Исследование процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента

УДК 621.9.044

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА

В.В. Любимов, О.Е. Грачев, Д.В. Козырь

Разработана математическая модель для расчета электрических параметров электрохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента. Выполнено моделирование процесса анодного растворения материала образца. По результатам анализа полученных данных даны рекомендации по выбору рациональных параметров электрохимической обработки.

Ключевые слова: импульсный плазменный канал, электрохимическая обработка плазменный катод-инструмент.

Развитие машиностроения напрямую связано с постоянным ростом производительности и повышением качества обработки деталей. Технологические проблемы, связанные с обработкой новых материалов и сплавов, повышение точности и надежности трудно решить известными механическими методами. В этих условиях, когда возможности традиционных инструментов ограничены плохой обрабатываемостью материала изделия, сложностью формы обрабатываемой поверхности или обработка принципиально невозможна, целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки, в которых используются нетвердотельные инструменты. К таким методам относятся лазерная, плазменная, электронно-лучевая обработка.

В работе [1] было предложено использовать в качестве нетвердотельного катода-инструмента в электрохимической обработке импульсный плазменный канал, полученный вследствие пробоя воздуха мощным лазерным излучением наносекундной длительности.

Как известно при превышении определенного порога интенсивности лазерного излучения в среде происходит оптический пробой и на фокальном отрезке аксикона или в перетяжке каустики сферической линзы образуется протяженный плазменный канал. На начальном этапе формирования плазменный канал имеет размеры лазерного луча с протяженностью порядка длины фокального отрезка аксикона или перетяжки каустики сферической линзы. В начальный период времени удельная электропроводность канала может достигать величин порядка 106 (Ом-м)"1 [1]. Это величина сравнима с удельной электропроводностью графита [2].

Исходя из этого, была предложена схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента (рис. 1).Согласно технологической схеме обработки плазменный катод-инструмент 3 формируется в результате оптического пробоя среды лазер-

327

ным излучением 4, сфокусированным линзой 5. Сформированный плазменный катод-инструмент 3 находится рабочей частью в электролите 2. Подведение электрической энергии к плазменному катоду-инструменту 3 осуществляется путем его касания токоподводом 6 в зоне, находящейся вне электролита 2. Таким образом, между плазменным катодом-инструментом и анодом-заготовкой создается разность потенциалов, необходимая для протекания процесса анодного растворения.

Рис. 1. Схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента:

1 - анод-заготовка; 2 - электролит; 3 - плазменный катод-инструмент; 4 - лазерное излучение; 5 - фокусирующая линза;

6 - токоподвод

Учитывая вышеописанное, предполагается, что в зоне обработки имеет место сложный процесс энергетического воздействия на обрабатываемый материал. Поэтому необходимо произвести моделирование анодного растворение материала заготовки с применением плазменного катода-инструмента. По результатам моделирования определить поле скоростей анодного растворения и эволюцию обрабатываемой поверхности в результате обработки.

Теоретическое моделирование процесса анодного растворения с использованием плазменного катода-инструмента. При моделировании принимались следующие допущения:

1. Вследствие малого размера нагретых зон электролита и парогазовых оболочек вокруг плазменного катода-инструмента в определенные

промежутки времени, температурный фактор в расчетах не учитывался;

2. Выделяющееся в результате протекания электрического тока в электролите джоулево тепло в расчетах не учитывалось ввиду его пренебрежимо малой величины;

3. Принималось, что обработка производится в неподвижном электролите, так как движение электролита обеспечивает замену его пренебрежимо малого объема в МЭП за период существования плазменного катода-инструмента.

Расчетная схема для моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента представлена на рис. 2.

лазерное излучение

Рис 2. Расчетная схема для моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента:

1 - плазменный катод-инструмент; 2 - анод-заготовка;

3 - электролит; - начальный межэлектродный зазор;

Ьь - общая длина плазменного катода-инструмента;

Ьу - длина расчетной области; Ьх - ширина расчетной области;

йк(*) - диаметр плазменного катода-инструмента во времени;

Ук - подача плазменного катода-инструмента в процессе обработки; I(*) - сила тока в цепи технологической ячейки в процессе обработки

Величина начального межэлектродного зазора ^ равна расстоянию от оптической оси лазерного излучения до поверхности анода-заготовки.

Исходя из принятой расчетной схемы и учитывая принятые в модели допущения, модель технологической ячейки может быть представлена в

329

виде эквивалентной электрической схемы, изображенной на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема технологической ячейки для электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента: Rk - сопротивление участка плазменного

катода-инструмента, находящегося вне зоны обработки;

Rk\, Rkn - сопротивления участков плазменного катода-инструмента в зоне обработки;

Reí, Ren - сопротивления участков электролита в процессе обработки; I(¿) - общий ток в цепи во времени

Полный ток в цепи может быть определен как:

I = Sk ^ .

Эх

Продифференцировав выражение (1), получим

Э1 _s а jk

^ _ °k .

ах ах2

Так же, полный ток в цепи может быть найден:

ai _ ...

_ sе jk

ах

Таким образом, имеется дифференциальное уравнение для распределения потенциала по длине плазменного катода-инструмента:

-\2

Э jk _ sejk

Эх2 sk

с граничными условиями:

х _0

«PkL _0 _ и (Lk - Ьх);

jk

Эх

0.

х _ Ьх

где ф£ - электрическии потенциал в заданной точке плазменного катода-инструмента, - погонная электропроводность плазменного катода-

инструмента, ое - погонная электропроводность электролита.

Погонная электропроводность плазменного катода-инструмента

может быть определена по формуле:

= °к.уд к )• Як (г ) = Як.уд {< ,

где ок.уд(1) - удельная электропроводность канала плазменного катода-инструмента во времени, - диаметр плазменного катода-инструмента

во времени.

Погонная электропроводность электролита определяется по формуле:

С

фк 5к Ьп

где х - удельная электропроводность электролита, фк - потенциал плазменного катода-инструмента.

Распределение потенциала в растворе электролита описывается трехмерным уравнением Лапласа, с граничными условиями: на аноде

л Ьф _

ф = 0; на катоде ф = фк; на остальных поверхностях —- = 0.

^анод ’ ^ катод Эп

О

Плотность тока на аноде определяется как: ] = %

Эф

Эп

Скорость съема материала определяется по формуле: V = ] ,

Р

где п - выход по току, е0 - электрохимический эквивалент, р - плотность. Уравнение эволюции поверхности записывается в виде [3]:

V Эх у

+

Э1

уЭУ/

Для моделирования эволюции анодной поверхности в результате обработки необходимо решить следующую систему уравнений:

Э Фк = °еФк

ЭХ

ф*1Х-о = и-ЭТ^к-^ІГ = 0;

Эх Эх х = т

л—-^х

2 2 2

Эф+Эф+Эф=0

2 Эу2 Э12

Эх

Эф

= 0, ф =фк ,—

анод катод Эп

О

Э^ ' Э^" )2 ^ Э^''

- = -¥,

Э V Эх, і у

дп ’

При моделировании были приняты следующие значения постоянных величин:

начальный межэлектродный зазор s0 = 1,0 мм;

общая длина плазменного катода-инструмента = 10 мм;

длина расчетной области Ьу = 8,0 мм;

ширина расчетной области анодного растворения Ьх = 3,0 мм; подача плазменного катода-инструмента по отношению к поверхности анода-заготовки К = 0,01 мм/мин; напряжение и = 150 В;

В результате моделирования получены данные о распределении потенциала по длине плазменного катода-инструмента, изменении силы тока в цепи технологической ячейки во время обработки, эволюции анодной поверхности в результате обработки.

Анализ зависимостей изменения электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента в различные промежутки времени (рис. 4) показывает существенное падение электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента, находящейся вне зоны обработки. Наименьшее падение напряжения на катоде-интсрументе наблюдается в начальный период его формирования (? < 1,0 мкс), что связано с наличием высоких проводящих свойств плазмы в этот промежуток времени.

Рис. 4. Изменение электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента во временном интервале * = 1...5мкс: 1 -1 мкс; 2 - 2 мкс; 3 - 3 мкс; 4 - 4 мкс; 5 - 5 мкс

150

50

0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

Длина плазменного катода-инструмента, мм

На рис. 5 представлены кривая тока в процессе обработки с применением плазменного катода-инструмента.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Время обработки 1, мкс

Рис. 5. Изменение силы тока в цепи за время существования плазменного катода-интсрумента

Анализ данной кривой показывает, что наибольшая величина тока наблюдается во временном интервале / = 8,0...12,0 мкс. Это объясняется тем, что в данный промежуток времени плазменный электрод-инструмент обладает наименьшим электрическим сопротивлением, поскольку в этом временном интервале он имеет наибольший диаметр, а анодное растворение осуществляется на минимальном межэлектродном зазоре.

Результаты изменения силы тока в цепи хорошо согласуются с экспериментальными данными [4].

Полученные данные по эволюции анодной поверхности в процессе обработки указывают на неравномерность съема материала по ширине анода-заготовки вследствие падения потенциала по длине плазменного катода-инструмента. По данным рис. 6 полученный геометрический элемент на анодной поверхности имеет различную глубину (от 0,5 мм при Ьх = 0 мм до 0,35 мм при Ьх = 3,0 мм). Компенсировать различную скорость анодного растворения по ширине анода-заготовки можно путем установки токопод-водов в нескольких точках по длине плазменного катода-инструмента.

Ширина анода-заготовки /_х: мм

Рис. 6. Изображение анодной поверхности при времени обработки 1обр = 20 мин

Анализ кривых тока в цепи и анодных плотностей тока показывает, что для минимизации электрических потерь целесообразно использование импульсного напряжения с подачей импульса во временном интервале t = 5,0.15,0 мкс. Это позволяет наиболее рационально использовать электрическую энергию для осуществления процесса анодного растворения, минимизировать потери электрической энергии вследствие падения электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента, получить наиболее равномерное распределение плотности тока по поверхности анода-заготовки и, как следствие, достичь более высокой точности обработки и производительности процесса.

Вывод. Произведено моделирование процесса анодного растворения материала образца. Установлено, что в процессе обработки происходит значительное падение потенциала по длине плазменного катода-инструмента, что отражается на распределении плотности тока по поверхности образца и геометрии поверхности, полученной в результате обработки.

Для компенсации падения потенциала по длине плазменного катода-инструмента предложено подведение электрической энергии в разных точках. Для минимизации электрических потерь целесообразно использование импульсного напряжения с подачей импульса во временном интервале t = 5,0.15,0 мкс.

Список литературы

1. Любимов В. В., Сабинин Е. А. Микроформообразование нетвердотельными инструментами // Современная электротехнология в промышленности центра России: труды XI региональной научно-технической конференции. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 3 - 10.

2. Марин М. Ю. Динамика и структура оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках: дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2005. 101 с.

3. Давыдов А.Д. Лазерно-электрохимическая обработка металлов // Электрохимия. 1994. Т. 30. №8. С. 965-976.

4. Любимов В.В., Грачев О.Е. Электрофизикохимическая обработка стали 12х18н10т с применением нетвердотельного катода // Известия Тульского государственного университета. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вып. 3. С. 483 - 491.

Виктор Васильевич Любимов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, lvv@,tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Олег Евгеньевич Грачев, канд. техн. наук, grachevoleg@list.т. Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Денис Владимирович Козырь, аспирант, Когуг.Р. ¥@,таИ.ги Россия, Тула, Тульский государственный университет.

INVESTIGA TION OF ELECTROPHYSICAL AND ELECTROCHEMICAL MACHINING

WITH PLASMA CATHODE-TOOL

V. V. Lubimov, O.E. Grachev, D. V. Kozyr

A mathematical model to simulate electric parameters of electrochemical machining with plasma cathode-tool was designed. A modeling of the anodic dissolution of the sample material was performed. According to the results of analysis recommendations to choose efficient production performances of electrochemical machining were given.

Key words: pulsed plasma channel, electrochemical machining, plasma cathode-

tool.

Lubimov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, manager of department, lvvatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Grachev Oleg Evgenevich, candidate of technical science, grachevolegalist.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kozyr Denis Vladimirovich, post graduate, Kozyr.D. Va.mail.ru. Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.0.047.4

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНО-ЦИКЛИЧЕСКИХ СХЕМ

А. Ю. Веневцев

В работе приведены результаты усовершенствования экспериментальной электрохимической установки для возможности проведения электрохимической микрообработки полупроводниковых материалов. Произведен выбор необходимого оборудования, разработано специфическое программное обеспечение для установки, учитывающее особенности проводимости монокристаллического кремния.

Ключевые слова: микроформообразование, ультракороткие импульсы напряжения, электрохимическая обработка, экспериментальная установка, монокристал-лический кремний, полупроводниковые материалы.

В работе [1] был рассмотрен вопрос создания экспериментальной электрохимической установки. Отличительная особенность разработанной автором технологии электрохимической обработки состоит в том, что электроды расположены в электролите на минимальном межэлектродном зазоре. При этом к ним синхронно прикладываются группы наносекунд-ных (соизмеримых со временем заряда приэлектродных емкостей) импуль-

335