Электрохимическая обработка деталей из WC-CO твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона

Твердые WC-Co сплавы находят широкое применение в промышленности для изготовления формообразующего инструмента: штампов, пресс-форм, фильер и др.

Электрофизические и механические методы, традиционно используемые для обработки такого рода материалов сопряжены со значительным износом инструмента, малопроизводительны, либо не обеспечивают требуемой точности и шероховатости поверхности. Одним из путей решения этой проблемы является применение электрохимической обработки (ЭХО). Большой вклад в решение этой проблемы за последние двадцать лет внесли ученые: Атанасянц А. Г., Паршутин В. В., Береза В. В., Левин А. И., Нечаев А. В. и др. Однако уровень полученных ими результатов не соответствует современным требованиям. Так, известные по научнотехнической литературе показатели по шероховатости поверхности составляют — Ra 0,8.3,2 мкмпо погрешности обработки — ± 20 мкм, что не позволяет в полной мере охватить номенклатуру рассматриваемого класса деталей, либо после операции ЭХО требуются последующие трудоемкие операции слесарно-механической доводки.

В ряде научных школ Российской Федерации, Республики Молдова на лабораторном и опытно-промышленном уровне были получены результаты, подтверждающие принципиальную возможность дальнейшего повышения точности и качества поверхности при ЭХО за счет использования биполярных импульсов тока микросекундного диапазона высокой плотности. Однако применительно к электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов это направление исследований практически не развивалось. В результате не существует технологических рекомендаций, обеспечивающих высокопроизводительную обработку деталей с шероховатостью поверхности Ra менее 0,1 мкм и погрешностью обработки менее ±10 мкмнет научно-обоснованных подходов к оптимизации в указанных условиях состава электролита и параметров режима обработкинет общей научной позиции в интерпретации ряда' экспериментальных данныхотсутствует серийно выпускаемое оборудование (станки, источники питания, системы автоматического управления). Имеются также проблемы и теоретического плана, в частности, в понимании механизма анодного процесса растворения композиционного материала, имеющего макрокомпоненты с существенно различными электрохимическими свойствами при воздействии биполярных импульсов тока микросекундного диапазона.

Таким образом, комплекс задач, связанный с дальнейшим исследованием, оптимизацией и повышением выходных технологических показателей процесса электрохимической обработки твердых сплавов, за счет использования биполярных импульсов микросекундного диапазона является актуальным. Работа выполнялась в соответствии с планами хоздоговорных научно-исследовательских работ и международных контрактов Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ).

В связи с вышеизложенным сформулирована цель работы: снижение шероховатости и повышение точности поверхности деталей из WC-Co твердых сплавов при электрохимической обработке, за счет использования импульсов биполярного тока микросекундного диапазона.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Усовершенствовать методику поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока.

2. Определить оптимальный состав электролита для электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов биполярными импульсами тока микросекундного диапазона.

3. Выявить особенности и уточнить механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов при прохождении последовательность микросекундных импульсов биполярного тока высокой плотности.

4. Разработать способ импульсной электрохимической обработки твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах.

5. Исследовать • выходные технологические показатели ЭХО твердых сплавов с различной величиной зерна WC и различным содержанием кобальта микросекундными импульсами биполярного тока высокой плотности.

6. Разработать математическую модель процесса ЭХО твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока, позволяющую прогнозировать развитие физико-химических процессов в электролите и на поверхности электродов, а также поставить и решить задачу определения оптимального МЭЗ.

7. Разработать технические требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка, а также технологические рекомендации по выбору режимов обработки для типовых операций ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока.

В результате выполнения поставленных задач были полученные следующие основные результаты:

1. Экспериментальная методика поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов при высоких плотностях тока

2. Результаты поляризационных исследований, результаты исследований химического состава поверхностного слоя методами вторичной масс-спектроскопии и микрорентгеноспектрального анализа и результаты исследования электрохимической обрабатываемости WC-Co твердых сплавов в водных электролитах на основе нитрата натрия различной концентраций и различной величины водородного показателя (рН).

3. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения

WC-Co твердых сплавов последовательностью микросекундных импульсов биполярного тока в водных растворах электролитов на основе нитрата натрия.

4. Новый способ импульсной электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока на минимально допустимых межэлектродных зазорах.

5. Математическая модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока, учитывающая зависимости анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияние на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменение температуры и газонаполнения электролита в межэлектродном промежутке (МЭП).

По результатам работы опубликовано 9 печатных работ, получен патент Российской Федерации на изобретение.

Результаты работы в целом и отдельные ее части представлялись и обсуждались на: международном симпозиуме «Computer science and Information Technology (CSIT)», Budapest, Hungary -2004; ежегодных технических семинарах и конференциях молодых ученых УГАТУВсероссийской молодежной научнотехнической конференции «Проблемы современного машиностроения», Уфа-2004; Международной компьютерной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы», Уфа- 2004гМеждународной молодежной научной конференции XII Туполевские чтения, Казань- 2004 г.

Диссертация изложена на 227 страницах и состоит из введения, пяти глав, посвященных анализу литературы, теоретическим и экспериментальным исследованиям, заключения, списка литературы из 53 названий, содержит 17 таблиц и 169 рисунков.

Основные выводы и результаты

На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен новый способ электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов импульсами тока микросекундной длительности, выявлены условия, обеспечивающие достижение наибольшей точности копирования и высокого качества поверхности. В соответствии с поставленной целью и задачами работы могут быть сформулированы следующие выводы:

1. Усовершенствована методика, разработана экспериментальная оснастка и оборудование для поляризационных исследований WC-Co твердых сплавов, позволяющие повысить точность измерения потенциалов, за счет корректировки их значений, полученных по стандартной методике путем периодических замеров остаточных потенциалов методом «быстрого» разрыва цепи.

2. На основе усовершенствованной методики, экспериментально, проведены потенциодинамические и гальваностатические исследования WC-Co твердых сплавов с различным содержанием Со и различной величиной зерна в электролитах на основе в водных растворов нитрата натрия, гидрата окиси натрия и их процентных массовых комбинаций. Выявлены оптимальный состав электролита и условия высокоскоростного анодного растворения, при которых могут быть обеспечена высокая производительность и качество поверхности. В частности показано, что для широкой группы WC-Co сплавов оптимальным является электролит на основе водного раствора NaN03 с небольшой (до 3%) добавкой NaOH. При использовании дополнительных низковольтных импульсов обратного тока, увеличивающим начальное значение рН электролита, процентное содержание NaOH может быть снижено до 1% и менее.

3. Уточнен механизм высокоскоростного анодного растворения WC-Co твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах в электролитах на основе водных растворов NaN03 с высоким управляемым импульсом обратного тока, начальным значением показателя рН электролита у поверхности детали при использовании групп рабочих импульсов биполярного тока микросекундной длительности высокой плотности. Показано, что в силу нестационарности установления электродных потенциалов и закономерного изменения показателя (рН) в каждом из импульсов группы, для каждой из компонент WC-Co сплава могут достигаться различные фазы развития и интенсивности электрохимических процессов.

4. Предложен новый способ электрохимической обработки WC-Co твердых сплавов на малых межэлектродных зазорах с управляемой интенсивностью селективного растворения его основных компонентов, заключающийся в том, что к межэлектродному промежутку периодически прикладывают группы импульсов микросекундной длительности биполярного тока, чередующихся с дополнительным длинными (миллисекундной длительности) импульсами обратного тока. Назначение дополнительного импульса обратного тока состоит в том, чтобы очистить поверхность детали от пленок и катодных осадков пузырьками водорода, а так же для того, что бы создать в МЭП перед группой микросекундных импульсов среду с высоким начальным значением рН. Таким образом, действие первых импульсов последовательности начинается в сильно щелочной среде, а их длительность выбрана такой, чтобы превалировала фаза первичного активного электрохимического растворения вольфрама. Последующие импульсы осуществляют анодное растворение уже в нейтральной или кислотной среде. Длительность и амплитуда этих импульсов выбирается такой, чтобы обеспечить преимущественное электрохимическое растворение кобальтовой составляющей сплава в условиях транспассивности с заданной интенсивностью. Таким образом, согласованный выбор параметров микросекундных импульсов прямой полярности в группе и параметров дополнительного длинного импульса обратной полярности, обеспечивает выравнивание скоростей растворения компонентов сплава, а, следовательно способствует формированию минимальной шероховатости поверхности.

Экспериментально установлено, что, в частном случае, при фиксированной длительности всех импульсов, оптимальное соотношение суммарных количеств электричества микросекундных импульсов прямой полярности и дополнительного импульса обратной полярности должно находиться в диапазоне 1,8 — 2,4. В этих условиях обеспечивается шероховатость поверхности для ультрамелкозернистых WC-Co сплавов Ra 0,04 — 0,06мкм, крупнозернистых — Ra 0,1 — 0,2мкм.

Роль микросекундных импульсов обратного тока в группе состоит в принудительном разряде емкостей двойных электрических слоев в паузе между импульсами прямой полярности для усиления эффекта неэквипотенциальности поверхности.

5. Исследованы зависимости выходных технологических показателей (производительности, точности обработки и шероховатости поверхности) при электрохимической обработке WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока при изменении основных параметров режима и условий обработки для различной величины зерна WC и различном процентном содержании Со.

Установлено, что чем больше размер зерна WC, тем выше шероховатость обработанной поверхности, например, для зерна карбида с размером 0,2 — 0,5 мкм в области оптимальных параметров режима достигается шероховатость Ra 0,04 — 0,06 мкм, а для WC-Co твердого сплава с размером зерна 1,5 — 2,5 мкм шероховатость Ra 0,2 мкм. С увеличением содержания кобальта в сплаве шероховатость поверхности увеличивается. Причем при малых амплитудах микросекундных импульсов прямой полярности влияние содержания кобальта на шероховатость более заметно. Установлено также, что с увеличением амплитуды импульсов рабочего тока оптимальные дительности импульсов, при которых достигаются минимальные значения шероховатости поверхности и макимальные поизводительности процесса, также уменьшаются.

Технологические исследования подтвердили результаты теоретических и экспериментальных исследований о наличии оптимальных соотношений между параметрами импульсов прямой полярности и дополнительным импульсом обратной полярности.

6. Разработана модель процесса ЭХО микросекундными импульсами биполярного тока с учетом зависимостей анодного и катодного потенциалов от длительности поляризации и плотности тока, влияния на анодный потенциал дополнительного импульса обратной полярности, а также изменения температуры и газонаполнения электролита в МЭП. На основе модели поставлена и решена задача определения оптимальной величины МЭЗ, при которой обеспечивается наибольшая производительность процесса. Модельный анализ изменения электрического сопротивления МЭП в области оптимума, при приложении последовательности микросекундных импульсов тока, позволил выявить косвенные информативные параметры для управления процессом. Теоретически доказано и подтверждено экспериментально, что по характеру изменения знака разности электрических сопротивлений МЭП по переднему и заднему фронту каждого из импульсов в последовательности может быть определен минимально допустимый межэлектродный зазор и, соответствующая ему, оптимальная скорость подачи ЭИ. Данный информативный параметр, в совокупности с ранее описанным способом выбора параметров импульсов, может быть положен в основу создания новой адаптивной системы управления процессом ЭХО твердых сплавов (патентная заявка № 2004/129 235 МКИ7 В23Н 3/00 — 3/02 от 04.10.2004г).

7. Разработаны требования к источнику питания и системе управления электрохимического станка для ЭХО WC-Co твердых сплавов микросекундными импульсами биполярного тока, технологические рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки. Разработаны и апробированы на промышленном оборудовании типовые копировально-прошивочные операции, для которых приведены рекомендации по выбору оптимальных режимов и умловий обработки.

8. На основании хоздоговора с научно-медицинской ассоциацией была разработана и опробована технология изготовления опорной муфты из твердого сплава марки ВК-8 для ультразвукового волновода.