗ). Однако уменьшение МЭЗ до сверхмалых величин влечет за собой различные ограничения. Так, например, существует предположение, что необходимо использовать длительности импульсов в диапазоне до 10 МГц, вместе с тем данная область совершенно не исследована. При этом крайне важно учитывать, что изучение формы импульса тока на таких частотах, связанно с высокими скоростями нарастания тока и напряжения. В данном случае любые изменения в электрохимической ячейке будут влиять на саму форму импульса. Именно поэтому существует потребность в проектировании, а так же в разработке методики изготовления ЭИ, с учетом факторов, влияющих на поведение электрохимической ячейки в целом, при использовании импульсов технологического напряжения в мегагерцовом диапазоне. Такие факторы рассмотрены ниже.
Из [1] известно, что в приэлектродных областях образуется двойной электрический слой, состоящий из плотной и дисперсной части, который обладает собственной емкостью. При этом необходимо принять во внимание тот факт, что данная емкость двойного электрического слоя (ДЭС) пропорциональна площади обработки. Из этого следует, что изменение площади поверхности электрода инструмента будет значительно влиять на общую форму тока из-за изменения кривой заряда емкости ДЭС. Авторами работы [2] утверждается, что для типичных условий электрохимической обработки, усредненным значением коэффициентом емкости двойного электрического слоя является 20 мкФ/см2. Исходя из вышесказанного, были изготовлены электроды-инструменты с такими, заранее определенными геометрическими параметрами, которые бы позволяли упростить даль-
345
нейшие расчеты и вычисления. Параметры спроектированных электродов-инструментов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Геометрические характеристики ЭИ
№ ЭИ Площадь обработки, см2 Диаметр рабочей части, мм Емкость ДЭС, мкФ
1 0,01 1,13 0,2
2 0,05 2,52 1
3 0,1 3,57 2
4 0,5 7,98 10
5 1 11,28 20
Как известно, так же вносит значительные изменения в процесс электрохимической обработки явление эффекта краевого эффекта, который состоит в прохождение тока не только по главным силовым линиям, которые идут от одного электрода перпендикулярно к другому, но и по дополнительным силовым линиям.
Исходя из этого, видится необходимым сохранять неизменной площадь рабочей части электрода-инструмента при погружении в электролит. Для исключения влияния вышеперечисленных эффектов боковые части электродов-инструментов необходимо изолировать.
Принято решение изготавливать электроды-инструменты из электротехнической меди М1 ТУ 48-0814-105-2000, с точки зрения высокой электро- и теплопроводности меди. Изоляторы боковых поверхностей изготовлены из ABC пластика марки 0445Е ТУ2214-159-05766801-2011, так как данный пластик обладает высокой диэлектрической емкостью и низким коэффициентом водопоглощения.
Изготовление электродов-инструментов происходило в следующей последовательности:
1. создание электронного чертежа электрода-инструмента или его трехмерной модели;
2. расчет управляющей программы для токарного оборудования с
ЧПУ;
3. изготовление электрода-инструмента на прецизионном токарном оборудовании по созданной программе.
Отличие прецизионной токарной обработки от традиционной заключается в первую очередь в оборудовании, на котором производится такая обработка. Например, фирмой «Nano Corporation» (Токио, Япония) производятся токарные станки с ЧПУ, позволяющие производить обработку сплавов черных и цветных металлов с точностью от 0,1 до 1 мкм при достижении шероховатости обработанных поверхностей от Ra = 0,2 мкм.
346
Разрешающая способность оборудования находится в диапазоне
0,01...0,02 мкм [3].
Общий вид электродов инструментов приведен на рис. 1.
Рис. 1. Электроды-инструмены для экспериментальной электрохимической обработки:
1 - рабочая часть; 2 - изолятор
Необходимость полировки рабочей поверхности электродов инструментов возникла вследствие того, что проводимые исследования электрохимической обработки на сверхмалых зазорах подразумевает использование межэлектродных зазоров от 1 мкм и более. Соответственно шероховатость рабочей части ЭИ после точения была соизмерима с МЭЗ и могла повлечь получение некорректных результатов.
Исследование и оценка качества поверхности электродов-инструментов проводились на профилографе-профилометре Kosaka Lab. Surfcorder SE 1700a-39 с разрешением до 0,005 мкм.
Для получения шероховатости рабочей части на порядок меньшей величины межэлектродного зазора было применено электрохимическое полирование в растворе 1200 г/л ортофосфорной кислоты и 120 г/л хромового ангидрида.
Режимы полирования были следующими: рабочая температура 22°С; анодная плотность тока ~ 40 А/дм2; выдержка 1 мин.
При этом использовался генератор импульсов со следующими характеристиками:
частота импульсов 1 МГц; коэффициент заполнения 30%;
напряжение питания 12 В.
Однако как показала практика, только электрохимического полирования оказалось недостаточно для получения оптически гладкой поверхности с шероховатостью порядка Яа = 0,1 мкм. Исходя из этого, для получения «зеркального блеска» рабочей поверхности применялась ручная полировка фетровым материалом с применением пасты ГОИ №2. Пример полученных профилограм рабочей поверхности одного из электродов инструментов приведен на рис. 2.
»— С С
в
Рис. 2. Профилограмы рабочей части ЭИ: а - до электрохимической полировки; б - после электрохимической полировки; в - после ручной полировки с пастой ГОИ №2
Все предпринятые меры по снижению начальной шероховатости, в частности электрохимическое полирование в совокупности с ручной доводочной полировкой позволило получить отличные показатели шероховатости рабочей части ЭИ, представленные в таблице 2.
Таблица 2
Полученные значения шероховатости
№ ЭИ Диаметр рабочей части, мм Шероховатость Яа, мкм
После токарной обработки После электрохимического полирования После ручного полирования с пастой ГОИ №2
1 1,13 2,1 0,29 0,092
2 2,52 1,38 0,41 0,105
3 3,57 1,83 0,15 0,066
4 7,98 0,74 0,12 0,098
5 11,28 0,93 0,13 0,041
Приведенные результаты позволяют утверждать, что разработанная технология изготовления и подготовки электродов-инструментов к экспериментальной электрохимической обработке удовлетворяет всем предъявленным условия. В частности:
подобраны оптимальные диаметры рабочих частей для унификации результатов обработки;
спроектированы боковые изоляторы для исключения краевых эффектов;
подобраны оптимальные режимы для электрохимической полировки и состав полирующего электролита;
разработанная методика по снижению шероховатости позволила улучшить данный параметр, в некоторых случаях, в 30 раз.
Список литературы
1. Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия// Изд. 4-е, испр. И доп. Л., «Химия», 1974. 586 с.
2. Дамаскин Б.Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику, 2 изд. М., 1983.
3. Абитов А.Р. Электрофизикохимическая обработка фасонных поверхностей в кремниевых заготовках: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2011. 146 с.
Веневцева Светлана Николаевна, аспирант, baranovasvetlana@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DESIGN ELECTRODE TOOL ELECTROCHEMICAL TREATMENT FOR EXPERIMENTAL AT ULTRA-SMALL THE GAP AND MANUFACTURING METHOD
The paper contains the results of the design tools electrodes for electrochemical treatment in the megahertz range. It is also proposed less todika manufacturing such electrodes instruments basedfeatures is characteristic of such regimes.
Key words: micromachining, nanosecond pulses, the electrode tool, ultra-small gaps, electric double layer.
Venevtseva Svetlana Nikolaevna, postgraduate, baranovasvetlana@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Universit
УДК 621.9.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕДИНИЧНЫХ ЛУНОК, ПОЛУЧЕННЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА.
Д. В. Козырь
Проведены экспериментальные исследования геометрических параметров единичных лунок, полученных при электроэрозионной обработке с применением плазменного электрода-инструмента.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, плазма, электрод-
инструмент.
На сегодняшний день электроэрозионная обработка (ЭЭО) является одним из наиболее распространенных методов физико-химической обработки материалов. ЭЭО широко используется для изготовления деталей сложных форм из труднообрабатываемых материалов, таких как инструментальные стали, композиционные материалы, керамика и т.д. Процесс ЭЭО характеризуется точностью и высоким качеством обработанной поверхности.
Перспективным направлением развития ЭЭО является использование нетвердотельных плазменных электродов-инструментов, полученных с помощью оптического пробоя прозрачной среды лазерным излучением высокой мощности [1]. Применение плазменных электродов-инструментов позволяет расширить технологические возможности ЭЭО, снять ограничения, накладываемые на твердотельные электроды, связанные с максимальной электрической и механической нагрузкой. Исследование названного процесса ЭЭО является актуальной задачей. Настоящая работа посвящена
