satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2021-20-4-279-286sat-2460Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMECHANICAL ENGINEERING АND ENGINEERING SCIENCEЭлектролитно-плазменная обработка в управляемых импульсных режимахElectrolyte-Plasma Treatment in Controlled Pulse ModesКоролёвА. Ю.KorolyovA. Yu.

Кандидат технических наук

Адрес для переписки: Королёв Александр Юрьевич – Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 24, 220013, г. Минск, Республика Беларусь, Тел.: +375 17 292-25-98 korolyov@park.bntu.by

Address for correspondence: Korolyov Aleksandr Yu. – Belаrusian National Technical University, 24, Ya. Kolasa str., 220013, Minsk, Republic of Belarus, Tel: +375 17 292-25-98 korolyov@park.bntu.by

korolyov@park.bntu.byАлексеевЮ. Г.AliakseyeuYu. G.

Кандидат технических наук

г. Минск

Minsk

НиссВ. С.NissV. S.

Кандидат технических наук

г. Минск

Minsk

ПаршутоА. Э.ParshutoA. E.

Инженер

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202116072021204279286Copyright © Королёв А.Ю., Алексеев Ю.Г., Нисс В.С., Паршуто А.Э., 20212021Королёв А.Ю., Алексеев Ю.Г., Нисс В.С., Паршуто А.Э.Korolyov A.Y., Aliakseyeu Y.G., Niss V.S., Parshuto A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2460

Электролитно-плазменная обработка (ЭПО) получила широкое распространение в промышленности в качестве альтернативы традиционным химическим, электрохимическим и механическим методам повышения качества поверхности изделий из металлических материалов. Преимуществами ЭПО являются высокая интенсивность сглаживания микронеровностей, применение в качестве электролитов растворов солей низкой концентрации, возможность обработки изделий сложной формы. Основной недостаток метода – высокая энергоемкость, поэтому его можно отнести к энергоемкому производству. Для снижения энергоемкости и повышения эффективности процесса ЭПО металлических материалов при сохранении его высокой интенсивности, качества обработки и экологической безопасности предлагается принципиально новый импульсный метод (импульсная ЭПО), совмещающий преимущества как электрохимической обработки, так и ЭПО. Метод реализуется за счет совмещения в пределах одного импульса миллисекундной длительности двух чередующихся стадий: электрохимической и электролитно-плазменной. Высокая эффективность разработанного метода достигается за счет основного интенсивного съема металла при реализации электрохимической стадии с большой плотностью тока и оптимизации продолжительности электролитно-плазменной стадии, при которой обеспечивается высокое качество поверхности. Уменьшение периода следования импульсов при снижении их длительности позволяет увеличить электрохимическую составляющую процесса и обеспечить более интенсивный съем металла, удалить значительные неровности поверхности. Увеличение периода следования импульсов при одновременном повышении их длительности позволяет увеличить электролитно-плазменную составляющую процесса и достигнуть низкой шероховатости при общем снижении энергоемкости процесса. В результате выполнения работы исследовано влияние импульсных характеристик разработанного процесса, концентрации и температуры электролита на плотность тока и длительность электрохимической и электролитно-плазменной стадий, произведен сравнительный анализ эффективности использования импульсного процесса ЭПО вместо традиционного процесса на постоянном напряжении. Установлено, что скорость съема металла в данном импульсном процессе более чем в пять раз превышает скорость съема в процессе, основанном на применении постоянного напряжения, и составляет 40 мкм/мин. При этом энергетические затраты на реализацию импульсного процесса на 19 % меньше

Electrolyte-plasma treatment (EPT) has become widespread in industry as an alternative to traditional chemical, electrochemical and mechanical methods of improving the surface quality of products made of metallic materials. The advantages of EPT are a high intensity of smoothing of microroughnesses, the use of low-concentration salt solutions  as electrolytes, and the ability to process items of complex shape. The main disadvantage of the method is its high energy consumption; therefore, the method сan be classified as energy-intensive production. To reduce the energy intensity and  increase the efficiency of the EPT process of metallic materials while maintaining high intensity, processing quality and  environmental safety, we proposed a fundamentally new pulse method (pulsed EPT), which combines the advantages of both electrochemical processing and EPT. The method is realized by combining two alternating stages within one millisecond pulse: electrochemical and electrolyte-plasma. The high efficiency of the developed method is achieved due to the main intensive metal removal during the implementation of the electrochemical stage with a high current density and optimization of the duration of the electrolyte-plasma stage, which provides a high surface quality. A decrease in the repetition period of pulses with a decrease in their duration makes it possible to increase the electrochemical component of the process and to provide  a more intensive metal removal, to remove significant surface irregularities. An increase in the pulse repetition period with  a simultaneous increase in their duration permits to increase the electrolyte-plasma component of the process and achieve  a low roughness with a general decrease in the energy intensity of the process. As a result of the work, the influence of the pulse characteristics of the developed process, the concentration and temperature of the electrolyte on the current density and the duration of the electrochemical and electrolyte-plasma stages has been investigated, a comparative analysis of the efficiency of using the pulsed EPT process instead of the traditional process at constant voltage has been carried out. It has been found that the metal removal rate in the developed pulse process is more than five times higher than the removal rate in the process based on the use of constant voltage, and is 40 μm/min, while the energy costs for the implementation of the pulse process is 19 % less.

импульсыэлектролитно-плазменная обработкаэлектрохимическая обработкаплотность токапарогазовая оболочкаповерхностьсъем металлаpulseselectrolytic-plasma treatmentelectrochemical treatmentcurrent densityvapor-gas shellsurfacemetal removalReferencesPlasma Electrolyte Polishing of Titanium and Niobium Alloys in Low Concentrated Salt Solution Based Electrolyte / Y. Aliakseyeu [et al.] // Mechanics. 2021. Vol. 27, No 1. P. 88–93. http://doi.org/10.5755/j02.mech.25044.Aliakseyeu Y., Bubulis A., Minchenya V., Korolyov A., Niss V., Kandrotaitė Janutienė R. (2021) Plasma Electrolyte Polishing of Titanium and Niobium Alloys in Low Concentrated Salt Solution Based Electrolyte. Mechanics, 27 (1), 88–93. http://doi.org/10.5755/j02.mech.25044.Aliakseyeu, Y. Electrolyte-Plasma Treatment of Metal Materials Surfaces / Y. Aliakseyeu, A. Korolyov, A. Bezyazychnaya // Proceedings of the 14th International Scientific Conference “CO-MAT-TECH-2006”. Trnava, 19–20 Oct. 2006. Slovakia, 2006. P. 6.Aliakseyeu Y., Korolyov A., Bezyazychnaya A. (2006) Electrolyte-Plasma Treatment of Metal Materials Surfaces. Proceedings of the 14th International Scientific Conference “CO-MAT-TECH-2006”. Trnava, 19–20 Oct. 2006. Slovakia, 6.Plasma Electrolytic Polishing – an Overview of Applied Technologies and Current Challenges to Extend the Polishable Material Range / K. Nestler [et al.] // Proceedings of the 18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII), 8–22 Apr. 2016, Tokyo. Japan: Procedia CIRP 42, 2016. Р. 503–507. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.240.Nestler K., Böttger-Hiller F., Adamitzki W., Glowa G., Zeidler H., Schubert A. (2016) Plasma Electrolytic Polishing – an Overview of Applied Technologies and Current Challenges to Extend the Polishable Material Range. Proceedings of the 18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM XVIII), 8–22 Apr. 2016, Tokyo. Japan, Procedia CIRP, 42, 503–507. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.240.Vacuum Deposited Polymer and DLC Multilayer Coatings on Austenitic Steel, Structure and Tribotechnical Properties in Physiological Solution / V. P. Kazachenko [et al.] // International Conference on Industrial Tribology. India: Bangalore, 2006. P. 55.Kazachenko V. P. [et al.] (2006) Vacuum Deposited Polymer and DLC Multilayer Coatings on Austenitic Steel, Structure and Tribotechnical Properties in Physiological Solution. International Conference on Industrial Tribology. India, Bangalore, 55.Формирование конических изделий малого диаметра методом размерной электролитно-плазменной обработки / Ю. Алексеев [и др.] // Proceedings of the International Scientific Conference on Mobile Machines, Kaunas, Lithuania, 20–22 Sept., 2017. Lithuania, 2017. Р. 47–54.Aliakseyeu Y. G., Korolyov A. Y., Minchenya V. T., Niss V. S. (2017) Formation of Small-Diameter Conical Products by Method of Dimensional Electrolytic-Plasma Treatment. Proceedings of the International Scientific Conference on Mobile Machines, Kaunas, Lithuania, Sept. 20–22, 2017, 47–54 (in Russian).Модель размерного съема материала при электролитно-плазменной обработке цилиндрических поверхностей / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника. 2012. № 3. С. 3–6.Alekseev Yu. G., Korolyov A. Yu., Parshuta A. E., Niss V. S. (2012) Model for Metal Removal in Electrolyte-Plazma Treatment of Cylindrical Surfaces. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, (3), 3–6 (in Russian).Комбинированная технология изготовления гибких ультразвуковых концентраторов-инструментов / Ю. Г. Алексеев [и др.]; под общ. ред. Б. М. Хрусталева. Минск: БНТУ, 2015. 203 с.Alekseev Y. G., Korolyov A. Y., Minchenya V. T., Niss V. S., Parshuta A. E., Khrustalev B. M. (2015) Combined Manufacturing Technology of Flexible Ultra Sonic Concentrators-Instruments. Minsk, Belarusian National Technical University. 203 (in Russian).Электролитно-плазменная обработка внутренних поверхностей трубчатых изделий / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 1. С. 61–68. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2016-15-1-61-68.Alekseev Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Parshuta A. E. (2016) Electrolytic-Plasma Treatment of Inner Surface of Tubular Products. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 15 (1), 61–68. https://doi.org/10.21122/22271031-2016-15-1-61-68 (in Russian).Исследование влияния промежуточной электролитно-плазменной обработки в процессе деформационного упрочнения волочением / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Вестник ПГУ. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2012. № 11. С. 85–90.Alekseev Yu. G., Isaevich L., Korolyov A. Yu., Niss V. S. (2012) Investigation of the Effect of Intermediate Electrolyte-Plasma Treatment during Deformation Strengthening by Drawing. Vestnik Polotskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Seriya B. Promyshlennost'. Prikladnye Nauki = Vestnik of Polotsk State University. Part B. Industry. Applied Sciences, (11), 85–90 (in Russian).Исаевич, Л. А. Исследование процесса получения высокопрочной проволоки из стали 12Х18Н10Т волочением с электролитно-плазменной обработкой поверхности / Л. А. Исаевич, Ю. Г. Алексеев А. Ю. Королёв // Вестник БНТУ. 2005. № 6. С. 30–33.Isaevich L. A., Aliakseyeu Yu. G., Korolyov A. Yu. (2005) Investigation of the Process of Obtaining High-Strength Wire from Steel 12X18H10T by Drawing with Electrolytic-Plasma Surface Treatment. Vestnik BNTU [Bulletin of the Belarusian National Technical University], (6), 30–33 (in Russian).Семченко, Н. И. Коррозионное поведение аустенитных нержавеющих сталей после электролитно-плазменного полирования / Н. И. Семченко, А. Ю. Королёв // Сб. тр. IV Междунар. симп. по теоретич. и приклад. плазмохимии, 13–18 мая 2005 г., Иваново, Россия. Иваново: Ивановский гос. хим.-технол. ун-т, 2005. Т. 2. С. 406–409.Semchenko N. I., Korolyov A. Yu. (2005) Corrosion Behavior of Austenitic Stainless Steels after Electrolyte-Plasma Polishing. Sb. Tr. IV Mezhdunar. Simp. po Teoretich. i Priklad. Plazmokhimii, 13–18 Maya 2005 g., Ivanovo, Rossiya. T. 2 [Proceedings of the IV International Symposium on Theoretical and Applied Plasma Chemistry, Ivanovo, Russia. Vol. 2]. Ivanovo, Ivanovo State University of Chemistry and Technology, 406–409 (in Russian).Влияние электролитно-плазменной обработки на структуру и свойства поверхностного слоя стали 12Х18Н10Т / Ю. О. Лисовская [и др.] // Весцi Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фiз.-тэхн. навук. 2008. № 3. С. 24–29.Lisovskaya Yu. O., Alekseev Yu. G., Korolev A. Yu., Niss V. S., Fomikhina I. V. (2008) Effect of Electrolytic-Plasma Treatment on the Structure and Properties of the Surface Layer of 12X18H10T Steel. Vestsi Natsyyanal’nai Akademii Navuk Belarusi. Seryya Fizika-Technichnych Navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series, (3), 24–29 (in Russian).Электролитно-плазменная обработка при нестационарных режимах в условиях высокоградиентного электрического поля / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника. 2017. Т. 16, № 5. С. 391–399. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-391-399.Aliakseyeu Yu. G., Korolyov A. Yu., Parshuto A. E., Niss V. S. (2017) Electrolyte-Plasma Treatment under Non-Stationary Mode in a High-Gradient Electric Field. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 16 (5), 391–399. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-391-399 (in Russian).Источник питания для исследования импульсных электрохимических процессов / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 3. С. 246–257. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-3-246-257.Aliakseyeu Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Parshuto A. E., Soroka E. V., Budnitskiy A. S. (2018) Power Supply for the Investigation of Pulse Electrochemical Processes. Energetika. Izvestyia Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Enеrgеtika. Proсeedings of СIS Higher Education Institutions аnd Power Engineering Associations, 61 (3), 246–257. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-61-3-246-257 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.