Влияние режимных параметров процесса анодного растворения на обеспечение качества электрохимического формообразования

УДК 621.9.047

Машиностроение и машиноведение

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА АНОДНОГО РАСТВОРЕНИЯ НА ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

А.И. Болдырев, А.А. Болдырев, В.В. Григораш

Эффективность электрохимического формообразования определяется его выходными технологическими показателями - производительностью, точностью обработки, качеством обработанной поверхности. При этом обрабатываемость металла электрохимическим методом рассматривается как функция свойств металла заготовки, электролита, режимных параметров процесса анодного растворения. В статье рассмотрено влияние режимных параметров анодного растворения на основные показатели процесса.

Производительность процесса или скорость анодного растворения металла, в конечном счете, определяется значениями анодной плотности тока и анодного выхода по току. Показаны пути повышения интенсификации производительности процесса: вибрация электродов, наложение на электроды ультразвукового поля, применение абразивонесущего электролита, комбинирование различных методов обработки, правильный выбор состава электролита и основных технологических параметров процесса.

Точность электрохимического формообразования определяется локализующей способностью системы металл-электролит, которая зависит от состава электролита, величины межэлектродного зазора, конструкции электрода-инструмента, режима электролиза. Локализующая способность системы может быть повышена путем использования в качестве рабочей среды газожидкостной смеси или кислородосодержащих электролитов, изоляции нерабочих участков поверхности электрода-инструмента, поддержания малых межэлектродных зазоров и использования импульсного тока.

Шероховатость поверхности уменьшается с уменьшением величины межэлектродного зазора, увеличением скорости подачи электрода-инструмента, с усилением пассивирующего действия электролита, повышением степени локализации процесса анодного растворения металла. При обработке импульсным током шероховатость поверхности снижается с увеличением амплитудной плотности тока. При выполнении большинства операций электрохимического формообразования шероховатость поверхности находится в пределах Ra = 2,5-0,32 мкм

Ключевые слова: электрохимическая обработка, режимы, технологические показатели

Эффективность и качество любого способа обработки металлов, в том числе и электрохимического формообразования,

определяются его выходными

технологическими показателями -

производительностью и точностью обработки, качеством обработанной поверхности [1].

В производственных условиях при обработке объемно-фасонных поверхностей площадью от 100 до 800 см2 при работе в непрерывном режиме удельная скорость съема металла составляет 50-200 м3/А-ч. Это соответствует скорости подачи электрода инструмента 1-5 мм/мин при точности формообразования 0,1-0,5 мм и шероховатости поверхности, соответствующей Ra = 2,5-0,32 мкм. При работе в импульсно-циклических режимах скорость съема металла снижается до 6-8 раз, но при этом повышается точность формообразования и несколько повышается качество обработанной поверхности [2].

Обрабатываемость металла электрохимическим методом рассматривается,

Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: aiboldyrev@mail.ru Болдырев Александр Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: alexboldyrev@yandex.ru Григораш Владимир Васильевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: svarka@vgasu.vrn.ru

как правило, как функция свойств металла заготовки, электролита, режимных параметров процесса анодного растворения [3]. Рассмотрим влияние режимных параметров анодного растворения на основные показатели процесса.

1. Производительность

На рис. 1 схематично представлены зависимости производительности процесса традиционного электрохимического

формообразования от основных параметров электролита и режима электролиза.

Производительность процесса или скорость анодного растворения металла, в конечном счете, определяется значениями анодной плотности тока и анодного выхода по току. Поэтому все способы, так или иначе способствующие их повышению, приводят к увеличению производительности

Самым простым и в то же время самым эффективным способом интенсификации анодного растворения металла и повышения выхода по току является правильный выбор состава электролита и основных технологических параметров процесса. При проектировании технологического процесса электрохимической размерной обработки для выбора электролита и параметров электролиза наиболее целесообразно пользоваться

очень высоких требованиях к точности обработки.

Сущность воздействия ультразвукового поля на процесс анодного растворения металла заключается в сильном перемешивающем действии, качественно отличном от обычного механического перемешивания. Благодаря этому сильно снижается концентрационная поляризация и увеличивается допустимое значение плотности тока. При этом создаются условия, способствующие повышению производительности процесса. Кроме того ультразвуковое поле оказывает влияние на энергетическую активность реагирующих частиц, способствует их диспергированию. В промышленной электротехнологии успешно применяется комбинированная ультразвуковая и электрохимическая обработка для

формообразования твердосплавных фильер и деталей штампов небольших размеров. Это качественно отличная комбинированная обработка, где разрушение металла происходит не по электрохимическому, а по другому механизму [5]. Область применения такой комбинированной обработки ограничивается твердосплавными деталями небольших размеров.

Применение абразивонесущего

электролита дает положительный эффект при комбинированной ультразвуковой-

электрохимической обработке или анодно-абразивной обработке, но совершенно неприемлемо в условиях электрохимического формообразования, когда зазоры между электродами составляют десятые или сотые доли миллиметра [6].

Значительное увеличение

производительности процесса достигается путем совмещения анодного растворения металла с эрозионным разрушением металла [7], такой электроэрозионнохимический процесс основан на избирательном локальном разряде в местах с наименьшей электрической прочностью и анодном растворении металла по всей поверхности заготовки, находящейся под рабочей поверхностью электрода-инструмента. Линейная скорость обработки достигает 3-5 мм/мин для твердых сплавов марки ВК, 10-15 мм/мин - для нержавеющих и жаропрочных сплавов, 30-40 мм/мин - для легированных сталей. Однако область применения этого процесса ограничена в основном черновыми операциями.

Интенсификация процесса анодного растворения металла может быть также достигнута путем уменьшения величины межэлектродного зазора. При этом повышается 99

Параметр процесса Произдоди-тельность

Напряжение на злектродах 1 у

Плотность тока 1 1

Подача злектрода-инструмента 1

Концентрация злектролита

Температура злектролита 1 1

Электропроводность злектролита

Скорость течения злектролита 1 1 ^

Рис. 1. Зависимости производительности процесса электрохимического формообразования от основных параметров электролита и режима электролиза

методикой стандартного эксперимента [4]. Это тем более целесообразно, что при этом учитываются взаимосвязь и взаимовлияние параметров электролита и режима электролиза.

В литературе нередко указывается на целесообразность введения в

электрохимическую систему электрод-инструмент-электролит-электрод-заготовка дополнительных факторов, таких как вибрация электродов, наложения на электроды ультразвукового поля, применения

абразивонесущего электролита [1]. Однако это справедливо лишь в определенных областях применительно к каждому конкретному случаю.

Наложение на электроды механических колебаний действительно способствует лучшей эвакуации из рабочей зоны продуктов реакции и тем самым облегчает процесс анодного растворения металла и способствует повышению выхода по току. Однако этот способ не может быть использован при обработке полостей сложной конфигурации при малых зазорах. Область его применения ограничена формообразованием полостей сравнительно несложной конфигурации при не

напряженность электрического поля и, соответственно, эффективная плотность тока. Однако беспредельно уменьшать величину межэлектродного зазора нельзя, т.к. с уменьшением величины зазора растет вероятность возникновения короткого замыкания и затрудняется прокачка электролита через межэлектродный

промежуток. На практике возможность обработки при малых зазорах реализуется двумя путями: использования в качестве рабочей жидкости газожидкостной смеси и перехода на импульсно-циклические режимы.

Использование газожидкостной смеси дает положительный эффект, особенно при обработке полостей сложной конфигурации. При достаточно высокой производительности достигается и высокая точность обработки, и высокое качество поверхностного слоя.

Производительность процесса

электрохимической размерной обработки в импульсно-циклическом режиме значительно ниже, чем в условиях непрерывной обработки. Однако, если процесс осуществляется с максимально возможной энергоемкостью, то производительность импульсной обработки может быть повышена до значений, близких к получению в условиях непрерывной обработки за счет увеличения энергии импульсов (при амплитудной плотности тока в импульсе 50023500 А/см2 и напряжении 200-300 В). Интегральное количество электричества достигает таких же величин, как и при постоянном токе, при плотности тока 30-100 А/см2 [2]. Это представляет интерес для производственников с точки зрения развития технологии электрохимической размерной обработки в импульсно-циклическом режиме.

2. Точность обработки

На рис. 2 схематично представлены зависимости точности процесса традиционного электрохимического формообразования от основных параметров электролита и режима электролиза.

Точность формообразования зависит от целого ряда факторов, которые находятся в сложной взаимозависимости.

Известно, что основной предпосылкой при выборе электролита является возможность анодного растворения в нем данного металла. Однако при этом следует иметь в виду, что чем резче проявляется зависимость выхода по току от плотности тока и концентрации электролита, тем выше точность обработки.

Параметр процесса Точность обработки

Напряжение на злектродах

Платность тока

Подача злектрода-инструмента

Концентрация злектралита

Температура злектралита

Злектрапро&однасть злектралита

Скорость течения злектралита

Рис. 2. Зависимости точности процесса электрохимического формообразования от основных параметров электролита и режима электролиза

Точность электрохимического

формообразования определяется локализующей способностью системы металл-электролит, которая зависит от состава электролита, величины межэлектродного зазора,

конструкции электрода-инструмента, режима электролиза [8]. Локализующая способность системы может быть повышена путем использования в качестве рабочей среды газожидкостной смеси или

кислородосодержащих электролитов, изоляции нерабочих участков поверхности электрода-инструмента, поддержания малых

межэлектродных зазоров и использования импульсного тока.

Использование газожидкостных смесей в качестве рабочей среды - самый простой и в то же время достаточно эффективный способ повышения точности электрохимической обработки полостей сложной конфигурации [9].

При использовании кислородосодержащих электролитов растворение металла происходит в транспассивной области. Зависимость выхода по току от плотности тока проявляется довольно резко и точность обработки достигается более высокая, чем, например, в растворах нейтральных хлоридов. Это хорошо

известно на примере электролитов на основе нитратов или хлоратов.

При уменьшении межэлектродного зазора возникают две проблемы: возрастает вероятность короткого замыкания электродов и затрудняется прокачка электролита через рабочую зону.

Для предотвращения короткого замыкания и искрений между электродами созданы специальные блоки защиты. Работа этих блоков основана на использовании сигнала, характеризующего предельно допустимое состояние межэлектродного промежутка при данном режиме обработки (при данном напряжении и расходе электролита). Этот же сигнал используется для оптимизации процесса при работе на постоянном токе с непрерывной подачей электрода-инструмента.

Уменьшать величину межэлектродного зазора, как было показано выше, можно лишь до определенного предела. Вследствие интенсификации процесса анодного

растворения металла и сопутствующих ему процессов газо- и шламообразования становится необходимым разделение во времени фаз удаления металла с обрабатываемой поверхности и эвакуации из рабочей зоны продуктов реакции. Это можно осуществить только при переходе от непрерывного режима обработки к импульсно-циклическому, с использованием импульсного тока и различных законов движения электрод-инструмента. Таким образом, в межэлектродном промежутке искусственно создаются условия электролиза, близкие к идеальным.

Возможна аналогия между качеством схемы формообразования и используемой системой автоматического управления. Совершенство системы автоматического управления определяется объемом и качеством информации о течении процесса в межэлектродном промежутке, набором различных управляющих воздействий и алгоритмом управления. Поэтому до сих пор на первом плане стоит задача создания и совершенствования адаптивных систем управления процессом электрохимического формообразования. Эта задача осложнена специфическими трудностями получения достоверной информации о текущих координатах анодной поверхности,

фактической величине межэлектродного зазора, о свойствах рабочей среды в объеме межэлектродного промежутка и т.д.

Точность электрохимического

формообразования может быть также

повышена путем снижения на заключительном этапе обработки напряжения на электродах. При этом можно уменьшить величину межэлектродного зазора, рассеяние линий тока в электролите уменьшится и обработку можно вести при меньших скоростях течения электролита. Что позволяет избежать возникновения в рабочей зоне участков кавитации электролита. Известно [10], что максимальная степень локализации процесса анодного растворения металла достигается, если процесс ведется при потенциалах, близких к потенциалу анодной активации. Однако растворение при этом протекает нестабильно (видимо в результате конкуренции процессов анодной активации и пассивации поверхности металла). Это проявляется в снижении скорости растворения после резкого увеличения анодного тока, вызванного активацией поверхности (рис. 3).Приемлемая скорость растворения металла сохраняется лишь в течение небольшого периода времени. Между этими импульсами нужно депассивировать поверхность металла. Для этого можно использовать активирующий импульс тока. Но для того, чтобы активирующий импульс не вызвал заметного снижения степени локализации процесса, количество

электричества в нем должно быть много меньше количества электричества в рабочем импульсе. На рис. 4 показана типичная для такого случая форма импульса напряжения и тока.

3. Шероховатость поверхности

На рис. 5 схематично представлены зависимости влияния основных параметров электролита и режима электролиза на шероховатость поверхности, получаемой в процессе традиционного электрохимического формообразования.

Шероховатость поверхности, как известно, является одним из основных технологических показателей метода и режима обработки, в значительной мере определяющей

работоспособность детали, ее

эксплуатационные характеристики.

В отличие от всех иных известных методов обработки металлов, при электрохимической размерной обработке с повышением производительности, как правило, снижается и шероховатость поверхности. Это объясняется специфическими особенностями самого процесса электрохимического

Рис. 3. Изменение скорости растворения металла при активации анодной поверхности

и к

Т

/А

т

б

Рис. 4. Типичная форма напряжения (а) и тока (б) для активирующего импульса

формообразования: необходимым условием повышения производительности является повышение плотности тока, а с увеличением плотности тока скорости растворения различных структурных составляющих металла заготовки нивелируются, и качество поверхности улучшается [4].

Шероховатость поверхности уменьшается с уменьшением величины межэлектродного зазора, увеличением скорости подачи электрода-инструмента, с усилением

Параметр процесса Шероховатость поверхности

Напряжение на злектродах 1

Платность тока -

Подача злектрода-инструмента -

Концентрация злектролита -

Температура злектролита

Злектропрододнасть злектролита

Скорость течения злектролита

Рис. 5. Зависимости влияния основных параметров электролита и режима электролиза на шероховатость поверхности

пассивирующего действия электролита, повышением степени локализации процесса анодного растворения металла. При обработке импульсным током шероховатость поверхности снижается с увеличением амплитудной плотности тока.

При выполнении большинства операций электрохимического формообразования

шероховатость поверхности находится в пределах Ra = 2,5-0,32 мкм. Последующая финишная обработка (чаще всего механическая) обеспечивает снижение шероховатости поверхности, как правило, на 12 класса [11].

Поэтому, исходя из нынешнего уровня знаний о механизме процесса, технологии и средствах технологического оснащения, представляется весьма возможным полностью исключать из технологического процесса изготовления деталей финишную

механическую обработку и лишь путем изменения режима электролиза на заключительном этапе обработки добиться высокого качества поверхности при требуемой точности обработки.

а

Выводы

1. Достигнутые технологические показатели процесса электрохимического формообразования не являются предельными и отражают лишь сегодняшний уровень развития технологии и средств технологического оснащения.

2. Дальнейшее совершенствование процесса электрохимического формообразования возможно лишь при создании таких условий осуществления процесса, которые обеспечат достижение максимальной производительности при требуемой точности обработки и высоком качестве обработанной поверхности. Очевидно, что эта задача не может быть решена однозначно для всех металлов и всех типоразмеров деталей, встречающихся в производстве. Для каждой группы металлов, для каждого типоразмера деталей должно быть найдено оптимальное решение с использованием указанных путей.

Литература

1. Технология электрических методов обработки: учебн. пособие / В.П. Смоленцев, А.В. Кузовкин, А.И. Болдырев и др. Воронеж: ВГУ, 2001. 310 с.

2. Житников В.П. Импульсная электрохимическая размерная обработка / В.П. Житников, А.Н. Зайцев. М.: Машиностроение, 2008. 413 с.

3. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Обработка материалов с применением инструмента: учеб. пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др.; под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 1. 248 с.

4. Справочник по электрохимии / под ред. А.М. Сухотина. М.: Химия, 1981. 488 с.

5. Формализация напряженно-деформированного состояния детали с подвижной границей в условиях электрического и комбинированного формообразования /

A.И. Болдырев, С.В. Усов, А.А. Болдырев и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014.- Т. 10. -№ 1. -С. 16-19.

6. Смоленцев В.П. Расчет режимов обработки полостей несвязанными гранулами / В.П. Смоленцев, А.В. Кузовкин, А.И. Болдырев // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1997. № 1. С.. 58-61.

7. Комбинированные методы обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А.В. Кузовкин и др.; под ред.

B.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 1996. 168 с.

8. Экспериментальные исследования технологических возможностей электрохимического формообразования / А.И. Болдырев, С.В. Усов, А.А. Болдырев и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014. -Т. 10. -№ 3.1. -С. 120-122.

9. Болдырев А.А. Приготовление рабочих сред для электрохимической обработки / А.А. Болдырев, А.И. Болдырев // Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. Липецк: ЛГТУ, 2015. С. 48-51.

10. Багоцкий В.С. Основы электрохимии / В.С. Багоцкий. М.: Химия,1988. 520 с/

11. Болдырев А.И. Экспериментальные исследования состояния поверхностного слоя после электрохимикомеханической обработки / А.И. Болдырев // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т. 6. -№ 10. -С. 15-20.

Воронежский государственный технический университет

INFLUENCE OF OPERATING CONDITIONS IN ANODIC DISSOLUTION PROCESS ON QUALITY ASSURANCE OF ELECTROCHEMICAL SHAPING

A.I. Boldyrev1, A.A. Boldyrev2, V.V. Grigorash3

'Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: aiboldyrev@mail.ru 2PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: alexboldyrev@yandex.ru 3PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: svarka@vgasu.vrn.ru

Efficiency of electrochemical shaping is determined by its output technological parameters: productivity, accuracy of processing, quality of the treated surface. Electrochemical machinability is considered as a function of the properties of the metal of a workpiece, electrolyte, and the regime parameters of the anodic dissolution process. The influence of regime parameters of anodic dissolution on the main parameters of the process is considered in the article.

Productivity of the process or the rate of anodic dissolution of a metal is ultimately determined by the values of the anode current density and the anode current output. The ways of increasing the intensification of the process productivity are shown: vibration of the electrodes, superposition of ultrasonic field on the electrodes, application of abrasive-bearing electrolyte, combination of various processing methods, correct choice of the electrolyte composition and the main technological parameters of the process.

The accuracy of electrochemical shaping is determined by the localizing ability of the metal-electrolyte system, which depends on the composition of the electrolyte, the size of the interelectrode gap, the electrode-tool design, and the electrolysis regime. The localization capacity of the system can be increased by using a gas-liquid mixture or oxygen-containing electrolytes as a working medium, isolating the non-working areas of the electrode-tool surface, maintaining small interelectrode gaps, and using a pulsed current.

The surface roughness decreases with a decrease in the interelectrode gap size, with an increase in the feed rate of the tool electrode, with an increase in the passivating action of the electrolyte, and with an increase in the degree of localization of

103

the anodic dissolution of the metal. When processing by impulse current, the surface roughness decreases with an increase of the amplitude current density. When the most electrochemical shaping operations are performed, the surface roughness is in the range of Ra = 2.5-0.32 ^m

Key words: electrochemical treatment, modes, technological indicators

References

1. Smolentsev V.P., Kuzovkin A.V., Boldyrev A.I. "Electrical processing methods technology" ("Tekhnologiya elektricheskikh metodov obrabotki"), Voronezh, VSU, 2001, 310 p.

2. Zhitnikov V.P., Zaytsev A.N. "Pulsed electrochemical dimensional processing" ("Impul'snaya elektrokhimicheskaya razmernaya obrabotka"), Moscow, Mashinostroenie, 2008, 413 p.

3. Smolentsev V.P., Boldyrev A.I., Smolentsev E.V. "The theory of electrical, chemical and physical processing methods. Processing materials using tools" ("Teoriya elektricheskikh i fiziko-khimicheskikh metodov obrabotki. Obrabotka materialov s primeneniem instrumenta"), Voronezh, VSTU, 2008, part 1, 248 p.

4. Sukhotin A.M. "Handbook of Electrochemistry" ("Spravochnik po elektrokhimii"), Moscow, Khimiya, 1981, 488 p.

5. Boldyrev A.I., Usov S.V., Boldyrev A.A. "Formalization of the stressed-deformed state of a part with a movable boundary under conditions of electric and combined shaping", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2014, vol.10, no. 1, pp. 1619.

6. Smolentsev V.P., Kuzovkin A.V., Boldyrev A.I. "Calculation of modes for treating cavities with unbound granules", Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Russian Aeronautics, 1997, no. 1, pp. 58-61.

7. Smolentsev V.P., Boldyrev A.I., Kuzovkin A.V. "Combined processing methods" ("Kombinirovannye metody obrabotki"), Voronezh, VSTU, 1996, 168 p.

8. Boldyrev A.I., Usov S.V., Boldyrev A.A. "Experimental studies of technological possibilities of electrochemical formation", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2014, vol.10, no. 3-1, pp. 120-122.

9. Boldyrev A.A.. Boldyrev A.I. "Preparation of working media for electrochemical processing", Proc. of the International Scientific and Technical Conference (Sbornik nauchnykh trudov mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii), Lipetsk, LSTU, 2015, pp. 48-51.

10. Bagotskiy V.S. "Fundamentals of electrochemistry" ("Osnovy jelektrohimii"), Moscow, Khimiya, 1988, 520 p.

11. Boldyrev A.I. "Experimental studies of the state of the surface layer after electrochemical-mechanical treatment", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2010, vol. 6, no. 10, pp. 15-20.