Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
UDK 621.92 Шлифование и подобные процессы. Абразивные материалы. Шлифовальные станки. Дробление. Измельчение. Сортировка (сепарация, классификация). Смешивание
UDK 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
This article presents the results of experimental studies of the electrochemical mechanical polishing process, which combines anodic dissolution, possessing high localizing properties, with the dynamic effects of abrasive grains. The essence of the combined process is described, when, under the influence of operating voltage, a continuous electrochemical dissolution of the treated surface occurs with the formation of oxide films on it, followed by their removal together with the treated metal by means of abrasive grains quasi-fixed in the polishing pad. The description and conditions of the conducted experiments are given. The influence of the weight content of the abrasive in the composition of the electrolyte-abrasive mixture on the removal of metal and the roughness of the treated surface is shown. The impact on the course of the combined process of the frequency of rotation of the polishing pad and the pressure of the workpiece on it is noted. At optimal values of the studied parameters, electrochemical-mechanical polishing makes it possible to ensure high geometric quality of the treated surface and high process productivity.
COMBINED PROCESSING, ELECTROCHEMICAL MECHANICAL POLISHING, PROCESS PRODUCTIVITY, SURFACE ROUGHNESS
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. Babichev A.P. Osnovy` vibracionnoj texnologii. Rostov-na-Donu: Izdatel`skij centr DGTU, 2008. 624 s.
2. Baron Yu.M. Texnologiya abrazivnoj obrabotki v magnitnom pole. L.: Mashinostroenie, 1975. 128 s.
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. Burlakov V.I. Analiz metodiv obrobki detalej vil`nim abrazivom // Visnik Priazovs`kogo derzhavnogo texnichnogo universitetu. Texnichni nauki. 2017. Vip. 35. S. 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. Pavlyukova N.L., Poletaev V.A., Volkova Yu.M. Povy`shenie e`ffektivnosti otdelochnoj obrabotki xudozhestvenny`x izdelij iz medny`x splavov svobodny`mi abrazivami. Ivanovo: IGE`U, 2010. 100 s.
7. Tamarkin M.A. Texnologicheskie osnovy` optimizacii processov obrabotki detalej svobod-ny`mi abrazivami: dis. na soisk. uchenoj step. dokt. texn. nauk: 05.02.08 - texnologiya mashi-nostroeniya. Rostov-na-Donu, 1995. 285 s.
8. Ivanczova G.M., Ostapchuk K.A., Ovsyannikova V.E. K voprosu primeneniya e`lektroximicheskogo polirovaniya dlya chistovoj obrabotki detalej // Vestnik Kurganskogo gosudar-stvennogo universiteta. 2008. № 3. S. 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. Shibaev B.A., Balmasov A.V. E`lektroximicheskoe polirovanie konstrukcionny`x legiro-vanny`x stalej // Gal`vanotexnika i obrabotka poverxnosti. 2019. № 2. S.23-30.
11. Xolevin V. V. Issledovanie processa ximiko-mexanicheskogo polirovaniya detalej i uzlov mikrosistemnoj texniki // Nauka i obrazovanie. 2011. № .10. S. 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. Grilixes S.Ya. E`lektroximicheskoe polirovanie, L.: Mashinostroenie, 1976. 208 s.
15. Boldy`rev A.I. E`lektroximikomexanicheskaya obrabotka. Voronezh: IPCz VGU, 2012. 243 s.
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). R. 200-208.
17. Koroleva L.F. Triboximicheskaya aktivnost` abrazivny`x materialov na osnove sme-shanny`x oksidov v processe polirovaniya metallov // Fizika i ximiya obrabotki materialov. 2006. № 4. S. 84-92.
18. Koroleva L.F. Modificirovanny`e nanodispersny`e oksidy` dlya finishnogo polirovaniya metallov // Diagnostic, Resource and Mechanical of Materials and Structures. 2016. № 2. S. 48-73.
19. Texnologiya e`lektricheskix metodov obrabotki / V.P. Smolencev, A.V. Kuzovkin, A.I. Boldy`rev i dr. Voronezh: Voronezh. gos. texn. un-t. 2002. 310 s.
