Экспериментальная установка для электрохимического микроформообразования с применением ультракоротких импульсов напряжения

ЭЛЕКТРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.9.047

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МИКРОФОРМООБРАЗОВАНИЯ

С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

НАПРЯЖЕНИЯ

А.Ю. Веневцев

Описана спроектированная установка для электрохимической обработки на сверхмалых зазорах с применением ультракоротких импульсов напряжения. Приведены характеристики разработанного и изготовленного импульсного источника питания для электрохимической обработки. Отображены полученные результаты формирования микрогеометрии на поверхности детали.

Ключевые слова:микроформообразование, ультракороткие импульсы напряжения, электрохимическая обработка, экспериментальная установка.

Развитие современной промышленности, особенно в направлении микроэлектроники, диктует свои требования к размерам и точности изготавливаемых изделий. Миниатюризация деталей, получение регулярных микрорельефов, все это заставляет находить новые подходы в обработке материалов. Не представляется возможным получение механической обработкой структурированных поверхностей на наноуровне или литьевых форм в микрометровом масштабе. Примером может служить создание специального регулярного микрорельефа с заданными требованиями на имплантах суставов человека, зубных имплантах. Или получение специальной геометрии микрорельефа и его ориентации на различных участках контактных трущихся поверхностей для улучшения условий удержания смазки и снижения коэффициентов трения в направлении доминирующих потоков.

Выбор электрохимической обработки для микроформообразования обусловлен, в первую очередь, отсутствием негативного воздействия на поверхностный слой обрабатываемой заготовки. Во-вторых, известно, что производительность процесса электрохимической обработки (ЭХО) обратно пропорциональна величине межэлектродного зазора (МЭЗ) уА = / (У8) [1], а достигаемая точность соизмерима с МЭЗ. Получаемое качество копирования и шероховатости при электрохимическом микрофор-

мообразовании зависит именно от таких технологических показателей процесса, как величина межэлектродного промежутка и поддержания начальных условий обработки. Под этим подразумевается уменьшение МЭЗ до минимальных величин и максимально возможное снижение негативного влияния газонаполнения, нагрева и зашламления на процесс ЭХО.

Для сохранения начальных условий обработки используются импульсы тока меньшие по длительности, чем времени установления электродных потенциалов. Это способствует повышению точности копирования. В течение действия импульса влияние нагрева электролита на электропроводность превалирует над влиянием газонаполнения. В результате у электролита - проводника второго рода - кратковременно повышается проводимость, способствующая повышению амплитудной плотности тока и, как следствие, снижению высоты микронеровностей обработанной поверхности, а так же приводит к повышению степени локализации процесса [2].

С учетом вышесказанного была разработана технология электрохимической обработки, отличительная особенность которой состоит в том, что электроды расположены в электролите на минимальном межэлектрод-ном зазоре. При этом к ним прикладываются группы ультракоротких (соизмеримых со временем заряда приэлектродных емкостей) импульсов напряжения. Это приводит к значительной пространственной локализации электрохимических реакций в области микро- и нанометрических размеров. Так же это позволит получать субмикронную точность обработки и шероховатость поверхности с нанометрическими параметрами.

В связи с этим на кафедре «Электро- и нанотехнологии» Тульского государственного университета было разработан импульсный источник питания на основе полевых транзисторов МОББЕТ, работающих в ключевом режиме. Основные характеристики разработанной экспериментальной установки и импульсного источника приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики разработанной экспериментальной

установки

№ п\п Показатель Значение

1 Максимальный ток, А 56

2 Напряжение, В о т о

3 Минимальная длительность импульса, нс 30

4 Форма импульсов Прямоугольник, пила, синус

5 Скважность 0...100

6 Ход приводов по Х,У,2, мм 150

Окончание табл. 1

№ п\п Показатель Значение

7 Точность приводов (по Х,У,2), мкм 5

8 Ход позиционера, мм 50

9 Точность позиционера, нм 400

10 Размеры ванны (ШхГхВ), мм 100х100х50

Принципиальная схема электрохимической обработки по экспериментальной технологии изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для электрохимического микроформообразования:

1 - источник питания постоянного тока; 2 - коммутирующее устройство; 3 - генератор импульсов; 4 - электрохимическая ячейка;

5 - система позиционирования электрода-инструмента;

6 - система прокачки электролита

Источник постоянного тока (1), генератор импульсов (3) и связывающее их коммутирующее устройство (2) входят в состав импульсного источника питания, обеспечивающего энергетическое обеспечение электрохимической ячейки (4). Система позиционирования (5) включает в себя 3-х координатный стол и систему точного позиционирования по координате 7. Система прокачки электролита (6) включает в себя бак, насос, а так же систему подачи электролита непосредственно в межэлектродный зазор.

При реализации данной технологии была собрана экспериментальная электрохимическая установка, состав которой изображен на рис. 2.

Установка состоит из источника питания постоянного тока (1), обеспечивающего питанием коммутирующее устройство (8) и систему перемещений. Источника питания постоянного тока (2) входит в состав раз-

работанного импульсного источника питания и служит непосредственно для энергообеспечения электрохимической ячейки. Генератор импульсов специальной формы (3) необходим для генерации импульсов определенной формы и длительности, управляющих коммутирующим устройством (8). Цифровой запоминающий осциллограф (4) используется для наблюдения и контроля параметров импульсов во время обработки. Приводы линейных перемещений (9) обеспечивают позиционирование ванны (6) с заготовкой и электрододержателя с погрешностью не более 5 мкм. Более точное позиционирование электрода-инструмента. с точностью до 400 нанометров, обеспечивает прецизионный линейный позиционер (5) с двигателем постоянного тока и энкодером. При этом ход данного позиционера ограничивается 50 мм. Разработанное коммутирующее устройство (8) служит для формирования импульсов с частотой и формой, задаваемой генератором импульсов. Управление системой перемещений осуществляется с помощью персонального компьютера (7).

Рис. 2. Состав экспериментальной электрохимической установки: 1,2 - источники питания постоянного тока; 3-генератор импульсов;

3 - линейный позиционер высокой точности; 4 - осциллограф;

5 -линейный позиционер; 6 - ванна с электролитом; 7 - персональный компьютер; 8 -коммутирующееустройство; 9 -приводы линейных

перемещений по X, У,1

Были проведены первые пробные эксперименты при следующих условиях:

материал электрода-инструмента - Л70; материал заготовки - 12Х18Н10Т; амплитуда импульсов - 12 В; длительность импульсов - 1 мкс; скважность 7;

электролит: Ка2304- 7,5 г/л; И2304 - 3,5 г/л.

Межэлектродный зазор поддерживался в течение обработки на уровне 10 мкм. На момент проведения эксперимента в экспериментальной установке отсутствовала система подачи электролита, поэтому обработка проводилась в неподвижном электролите. Время обработки составило 5 минут, при этом каждую минуту производился отвод электрода-инструмента с последующей промывкой зазора. В процессе обработки были использованы электроды-инструменты со следующими геометрическими характеристиками:

цилиндрический, диаметром 1 мм;

кольцевой, внутренний диаметр 2,5 мм, толщина стенки 0,2 мм; прямоугольный, с толщиной100 мкм и длинной 5 мм; криволинейный, с толщиной 100 мкм и длинной 1,8 мм; криволинейный в форме цифры 8, с толщиной 150 мкм.

Результатом обработки с недостаточной прокачкой электролита стало появление светлых ореолов вокруг получаемых пазов (рис. 3, а), свидетельствующих о небольшом растворении заготовки вблизи электродов инструментов.

б в

Рис. 3. Полученные пазы в микрометровом диапазоне в различных масштабах

Однако растрав по периметру пазов носил крайне незначительный характер. При этом за счет применения ультракоротких импульсов напряжения наблюдалось резкое повышение локализации, что позволило достичь точности копирования порядка 15 мкм (рис. 3, б).

Необходимо отметить, что поддержание начальных условий крайне важно при электрохимической обработке на сверхмалых зазорах. Примером может служить полученная канавка криволинейным электродом-инструментом (рис. 3, в). Как мы видим, в центре паза наблюдается необработанный гребень. Данный эффект проявляется из-за достижения в зоне межэлектродного промежутка диффузионных ограничений. Под этим подразумевается ограниченность объема электролита, последующее зашлам-ление МЭЗ в центре паза и, как следствие, прекращение обработки в этом месте. Для исключения данных явлений необходимо производить качественную прокачку электролита через межэлектродный зазор для своевременной эвакуации продуктов реакции, а так же для обновления электролита в зоне обработки.

Список литературы

1. Седыкин Ф.В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. М., «Машиностроение», 1976.

2. Estimationoftheprocess localization at the electrochemical machining by microsecond pulses of bipolar current/A.N.Zaytsev u.o.// Journal of Materials Processing Technology:Elsevier, Scotland, 2004.-vol.149/1-3, pp.475-481.

Веневцев Алексей Юрьевич, асп., ассистент, venevtsev@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

EXPERIMENTAL DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL MICROMACHINING WITH

ULTRASHORT PULSES VOLTAGE

A.Y. Venevtsev

Describes the setting designedfor electrochemical treatment on ultra-gaps using ultrashort voltage pulses. The characteristics of developed and produced a pulsed power source for the electrochemical treatment. Showing results formation of the micro-geometry on the surface of the part.

Key words: micromachining, ultrashort pulses voltage, electrochemical machining, experimental device.

Venevtsev Alexey Yurievich, postgraduate, assist, venevtsev@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University