9_Zamota.doc Электрохимические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 56 Замота Т.Н. Восточноукраинский национальный уни- верситет им.В.Даля, г.Луганск, Украина ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА МАКРОПРИРАБОТКИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПРИ ЭХМП(Д) Введение C целью достижения высокой чистоты и точности поверхности в процессе производства и ре- монта все большее количество металлических деталей нуждаются в полировании и выравнивании. Элек- трохимико-механическое полирование основано на совместном электрохимическом и механическом воз- действии на рабочие поверхности деталей. С помощью этого вида полирования достигается высокая чис- тота поверхности и эффективность процесса, используется простое оборудование и способ находит ши- рокое применение [1]. Одним из направлений в доводке сопряжений механизмов и сокращении времени обкатки агрегатов является электрохимико-механическая приработка (доводка) (ЭХМП(Д)) [2, 3]. Целью данной работы является выявление механизма приработки плоских поверхностей при ЭХМП(Д), построение математической модели взаимосвязи его параметров и практическая реализация построенной модели Механизм ЭХМП(Д) Принцип электрохимико-механической приработка (доводки) можно понять из рис. 1. Деталям механизма придается рабочее движение, между ними прокачивается электролит и пропускается пере- менный электрический ток. Благодаря этому каждая из деталей попеременно становится анодом и като- дом с частотой 50 Гц. В анодный полупериод происходит электрохимическое травление поверхности, которое зависит от свойств электролита, режима трения и токовых параметров процесса. а б в г Рис. 1 – Схема макрогеометрической приработки сопряженных поверхностей: а – общий случай неэквидистантности плоских поверхностей; б – частный случай(при отсутствии поперечного перекоса); в – приработочная зона; 1 – поверхность 1; 2 – поверхность 2; 3 – смазочная среда; P – давление;V – скорость взаимного перемещения; U, I, R – токовые параметры процесса; δ – толщина изнашиваемого материала; γ, φ – углы перекоса; hmin – толщина минимального слоя электролита в зоне механической депассивации; Ra – сопротивление анода; h – толщина слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения; Rк – сопротивление катода; Rэл – сопротивление минимального слоя электролита; Rэл·h/hmin – сопротивление слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения; Rпл – сопротивление пассивационной пленки PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Электрохимические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 57 В отличие от электрохимического полирования при ЭХМП(Д) применяются вязкие электролиты, обеспечивающие разделение трущихся поверхностей при гидродинамическом и хорошие смазывающие способности при переходном и граничном режимах трения. За счет совместного электрохимико- механического воздействия происходит быстрое приспосабливание одной поверхности к другой. Наибо- лее эффективным фактором ЭХМП(Д) является электрохимический [2, 4, 5]. Рис. 2 – Расчетная схема распределения зазоров при приработке поверхности с макрогеометрическим отклонением Как видно из рис. 2, на поверхности детали можно выделить следующие характерные участки: макрогеометрического отклонения сохранения эквидистантности поверхностей. На первом участке (в месте просвета) при ЭХМП(Д) происходит только процесс анодного растворения (Vа), а на втором - пе- риодически чередуются акты механического активирования и анодного растворения (Vм + Vад). Прира- ботка детали заканчивается когда максимальный припуск maxδ уменьшится до нуля. При этом необхо- димо обеспечить снятие приработочного припуска, обозначенного на рис. 2 штриховкой. Очевидно, что при больших съемах с детали, приработка будет сопряжена с повышенными износами при ЭХМП(Д). Снижение приработочного износа возможно за счет увеличения скорости съема металла на участке ме- ханического активирования (Vм + Vад) по отношению к скорости съема в зоне просвета, где активирова- ние поверхности отсутствует (Vа). Для упрощения примем, что скорость выравнивания погрешности maxV равна: ,maxmax aaдм VVVdt d V −+= δ = (1) где (Vм + Vад) и (Vа) – соответственно скорости съема металла на участке механического активи- рования и анодного растворения; Vад – скорость анодного растворения металла при механической депассивации. Анодное травление Vа в каждой конкретной точке происходит с определенной скоростью обрат- но пропорциональной величине межэлектродного зазора h. Толщина смазочного слоя между трущимися поверхностями в зоне непосредственного контакта равна minhhi = , а в зоне макрогеометрического от- клонения hhi =− . В начальный момент времени локальная область поверхности детали с макрогео- метрическим отклонением находится на зазоре minhhi = и имеет скорость травления Vа. Обозначим ме- жэлектродный зазор через h = h(t) – расстояние локальной области от начала отсчета в момент времени t, тогда в зоне непосредственного контакта min)0( hh = . Согласно условию, изменение величины макро- геометрической погрешности h от времени можно описать дифференциальным уравнением: , h k dt dh = (2) где )()1( 2 1 1 kaa U x kk ϕ+ϕ−η⋅ ρ ε ⋅−⋅= ; (3) 1/2 – коэффициент, учитывающий анодный полупериод переменного тока, при котором проис- ходит травление одной из деталей сопряжения; k1 – коэффициент, учитывающий учитывающий долю граничного трения (Sm < 10-5) в общем времени цикла; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Электрохимические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 58 U – рабочее напряжение, В; φа – анодный потенциал, В; φк – катодный потенциал, В; ηа – анодный выход по току, %; χ – удельная электропроводимость электролита, Ом-1·см-1; ρ – плотность материала, г/см3; ε – электрохимический эквивалент материала анода, г/А·ч. Величину зазора в области макрогеометрического отклонения с течением времени можно оце- нить по формуле: ( ) ( ) tUkcaxhktcaxhh kaa ⋅ϕ+ϕ−η⋅ρ χε ⋅−+−−δ+=+−−δ+= )()1(2 1 2 maxmin 2 maxmin , (4) где a и c – постоянные прямой линии характеризующей макрогеометрическое отклонение, и за- висящие от угла перекоса γ и линейных размеров детали; x – координата сечения детали от максимального зазора (рис. 2). Минимально возможный объемный износ для обеспечения эквидистантности поверхностей, с учетом анодного растворения зависит от ширины детали b: V эп h =b dxtUkcaxh kaa Lx x ⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε ⋅−+−−δ+∫ = = )()1()( 1 2 maxmin 0 , (5) При этом скорость анодного съема материала с поверхности детали в каждой конкретной ло- калбной области с учетом формул (2) и (3), описывается следующим выражением: .)()1()(/)()1(2/1 1 2 maxmin1 tUkcaxhUkdt dh V kaakааа ⋅ϕ+ϕ−η⋅ρ χε −+−−δ+ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε ⋅−⋅== (6) Составляющую скорости анодного растворения материала Vад можно определить исходя из за- конов Фарадея и Ома [8] с учетом периодического прерывания анодного растворения в рассматриваемой локальной области поверхности, вследствие падения напряжения при механическом активировании (в зонах граничного трения). По аналогии со скоростью анодного растворения Vа составляющая Vад равна: ,)()1(/)()1(2/1 1 2 min1 tUkhUkdt dh V kaдaдkададад ⋅ϕ+ϕ−η⋅ρ χε −+ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε ⋅−⋅== (7) Подставив выражения (6) и (7) в (1), получим зависимость скорости выравнивания макрогеомет- рической погрешности Vmax от электрохимико-механических параметров процесса: ).)()1()(/)( )()1(/)(()1(2/1 1 2 max 2 min 1 2 min1max tUkcaxhU tUkhUkVV kaakaa kaдaдkададм ⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε −+−−δ+ϕ+ϕ−η− −⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε −+ϕ+ϕ−η ρ χε ⋅−⋅+= (8) Отсюда следует, что скорость уменьшения макрогеометрической погрешности, кроме механиче- ского (Vм) и геометрического (δ), зависит от электрохимических факторов, таких как удельная элек- тропроводимость χ, значения анодных потенциалов адϕ , аϕ и выходов по току адη , аη . Механиче- ское активирование снижает анодный потенциал [8]. Подтверждение того, что анодный выход по току возрастает в результате периодического механического воздействия, имеется в работах [5 … 7]. Таким образом, выбор режимов ЭХМП(Д) можно осуществить на основе информации о величи- нах адϕ , аϕ , адη , аη при определенных условиях приработки. Ускорению приработки поверхностей способствует уменьшение коэффициента k1, который выражает долю граничного трения в общем време- ни цикла. В свою очередь, k1 зависит от критерия Зоммерфельда Sm. Толщина пленки minh , разделяющая прирабатываемые поверхности, также является функцией скорости перемещения V и динамической вязкости µ, однако увеличение minh приведет к повышению переходного сопротивления слоя электролита. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Электрохимические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 59 Исходя из формулы (8) для увеличения скорости приработки поверхности детали необходимо, чтобы величина minh была минимальной и обеспечивались условия гидродинамической смазки. Сниже- ние несущей способности электролита, с целью уменьшения minh , возможно за счет газообразования. При электрохимико-механической приработке (доводке) электролит заполняется пузырьками газа за счет электрохимических процессов, протекающих на поверхностях трибосопряжений. Газообразование зави- сит от токовых параметров. Поток газа с жидкостью обладает высокой степенью сжимаемости [7], что может быть использовано для уменьшения minh в процессе приработки с использованием ЭХМП(Д). Некоторое количество пузырьков газа будет способствовать локализации процесса анодного растворе- ния, которая широко применяется во многих технологических схемах электрохимической размерной об- работки деталей машин [7, 8]. Применяемые электролиты и их характеристик Экспериментальные исследования свидетельсвуют, что при ЭХМП(Д) поверхностей трения це- лесообразно использовать следующие составы электролитов: - смесь глицерина с 20 % водным раствором NaCl в соотношении четыре объемных частей гли- церина и одна объемная часть раствора хлорида натрия (состав № 1); - смесь глицерина с 20 % водным раствором NaNO3 в соотношении четыре объемных частей глицерина и одна объемная часть раствора нитрата натрия (состав № 2); - смесь глицерина с 20 % водным раствором Na2CO3 в соотношении 84 % глицерина и 16 % рас- твора карбоната натрия (состав № 3); - смесь глицерина с 20 % водным раствором Na2CO3 в соотношении 84 % глицерина и 16 % рас- твора карбоната натрия и добавлением 4 % олеиновой кислоты (состав № 4). Выявленно, что удельная электропроводимость электролита χ зависит от содержания глицерина и олеиновой кислоты. С увеличением концентрации этих диэлектриков происходит снижение электро- проводимости χ. Апроксимацией экспериментальных данных были получены уравнения удельной элек- тропроводимости электролита χ в зависимости от концентрации глицерина (табл. 1, 2). Таблица 1 Электропроводимость χ различных типов электролитов Состав электролитов Удельная электропроводимость электролита в зависимости от концентрации глицерина, Ом-1·см-1 Радиальный межэлектродный зазор h, мкм 1 χ = 0,1830204 – 4,346347 . 10-3 . Сгл + 2,578661 . 10-5 . С2гл 3 … 30 2 χ = 0,1115 – 1,6792·10-3· Сгл. + 0,79515·10-5 . С2гл 3 … 30 3 χ = 0,1331486 – 3,009244 . 10-3 . Сгл + 1,685120 . 10-5 . С2гл 3 … 30 χ = 0,1331486 – 3,009244 . 10-3 . Сгл + 1,685120 . 10-5 . С2гл 4 электропроводимость олеиновой кислоты χ – 2·10-10 1 … 30 Таблица 2 Электропроводимость χ в зависимости от процентного содержания глицерина Процентное содержание глицерина, % Электролиты 72 76 80 84 88 100 1 0,47 · 10-3 0,40 · 10-3 0,34 · 10-3 0,32 · 10-3 0,29 · 10-3 2 0,38 · 10-3 0,28 · 10-3 0,26 · 10-3 0,24 · 10-3 0,16 · 10-3 3 0,29 · 10-3 0,23 · 10-3 0,20 · 10-3 0,12 · 10-3 0,08 · 10-3 6,4 · 10-8 на механически активированных выступах 0,29 · 10-3 0,23 · 10-3 0,20 · 10-3 0,12 · 10-3 0,08 · 10-3 6,4 · 10-8 4 во впадинах 9,06 · 10-7 8,13 · 10-7 7,81 · 10-7 3,75 · 10-7 2,50 · 10-7 2 · 10-10 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Электрохимические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 60 Для расчета скорости анодного растворения прирабатываемых поверхностей необходимо знать как изменяется выход по току от плотности тока для различных материалов прирабатываемых поверх- ностей (рис. 3). Рис. 4 – Изменение выхода по току ηа при ЭХМП(Д) поверхностей из различных материалов Скорость анодного травления зависит от электрохимического эквивалента материала ε,его плот- ности ρ и других параметров, представленных в табл. 3 Таблица 3 Данные для расчета скорости электрохимического растворения металлов прирабатываемых деталей [9] Металл Плотность материала ρ, г/см3 Электрохимический эквивалент материала ε, г/А·ч Уравнение реакции Электродный потенциал Алюминий 2,699 0,839 Al =Al3+ + 3e- – 1,663 Водород 0,031 0,001 2H-= H2 + 2e - – 2,251 Железо 7,874 1,157 Fe= Fe2+ + 2e- – 0,440 Хром 7,19 1,077 Cr= Cr3+ + 3e- – 0,744 Медь 8,94 1,317 Cu= Cu2+ + 2e- 0,337 Практическая реализация математической модели, описывающая уменьшение макрогео- метрической погрешности при ЭХМП(Д) плоских повехностей Имея данные по применяемым электролитам и их характеристикам рассчитаем скорость устра- нения макрогеометрической погрешности Vmax при ЭХМП(Д) сопряжения по схеме рис. 2. Расчет прове- дем для материала прирабатываемой детали – железа. Из табл. 3 берем плотность материала детали – ρ = 7,874 г/см3 и электрохимический эквивалент ε = 1,157 г/А·ч. Лучшим является электролит с пассивирующими свойствами. Добавление олеиновой ки- слоты усиливает эффект выравнивания прирабатываемой поверхности. Опытным путем было определе- но оттимальное процентное содержание глицерина. Оно составило 84 %. Поэтому расчет проведем для 4 электролита (смеси глицерина с 20 % водным раствором Na2CO3 в соотношении 84 % глицерина и 16 % раствора карбоната натрия и добавлением 4 % олеиновой кислоты). Электропроводимость выбранного электролита равна χ = 0,12 · 10-3 Ом-1·см-1 без учета олеиновой кислоты на механически активированных вы- ступах и χ = 3,75 · 10-7 Ом-1·см-1 во впадинах (в зоне макрогеометрического отклонения). Геометрические па- раметры прирабатываемой детали принимаем следующие – δmax= 50 мкм (0,005 см), ax +b = 10 мкм, а вы- ходы по току 10 и 30 % для анодного растворения без механической активации и с ней, соответственно (ηа = 0,1, ηад = 0,3). Минимальная толщина слоя электролита minh зависит от параметров процесса приработки и может быть задана такими параметрами как скорость взаимного перемещения, давление в паре трения и вязкость электролита. В нашем случае примем minh = 3 мкм (0,0003см). Множитель напряжения процес- са U – φa + φk = 4 В, а время опыта ограничим t = 10 мин. Скорость механического съема будет мини- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Электрохимические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 61 мальной, с учетом малых нагрузок в паре трения (Vм = 10-3 см/ч), а k1 зададим равным 0,1. Подставляя обоснованные данные в уравнение математической модели (8), получим: ).см/ч(011,001,0001,017,041,0 874,7 157,11075,3 9,00043,0/41,0 17,043,0 874,7 157,11012,0 9,00003,0/43,0( 874,7 157,11012,0 9,02/110 ))()1()(/)( )()1(/)(()1(2/1 7 2 3 2 3 3 1 2 maxmin 1 2 min1max =+=⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅+⋅− −⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅+⋅ ⋅⋅ ⋅⋅+= =⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε −+−−δ+ϕ+ϕ−η− −⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε −+ϕ+ϕ−η ρ χε ⋅−⋅+= − −− − tUkcaxhU tUkhUkVV kaakaa kaдaдkададм Результат расчетов показал, что применение ЭХМП(Д) позволяет производить выравнивание макрогеометрических погрешностей металлических деталей. Электрохимическая составляющая процес- са является наиболее значимой. Расчетные значения скорости механического съема Vм и других не таб- личных параметров процесса, входящих в уравнение, взяты с учетом экспериментального опыта автора и сотрудников. ЭХМП(Д) – это высокоэффективный способ приработки сопряженных поверхностей, но получение оптимальных результатов возможно при глубоком понимании процесса, описанного выраже- нием (8). Выводы 1. На основе выявленного механизма ЭХМП(Д), построена математическая модель взаимосвязи его параметров. 2. Выявлено, что процесс ЭХМП(Д) можно контролировать электрохимическими и механиче- скими факторами, влияющими на толщину минимального слоя электролита minh , его электропроводи- мость χ и пассивирующие свойства, формирующих Rэл – сопротивление минимального слоя электролита; Rэл · h / hmin -сопротивление слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения и Rпл – сопро- тивление пассивационной пленки. 3. Установлено наличие пассивационной пленки ускоряет выравнивание поверхности, поэтому целесообразно при этом использовать электролит с пассивирующими свойствами. Литература 1. Yuan – Long Chen, Shu– Min Zhu, Shuo – Jen Lee and other. The technology combined electro- chemical mechanical polishing. Journal of Materials Processing Technology 140 (2003). – pp. 203 – 205. 2. Алексеев В.П. Электрохимико-механическая макроприработка деталей. – Луганск:Элтон-2. – 2011-204 с. 3. Замота Т.Н. Физико-химические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения // Проблеми трібології. – 2011. – № 2. – С. 26-30. 4.Taras Zamota, Alexander Kravchenko. Electrochemical-mechanical running in of the main engine′s conjugations // TEKA, Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture. - Vol. XD. - Lub- lin,2010. - P. 58-65 5.L. Economikos, X. Wang, A. Sakamoto, P. Ong, M. Naujok, R. Knarr, L. Chen, Y. Moon, S. Neo, J. Salfelder, A. Duboust, A. Manens, W. Lu, S. Shrauti, F. Liu, S. Tsai, W. Swart. Integrated Electro – Chemical Mechanical Planarization (Ecmp) for Future Generation Device Technology. IEEE, 2004. – pp.233 – 235. 6.Shuo– Jen Lee, Yu– Ming Lee, Ming– Feng Du. The polishing mechanism of electrochemical me- chanical polishing technology. Journal of Materials Processing Technology 140 (2003). – pp. 280 – 286. 7. Любимов В.В., Китаев Ю.В. Влияние анионного состава электролита на выравнивающие свойст- ва электрохимической обработки с периодической абразивной депассивацией // Электронная обработка материа- лов. – 1983. – № 5. – С. 13-17. 8.Мороз И.И. Основы повышения точности электрохимического формообразования.- Кишинев: Штиинца, 1977. – 293 с. 9. Справочник по электрохимии / Под ред. А.М.Сухотина. – Л.:Химия, 1. Надійшла 17.10.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com