Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
УДК 621.92 Шлифование и подобные процессы. Абразивные материалы. Шлифовальные станки. Дробление. Измельчение. Сортировка (сепарация, классификация). Смешивание
УДК 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
В статье представлены результаты экспериментальных исследований процесса электрохимикомеханического полирования, сочетающего в себе анодное растворение, обладающее высокими локализующими свойствами, с динамическими воздействиями абразивных зерен. Описана сущность комбинированного процесса, когда под воздействием рабочего напряжения происходит непрерывное электрохимическое растворение обрабатываемой поверхности с образованием на ней окисных пленок с последующим их удалением вместе с обрабатываемым металлом посредством абразивных зерен, квазизакрепленных в полировальнике. Приведено описание и условия проведенных экспериментов. Показано влияние весового содержания абразива в составе электролитно-абразивной смеси на съем металла и шероховатость обрабатываемой поверхности. Отмечается влияние на ход комбинированного процесса частоты вращения полировальника и давления обрабатываемой детали на него. При оптимальных значениях исследуемых параметров электрохимикомеханическое полирование позволяет обеспечить высокое геометрическое качество обработанной поверхности и высокую производительность процесса.
КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА, ЭЛЕКТРОХИМИКОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПОЛИРОВАНИЕ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА, ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Технология производства деталей современных машин и приборов требует широкого применения методов, обеспечивающих высокое качество обработки. Повышению качества и точности обработки способствует применение ряда методов финишной обработки, например, доводки свободным абразивом [1-5].
Однако, несмотря на широкое распространение этот процесс обладает и рядом существенных недостатков: процесс трудно поддается автоматизации, обладает сравнительно низкой производительностью, обслуживать оборудование должны операторы высокой квалификации. Такой процесс существенно зависит от обрабатываемого материала, материала инструмента, абразивного материала, состава жидкой фазы, формы и геометрии обрабатываемой поверхности, кинематики движения инструмента и детали, силового режима обработки и многих других факторов. По-видимому, это обстоятельство и является причиной того, что для объяснения физической сущности процесса до сегодняшнего дня высказывается ряд гипотез: механическая, пластического деформирования, химическая, оплавления [6, 7].
Известные недостатки доводочных методов заставляют искать пути и средства повышения эффективности финишных операций, а также новые методы обработки. К числу прогрессивных методов финишной обработки можно отнести электрохимикомеханическое полирование (ЭХМП) [8-10]. Однако его широкое промышленное использование сдерживается недостаточным исследованием механизма процесса, физико-технологическими особенностями, в том числе влиянием основных параметров процесса на технологические возможности и показатели.
2 Материалы и методы
Сочетание анодного растворения, обладающего высокими локализующими свойствами, с динамическими воздействиями абразивных зерен позволяет обеспечить высокое геометрическое качество обработанной поверхности и высокую производительность процесса. Массоперенос при ЭХМП обусловлен процессами анодного растворения и абразивного резания обрабатываемой поверхности. Под воздействием технологического напряжения происходит непрерывное электрохимическое растворение обрабатываемой поверхности с образованием на ней окисных пленок. Абразивные зерна, квазизакрепленные в полировальнике, удаляют эти окисные пленки и часть основного металла. Работа, затрачиваемая абразивными зернами на удаление окисных пленок, значительно меньше работы по удалению основного металла, что можно объяснить, в частности, меньшей механической прочностью окисных пленок по сравнению с основным металлом [11-13]. Это способствует повышению производительности обработки.
Для более широкого изучения механизма процесса ЭХМП и для выявления оптимальных режимов обработки необходимы экспериментальные исследования по изучению влияния параметров процесса на его технологические показатели, в частности, на производительность и шероховатость обрабатываемой поверхности.
Исследования выполнялись в АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж) на экспериментальных установках, выполненных на базах универсального притирочного станка мод. И-400 и полировально-доводочного станка мод. ПД-500М. Были разработаны инструмент и необходимая технологическая оснастка для обработки как плоских, так и сферических поверхностей.
Обрабатывались медные образцы площадью 80 см2, имевшие шероховатость поверхности Ra = 2,5 мкм. Шероховатость обрабатываемой поверхности при анодном растворении зависит от ряда факторов, одним из которых является структура обрабатываемого металла. Известно, что кислород мало растворим в меди в твердом состоянии. При затвердевании меди кислород выделяется виде эвтектики медь-закись меди, располагающейся по границам кристаллитов. При анодном растворении электрохимическая гетерогенность границы и зерна обуславливает существенное различие в скоростях их растворения, что в конечном счете отрицательно скажется на шероховатости поверхности. Поэтому при обработке медных образцов методом ЭХМП применялась медь с пониженным содержанием кислорода М1Ф (ГОСТ 1173-2006). Электролит для обработки выбирался согласно рекомендациям, имеющимся в литературных источниках [14-16], а также на основе предварительных экспериментов. В качестве электролита в исследованиях использовался водный раствор NaNO2 и CaCl2. При обработке мягких материалов рекомендуется в качестве абразива использовать окислы мягких металлов [17, 18]. Поэтому для исследований была выбрана окись хрома, концентрация которого в растворе электролита составляла 50, 100, 200 г/л. В ходе экспериментов напряжение было постоянным. В качестве материала полировальника, поддерживающего гарантированный межэлектродный зазор между обрабатываемой деталью и катодом, использовались различные натуральные и искусственные ткани [19].
3 Результаты исследований
Проведенные исследования показали, что увеличение весового содержания абразива в составе электролитно-абразивной смеси приводит к некоторому повышению съема металла (рис. 1), но при достижении концентрации абразива 100-150 г/л происходит увеличение шероховатости обрабатываемой поверхности (рис. 2). Это можно объяснить, в частности, тем, что электролитно-абразивная смесь при повышенной концентрации абразива более густая и при попадании на полировальник распределяется неравномерно по его рабочей поверхности. С другой стороны, повышенное содержание абразива на рабочей поверхности полировальника уменьшает долю электрохимической составляющей.
1 – концентрации абразива; 2 – скорости абразива; 3 – давления абразива
Рисунок 1 – Зависимости скорости съема металла от технологических факторов
1 – концентрации абразива; 2 – скорости абразива; 3 – давления абразива
Рисунок 2 – Зависимости шероховатости от технологических факторов
Увеличение давления обрабатываемой детали на полировальник до 0,42 МПа приводит к увеличению производительности процесса (рис. 1). Дальнейшее увеличение давления несколько снижает съем материала, что объясняется выдавливанием электролита краем детали из материала полировальника, а также уменьшением влияния абразива на съем. Низкая шероховатость поверхности получена при давлениях 0,15-0,2 МПа. Отклонение давления от этого значения в ту или иную сторону приводит к некоторому увеличению шероховатости обработанной поверхности (рис. 2). Это, возможно, вызвано тем, что с увеличением давления на обрабатываемой поверхности появляются риски и царапины от материала полировальника.
Частота вращения полировальника незначительно влияет на производительность процесса ЭХМП. Увеличение скорости свыше 25 об/мин приводит к некоторому уменьшению съема материала. Видимо, под действием центробежных сил с рабочей поверхности полировальника удаляется часть электролитно-абразивной смеси.
4 Обсуждение и заключение
Полученные результаты проведенных экспериментов показали, что при оптимальных значениях исследуемых параметров процесс ЭХМП достаточно производителен и можно получать значение шероховатости обработанной поверхности меди на уровне Ra ≈ 0,1 мкм. Для получения поверхностей более низкой шероховатости необходимо исследовать влияние других технологических параметров и оптимизировать их.
1. Бабичев, А. П. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2008. 624 с.
2. Барон, Ю. М. Технология абразивной обработки в магнитном поле. Л.: Машино-строение, 1975. - 128 с.
3. Baron Yu.M., Sung-Lim Ko, Repnikova E.E. Experimental Verification of Deburring by Magnetic Abrasive Finishing (MAF) Method // 2th Asia Pasific Forum on Precision Surface and Deburring Technology. Seoul, 2002. P. 166-178.
4. Бурлаков, В. I. Аналiз методiв обробки деталей вiльним абразивом // Вiсник При-азовського державного технiчного унiверситету. Технiчнi науки. 2017. - Вип. 35. - С. 132-137.
5. Kodacsy J. Apparatus for Cleaning Deburring and Polishing Parts in Magnetic Field // Prac. of 7 th International Conference of Deburring and Surface Finishing/ Berkeley, 2004/ P/ 375-378.
6. Павлюкова Н. Л., Полетаев В.А., Волкова Ю.М. Повышение эффективности отде-лочной обработки художественных изделий из медных сплавов свободными абразивами. Иваново: ИГЭУ, 2010. 100 с.
7. Тамаркин М.А. Технологические основы оптимизации процессов обработки дета-лей свободными абразивами: дис. на соиск. ученой степ. докт. техн. наук: 05.02.08 - техно-логия машиностроения. Ростов-на-Дону, 1995. 285 с.
8. Иванцова Г. М., Остапчук К.А., Овсянникова В.Е. К вопросу применения электро-химического полирования для чистовой обработки деталей // Вестник Курганского государ-ственного университета. 2008. - № 3. - С. 94-96.
9. Zamota T. Electrochemical Bases of Macrorunning in of Flat Friction Process at ECMP(G) // Problems of Technology. 2011. - № 4. -P. 56-61
10. Шибаев Б.А., Балмасов А.В. Электрохимическое полирование конструкционных легированных сталей // Гальванотехника и обработка поверхности. 2019. -№ 2. - С.23-30.
11. Холевин, В. В. Исследование процесса химико-механического полирования дета-лей и узлов микросистемной техники // Наука и образование. 2011. - № .10. - С. 24-31.
12. Jeffry J. Sniegowski. Chemical-mechanical polishing: enhancing the manufacturability of MEMS. Intelligent Micromachines Deportament. Sandia National Laboratories. Albuquerque. NM 87185.
13. Lebrecht von Trotha et al. Advanced MEMS fabrication using CMP. Semiconductor In-ternational. 8/1/2004.
14. Грилихес, С. Я. Электрохимическое полирование, Л.: Машиностроение, 1976. 208 с.
15. Болдырев, А. И. Электрохимикомеханическая обработка. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2012. - 243 с.
16. Aliakseyeu Yu.G., Korolyov A.Yu., Niss V.S., Parshuto A.E., Budnitskiy A.S. The Use of Pulsed Modes in the Electrochemical Polishing of Corrosion-Resistant Steels // Science & Tech-nique. 2019. № 18(3). Р. 200-208.
17. Королева, Л. Ф. Трибохимическая активность абразивных материалов на основе смешанных оксидов в процессе полирования металлов // Физика и химия обработки матери-алов. 2006. - № 4. - С. 84-92.
18. Королева, Л. Ф. Модифицированные нанодисперсные оксиды для финишного по-лирования металлов // Diagnostic, Resource and Mechanical of Materials and Structures. 2016. № 2. С. 48-73.
19. Технология электрических методов обработки / В.П. Смоленцев, А.В. Кузовкин, А.И. Болдырев и др. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т. 2002. - 310 с.
