О результатах численного моделирования двумерных электростатических полей при электрохимическом полировании

вах можно рекомендовать следующим состав электролита: 1 г/л щелочи, например, КОН и 10 г/л N828103.

Библиографический список

1. Гордиенко, П. С. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов / П. С. Гордиенко, С. В. Гнеденков. Владивосток : Дальнаука, 1997.

2. Голенкова, А. А. Совершенствование технологии формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / А. А. Голенкова. Красноярск, 2006.

3. Черненко, В. И. О свойствах покрытий, полученных на алюминии и его сплавах из щелочных электролитов в искровом разряде / В. И. Черненко, А. Г. Крапивный, Л. А. Снежко. Киев, 1980.

4. Федоров, В. А. Формирование упрочненных поверхностных слоев методом микродугового оксидирования в различных электролитах и при изменении токовых режимов / В. А. Федоров, В. В. Бе-лозеров, Н. Д. Великосельская // Физика и химия обработки материалов. 1991. № 1. С. 87-93.

5. Ботаева, Л. Б. Разработка технологии изготовления металлокерамических изделий для медицины на основе титана с оксидными и каль-цийфосфатными покрытиями : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.17.11 / Л. Б. Ботаева. Томск, 2005.

6. Мамаев, А. И. Адгезия и пластичность покрытий, полученных микроплазменным оксидированием титана / А. И. Мамаев, Т. И. Дорофеева,

B. А. Мамаева и др. // Технология металлов. 2008. № 3. С. 33-37.

7. Черненко, В. И. Электролиты для формовки керамических покрытий на алюминии в режиме искрового разряда / В. И. Черненко, Л. А. Снежко,

C. Б. Чернова // Защита металлов. 1984. Т. 20. № 3. С. 454-458.

8. Снежко, Л. А. Анодный процесс при формовке силикатных покрытий / Л. А. Снежко, С. Г. Павлюс, В. И. Черненко // Защита металлов. 1984. Т. 20. № 2. С. 292-295.

9. Слонова, А. И. О роли состава силикатного электролита в анодно-катодных микродуговых процессах / А. И. Слонова, О. П. Терлеева, Г. А. Марков // Защита металлов. 1997. Т. 33. № 2. С. 208-212.

A. S. Andreev, A. A. Snezhko Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

THE INFLUENCE OF ELECTROLYTE COMPOSITION ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF OXIDE COATINGS FORMED ON TITANIUM ALLOYS BY MICROARC OXIDATION

The paper is dedicated to the electrolyte composition and the influence of the electrolyte concentration components on the structure and operating characteristics (porosity, hardness, thickness) coatings formed on titanium alloys by microarc oxidation.

© Андреев А. С., Снежко А. А., 2009

УДК 658.512.24

Л. А. Бабкина, И. Я. Шестаков, А. С. Квасов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

О РЕЗУЛЬТАТАХ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ПОЛИРОВАНИИ

Рассматривается задача моделирования двумерного электростатического поля при электрохимическом полировании на основе биполярного электрода. Проводится сравнительный анализ результатов численного моделирования в программном комплексе COSMOS/M и пакете математических вычислений Maple.

Электрохимическое полирование (ЭХП) широко применяется в производстве деталей летательных аппаратов и занимает ведущее место в доводочных операциях [1].

В прикладной электрохимии широко используется биполярный электрод (БПЭ), позволяю-

щий улучшить равномерность распределения тока по электроду. Биполярный метод электрохимической обработки применяется при полировке труб, снятии заусенцев, прошивке отверстий, в технологических процессах травления, обезжиривания и др. [2].

Перспективные материалы и технологии в аэрокосмической отрасли

При электрохимическом полировании проблема равномерности распределения тока по поверхности деталей является первостепенной. От характера распределения тока зависит качество поверхности, в том числе ее шероховатость [3; 4].

В качестве объекта исследования рассматривается электрическое поле, возникающее при доводке поверхности детали электрохимическим полированием на основе биполярного электрода. Задачами исследования являются создание численной двумерной модели распределения электростатического поля в межэлектродном зазоре (МЭЗ) и разработка алгоритма реализации численного решения в среде интегрированных пакетов конечно-элементных расчетов.

Численное моделирование электростатических полей в МЭЗ выполнено в среде интегрированного пакета конечно-элементных расчетов COSMOS/M (модуль ESTAR) и конечно-разностный расчет в Maple, в котором реализована предложенная в работе [5] математическая модель двумерного электростатического поля применительно к электрохимическому полированию.

Моделировалась реальная схема электрохимического полирования цилиндрической трубки, установленной симметрично относительно двух плоских электродов. После цикла обработки полярность подключения электродов меняют на противоположную, либо поворачивают деталь на 180° относительно ее оси. Особенностью схемы является то, что обрабатываемая деталь играет роль биполярного электрода, т. е. на ее поверхности одновременно протекают анодные и катодные реакции. Ток к обрабатываемой детали подводится через электролит сразу по всей ее поверхности. Такое решение токоподвода исключает структурные изменения металла и прижоги, исчезает погрешность обработки [6].

В процессе моделирования двумерного электростатического поля при электрохимическом полировании рассмотрены случаи, когда ширина плоского электрода в три и более раз больше наружного диаметра детали, сопротивление единичного поперечного сечения электролита равно или больше поляризационного сопротивления. В рассматриваемых случаях, когда ширина плоского электрода в три и более раз меньше наружного диаметра детали, возникает усиление краевых эффектов и происходит неравномерное распределение потенциалов по поверхности обрабатываемой детали.

В результате расчетов получены картины распределения электрических потенциалов в исследуемой области, плотности тока по поверхности обрабатываемой детали и силовых линий электрического тока [7].

Сравнительный анализ результатов численного моделирования в COSMOS/M и Maple показал расхождение ~ 2 %.

Силовые линии электрического тока распределяются наиболее равномерно по всей поверхности обрабатываемой детали, обращенной к катоду, когда ширина плоского электрода в три и более раз больше наружного диаметра детали, что ведет к равномерной обработке поверхности. При других рассматриваемых случаях равномерность обработки не достигается из-за усиления краевых эффектов.

Результаты численного моделирования подтверждают технологические возможности метода ЭХП с БПЭ по обработке полых цилиндрических деталей.

Использование численного моделирования электростатических полей в МЭЗ в условиях ЭХП позволяет существенно сократить время и затраты на разработку новых технологических процессов (ТП).

Полученные результаты будут использованы при разработке ТП финишной обработки поверхностей деталей летательных аппаратов.

Библиографический список

1. Воробей, В. В. Теоретические основы проектирования технологических процессов ракетных двигателей. Технология производства жидкостных ракетных двигателей / В. В. Воробей,

B. Е. Логинов. М. : Дрофа, 2007.

2. Мороз, И. И. Биполярный метод электрохимической обработки и некоторые его технологические возможности / И. И. Мороз, В. Ф. Орлов, Б. И. Чугунов // Электронная обработка материалов. 1982. № 6. С. 19-23.

3. Экслер, Л. И. Классификация параметров шероховатости / Л. И. Экслер // Технологические методы повышения качества поверхности деталей машин : сб. ст. Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1978.

C.140-147.

4. Вдовенко, В. Г. Эффективность электрохимической обработки деталей : монография / В. Г. Вдо-венко. Красноярск : Изд-во Краснояр. ун-та. 1991.

5. Мурашев, Д. А. Математическое моделирование электрических полей в системах с биполярным электродом : автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук / Д. А. Мурашев. Саратов : Изд-во СГТУ, 2006.

6. Пат. №2229543, Россия 7С25Б3/16. Способ электрохимического полирования / И. Я. Шеста-ков, Л. А. Бабкина ; заявл. 15.07.02 ; опубл. 27.05.2004, Бюл. № 15 ; приоритет 15.07.02.

7. Бабкина, Л. А. Численное моделирование двумерных электростатических полей при электрохимическом полировании / Л. А. Бабкина, И. Я. Шестаков, А. С. Квасов // Вестник СибГАУ. Вып. 2 (23). 2009. С. 9-14.

L. A. Babkina, I. Y. Shestakov, A. S. Kvasov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

NUMERICAL MODELING OF TWO-DIMENSIONAL ELECTROSTATIC FIELDS AT ELECTROCHEMICAL POLISHING

The Modeling problem of two-dimensional electrostatic field at electrochemical polish is considered. Comparative analysis of numerical modeling results is executed in the programs COSMOS/M and Maple.

© Бабкина Л. А., Шестаков И. Я., Квасов А. С., 2009

УДК 541.182.02/.023.4

А. М. Бакин, В. П. Жереб Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИРОДЫ МЕЗОМОРФИЗМА В ЖИДКОСТЯХ

Проведено исследование природы упорядочения неизометрических составляющих жидкости моделированием в приближении среднего поля. Получена зависимость параметра упорядочения этих составляющих от приведенной температуры. Показано, что мезоморфные состояния в многокомпонентных жидких системах можно рассматривать как состояние с отличной от 0 упорядоченностью.

Эффекты аномального изменения физико-химических свойств в жидких бинарных и многокомпонентных системах различной природы (растворы поверхностно-активных веществ - ПАВ и полимеров, расплавы) обнаружены достаточно давно [1; 2], в последнее время их связывают с процессами упорядочения в жидкости (явление мезоморфизма). Экспериментально было показано, что эффекты упорядочения наблюдаются в достаточно простых системах.

В нашей работе исследуется влияние анизотропии элементов системы на появление состояния с некоторой степенью упорядоченности в жидкой среде.

Рассмотрим раствор ПАВ в однородном жидком растворителе. Для построения модели сделаем следующие предположения: 1 - молекулы ПАВ представляют собой твердые несжимаемые стержни с длиной L и диаметром D; 2 - стержни обладают дипольным моментом; 3 - стержни симметричны относительно вращения вдоль оси и антисимметричны относительно поворота; 4 - расположение молекул воды описывается решеточной моделью; 5 - длина молекул много больше их толщины; 6 - концентрация молекул ПАВ существенно меньше 1, поэтому можно не учитывать непосредственные столкновения молекул ПАВ между собой.

Воспользовавшись приближением среднего поля найдем параметр упорядочения, определенный следующим образом:

S = < cos 0 > =/ f (0)cos 0 • dW,

где 0 - телесный угол, описывающий пространственную ориентацию диполя.

Считая, что данная система стремится к состоянию с минимумом энергии и, применяя вариационный метод, мы получили самосогласованное уравнение, для решения которого был использован математический пакет МАТЬАБ.

Температурная зависимость параметра упорядочения показывает (см. рисунок), что упорядочение имеет максимум при определенной критической температуре и никогда не обращается в ноль. То есть, состояние, которое мы определили как мезоморфное, существует всегда, но принимает значения, влияющие на результаты измерений лишь в узком значении температур.

Зависимость параметра упорядочения 8 от приведенной температуры Т/Тс

Экспериментальная проверка модели показала, что для 0,01 мас. % раствора олеиновой кислоты в воде критическая температура ТС составляет примерно 78 °С, что отражается на теплоемкости раствора.