УДК 621.9.047 В.В. Любимов, С.Н. Веневцева МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМЫ ТОКА ПРИ

УДК 621.9.047
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМЫ ТОКА ПРИ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
10 Гц – 1 МГц
В.В. Любимов, С.Н. Веневцева
В статье отображена разработанная методика измерения токов в диапазоне
частот 100 Гц – 1 МГц при электрохимической обработке. Описан процесс изготовления электродов-инструментов, а так же приведены результаты исследований.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, импульсная обработка, плотность тока, сверхмалые зазоры.
Достоинствами электрохимической обработки (ЭХО) являются
возможность обработки материалов без приложения механических усилий,
высокая эффективность процесса, практическое отсутствие износа электрода-инструмента, низкая шероховатость обработанной поверхности (Ra
≤ 0,13 ÷ 1,52 мкм) [1,2], а так же минимальное влияние на физикомеханические характеристики поверхностного слоя обработанной заготовки, незначительная зависимость производительности процесса от механических свойств обрабатываемого материала.
Электрохимическая обработка на современных станках осуществляется на малых торцевых (10...20 мкм) и боковых(20..40 мкм) межэлектродных зазорах, что позволяет в большинстве случаев не осуществлять
трудоемкую итерационную коррекцию формы и размеров рабочей части
инструмента в процессе отработки технологии.
Разрешающая способность при копировании регулярного рельефа с
торца электрода-инструмента на деталь, в отдельных случаях, находится в
субмикронном диапазоне и достигает величин 5...10 мкм.
На данный момент точность обработки ограничена 10 – 20 мкм, при
этом при традиционном методе ЭХО плотность тока не более 50 А/см 2, а
при импульсной ЭХО плотность от 1000 А/см2. Это и является основным
недостатком электрохимической размерной обработки на сегодняшний
день, причем повышение точности возможно самыми разнообразными методами, от применения импульсно-циклических схем до применения в качестве электролита газожидкостных смесей.
Анализ путей повышения точности электрохимической обработки
показывает, что исследования проводятся в различных направлениях изменения свойств технологической системы. В конкретном случае, это может быть осуществлено различными приёмами: применением импульсов
технологического напряжения, использование различных кинематических
характеристик электродов, пульсирующей подачей электролита, секциони-
рованием катодов, применением рабочих межэлектродных сред с высокими локализующими свойствами, и т. п. [5].
На сегодняшний день проблема повышения точности электрохимической обработки решается в нескольких направлениях:
- совершенствование существующих схем ЭХО;
- создание принципиально новых схем ЭХО.
Создание новых схем создает большие предпосылки к решению
проблем точности электрохимической обработки. Существующие схемы
характеризуются прерыванием основных параметров во времени, в пространстве, что позволяет обеспечивать последовательно-прерывистый характер съема материала анода. Исходя из этого, можно сделать вывод, что
наиболее перспективными являются схемы ЭХО на сверхмалых межэлектродных зазорах с применением ультракоротких импульсов напряжения с
применением специальной кинематики движения катода. Однако электрохимическая обработка на таких режимах мало исследована. Исследование
процесса электрохимической обработки, с точки зрения длительности импульсов и межэлектродных зазоров, посвящены работы Любимого В.В.,
Сундукова В.К., Захаркина С.И. и д.р. [2, 3. 5]. Схематичное изображение
областей исследования и применения электрохимической обработки на
сверхмалых МЭЗ приведены на рисунке 1.
Рис.1. Области исследования ЭХО на СММЭЗ:
1 – область исследований Сундукова В.К.[3]; 2 – область исследований Любимовым В.В.[2]; 3 – область исследований Захаркина
С.И.[5]; 4 – исследуемая нами область
Область межэлектродных зазоров от 5 до 1 мкм, при длительностях
импульсов напряжения 10-1000 нс недостаточно исследована, однако есть
предпосылки, согласно которым уменьшение межэлектродного зазора до
микрометровых значений и использование ультракоротких импульсов
напряжения должно обеспечить переход на качественно новый уровень
электрохимической обработки. Именно поэтому исследования данной области является чрезвычайно актуальной задачей.
Однако переход на сверхмалые зазоры имеет существенные ограничения, которые в основном связаны с эвакуацией продуктов реакций, а
так же с наступлением диффузионных ограничений [6]. Все это связанно с
ограниченным объемом электролита.
Как известно, после подачи импульса напряжения на электроды
происходит преобразование электронной проводимости металла в ионную
проводимость раствора электролита в двойных электрических слоях. При
этом форма тока (рис.2) отображает процесс электрохимической реакции,
которая следующих составляющих: if – течение тока Фарадея, направленное на растворение материала заготовки, и ic – емкостного тока через конденсатор, который эквивалентен двойному электрическому слою на границе металл-электролит.
Рис.2. Форма импульса тока при ЭХО [7]:
1 – область емкостного тока; 2 – область фарадееского тока;
3 – обратная полуволна тока
Выделение газа на катоде, зашламление и нагрев электролита пропорциональны плотности протекающего тока. Именно поэтому необходимо изучение формы импульса тока для выявления оптимальных областей
протекания фарадеевского тока. Это обеспечит возможность перехода на
сверхмалые межэлектродные зазоры и уменьшение, или даже снятие, связанных с этим ограничений.
Для решения задачи по изучению формы тока при электрохимической обработке в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц была спроектирована
специальная установка и изготовлены электроды-инструменты (ЭИ) с различной площадью рабочей поверхности.
При этом был принят во внимание тот факт, что емкость двойного
электрического слоя (ДЭС) пропорциональна площади обработки. Из этого следовало, что изменение площади поверхности электрода инструмента
будет значительно влиять на общую форму тока из-за изменения кривой
емкостного тока. Исходя из вышесказанного, были изготовлены электроды-инструменты с заранее определенными геометрическими параметрами,
приведенными в таблице. Для исключения влияния краевых эффектов боковые части электродов инструментов были изолированы.
Геометрические характеристики ЭИ
№ Площадь об- Диаметр рабочей
Емкость
Шероховатость
2
ЭИ работки, см
части, мм
ДЭС, мкФ
рабочей части Ra,
мкм
1
0,01
1,13
0,2
0,041
2
0,05
2,52
1
0,098
3
0,1
3,57
2
0,086
4
0,5
7,98
10
0,091
5
1
11,28
20
0,093
Электроды-инструменты изготовлены из электротехнической меди
М1 ТУ 48-0814-105-2000. Изоляторы боковых поверхностей изготовлены
из ABC пластика марки 0445Е ТУ2214-159-05766801-2011.
Необходимость полировки рабочей поверхности электродов инструментов возникла вследствие исследования электрохимической обработки на сверхмалых зазорах, что подразумевало использование межэлектродных зазоров от 1 мкм и более. Соответственно шероховатость рабочей
части ЭИ после точения была соизмерима с МЭЗ и могла повлечь получение некорректных результатов. Для получения шероховатости рабочей части на порядок меньшей величины межэлектродного зазора было применено электрохимическое полирование в растворе 1200 г/л ортофосфорной
кислоты и 120 г/л хромового ангидрида. Режимы полирования были следующими: рабочая температура 22°С, анодная плотность тока ~ 40 А/дм2,
выдержка 1 мин. При этом использовался генератор импульсов со следующими характеристиками: частота импульсов 1 МГц, коэффициент заполнения 30%.
Схема разработанной установки для проведения исследований
формы тока приведена на рисунке 3.
Рис.3. Схема установки для проведения исследований:
1 – источник импульсов напряжения; 2 – токовый шунт; 3 – система
позиционирования ЭИ; 4 – электрод-инструмент; 5 – заготовка; 6 –
персональный компьютер для сбора информации и управления системой позиционирования; 7 – осциллограф
Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование:
– осциллограф АКИП-4115/4А с полосой пропускания 100 МГц;
– источник импульсов с частотой до 5 МГц, амплитудой до 20 В,
мощностью 200 Вт в постоянном режиме и до 2 кВт в импульсном
режиме (при длительности более 300 кГц и коэффициенте заполнения менее 3 %);
– система позиционирования электрода-инструмента с точность до
400 нм;
– профилограф-профилометр Kosaka Lab. Surfcorder SE 1700α-39 с
разрешением до 0.005 мкм.
Для снятия осциллограмм тока был применен токовый шунт. Выбор
величины сопротивления шунта производился компромиссно по нескольким критериям:
– с точки зрения влияния на измеряемую цепь и мощности, рассеиваемой на самом шунте (особенно при измерении больших токов) величина сопротивления должна быть как можно меньше;
– с точки зрения уровня сигнала и соотношения сигнал/шум сопротивление шунта нужно увеличивать.
Исходя из вышесказанного, был спроектирован и изготовлен токовый шунт из 10 тонкопленочных, прецизионных резисторов, включенных
параллельно, номиналом 1,66 Ом каждый, т.е. полное сопротивление шун-
та составило 0,165 Ом. Для исключения паразитной индуктивности использовались резисторы формата SMD 2512 мощностью по 5 Вт и точностью 0,05%.
Для апробирования методики исследования токовых импульсов
электрохимическая обработка выполнялась со следующими условиями:
– электролит 10% NaCl;
– электрод-инструмент № 1;
– амплитуда напряжения 12 В;
– межэлектродный зазор 5 мкм;
– длительность импульса 4 мс;
– частота следования импульсов 10 Гц.
Данные режимы были использованы для оценки достоверности полученных результатов (рис. 4) с уже имеющимися данными в других работах [4, 5].
Рис.4. Экспериментальная форма тока
Сравнение осциллограмм показало, что наблюдаемая форма и
плотность тока полностью совпадает с результатами аналогичных экспериментов, выявленных в работах [4, 5]. Данный факт говорит о правильной
сборке и настройке установки для измерения формы тока в диапазоне от
100 Гц до 1 МГц. На основе проведенных исследований разработана методика регистрации и измерения формы импульсов тока при электрохимической обработке.
Дальнейшие исследования формы импульсов тока будут проводиться для электродов инструментов с различными площадями рабочей
части. Так же будут проведены исследования для различных режимов обработки в следующих диапазонах:
– частота следования импульсов: от 100 Гц до 1 МГц;
– скважность: от 2 до 100;
– величина межэлектродного зазора: от 30 до 1 мкм;
– концентрация электролита NaCl: 1 – 20%.
Таким образом, обоснована и приведена методика исследования
процесса электрохимической обработки на сверхмалых межэлектродных
зазорах при длительностях импульса 10 Гц – 1 МГц.
Получены экспериментальные результаты по регистрации и изучению формы импульса тока при электрохимической обработке.
Список литературы
1. Rajurkar, K.P. Micro and nano machining by elecrto-physical and chemical processes / K.P. Rajurkar , G. Levy, A. Malshe et. al. // Annals of CIPR.2006. - V. 55, -№ 2. - P. 643-666.
2. Смирнова Т.А. Электрохимическое микроформообразование осесимметричных деталей: дис. … канд. техн. наук. Тула, 2007, 143 с.
3. Сундуков В.К. Исследование некоторых вопросов повышения технологических показателей импульсной электрохимической обработки на
малых межэлектродных зазорах; дис. к.т.н.: Тула, 1978, 217 с.
4. Любимов В.В. Теория и методы размерной электрохимической обработки металлических пленок в многослойных разнокомпонентных системах; дисс….д.т.н.: Тула, 1983. -413 е.: ил.
5. Захаркин С.И. Электрохимическая размерная обработка при сверхмалых межэлектродных зазорах; дис….к.т.н.: Тула, 2002, 154 с.
6. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высш. школа, 1975. 416.
7. Kenney JA, Hwang GS (2005) Electrochemical machining with ultrashort voltage pulses: modelling of charging dynamics and feature profile evolution. Nanotechnology 16:S309–S313. doi:10.1088/0957-4484/16/7/001