3.2.3. Механизм размерной обработки

Точность копирования электрода-инструмента на заготовке зависит от скорости растворения участков заготовки, отстоящих на различных расстояниях от электрода-инструмента. Рассмотрим получение углубления в плоской заготовке 2 электродом-инструментом 1, имеющим выступ (рис. 3.10). В начале процесса граница заготовки занимает положение I-I. На расстоянии от нее расположен выступ электрода-инструмента, который перемещается к заготовке с такой скоростью , чтобы сохранялся постоянный зазор . Через межэлектродный промежуток прокачивают электролит со скоростью .

Рис. 3.10. Копирование электрода-инструмента на заготовке: 1 - электрод-инструмент, 2 - заготовка.

Если приближенно принять выход по току, удельную проводимость электролита и напряжение одинаковыми по всей длине межэлектродного промежутка, то скорости анодного растворения материала под участками и согласно зависимости (3.7) составят

; .

Введем обозначение . Тогда скорость анодного рас­творения на участках и будет зависеть только от размеров межэлектродных зазоров между начальной границей заготовки и соответствующей поверхностью электрода-инструмента:

; . (3.8)

Как видно на рис. 3.10, в начальный момент обработки зазор , следовательно, скорость растворения на участке будет больше, чем на участке , в раз, т.е.

. (3.9)

По мере растворения металла заготовки и перемещения электрода-инструмента зазор уменьшается, но остается справедливым ус­ловие , т.е. съем металла под выступом идет быстрее. Через некоторое время в плоской заготовке будет получено углубление с границей II-II. Форма электрода-инструмента отобразилась на аноде, и достигнута размерная обработка.

3.2.4. Механизм нестационарной эхо

Часть процессов ЭХО в нестационарном режиме осуществляется без прокачки электролита через межэлектродный зазор (например, процессы мелкого электрохимического маркирования или с малыми скоростями прокачки ( м/с)). При этом глубина обработки ограничена несколькими микрометрами. Причиной такого явления можно принять резкое повышение электрического сопротивления межэлектродного зазора по мере накопления в нем продуктов обработки и снижения его электропроводности. Большинство исследователей основной причиной изменения электропроводности среды в зазоре считают повышение газонаполнения [ 6 ]. Пузырьки газа (главным образом водорода) экранизируют катодную поверхность и уменьшают сечение проводника для прохождения тока, уменьшая тем самым эффективную электропроводность [ 6 ]. Нагрев электролита в зазоре, обусловленный выделением джоулева тепла при прохождении тока, приводит к повышению его электропроводности. Эти противоположно действующие факторы частично компенсируют друг друга, но, по мнению авторов [ 6 ], влияние первого фактора сильнее, так как при скорости электролита м/с межэлектродный зазор может быстро перекрыться газовыми пузырями, что приводит к резкому увеличению сопротивления межэлектродного промежутка и прекращению процесса.

При слишком большой скорости электролита и сложной геометрии зазора (резкие повороты потока электролита, внезапные расширения и т.д.) электрическое сопротивление может возрастать и с увеличением скорости, что объясняется нарушением сплошности потока [ 6 ]. Зависимость электропроводности ( ) растворов солей от температуры (T) выражается следующей эмпирической формулой [ 6 ]:

;

Постоянная для растворов солей примерно равна 0,022, а связана с приблизительной зависимостью

.

Повышение температуры электролита на выходе из межэлектродного промежутка по сравнению с температурой на входе легко подсчитать по закону Джоуля-Ленца

,

где С – теплоемкость раствора; – плотность раствора; – секундный расход электролита; – сила тока; – напряжение.

Изменение средней электропроводности электролита, вызываемое газонаполнением раствора, можно рассчитать лишь для ряда допущений и гипотез о распределении газа по толщине межэлектродного промежутка (МЭП). Допускается, что газ равномерно распределен по сечению зазора. При таких условиях среднюю электропроводность можно подсчитать по формуле Фрике [ 6 ]

,

где – удельная электропроводность электролита без газа; – относительная объемная доля газовых пузырьков.

При равномерном распределении газовых пузырьков по сечению относительное газонасыщение на выходе из межэлектродного канала можно определить:

,

где – объем газа, выделяющегося на электродах в секунду, который подсчитывается по закону Фарадея.

Исследования, проведенные в Казанском государственном техническом университете, показали, что распределение пузырьков по сечению канала неравномерное [ 6 ]. При скоростной киносъемке ЭХО видно, что основной объем водорода находится в непосредственной близости от катода, особенно при нестационарном режиме. В связи с этим приведенная схема очень приблизительна, хотя она пока единственная и нашла широкое практическое применение [ 6 ], в том числе при обработке в нестационарном режиме.

От свойств межэлектродного зазора зависит точность обработки. В работах, посвященных точности ЭХО, на первый план выдвигается либо анодная поляризуемость, либо непостоянство выхода по току [ 6 ]. Путем простого повышения напряжения при неизменной скорости прокачки электролита невозможно намного увеличить производительность процесса, так как сопротивление межэлектродного зазора возрастает и плотность тока увеличивается незначительно.

При дальнейшем увеличении напряжения может возникнуть пробой межэлектродного промежутка.

Выход по току ( ) определяется как отношение действительно растворившегося вещества к теоретически возможному:

,

электрохимический эквивалент ( ) определяется по формуле

,

где – валентность металла; М – его атомный вес; Fa – число Фарадея.

При расчете производительности, выраженной в объемных или линейных единицах, используют отношение , где – удельная плотность металла.

Скорость электрохимического растворения при ЭХО прямо пропорциональна плотности тока

.

В работе [ 6 ] приведены формулы для определения основных параметров процесса ЭХО в нестационарном режиме (ЭХО НР):

- величина межэлектродного зазора

,

где ; – начальный межэлектродный зазор; – конечный межэлектродный зазор;

- величина удаляемого припуска

;

где – время обработки: , скорость растворения ( ):

.

Многочисленными исследованиями [ 6 ] доказано, что сам процесс ЭХО не сопровождается наклепом ввиду отсутствия силового и теплового воздействия на обрабатываемую поверхность. Однако при этом, в результате удаления поверхностного слоя металла, снижается ранее сформированный наклеп и перераспределяются напряжения, полученные в результате выполнения предыдущих операций. В работе [ 6 ] экспериментально доказано, что при ЭХО в стационарном и нестационарном режиме структурных превращений в поверхностном слое не происходит, однако могут появиться специфические дефекты, которые вызывают снижение качества поверхности.

Известно [ 6 ], что в зоне обработки происходит бурное выделение газов (H₂; О₂; Сl₂; H; О), наличие водорода может привести к повышенной хрупкости металлов. Однако экспериментально доказано [ 6 ], что при ЭХРО сталей не происходит наводороживания поверхности. Исключение составляют некоторые металлы и сплавы (титан, цирконий, ниобий и др.). Применение коррозионно-активных электролитов (NaCl, NaNO₃ и др.) при обработке неустойчивых в коррозионном отношении сталей и сплавов требует их нейтрализации и введения в процесс ЭХО операций промывки и пассивации.

Влияние процесса ЭХО на показатели усталостной прочности деталей однозначно не установлено. Результаты одних исследований показывают, что предел выносливости стали при переменных нагрузках повышается, результаты других исследований показывают обратную картину. Экспериментально доказано [ 6 ], что усталостная прочность деталей, обработанных методом ЭХО, зависит от режимов обработки (плотности тока, температуры электролита, величины удаляемого припуска и от защелоченности электролита).

Что касается влияния процесса ЭХРО на характеристики статической прочности металла, то многочисленными исследованиями [ 6 ] доказано, что качество обработки поверхности практически не оказывает влияние на статическую прочность металла. Производительность процесса ЭХО в нестационарном режиме характеризуется количеством материала, удаляемого с обрабатываемой поверхности в единицу времени. Величина съема металла в процессе анодного растворения определяется по закону Фарадея.

Анализ теории процесса ЭХО показывает, что предложенные критерии управления процессом относились только к специфичным применениям метода в авиационной технике для узкого круга технологических задач и не получили распространения из-за требований режимности объектов обработки. Проведенный анализ показывает, что имеющиеся критерии не позволяют охватить основную часть технологии задач, вызванных появлением гибкоструктурных технологий на современном этапе развития машиностроения.

Имеющиеся в литературе материалы по описанию процесса ЭХО не учитывают специфики нестационарного режима (НР), поэтому требуется формирование физических и математических моделей, необходимых для управления процессом размерной и безразмерной обработки в НР.

Не содержится информации о путях обработки материалов без удаления материала за счет локального управления свойствами пленок, образующихся в процессе ЭХО при НР.

Отсутствие в литературе сведений о составах рабочих сред, удовлетворяющих хотя бы основным требованиям промышленности, требует решения задачи о проектировании рабочих сред, более полно учитывающих технологические требования и обеспечивающих эффективное управление процессом при ЭХО в НР, автоматизацию операции обработки и локализацию зоны формообразования.

Как показано во введении, легкопассивирующиеся сплавы имею окисные пленки, которые могут изменять свою величину.

К этой же группе сплавов следует отнести детали с защитными покрытиями, например кадмием, цинком, хромом, никелем, медью. Большинство из них легко маркируется, но нанесение информации на кадмиевые покрытия вызывает большие сложности. Здесь известно изобретение (а.с. 341628), по которому процесс ведут в растворе молибденово-кислого аммония при обратной полярности тока. Проверка этого изобретения показала, что процесс осуществим, но границы знака получаются, в основном, нечеткими. Это указывает на нарушение критериев, предложенных для размерной обработки.

Протекание процесса можно описать следующим образом: при обратной полярности на поверхности покрытия происходит осаждение продуктов реакции в местах, противолежащих выступам или рабочим участкам инструмента (рис. 3.11).

Рис. 3.11. ЭХО в НР при обратной полярности технологического тока.

Такое расположение электродов может вызвать анодное растворение активных участков инструмента и нарушение границ между активной и пассивной зонами. Поэтому требуется защита диэлектрических покрытий от разрушений при интенсивном газообразовании под ним на месте стыковки с основой инструмента.

Исходя из закона Фарадея при многоэлектродном зазоре , толщина слоя, образующего знак, составит

.

Для образования хорошо различимых границ толщина слоя должна быть не менее 20 мкм ( ). Однако с возрастанием толщины более 30 мкм ( ) начинается активный процесс осаждения материала на боковых границах выступа и его размывание. Таким образом, предложенный критерий выполняется в диапазоне

.

Критерий управления процессом будет

.

Функция управления

.

Граничные условия

При нанесении информации на титан и его сплавы полярность сохраняется прямой (рис. 3.13). По аналогии с рис. 3.12 высота знака определяется напряженностью поля Е.

Рис. 3.12. ЭХО в НР при скорости электролита < 2 v/c.

Рис. 3.13. ЭХО в НР при прямой полярности технологического тока.

Из опыта обработки титановых сплавов известно, что естественная пленка на титане обладает весьма значительным сопротивлением. По сведениям [ 6 ] эта пленка является полупроводником. Ее толщина достигает через 2 часа хранения на воздухе при обычной температуре 17 Å, через 40-50 суток – 35 Å. Известно [ 6 ], что скорость роста окисных пленок на металлах снижается по квадратичной зависимости, т.е. в начале процесса она будет наибольшей. Из практики электрохимической обработки титана установлено, что в процессе формообразования пленка не препятствует обработке, но в случае прекращения съема под действием тока образуется слой, ограничивающий продолжение процесса. Это показывает, что толщина пленки под действием тока интенсивно возрастает и для преодоления ее сопротивления приходится увеличивать напряженность поля (требуется начале процесса) за счет повышения напряжения примерно в 2 раза. Но и в этом случае могут появиться необработанные участки, так называемые питтинговые формообразования, при которых резко ухудшается качество поверхности. Из [ 6 ] видно, что толщина пленок зависит от напряженности поля, т.е. подчиняется предложенному критерию. Предельная толщина может быть для титановых сплавов более 700 Å, но в нейтральных растворах солей образуются пленки первого порядка.

В работе [ 6 ] предлагается зависимость для оценки толщины пленки

(3.10)

где – предэкспоненциальный множитель; – кажущаяся энергия активации; Т – температура.

На титане пленка не дает цветного отражения при толщине до 320 Å [ 6 ]. При толщинах свыше 320 Å возникают различные цвета, которые можно разделить на контрастные и неконтрастные. В табл. 3.2 приведены толщины 1-го порядка отражения, которые могут формироваться при ЭХО в НР. Их следует отнести к контрастным, т.е. пригодным для маркирования.

Для нанесения информации требуется не просто высокая контрастность, но и сохранение видимого знака при колебании толщины пленки. Следовательно, цвета, соседние с выбранным

Таблица 3.2.