ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 12, с. 1438-1480
УДК 541.138
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ: ПРОЦЕСС ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
© 2004 г. А. Д. Давыдов1, В. М. Волгин*, В. В. Любимов*
Институт электрохимии им. АН. Фрумкина РАН, Москва, Россия *Тульский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 22.06.2004 г.
Рассмотрены основные задачи теории электрохимического формообразования при электрохимической размерной обработке металлов. Проведен анализ методов решения прямой и обратной задач в точной постановке и с использованием квазистационарного и локально-одномерного приближений. Рассмотрены экспериментальные методы повышения точности электрохимического формообразования.
Ключевые слова: электрохимическая размерная обработка, формообразование, анодное растворение.
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ (ЭХФ)
1.1. Задача с подвижной границей
1.1.1. Прямая задача
1.1.1.1. Нестационарное ЭХФ
1.1.1.2. Стационарное ЭХФ
1.1.2. Обратная задача
1.2. Квазистационарное приближение
1.2.1. Расчет процессов переноса в межэлектродном пространстве (МЭП)
1.2.1.1. Расчет процессов переноса в объеме МЭП
1.2.1.2. Расчет процессов переноса в приэлект-родных слоях
1.2.2. Прямая задача: эволюция обрабатываемой поверхности
1.2.3. Обратная задача: коррекция поверхности электрода-инструмента (ЭИ)
1.3. Локально-одномерное приближение
1.3.1. Модели, описывающие распределение межэлектродного зазора (МЭЗ) при локально-одномерном приближении
1.3.2. Расчет процессов переноса в МЭП
1.3.3. Прямая задача: расчет распределения МЭЗ
1.3.4. Обратная задача: коррекция поверхности ЭИ
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
1 Адрес автора для переписки: davydov@elchem.ac.ru (А.Д. Давыдов).
2.1. Выбор состава электролита
2.2. Применение импульсных режимов ЭХФ
2.3. Циклические режимы ЭХФ
2.4. Применение электролитно-воздушных смесей в качестве рабочей среды
2.5. Секционный электрод-инструмент
2.6. Электрохимическая защита участков поверхности детали, прилегающих к рабочей зоне
2.7. Создание противодавления в МЭП
2.8. Некоторые вопросы электрохимической микрообработки
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Руководимая Б.Н. Кабановым Лаборатория электрохимии металлов и полупроводников в Институте электрохимии АН СССР была одной из первых, где начались работы по систематическому исследованию высокоскоростных электродных процессов применительно к электрохимической размерной обработке металлов. В то же время в Тульском политехническом институте (сейчас Тульский государственный университет) и на ряде тульских заводов под руководством Ф.В. Седыки-на проводились исследования, разрабатывались и внедрялись в производство новые технологические процессы электрохимической размерной обработки. На протяжении многих лет специалисты этих организаций тесно и плодотворно сотрудничали. Настоящий совместный обзор посвящен памяти Бориса Николаевича Кабанова в связи со 100-летием со дня его рождения.
ВВЕДЕНИЕ
Под электрохимической размерной обработкой (ЭХРО) обычно подразумевают комплекс процессов, в которых за счет анодного растворения обрабатываемой детали придается заданная форма (турбинная лопатка, гравюра штампа и т.п.), в детали "сверлятся" разнообразные отверстия (сквозные, глухие, с разной формой сечения, с переменным сечением, с непрямолинейной осью и т.д.). Часто сюда относят и такие процессы как электрохимическое удаление образовавшегося в результате предварительной электроэрозионной или другой обработки дефектного поверхностного слоя детали (т.е. ЭХРО без изменения формы детали) или придание поверхности заданной шероховатости, операции удаления заусенцев и т.д. Однако одной из центральных проблем ЭХРО является проблема электрохимического формообразования (ЭХФ).
В настоящем обзоре все внимание будет уделено методам получения деталей заданной формы и размеров. Здесь не будут затронуты конкретные вопросы технологии, оборудования, качества поверхностного слоя детали после обработки, регенерации электролита и т.д.
Отличительными чертами ЭХФ являются малое межэлектродное расстояние (МЭР) - расстояние между рабочей поверхностью электрода-инструмента (ЭИ) и поверхностью обрабатываемой детали (ОД) или тем ее участком, на котором необходимо провести растворение, наличие потока электролита в межэлектродном пространстве (МЭП), высокая степень локализации процесса растворения на заданном участке ОД, высокая скорость растворения.
1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
Главная цель ЭХФ состоит в получении заданной формы и размеров поверхности ОД, поэтому проблема установления взаимосвязи поверхности ОД с поверхностью ЭИ и траекторией его перемещения при заданных условиях обработки является основной в теории и практике ЭХРО [1-20]. При решении этой проблемы рассматриваются два типа задач - прямые, в которых для заданной формы ЭИ, траектории его перемещения и условий обработки определяется форма поверхности ОД, и обратные, в которых отыскивается форма ЭИ и траектория его перемещения, обеспечивающие в определенных условиях обработки получение заданной формы ОД. Первая задача имеет важное значение для анализа точности ЭХРО. С ее решением связано определение влияния на точность обработки отклонений технологических параметров обработки и свойств среды в МЭП, а также рабочей поверхности ЭИ от заданных. В практи-
ке чаще встречаются обратные задачи, с которыми непосредственно связано проектирование ЭИ для получения заданных деталей.
При постановке и решении задач ЭХФ необходимо учитывать особенности используемой схемы формообразования. Обычно ЭХФ осуществляется профилированным или непрофилирован-ным ЭИ (рис. 1). В первом случае ЭИ, имеющий сложную форму, поступательно перемещается в направлении ОД. При этом обработанная поверхность детали полностью формируется в момент окончания процесса обработки. Для заданного режима обработки при использовании этой схемы поверхность одного из электродов однозначно определяет поверхность другого электрода. Эта схема широко используется для ЭХРО поверхностей сложной формы, так как требует только прямолинейного перемещения ЭИ по одной координате и обеспечивает высокую производительность - вся поверхность ОД обрабатывается одновременно.
При ЭХФ с непрофилированным ЭИ однозначная взаимосвязь поверхностей ЭИ и ОД отсутствует. Обработанная поверхность формируется непрерывно в процессе обработки за счет одновременного перемещения ЭИ по нескольким координатам. Производительность этой схемы ЭХФ меньше, чем у единовременной схемы ЭХФ, так как в каждый момент времени обрабатывается лишь часть обрабатываемой поверхности. При ЭХРО достаточно простых поверхностей достаточно перемещения непрофилированного ЭИ лишь по одной координате. Такому варианту этой схемы соответствует электрохимическое протягивание и прошивание глубоких отверстий, электрохимическое точение, шлифование и фрезерование и т.д.
В ряде случаев используется схема ЭХФ с частично профилированным ЭИ, представляющая собой комбинацию рассмотренных схем. При этом часть обработанной поверхности формируется непрерывно в процессе обработки, а часть (расположенная вблизи рабочей поверхности ЭИ) - в конечный момент обработки. Эта схема используется при электрохимическом прошивании и протягивании несквозных отверстий, канавок, пазов и ЭХРО других полузакрытых или закрытых поверхностей, т.е. в тех случаях, когда невозможен свободный выход ЭИ за пределы ОД.
Постановка и решение прямой задачи ЭХФ не зависит от схемы ЭХФ, так как геометрия рабочей поверхности ЭИ, траектория его перемещения и условия обработки считаются заданными [5, 18, 20]. В случае же обратной задачи требуется определить: для первой схемы - рабочую поверхность ЭИ; для второй схемы - траекторию перемещения ЭИ и программу изменения режимов обработки. То есть, постановка и решение обратной задачи зависят от схемы ЭХФ.
Рис. 1. Схемы ЭХФ с профилированным (а, в, д) и непрофилированным (б, г, е) ЭИ: а, б - ЭИ (1) и ОД (2) до обработки; в, г - во время обработки; д, е - после обработки (3 - скорость перемещения ЭИ, 4 - вход и 5 - выход электролита).
Обратная задача ЭХФ профилированным ЭИ рассматривалась во многих работах [21-38], что связано с широким практическим использованием этой схемы и важностью совершенствования расчетных методов проектирования дорогостоящих ЭИ сложной геометрической формы. ЭХРО сложных поверхностей непрофилированным ЭИ получила развитие лишь в последние годы, в частности, при микроЭХРО. Видимо, с этим связано отсутствие публикаций по постановке и решению обратной задачи ЭХФ для схемы ЭХРО с непрофилированным ЭИ. В данной работе этот вопрос рассматриваться также не будет.
При решении как прямой, так и обратной задач ЭХФ необходимо использование уравнения, описывающего изменение формы поверхности ОД в
процессе обработки. Вид основного уравнения ЭФХ зависит от используемой системы координат - неподвижной, связанной с ОД, или подвижной, связанной с ЭИ, и способа представления обрабатываемой поверхности - неявный и явный координатный или параметрический. Наиболее простой вид основное уравнение ЭХФ имеет в системе координат (хуг), связанной с ОД [8, 18, 20]
ЭФ/д г + Уа^га<3 ф = 0,
д га/дг = Уа
(1) (2)
где Ф(х, у, г, г) = 0 - уравнение обрабатываемой поверхности для неявного координатного представления; га = га(ма, va, г) - вектор-функция га = = (ха, уа, га), описывающая обрабатываемую по-
верхность, при ее параметрическом представлении; t - время; ua, va - параметры поверхности ОД; Va = Vana - вектор скорости анодного растворения ОД; na - единичный вектор внутренней нормали к поверхности ОД.
Скорость анодного растворения Va на основании законов Фарадея определяется следующим образом
Va = W, (3)
где п - выход по току; £V - объемный электрохимический эквивалент; i - плотность тока на поверхности ОД.
Представляя функцию Ф(х, y, z, t) в виде
Ф(x, y, z, t) = Ta(x, y, z) -1, (4)
основное уравнение ЭХФ (1) можно свести к уравнению типа эйконала [39]
Va|grad Ta| = 1. (5)
Функция Ta(x, y, z) имеет простой физический смысл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.