RU2188102C1

RU2188102C1 - Method for electrochemical treatment of titanium alloys

Info

Publication number: RU2188102C1
Application number: RU2000131056A
Authority: RU
Inventors: И.Л. Агафонов; С.В. Безруков; Н.З. Гимаев; А.Н. Зайцев; Т.Р. Идрисов; В.Н. Куценко; Р.Р. Мухутдинов; М.С. Смирнов
Original assignee: Агафонов Игорь Леонидович; Безруков Сергей Викторович; Гимаев Насих Зиятдинович; Зайцев Александр Николаевич; Идрисов Тимур Рашитович; Куценко Виктор Николаевич; Мухутдинов Рафаиль Рамзисович; Смирнов Максим Сергеевич
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-08-27

Abstract

FIELD: dimensional electrochemical treatment by means of pulse electric current of easy-to-passivate alloys such as titanium alloys. SUBSTANCE: method comprises steps of applying during pauses between activating pulses (microseconds) additional controlled voltage of less value; increasing frequency of activating voltage pulses until ceasing flaw formation in zones of treated surface subjected to action of leakage electric currents; setting value of additional voltage according to condition for creating protective oxide film onto treated surface; setting duration of trains of activating pulses and pause duration between them; providing synchronization of pulse of maximum electric current density with time moment of maximum mutual approaching of electrodes. EFFECT: enhanced accuracy and quality of treatment of titanium alloy surface due to high degree of localization of anode diffusion. 4 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области прецизионной электрохимической обработки (ЭХО) металлов и сплавов импульсным током и может быть использовано для получения сложно фасонных поверхностей деталей машин с высокой производительностью, точностью и качеством обработки, в частности при размерной электрохимической обработке деталей из легкопассивирующихся материалов, например из титановых сплавов, на поверхности которых при электрохимической размерной обработке образуется прочная пассивирующая токонепроводящая оксидная пленка. The invention relates to the field of precision electrochemical processing (ECM) of metals and alloys by pulsed current and can be used to obtain complex shaped surfaces of machine parts with high productivity, accuracy and quality of processing, in particular during dimensional electrochemical processing of parts from easily passivated materials, for example, from titanium alloys on the surface of which during electrochemical dimensional processing a strong passivating current-conducting oxide film is formed.

Известен способ электрохимической размерной обработки в потоке электролита легкопассивирующихся металлов импульсным током, когда в паузах между импульсами тока на межэлектродный промежуток (МЭП) подают ток, плотность которого минимально необходима для поддержания процесса анодного растворения (А.С. СССР 450687, М.Кл⁴ В 23 Н 3/02, 1975).A known method of electrochemical dimensional processing in an electrolyte stream of easily passivated metals by a pulsed current, when in the pauses between current pulses, a current is supplied to the interelectrode gap (MEP), the density of which is minimally necessary to maintain the anode dissolution process (A.S. USSR 450687, M. C. ⁴ V 23 H 3/02, 1975).

Недостатком известного способа является низкая точность и качество обработки в результате образования питтингов и точечных растравов на поверхностях, не подлежащих обработке. The disadvantage of this method is the low accuracy and quality of processing as a result of the formation of pitting and point rasters on surfaces not subject to processing.

Известен способ электрохимической обработки титановых сплавов в потоке электролита с использованием импульсного технологического напряжения, когда после обработки на частоте от 50 до 150 Гц ведут дополнительную обработку детали при импульсном технологическом напряжении частотой на порядок большей и скважностью менее 2 (А.С. СССР 655494, М.Кл.⁴ В 23 Н 3/02, 1979 г.).A known method for the electrochemical treatment of titanium alloys in an electrolyte stream using a pulsed technological voltage, when after processing at a frequency of 50 to 150 Hz, additional processing of the part is carried out at a pulsed technological voltage with a frequency an order of magnitude greater and a duty cycle of less than 2 (A.S. USSR 655494, M Cl. ⁴ B 23 H 3/02, 1979).

Недостатком данного способа является то, что при обработке на низких частотах импульсов технологического напряжения также возникают дефекты типа питтингов и точечных растравов на поверхностях, не подлежащих обработке. Увеличение частоты в конце обработки до 1...2 кГц не полностью исправляет дефеты от предыдущей обработки. The disadvantage of this method is that when processing at low frequencies of pulses of the technological voltage, defects such as pitting and point rasters also occur on surfaces that are not to be processed. Increasing the frequency at the end of processing to 1 ... 2 kHz does not completely correct the defects from the previous processing.

Известен также способ размерной электрохимической обработки легкопассивируемых металлов импульсным током с подачей на МЭП в паузах между рабочими импульсами дополнительного тока, когда дополнительный ток в паузах между рабочими импульсами подают посредством наложения на МЭП униполярного переменного высокочастотного напряжения величиной, меньше потенциала анодного растворения детали, но достаточной для электрохимического растворения пассивирующей пленки и продуктов реакции, причем частоту напряжения выбирают на один-два порядка выше частоты следования рабочих импульсов (А.С. СССР 621520, М.Кл⁴. В 23 Н 3/02,1978).There is also a known method of dimensional electrochemical processing of easily passivated metals by a pulsed current with an additional current supplied to the MEP in the pauses between the working pulses, when the additional current in the pauses between the working pulses is supplied by applying a unipolar alternating high-frequency voltage to the MEP less than the anodic dissolution potential of the part, but sufficient for electrochemical dissolution of a passivating film and reaction products, the voltage frequency being selected by one or two orders of magnitude higher repetition rate of working pulses (AS USSR 621520, M. Cl ^4. In 23 N 3 / 02.1978).

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает существенного повышения точности и качества ЭХО титановых сплавов, так как подача достаточно длинных рабочих импульсов (5 мс) на больших межэлектродных зазорах (МЭЗ) порядка 0,15 и более приводит к размыву боковой поверхности обрабатываемой полости при осуществлении электрохимической обработки, при этом образуются также дефекты типа питтингов и точечных растравов на поверхности обрабатываемой заготовке. The disadvantage of this method is that it does not significantly improve the accuracy and quality of ECHO of titanium alloys, since the supply of sufficiently long working pulses (5 ms) at large interelectrode gaps (MEZ) of the order of 0.15 or more leads to erosion of the side surface of the treated cavity during electrochemical processing, defects such as pitting and pinpointing are also formed on the surface of the workpiece.

Известен способ электрохимической обработки титановых сплавов с использованием активирующих импульсов с амплитудой напряжения 18 В и длительностью около 20 мс и длительностью паузы между активирующими около 25 мс, при этом напряжение постоянного тока между активирующими импульсами берут 4 В (Давыдов А. Д., Клепиков Р.П., Мороз И.И. Электрохимическая обработка титановых сплавов с применением анодных активирующих импульсов. Электронная обработка материалов. 1980, 6, с. 8-10). Это техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому эффекту, принято нами в качестве прототипа. A known method for the electrochemical treatment of titanium alloys using activating pulses with a voltage amplitude of 18 V and a duration of about 20 ms and a pause duration between activating about 25 ms, while the DC voltage between the activating pulses is 4 V (Davydov A.D., Klepikov R. P., Moroz II Electrochemical processing of titanium alloys using anodic activating pulses. Electronic processing of materials. 1980, 6, p. 8-10). This technical solution, as the closest in technical essence and the achieved effect, was adopted by us as a prototype.

Недостатком данного способа, как и всех предыдущих, является то, что он не обеспечивает достаточного повышения точности и качества электрохимической обработки титановых сплавов, так как подача относительно длинных активирующих импульсов (20 мс) на больших МЭЗ (0,1-0,2 мм) приводит к размыву боковой поверхности обрабатываемой полости, при этом образуются также дефекты типа питтингов и точечных растравов на участках обрабатываемой поверхности, находящихся под действием токов рассеяния. The disadvantage of this method, as well as all the previous ones, is that it does not provide a sufficient increase in the accuracy and quality of the electrochemical treatment of titanium alloys, since the supply of relatively long activating pulses (20 ms) on large MEZs (0.1-0.2 mm) leads to erosion of the side surface of the treated cavity, and defects such as pitting and point rasters are also formed in the areas of the treated surface under the influence of scattering currents.

Кроме того, использование длинных активирующих импульсов с относительно малой частотой не позволяет возобновлять процесс анодного растворения обрабатываемой поверхности после коротких замыканий, вследствие образования на обрабатываемой поверхности участков с измененными поверхностными слоями, обладающими сильными пассивными свойствами. In addition, the use of long activating pulses with a relatively low frequency does not allow to resume the process of anodic dissolution of the treated surface after short circuits, due to the formation on the treated surface of areas with altered surface layers having strong passive properties.

Разработанный способ обработки титановых сплавов с активирующими анодными импульсами предлагается для проведения доводочных операций электрохимической размерной обработки. Однако достигаемая при этом шероховатость поверхности соответствует только ▽5-▽6, что значительно хуже, чем требуемый класс шероховатости при обработке титановых сплавов. The developed method for processing titanium alloys with activating anode pulses is proposed for lapping operations of electrochemical dimensional processing. However, the surface roughness achieved in this case corresponds only to ▽ 5- ▽ 6, which is significantly worse than the required roughness class when machining titanium alloys.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является повышение точности и качества обработки путем точного копирования электрода-инструмента на обрабатываемой заготовке за счет высокой локализации анодного растворения и исключения образования дефектов типа питтингов и растравов на участках поверхности, находящихся под действием токов рассеяния, а также надежное анодное растворение тех труднообрабатываемых локальных участков, которые образовались в результате коротких замыканий электродов. The problem to which the invention is directed is to improve the accuracy and quality of processing by accurately copying the electrode-tool on the workpiece due to the high localization of anode dissolution and eliminating the formation of defects such as pitting and raster in surface areas exposed to scattering currents, as well as reliable anode dissolution of those hard-to-work local areas that were formed as a result of short circuits of the electrodes.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе электрохимической обработки титановых сплавов с применением анодных активирующих импульсов и подачей в паузах между активирующими импульсами дополнительного регулируемого меньшего напряжения, в отличие от прототипа. анодное растворение производят только активирующими импульсами, причем частоту активирующих импульсов напряжения увеличивают до тех пор, пока не прекратится образование дефектов типа питтингов и точечных растравов на участках обрабатываемой поверхности, находящихся под действием токов рассеяния, при этом величину дополнительного напряжения устанавливают исходя из условий создания на обрабатываемой поверхности защитной оксидной пленки, растворимой активирующими импульсами в первую очередь только на тех участках поверхности, которые наиболее близко расположены к поверхности электрода-инструмента, кроме того, активирующие импульсы подают пакетами и длительность пакетов устанавливают исходя из условий недопущения снижения величины амплитудной плотности тока активирующих импульсов ниже средней плотности тока пакета в целом, а длительность паузы между пакетами устанавливают минимальной, исходя из условия поддержания средней плотности тока в следующем пакете импульсов не меньше, чем средняя плотность тока в предыдущем пакете, при условиях же применения колеблющегося электрода активирующий импульс наибольшей плотности тока в пакете синхронизируют с моментом максимального сближения электродов. The problem is achieved in that in the known method for the electrochemical treatment of titanium alloys using anodic activating pulses and feeding in pauses between the activating pulses of an additional adjustable lower voltage, in contrast to the prototype. Anodic dissolution is carried out only by activating pulses, and the frequency of activating voltage pulses is increased until the formation of defects such as pitting and point rasters in areas of the treated surface that are under the influence of scattering currents ceases, and the value of the additional voltage is set based on the conditions of creation on the processed surface of a protective oxide film soluble by activating pulses primarily in those parts of the surface that the closest to the surface of the electrode-tool, in addition, the activating pulses are supplied in packets and the duration of the packets is set based on the conditions to prevent the amplitude of the current density of the activating pulses from falling below the average current density of the packet as a whole, and the pause duration between the packets is set to a minimum based on the conditions for maintaining the average current density in the next packet of pulses are not less than the average current density in the previous packet, under of the current electrode, the activating pulse of the highest current density in the packet is synchronized with the moment of maximum approximation of the electrodes.

Предлагаемый способ электрохимической обработки титановых сплавов позволяет повысить точность в 1,5 раза и обеспечить шероховатость поверхности Ra=0,4-0,8 мкм при формировании сложно фасонных поверхностей. The proposed method for the electrochemical treatment of titanium alloys allows to increase the accuracy by 1.5 times and to provide a surface roughness of Ra = 0.4-0.8 μm in the formation of complex shaped surfaces.

Сущность изобретения
Предлагаемый способ ЭХО заключается в следующем. После включения станка, источника питания и насоса для подачи электролита в МЭП выставляют рабочий зазор, равным 0,05 мм и под высоким давлением электролита на входе МЭП (500 кПа и более) производят электрохимическую обработку с подачей на МЭП активирующих импульсов и дополнительного напряжений. Обработку осуществляют также и с использованием вибрирующего электрода. В этом случае включают и вибратор станка, который приводит в колебательное движение ЭИ в пределах 10...100 Гц, и выставляют начальное значение минимального МЭЗ значительно меньше, например, в пределах 0,01. ..0,03 мм. При этом высокочастотный источник питания выдает пакеты импульсов с частотой, равной частоте колебания ЭИ. Пакеты импульсов длительностью 1. . . 5 мс синхронизируют с моментом максимального сближения электродов, т. е. с моментом достижения межэлектродного зазора 0,01. ..0,03 мм. Длительность импульсов в пакете равна 10...100 мкс. Частоту активирующих импульсов в процессе обработки плавно увеличивают, периодически контролируя поверхность обрабатываемой заготовки, до тех пор, пока не прекратится образование дефектов типа питтингов и точечных растравов в зоне обрабатываемой полости. Если при обработке титанового сплава ВТ-6 в 5%-ном растворе NaCl образование питтингов на поверхности заготовки прекратились при частоте активирующих импульсов 10 кГц, то при обработке этого же титанового сплава в 10%-ном водном растворе NaNО₃, образование питтингов прекратилось уже при частоте активирующих импульсов 20 кГц. При осуществлении процесса появляется возможность регулировать свойства пассивирующих пленок путем изменения величины дополнительного напряжения в паузах между активирующими импульсами. В этих условиях электрохимической обработки на поверхности вокруг обрабатываемой полости отсутствуют дефекты типа питтингов, точечных растравов и растравливаний по границам зерен. Эти положительные эффекты можно объяснить тем, что при таких коротких импульсах, когда длительность импульса меньше времени газонаполнения, выравнивается значение электропроводности электролита по всей обрабатываемой поверхности и появляется возможность произвести обработку без возникновения пробоя межэлектродного промежутка при ЭХО на предельно малых межэлектродных зазорах, а также локализовать процесс формообразования во времени. Все это приводит к существенному повышению точности и качества обработки. Геометрические размеры и форма ЭИ - та копируются на обрабатываемой заготовки с погрешностью не более 0,02...0,05 мм. При этом шероховатость обрабатываемой поверхности равна Rа= 0,8. . . 0,4 мкм. Скорость подачи при этом находится в пределах 0,2-0,5 мм/мин.SUMMARY OF THE INVENTION
The proposed method of ECHO is as follows. After turning on the machine, the power source and the pump for supplying electrolyte to the MEP, the working gap is set to 0.05 mm and, under high pressure of the electrolyte at the MEP inlet (500 kPa or more), electrochemical processing is performed with the activating pulses and additional voltages supplied to the MEP. Processing is also carried out using a vibrating electrode. In this case, the vibrator of the machine is turned on, which leads to the oscillatory movement of the EI within 10 ... 100 Hz, and the initial value of the minimum MEZ is set much less, for example, within 0.01. ..0.03 mm. In this case, the high-frequency power supply generates pulse packets with a frequency equal to the frequency of the EI oscillations. Pulse packets with a duration of 1.. . 5 ms are synchronized with the moment of maximum approximation of the electrodes, i.e., with the moment of reaching an interelectrode gap of 0.01. ..0.03 mm. The pulse duration in the packet is 10 ... 100 μs. The frequency of activating pulses during processing smoothly increases, periodically monitoring the surface of the workpiece, until then, until the formation of defects such as pitting and point rasters in the area of the treated cavity is stopped. If during the treatment of VT-6 titanium alloy in a 5% NaCl solution, the formation of pitting on the surface of the workpiece stopped at a frequency of activating pulses of 10 kHz, then when processing the same titanium alloy in a 10% aqueous NaNO ₃ solution, the formation of pitting stopped even at frequency of activating pulses 20 kHz. During the process, it becomes possible to adjust the properties of passivating films by changing the magnitude of the additional voltage in the pauses between the activating pulses. Under these conditions of electrochemical treatment, there are no defects such as pitting, point rasters, and grain etching on the surface around the cavity to be treated. These positive effects can be explained by the fact that at such short pulses, when the pulse duration is less than the gas filling time, the value of the electrolyte conductivity is equalized over the entire surface to be treated and it becomes possible to process without breakdown of the electrode gap during ECM at extremely small interelectrode gaps, and also to localize the process shaping over time. All this leads to a significant increase in the accuracy and quality of processing. The geometric dimensions and the shape of the EI - that are copied to the workpiece with an error of not more than 0.02 ... 0.05 mm. In this case, the surface roughness is equal to Ra = 0.8. . . 0.4 μm. The feed rate is in the range of 0.2-0.5 mm / min.

Пример конкретной реализации
Предлагаемый способ электрохимической обработки реализован на серийном модернизированном копировально-прошивочном станке модели 4420Ф11. Обрабатываемый материал - титановый сплав марки ВТ-6. ЭИ - сталь 40Х13. Площадь обработки - 1 см². Прокачка электролита - центральная. Состав электролита - 10% NaNO₃. В процессе обработки напряжение на МЭП подавали пакетами. Амплитуда импульсов напряжения в пакете равнялось 24 В. Длительность рабочих импульсов равнялась 10 мкс. Пакет импульсов длительностью 4 мс синхронизировали с моментом максимального сближения электродов. Частота колебания рабочих и дополнительных импульсов в пакете равнялась 20 кГц. При этом скважность равнялась 5. Частота колебания электродов равнялась 50 Гц. Амплитуда колебания электрода - 0,2 мм. Начальный межэлектродный зазор =0,025 мм.Concrete implementation example
The proposed method of electrochemical processing is implemented on a serial modernized copy-firmware machine model 4420F11. The processed material is VT-6 grade titanium alloy. EI - steel 40X13. The processing area is 1 cm ² . Electrolyte pumping is central. The electrolyte composition is 10% NaNO ₃ . During processing, the voltage on the MEP was applied in packets. The amplitude of the voltage pulses in the packet was 24 V. The duration of the working pulses was 10 μs. A burst of pulses of 4 ms duration was synchronized with the moment of maximum approximation of the electrodes. The oscillation frequency of the working and additional pulses in the packet was 20 kHz. In this case, the duty cycle was 5. The oscillation frequency of the electrodes was 50 Hz. The oscillation amplitude of the electrode is 0.2 mm. Initial interelectrode gap = 0.025 mm.

Анализ результатов ЭХО показал, что при использовании предлагаемого способа по сравнению с известными ЭХО происходило существенное повышение точности и качества обработки. Погрешность копирования ЭИ на обработанной поверхности составила не более 0,02 мм, а шероховатость соответствовала Ra= 0,8 мкм. Скорость подачи 0,2 мм/мин. Вокруг обработанной полости на нерабочих поверхностях, не подлежащих обработке, дефекты типа питтингов и точечных растравов отсутствуют. Искусственно производили короткое замыкание электродов. Визуальный осмотр поверхностей электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки показал наличие следов короткого замыкания на заготовке и на ЭИ. Снова установили ЭИ и заготовку и продолжили обработку. Надежно растворился и измененный участок поверхности заготовки после КЗ (см. фиг.1 и 2). Analysis of the results of ECHO showed that when using the proposed method compared with the known ECHO, there was a significant increase in the accuracy and quality of processing. The error in copying EI on the treated surface was not more than 0.02 mm, and the roughness corresponded to Ra = 0.8 μm. Feed rate 0.2 mm / min. Around the treated cavity on non-working surfaces that are not to be processed, there are no defects such as pitting and point rasters. The electrodes were short-circuited artificially. Visual inspection of the surfaces of the electrode-tool and the workpiece being processed showed the presence of traces of a short circuit on the workpiece and on the EI. Again installed EI and the workpiece and continued processing. Reliably dissolved and the changed portion of the surface of the workpiece after the fault (see figures 1 and 2).

Claims

1. A method for the electrochemical treatment of titanium alloys using anodic activating pulses and applying in pauses between activating pulses an additional regulated lower voltage, characterized in that the anodic dissolution is carried out only by activating pulses of the microsecond range, and the frequency of activating voltage pulses is increased until it stops the formation of defects such as pitting and point rasters in areas of the treated surface under the influence of current s scattering.

2. The method according to claim 1, characterized in that the value of the additional voltage is determined based on the conditions for creating a protective oxide film on the surface to be treated, which is soluble by activating pulses primarily in those surface sections that are closest to the surface of the electrode-tool.

3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the activating pulses are supplied in packets, and the duration of the packets is set on the basis of conditions to prevent the amplitude of the current density of the activating pulses from being reduced below the average current density of the packet as a whole, and the pause duration between packets is set to a minimum , based on the condition of maintaining the average current density in the next packet of pulses is not less than the average current density in the previous package.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, under the conditions of use of the oscillating electrode, the pulse of the highest current density in the packet is synchronized with the moment of maximum approximation of the electrodes.