專利名稱：材料的電化學加工方法
材料的電化學加工方法相關申請的交叉引用本申請要求于2010年8月11日提交的俄羅斯申請RU 2010133710的權益。該申請的內容在此通過引用全文并入。
背景技術：
本發(fā)明涉及高合金鋼、合金和包含具有基本上不同電化學性質的組分的導電復合材料的電化學脈沖加工(ECM)領域。特別地，本發(fā)明可以用于當生產使用WC-Co、WC-TiC-Co 合金的機器工件和工具的復雜成形的表面時來進行各種仿形沖孔操作。1998年11月10日出版的US 5，833，835，IPC B23H3/02公開了通過施加雙極電脈沖進行ECM的方法，其中正極性脈沖與反極性脈沖交替。根據(jù)所述方法，基于工具電極是否存在工作面發(fā)生溶解的條件來限制反極性脈沖電壓。為了實現(xiàn)此目的，在加工期間使每個反極性脈沖的電壓在一范圍內逐漸減小，所述一范圍指在極化電壓值(其被限定在所施加的正極性脈沖被終止時的點處)和工具電極開始發(fā)生電化學表面溶解時的電壓值之間； 另外，測量特定點處的正極性脈沖電壓的時刻值；比較正極性的每個連續(xù)脈沖和當前脈沖的所測量的時刻值之間的差；并且當所述差隨后從負變換成正時，上邊界被確定，而當所述差從正變換成負時，反極性脈沖電壓的下邊界被確定；當在所述邊界內調整反極性脈沖電壓時進行加工工藝，并且使用反極性脈沖來完成所述加工工藝。不利地，該方法具有有限的工藝控制可能性，妨礙產生具有期望化學組成的表面層或妨礙調準工件組分的陽極溶解的速度以提供最小表面粗糙度。2002年6月11出版的US 6，402, 931，IPC B23H 3/02公開了一種使用調制的反向電流進行ECM的方法，該方法包括使用正(陽極)極性和反(陰極)極性的電流脈沖進行電化學加工。在電化學加工容易鈍化的金屬和合金期間，在正(陽極)極性脈沖之前供應反(陰極)極性脈沖，這允許產生期望的良好質量(拋光性質)的表面幾何圖形。不利地，該方法具有有限的工藝控制可能性，妨礙產生具有期望化學組成的表面層或妨礙調準工件組分的陽極溶解的速度以提供最小表面粗糙度。1993年9月7日出版的US 5，242, 556，IPC B23H 3/00公開了在中性電解液中進行電化學脈沖加工的方法，該方法包括改變反極性脈沖和正極性脈沖之間的時間間隔來交替施加正極性脈沖與反極性脈沖。不利地，該方法具有有限的工藝控制可能性，妨礙產生具有期望化學組成的表面層或妨礙調準工件組分的陽極溶解的速度以提供最小表面粗糙度。2001年5月15日出版的US 6，231，748，IPC B23H 3/00公開了在電解液中對導電材料進行電化學加工的方法和裝置，該方法包括使工具電極和工件經受加工電壓脈沖并鈍化電壓脈沖(passivating voltage pulse)。鈍化電壓脈沖的幅度值從零逐漸增大至工件材料開始發(fā)生陽極溶解時的值。在每次電壓增大步驟之后，測量電極間間隙的電阻。具有最高的電極間間隙電阻的電壓值用于后續(xù)加工。不利地，該方法具有有限的工藝控制可能性，妨礙產生具有期望化學組成的表面層或妨礙調準工件組分的陽極溶解的速度以提供最小表面粗糙度。
2006年3月20日出版的RU 2271905，IPC B23H 3/00公開了一種使用激勵與振蕩的工具電極和工件之間為最大會聚度的時刻同步的脈沖串供應的可調整的高頻矩形陽極電流脈沖來在電解液中對鈦及鈦合金進行電化學加工的方法，該方法包括以短的電極間間隙進行加工。每個脈沖串的持續(xù)時間受到控制，相對于電極之間為最大會聚度的時刻來控制脈沖串輸送相位，并且還控制工具電極輸送速率，從而維持最小的電極間間隙值，這提供最大數(shù)目的減小的脈沖串電壓脈沖。不利地，該方法具有有限的工藝控制可能性，妨礙產生具有期望化學組成的表面層或妨礙調準工件組分的陽極溶解的速度以提供最小表面粗糙度。2005年4月18日出版的EP1714725，IPC B23H 3/00公開了一種用于電化學處理高合金鋼、合金和包含具有基本上不同的電化學性質的組分的導電復合材料的方法，該方法包括基于陽極層的酸度來改變正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比以提供組分的陽極溶解速率的期望比。使用以與振蕩的工具電極和工件之間為最大會聚度的時刻同步的脈沖串供應的高頻微秒陽極電流脈沖和在脈沖串之間供應的另外的脈沖，以短的電極間間隙來在中性電解液中進行加工。上述方法與本發(fā)明最相似并被認為是最接近的現(xiàn)有技術。不利地，由于缺少用于快速地決定脈沖參數(shù)調整的標準，所以已知的方法不能用于調節(jié)加工工藝。此外，調整電極間介質的酸度不足以實現(xiàn)加工工藝的最優(yōu)操作。例如，在高溫的中性介質中優(yōu)先進行WC-Ni金屬陶瓷硬質合金的M部分的電化學陽極溶解過程，而在堿性介質中優(yōu)先加工WC部分，以便獲得最小粗糙度的工件表面。明顯地，需要快速作用影響以便進行電化學加工工藝，其中在施加正極性脈沖的工作脈沖串之前，每次最優(yōu)地調整電極間介質的物理化學性質(溫度、酸度)和表面的物理化學性質?？梢酝ㄟ^另外的前述反極性電流脈沖來提供該影響。然而，其任務必須寬于現(xiàn)有技術的技術解決方案中提出的任務。即，選定的正極性脈沖和反極性脈沖的參數(shù)設定值必需影響許多因素電解液酸度(PH)、電解液和工件加熱、“表面-電解液”邊界處的雙電層電容的充電和放電。因此，已知的電化學加工方法不能提供用于有效調節(jié)ECM工藝的條件或不能提供選擇脈沖參數(shù)的方式來獲得復合材料的組分的陽極溶解速率的期望的比，其中所述組分依據(jù)其電化學加工能力而屬于不同的類。因此，使用上述確認的方法難以實現(xiàn)表面粗糙度的顯著減小或難以提供具有所期望的加工材料組分比的表面層。發(fā)明簡述本發(fā)明的目的是通過可操作地控制和調整對組分陽極溶解強度提供控制的加工工藝參數(shù)，借助于對包含具有基本上不同的電化學性質的組分的導電復合材料進行電化學加工，來提供具有預定的化學組成的表面層以及表面質量。因此，在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種對包含具有基本上不同的電化學性質的組分的復合材料進行電化學加工的方法，其中，使用以與振蕩的工具電極和工件之間為最大接近度的時刻同步的脈沖串(burst)以及另外的單個反極性脈沖(singular pulses of opposite polarity)供應的陽極或雙極高頻電流脈沖以短的電極間間隙進行加工，其中基于初始電解液酸度值來調整正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比，其中與最接近的現(xiàn)有技術相比，以在另外的脈沖的峰處形成過渡彎曲的方式來控制加工工藝，所述彎曲由電極間間隙的電阻變化至穩(wěn)態(tài)值引起，依賴于經受加工的材料的加工模式和組成來設定彎曲點之前和彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間。本發(fā)明的另一方面，提出了一種對包含具有基本上不同的電化學性質的組分的復合材料進行電化學加工的裝置，其中所述裝置包括振蕩的工具電極，并且還包括一電流脈沖發(fā)生器，產生以脈沖串供應的陽極或雙極高頻電流脈沖，且還產生在脈沖串之間的間歇期間供應的另外的單個反極性脈沖，其中基于初始電解液酸度值來調整正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比；一同步單元，用于使所述電流脈沖與振蕩的工具電極和工件之間為最大接近度的時刻同步，以及一脈沖調整器，該脈沖調整器調整脈沖，使得響應于電極間間隙的電阻變化至預設值而在另外的脈沖的峰處形成過渡彎曲，其中依賴于經受加工的材料的加工模式和組成來預設定彎曲點之前和彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間?？蛇x擇地，所述裝置的示例性實施方式包括第一電流脈沖發(fā)生器和另外的第二電流脈沖發(fā)生器，第一電流脈沖發(fā)生器產生以脈沖串供應的陽極或雙極高頻電流脈沖，另外的第二電流脈沖發(fā)生器產生在脈沖串之間的間歇期間供應的另外的單個反極性脈沖，其中基于初始電解液酸度值來調整正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比。本發(fā)明的又一方面，提供了通過根據(jù)本發(fā)明的第一方面的工藝得到的制造物品， 其中制造物品具有帶預定的化學組成和表面粗糙度的表面層。該制造物品可以選自由 WC-Co, WC-TiC-Co或第IV-VI族的其他過渡金屬及其合金制成的工件和工具。另外，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟當初始電解液酸度值增大時，使表征所確定過程的過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間減少，而當初始電解液酸度值減小時，使所述持續(xù)時間增加。另外，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟當脈沖串中的脈沖數(shù)目增加時，使表征已確定過程的過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間增加，而當脈沖串中的脈沖數(shù)目減少時，使所述持續(xù)時間減少。另外，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟當脈沖串中的陽極脈沖的持續(xù)時間增加時，使表征已確定過程的過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間增加，而當脈沖串中的陽極脈沖的持續(xù)時間減少時，使所述持續(xù)時間減少。另外，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟當脈沖串中的陽極脈沖的幅度增大時，使表征已確定過程的過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間增加，而當脈沖串中的陽極脈沖的幅度減小時，使所述持續(xù)時間減少。另外，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟當工件復合材料中的結合組分(例如鈷)的量增大時，使表征已確定過程的過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間減少，而當工件復合材料中的結合組分的量減小時，使所述持續(xù)時間增加。另外，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟通過改變另外的脈沖的幅度來調整過渡彎曲點之前的另外的脈沖段的持續(xù)時間與過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間之間的比。而且，根據(jù)本發(fā)明，工藝包括按如下執(zhí)行的控制步驟通過改變雙極脈沖的脈沖串中的反極性脈沖的幅度來調整過渡彎曲點之前的另外的脈沖段的持續(xù)時間與過渡彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間之間的比。有利地，當加工由包含具有基本上不同的電化學性質的組分的導電材料制成的工件時，本方法的電化學加工允許獲得低表面粗糙度和不同組分比的預定化學組成的表面層。通過基于為另外的脈沖峰形狀的選定標準來調整加工工藝而獲得技術效果。有利地，在脈沖串之間的間歇期間施加另外的反極性電流脈沖的步驟提供了用氫氣泡清潔工件表面的膜和殘留物，并且在施加短脈沖串之前，還在電極間間隙中得到高PH 值的高度堿性介質。根據(jù)本方法的電化學加工的方法被控制以保持工件材料組分的均勻的溶解速率。 當供應所述反極性脈沖時，在另外的脈沖峰處的過渡彎曲描繪兩個進行的過程。第一過程 (從脈沖開始至彎曲點)是過渡的，并且與雙電層的充電相關，以及第二過程(從彎曲點至脈沖的結束)是穩(wěn)態(tài)的，在第二過程期間，由于電解液的近電極層的PH改變，開始消耗另外的脈沖的能量。當供應陽極脈沖時，在工件表面上發(fā)生氧化過程。因此近電極層的pH朝酸性介質偏移(PH減小)。當供應陰極脈沖(即另外的反極性脈沖)時，在工件表面上發(fā)生還原過程。因此近電極層的PH朝堿性介質偏移(pH增大)。因此，近電極區(qū)域的電解液的pH值依賴于幅度-時間脈沖參數(shù)。因此，可以借助于改變工作(陽極)脈沖和另外的脈沖兩者的幅度-時間參數(shù)來調節(jié)PH。若干附圖的簡述借助于與附圖一起的本發(fā)明的示例性實施方式來進一步解釋本發(fā)明以證明其實施的可能性，其中

圖1圖示了(a)以具有2A的另外的脈沖電流強度的雙極電流的脈沖串對WC8合金進行電化學加工期間獲取的電壓波形圖和電流波形圖；(b)按所述模式加工的工件的圖像。圖2圖示了(a)以具有4A的另外的脈沖電流強度的雙極電流的脈沖串對WC8合金進行電化學加工期間獲取的電壓波形圖和電流波形圖；(b)按所述模式加工的工件的圖像。圖3圖示了(a)以具有8A的另外的脈沖電流強度的雙極電流的脈沖串對WC8進行合金電化學加工期間獲取的電壓波形圖和電流波形圖，(b)按所述模式加工的工件的圖像。發(fā)明詳述可以使用被稱作具有微處理器的電化學處理的裝置的仿形沖孔機器(諸如例如由俄羅斯的Ufa，ECM生產的SEP-9(^)的改進版本來實施本方法的電化學加工。在本示例性實施方式中，工具電極由12X18H10T材料制成，并且經受加工的工件由含有8%鈷的WC-Co 合金WC8制成。根據(jù)本示例性的實施方式，將初始間隙調整為20 μ m,然后供應了由電流脈沖發(fā)生器產生的與工具電極的振蕩同步的工作陽極或雙極脈沖的脈沖串。在該工作脈沖串的之間的間歇期間，供應由同一電流脈沖發(fā)生器或由另一個電流脈沖發(fā)生器產生的另外的單個反極性脈沖以獲得電解液的初始酸度值?？刂茊卧慈缦路绞絹砜刂萍庸すに囍饾u地減小另外的反極性脈沖的幅度，直至在脈沖的峰處形成過渡彎曲。圖1表明2A的另外的脈沖電流強度是不夠的，另外的脈沖峰處的過渡彎曲未得到明確界定，并且工件表明被氧化物膜覆蓋。此外，增大該另外的脈沖的幅度，直至過渡彎曲點之前的時間段的持續(xù)時間與過渡彎曲點之后的時間段的持續(xù)時間之間的比對應于通過實驗獲得的預定值時的時刻。對于所加工的WC8合金，時間段的持續(xù)時間比應在0.9-1的范圍內(圖2)以便使合金組分均勻地溶解并得到所需的表面質量。當以4A的電流強度進行加工時(圖2)，另外的脈沖峰處的過渡彎曲得到明確界定，工件表面是清潔的。 當電流強度被進一步增大直至達8A時(圖幻，過渡彎曲得到明確界定，但朝向該另外的脈沖的起點偏移，即未滿足彎曲點之前的段的持續(xù)時間與彎曲點之后的段的持續(xù)時間的所需的比。工件表面的一部分被氧化物膜覆蓋。 因此，通過使用根據(jù)本發(fā)明的包括調節(jié)加工工藝的控制步驟的方法，本發(fā)明獲得了由包含具有基本上不同的電化學性質的組分的導電復合材料和變化的組分比制成的工件的低表面粗糙度和預定組成的表面層。
權利要求
1.一種對包含具有基本上不同的電化學性質的組分的復合材料進行電化學加工的方法，所述電化學加工的方法使用與振蕩的工具電極和工件之間為最大會聚度的時刻同步的脈沖串供應的陽極或雙極高頻電流脈沖和在所述脈沖串之間的間歇期間供應的另外的單個反極性脈沖以短的電極間間隙來進行，其中基于初始電解液酸度值來調整正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比，所述方法還包括下述步驟調節(jié)所述加工工藝以響應于電極間間隙的電阻變化至穩(wěn)態(tài)值而在所述另外的脈沖最大時形成過渡彎曲，其中依賴于經受加工的材料的加工模式和組成來調整所述彎曲之前的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間和所述彎曲之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按如下方式進行所述工藝調節(jié)當所述初始電解液酸度值增大時，使表征穩(wěn)態(tài)過程的所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間減少，而當所述初始電解液酸度值減小時，使所述持續(xù)時間增加。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按如下方式進行所述工藝調節(jié)當脈沖串中的脈沖數(shù)目增加時，使表征穩(wěn)態(tài)過程的所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間增加，而當脈沖串中的脈沖數(shù)目減少時，使所述持續(xù)時間減少。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按如下方式進行所述工藝調節(jié)當脈沖串中的陽極脈沖的持續(xù)時間增加時，使表征穩(wěn)態(tài)過程的所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間增加，而當脈沖串中的陽極脈沖的持續(xù)時間減少時，使所述持續(xù)時間減少。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按如下方式進行所述工藝調節(jié)當脈沖串中的陽極脈沖的幅度增大時，使表征穩(wěn)態(tài)過程的所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間增加，而當脈沖串中的陽極脈沖的幅度減小時，使所述持續(xù)時間減少。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按如下方式進行所述工藝調節(jié)當工件復合材料中的結合組分(例如鈷)的量增大時，使表征穩(wěn)態(tài)過程的所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間減少，而當所述工件復合材料中的所述結合組分的量減小時，使所述持續(xù)時間增加。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按以下方式進行所述工藝調節(jié)通過改變所述另外的脈沖的幅度來調整所述過渡彎曲點之前的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間與所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間的比。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中按以下方式進行所述工藝調節(jié)通過改變所述雙極脈沖的脈沖串中的反極性脈沖的幅度來調整所述過渡彎曲點之前的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間與所述過渡彎曲點之后的所述另外的脈沖段的持續(xù)時間的比。
9.一種對包含具有基本上不同的電化學性質的組分的復合材料進行電化學加工的裝置，所述裝置使用振蕩的工具電極和工件以短的電極間間隙進行所述電化學加工，所述裝置包括一電流脈沖發(fā)生器，產生以脈沖串供應的陽極或雙極高頻電流脈沖，且產生在所述脈沖的所述脈沖串之間的間歇期間供應的另外的單個反極性脈沖，其中基于初始電解液酸度值來調整正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比，一同步單元，用于使所述電流脈沖與所述振蕩的工具電極和所述工件之間為最大接近度的時刻同步，以及一脈沖調整器，所述脈沖調整器調整所述脈沖，使得響應于電極間間隙的電阻變化至預設值而在所述另外的脈沖的峰處形成過渡彎曲，其中依賴于經受加工的材料的加工模式和組成來預設定所述彎曲點之前的另外的脈沖段的持續(xù)時間和所述彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間。
10.一種制造物品，所述制造物品通過權利要求1所述的方法得到，所述制造物品的特征為具有預定化學組成和表面粗糙度的表面層。
11.如權利要求10所述的制造物品，其中所述物品選自由WC-Co、WC-TiC-C0或第 IV-VI族的其他過渡金屬及其合金制成的工件和工具。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料的電化學加工方法。本發(fā)明涉及高合金鋼、合金和包含具有基本上不同的電化學性質的組分的導電復合材料的電化學脈沖加工(ECM)。本方法包括使用以與振蕩的工具電極和工件之間為最大會聚度的時刻同步的脈沖串供應的陽極或雙極高頻電流脈沖和在脈沖串之間的間歇期間供應的另外的單個反極性脈沖以短的電極間間隙進行加工，其中基于初始電解液酸度值來調整正極性脈沖與反極性脈沖的參數(shù)比。以在另外的脈沖的峰處形成過渡彎曲的方式來進行本方法，所述彎曲由電極間間隙的電阻變化至穩(wěn)態(tài)值引起所述彎曲，依賴于經受加工的材料的加工模式和組成來設定彎曲點之前的另外的脈沖段的持續(xù)時間和彎曲點之后的另外的脈沖段的持續(xù)時間。
文檔編號B23H3/00GK102371407SQ201110129240
公開日2012年3月14日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2010年8月11日
發(fā)明者維亞切斯拉夫·亞歷山德羅維奇·扎伊特瑟夫, 鐵木爾·拉什托維奇·伊德里索夫 申請人:Pecm工業(yè)有限責任公司