Теоретическое исследование параметров импульсов тока при электрохимической обработке с микро- и нанопараметрами

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УДК 621.9.047

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ С МИКРО- И НАНОПАРАМЕТРАМИ

В.В. Любимов, В.М. Волгин, В.П. Красильников

Рассмотрено моделирование размерной электрохимической обработки при использовании наносекундных импульсов напряжения с различными по длительности передними и задними фронтами импульса напряжения. Выявлено влияние параметров наноимпульсов тока на скорости анодного растворения и выравнивания исходной погрешности. Проведено исследование по выбору длительности импульса напряжения для обеспечения эффективного выравнивания.

Ключевые слова: размерная электрохимическая обработка, фарадеевский ток, ультракороткие импульсы, численное моделирование.

Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) является высокоэффективным методом обработки, особенно труднообрабатываемых материалов [1 - 3]. Развитие ЭХРО происходит в направлении применения меньших межэлектродных зазоров (МЭЗ) и импульсно-циклических схем обработки. Уменьшение величин длительностей импульсов напряжения привело к необходимости учета влияния переходных процессов токов заряжения двойного электрического слоя и фарадеевских токов на скорости анодного растворения и выравнивания исходной погрешности А.

Ранее выполненные исследования влияния формы импульсов напряжения на токовые характеристики ЭХРО показали важность учета крутизны переднего фронта импульса напряжения на плотность тока в МЭЗ и точностные показатели процесса ЭХРО [4 ].

Однако исследования выполнялись при больших длительностях единичных импульсов напряжения (свыше 2 мс). Эти результаты труднопереносимы на процессы, протекающие в наносекундных интервалах.

В связи с совершенствованием электронной техники, источников технологического напряжения появилась возможность формирования при ЭХРО микро- и наноимпульсов большой мощности.

402

Целью работы является теоретическое обоснование эффективной формы и длительности импульса напряжения (длительностей импульса напряжения и его переднего фронта). Названные параметры импульса напряжения оказывают существенное влияние на скорости анодного растворения и выравнивания исходной погрешности А.

Математическая модель ЭХО ультракороткими импульсами. При получении математической модели будем учитывать омическое сопротивление электролита, емкости двойных электрических слоев (ДЭС) на электродах и сопротивление, обусловленное протеканием электрохимической реакции (рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема ЭХО с ультракороткими импульсами с учетом двойного слоя только на аноде

Для упрощения математического описания будем использовать локально-одномерное приближение, в рамках которого омические потери в объеме раствора могут быть определены с использованием следующего соотношения:

I • £

Фом =-,

а

где i - плотность тока в объеме раствора электролита; S - межэлектродный зазор; а - удельная электропроводность раствора электролита.

Если пренебречь эффектом ДЭС на катоде и не учитывать его поляризацию (рис. 1), то математическая модель ЭХО ультракороткими импульсами сведется к одному дифференциальному уравнению:

С ^ФК + 7

С Л ,а

ехр

ехр

(1 - a)nF ЯТ anF

Фа

Фа

а

и (( )— Фа

£

V ЯТ

Начальное условие для уравнения (2) следует задавать в следующем

виде:

Фа,0' Фс|г=0 = Фс,0

г=0 та,о> ч'с^=о 403

Будем считать, что а=0.5, /0 = ¡^ а = ¿0 с, С = Са = Сс , ф = фа = фс и

Фа = фа о = Фс о • В этом случае можно записать:

+ 2^йф) = си

йг 0 к ^ 5

где А = - параметр; б1пЬ(Аф) = [ехр(Аф)- ехр(- Аф)]/2 - гиперболиче-

2 ЛТ

ский синус; р - параметр, значение которого равно количеству учитываемых ДЭС (1 для схемы рис. 1).

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:

С—+ 2/0 (Аф) йг 0 v

° и л. где ¡ф = о--установившееся значение фарадеевской плотности тока.

Аналитическое решение уравнения (6), удовлетворяющее начальному условию (4) имеет следующий вид:

--л л"

¡ф

Г /

±1п 1 tanh

А 2/0

V V

2С

•2

¡ф) + 40

- arctanh

¡ф - 20ехР

( ) + 4/0

ф

.2 «°> + 4¡0 + ¡ф

УУ

Из уравнения (6) следует, что начальная скорость изменения потенциала ДЭС равна ¡ф° / С, а стационарное значение потенциала после полного заряжения ДЭС (в предположении, что катодной составляющей можно

1

пренебречь) равно ф° = —1п—, следует выражение для постоянной вре-

А ¡0

мени заряжения ДЭС:

т

1п ¡ф.

¡0

А1,

ф

Плотность тока заряжения-разряжения ДЭС определяется следующим образом:

¡ДЭС

с йф йг '

Плотность тока анодного растворения (фарадеевская плотность тока) во время импульса определяется следующим образом:

7Ф = 7ф - 7ДЭС .

Во время паузы плотность тока анодного растворения равна по величине и противоположна по знаку плотности тока разряжения ДЭС:

7Ф =-7ДЭС.

В результате интегрирования плотности тока анодного растворения за период следования импульсов можно определить величину количества электричества, которая пропорциональна величине растворенного материала заготовки:

гпер

q = 17Ф Ш,

0

где гпер = гимп - период следования импульсов; гп - длительность паузы.

Производительность процесса можно охарактеризовать средней за период следования импульсов плотностью тока анодного растворения:

q

7Ф,ср = --'

гпер

Результаты численного моделирования. При моделировании производилось численное решение уравнения (2) при следующих значениях параметров: а = 5Ом-1м-1, иимп = 4 В, ип = 0 В, гимп = 50 -100 нс, гп = 40 нс, гфронт = 10 - 50 нс, а = 0.5, п = 2, С = 0.2 Ф • м-2, 70 = 100 А • м-2.

Зависимости плотностей тока от времени юбщ = ДХ), iф = f(t), ^эс = f (t), полученные при межэлектродных зазорах s равных 10, 20, 30 мкм представлены на рис. 2, а, б, в.

Из приведенных зависимостей следует, что увеличение длительности переднего фронта импульса напряжения tфронт приводит к увеличению времени задержки роста фарадеевских токов ^ад в межэлектродном промежутке (рис. 3, а) и к уменьшению амплитуд фарадеевских токов iфmax (рис. 3, б).

Этот процесс носит нелинейный характер. В рассмотренных условиях при изменении tфронт от 10 до 50 нс. и МЭЗ S =20 мкм происходит увеличение ^ад от 26 до 45 нс (рис. 3, а).

Кроме того при таком изменении tфронт наиболее существенное уменьшение амплитуд фарадеевских токов iфmax происходит при больших межэлектродных зазорах (рис. 3, б).

Применение импульсов напряжения с малой крутизной переднего фронта импульса приводит к существенному снижению линейной скорости анодного растворения (уменьшение плотности тока) особенно при больших межэлектродных зазорах, что является отрицательным явлением.

405

Вместе с тем при оценке скорости выравнивания исходной погрешности А можно заметить, что эффективность выравнивания возрастает с увеличением tфронт, что является следствием существенного уменьшения плотности фарадеевского тока при большей величине tфронт (рис.4).

Проведены исследования по влиянию выбранной длительности импульса напряжения ^мп на форму импульса тока (рис. 5, а, б, в).

Рис. 2. Зависимости плотностей тока I от времени для первого импульса при различных значениях 1фронт (10, 30, 50 нс) и межэлектродных зазоров: а - £ = 10 мкм; б - £ = 20 мкм; в - S = 30 мкм

Рис. 3. Графические зависимости фарадеевских токов 1зад: а - зависимости времени задержки 1зад от длительности переднего фронта импульса 1фронт при различных межэлектродных зазорах 8; б - зависимости амплитуд фарадеевских токов ЬФтах от длительности переднего фронта импульса 1фронт при различных межэлектродных зазорах 8

Рис. 4. Зависимость коэффициента локализации К от длительности переднего фронта импульса 1фронт при различных значениях

погрешности А

При малых МЭЗ ^ = 10 мкм) из-за малого времени задержки роста фарадеевского тока 1зад не происходит снижения 1фтах при изменении длительности импульса тока 1имп от 50 до 100 нс.

Увеличение МЭЗ до S = 30мкм приводит к существенному снижению 1фтах при длительности импульса тока 1имп = 50 нс (рис 6).

407

Рис. 5. Зависимости плотностей тока Ь от времени для первого импульса при различных длительностях импульса 1имп (50, 70,100 нс) при различных величинах межэлектродных зазоров: а - 8 = 10 мкм;

б - 8 = 20 мкм; в - 8 = 30 мкм

, 200 о 150

100 0 0

s

а 50

о

• S=10 мкм  S=20 мкм S=30 мкм

50

^имп нс

100

Рис. 6. Зависимости амплитуд фарадеевских токов 1фшвс от длительности импульса îumh при различных величинах межэлектродного зазора S

Такое изменение фарадеевских токов положительно сказывается на скорости выравнивания исходной погрешности при уменьшении длительности импульса тока.

Выводы:

1. Выявлено влияние длительности переднего фронта импульса тока на время задержки роста фарадеевского тока и его максимальной величины. Увеличение длительности переднего фронта приводит к уменьшению максимального значения фарадеевского тока.

2. Показано изменение эффективности выравнивания исходной погрешности в зависимости от длительности переднего фронта импульса тока.

3. Уменьшение длительности импульса напряжения с 100 нс до 50 нс приводит к снижению производительности, но положительно влияет на процесс выравнивания исходной погрешности.

Список литературы

1. El-Hofy H.A.G. Advanced machining processes: nontraditional and hybrid machining processes. NY: McGraw Hill, 2005. 253 p.

2. Kibra G., Bhattacharyya B., Davim J.P. (eds) Non-traditional Mi-cromachining Processes: Fundamentals and Applications. Berlin: Springer, 2017. 422 p.

3. Rajurkar K.P., Sundaram M.M., Malshe A.P. Procedia CIRP. 2013, 6,

13-26.

4. 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, заведующий кафедрой, lvv400@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Волгин Владимир Мирович, д-р техн. наук, профессор, volgin@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Красильников Владислав Петрович, ассистент, ferevlad@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THEORETICAL INVESTIGATION OF THE CURRENT PULSES PARAMETERS INELECTROCHEMICAL MACHINING WITH MICRO - AND NANOPARAMETRIC

V.V. Lyubimov, V.M. Volgin, V.P. Krasilnikov

The paper deals with the modeling of dimensional electrochemical machining using nanosecond voltage pulses with different duration of the front and rear edges of the voltage pulse. The effect of the parameters of the current pulses at the speed of anodic dissolution and alignment of the source of error. A study on the choice of the voltage pulse duration to ensure effective alignment.

Key words: dimensional electrochemical machining, Faraday current, ultrashort pulses, numerical simulation.

Lubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, lvv400@mail.ru, Russia, Tula State University,

Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, vol-gin@tsu.tula.ru, Russia, Tula State University,

Krasilnikov Vladislav Petrovich, assistant, ferevlad@yandex. ru, Russia, Tula State University.

УДК 539.4

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА КИНЕТИКУ ПРОЦЕССА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ

Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев,

Д.С. Клементьев, О.В. Пантюхин

Рассмотрено влияние состава коррозионной среды, растягивающих напряжений на длительную прочность арматурных сталей, эксплуатируемых в агрессивных водородсодержащих средах. Показано, что чувствительность арматурной стали к коррозионно-механическому разрушению увеличивается с ужесточением условий эксперимента. Выявлено, что увеличение уровня приложенных растягивающих напряжений приводит к сокращению инкубационного периода развития микротрещин при водородном растрескивании. Установлено, что чувствительность арматурной стали к растрескиванию в значительной степени определяется релаксационной способностью структуры - релаксация остаточных пиковых микронапряжений, локализующихся у границ зерен и субструктурных границ, способствует снижению чувствительности к коррозионно-механическому разрушению.

Ключевые слова: коррозионная среда, длительная прочность, температурные зависимости внутреннего трения, растягивающие напряжения, катодная поляризация.

Коррозионно-механическое разрушение (КМР), проявляющееся при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений (приложенных или остаточных) является одним из наиболее часто встречающихся видов хрупкого разрушения высокопрочных низколегированных сталей на предприятиях химической, газонефтедобывающей, металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности [1-4].