Електрохімічна обробка матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кам'янець-Подільський національний університет імені Івана Огієнка

кафедра фізики

КУРСОВА РОБОТА

з фізики

на тему: Електрохімічна обробка матеріалів

Студентів 3 курсу 33 групи

напряму підготовки 6.040203 Фізика*

м. Кам'янець-Подільський - 2013 рік

Зміст

• Вступ
• Розділ 1. Методи обробки матеріалів
• 1.1 Сучасні методи обробки
• 1.1.1 Електрофізичні та електрохімічні методи обробки
• 1.1.2 Термічні та хіміко-термічні методи обробки
• 1.1.3 Метод обробки без зняття стружки
• 1.2 Електрохімічні методи обробки
• 1.2.1 Поверхнева електрохімічна обробка
• 1.2.2 Розмірна електрохімічна обробка
• 1.3 Застосування електрохімічної обробки для заточування голки тунельного мікроскопу
• 1.4 Математичні моделі процесу електрохімічного травлення голки
• 1.5 Стаціонарні рішення
• Розділ 2. Використання електрохімічної обробки для заточування голок тунельного ефекту
• 2.1 Опис приладу
• 2.2 Заточування голки явищем електролізу
• Висновок
• Список використаних джерел
• Вступ
• У сучасному машинобудуванні виникають технологічні проблеми, пов'язані з обробкою нових матеріалів і сплавів (наприклад, жаро і кислотостійкі, спеціальні нікелеві стали, тугоплавкі сплави, композити, неметалеві матеріали: алмази, рубіни, германій, кремній, порошкові тугоплавкі матеріали тощо) форму й загальний стан поверхневого шару яких важко давалися відомими механічними методами.
• До таких проблем належить обробка дуже міцних або дуже в'язких матеріалів, тендітних і неметалічних матеріалів (кераміка), тонкостінних не жорстких деталей, і навіть пазів і отворів, мають розміри на кілька мкм; отримання поверхонь деталей з малої шорсткістю, і дуже малій завтовшки дефектного поверхневого шару. [2]
• Іще при сильному збільшенні здаються тупими і лезо бритви, і кінчик швейної голки, і навіть межі піщинки. У всіх вістрі закінчується сферою з радіусом близько тисячної частки міліметра. З десятків тисяч атомів утворюється ця сфера, і зняти зайвий шар атомів вручну просто неможливо. Але зробити це можна дуже просто, якщо використовувати електрохімічне травлення. [7]
• Також, одною з таких проблем є заточування голок для тунельного мікроскопу. Голки для тунельного мікроскопа в даний час виготовляються вручну методом електрохімічного травлення. Недоліками ручного виробництва є неможливість отримувати стабільні характеристики голок, голки з наперед заданими властивостями і екстремальними геометричними параметрами. Спроби автоматизувати процес виробництва голок поки виявлялися безуспішними. Складність завдання полягає в тому, що про хід процесу травлення можна судити тільки за величиною струму, що протікає через голку. Ця залежність виявляється нелінійної і неоднозначною, і тому не дозволяє обійтися лінійними регуляторами. Таким чином, побудова автоматичного управління процесом вимагає математичного моделювання процесу і його аналітичне дослідження, а оптимізація процесів залишається актуальною.
• Метою курсової роботи є знаходження таких способів управління, які або враховують неоднозначність залежності струму від параметрів процесу, або не залежать від неї [5], розробка діючої моделі та апробація її у роботі.
• Об'єктом дослідження обрана електрохімічна взаємодія речовин у постійному або періодично змінному електричних полях.
• Предметом дослідження є відпрацювання параметрів обробки матеріалів в процесі їх електрохімічної взаємодії. Як приклад, необхідно дослідити зміну гостроти вістря звичайної голки при її тривалій експлуатації та після електрохімічної обробки.
• Практична цінність роботи полягає у створенні та налагодженні роботи пристрою для виготовлення електричних зондів, які використовуються при виконанні навчальних лабораторних занять.
• Новизною роботи є те, що у лабораторіях кафедри аналогічний пристрій відсутній і виникла потреба у його розробці.
• електрохімічний травлення голка електроліз
• Розділ 1. Методи обробки матеріалів
• 1.1 Сучасні методи обробки
• До сучасних методів обробки матеріалів відносять такі методи:

1. електрофізичні та електрохімічні;

2. термічні та хіміко-термічні;

3. метод обробки без зняття стружки.

Розглянемо їх трішки детальніше.

1.1.1 Електрофізичні та електрохімічні методи обробки

Електрофізичні і електрохімічні методи обробки, загальна назва методів обробки конструкційних матеріалів безпосередньо електричним струмом, електролізом і їх поєднанням з механічною дією. У електрофізичні і електрохімічні методи обробки включають також методи ультразвукові, плазмові і ряд інших методів. [8] З розробкою і впровадженням у виробництво цих методів зроблений принципово новий крок в технології обробки матеріалів -- електрична енергія з допоміжного засобу при механічній обробці (здійснення руху заготівки, інструменту) стала робочим агентом. Усе більш широке використання електрофізичні і електрохімічні методи обробки в промисловості обумовлено їх високою продуктивністю, можливістю виконувати технологічні операції, недоступні механічним методам обробки. Електрофізичні і електрохімічні методи обробки вельми всілякі і умовно їх можна розділити на електрофізичні (електроерозійні, електромеханічні, променеві), електрохімічні і комбіновані. [4]

1.1.2 Термічні та хіміко-термічні методи обробки

Цю обробку застосовують для зміни фізико-механічних та фізико-хімічних властивостей металів, що визначають технологічні та експлуатаційні характеристики деталей. При термічній обробці відбуваються структурні та фазові зміни, а також зміни напруженого стану металу. Основні види термічної обробки - відпал, нормалізація, гартування та відпуск, покращення та старіння. До хіміко-термічної обробки відносяться: цементація (навуглецювання), азотування, ціанування, алітування, хромування, силіціювання та сульфатування. В результаті нерівномірності нагрівання та охолодження при термічній обробці виникають термічні напруження, а не рівномірність структурних приростів в часі та по січенню даної заготовки викликає структурні напруження, що призводить до деформації (короблення). При відпуску загартованих заготовок кінцеве напруження зменшується тим в більшій степені, чим вища температура відпуску. [1]

Викривлення деталей простої конфігурації (валів, планок, плит) усувають після термічної обробки правкою, а спотворенні розміри - шліфуванням. Для зменшення короблення заготовок їх гартування проводять в штампах чи в гартувальних машинах.

Деталі складної форми для зменшення деформації при термічній обробці переважно виготовляють з легованої сталі та гартують в маслі. Очистку деталей після термічної обробки проводять травленням в розчинах кислот з подальшим промиванням, електрохімічним травленням, обдуванням на дробоструменевих пристроях для видалення окалини, промиванням в мийних баках чи машинах для видалення масла, солей та інших забруднень.

1.1.3 Метод обробки без зняття стружки

Цей метод обробки заготовок полягає в пластичній деформації матеріалу без утворення стружки. Пластичній деформації підлягають значні об'єми матеріалу заготовки чи її поверхневі шари. В першому випадку відбувається формоутворення нових елементів заготовки (різьб, зубчастих поверхонь, шліців, рифлень), у другому випадку відбувається обробка поверхонь шляхом згладжування нерівностей та зміцнення поверхневого шару заготовки. [1]

Обробку поверхонь проводять накаткою зовнішніх поверхонь ущільнюючими роликами (чи кульками), розкочування циліндричних отворів роликовими чи кульковими розкатками, дорнуванням отворів, калібрування отворів кульками чи оправками, алмазним вигладжуванням поверхонь обертання. Ці методи продуктивні і забезпечують високу якість поверхні; обробка проводиться на універсальному устаткуванні та легко автоматизується. Їй передує чистова обробка (чистове точіння та розточування, попереднє розгортання). [1]

Перед обробкою різанням заготовки часто піддають плоскій чи об'ємній чеканці на пресах. Ціль цієї операції - підвищення точності розмірів заготовки та зменшення припусків під наступну обробку. Перед чистовою обробкою заготовки нерідко піддають дробоструменевій обробці для підвищення якості поверхневого шару. Поверхнева обробка для зняття стружки застосовується для пластичних та крихких (сірий чавун) матеріалів. Алмазне вигладжування застосовують для обробки поверхонь загартованих деталей.

Готові деталі перед кінцевим прийманням очищають від слідів охолоджуючої рідини, стружки та інших забруднень. Тільки при цій умові можливо виконати якісний контроль. Деталі, що поступають на контроль, миють в мийних баках чи машинах. В однокамерній машині мийний розчин, що подається насосом, інтенсивно обмиває деталі зі всіх сторін; розчин стікає до відстійника і, проходячи через фільтр, знову надходить до насосу. Температура мийного розчину 60…800С, тому деталі, виходячи з машини, досить швидко висихають. Застосування двохкамерних мийних машин: в першій камері проводять мийку, у другій - споліскування деталі для видалення залишків мийного розчину. Інколи мийні машини забезпечують сушильними камерами (трьохкамерні машини). Для миття застосовують водні розчини, що містять 1-2% кальцинованої соди та 1% рідкого скла, 1…2% три натрій фосфату та інші розчини. Для дрібних деталей використовують органічні розчинники (ацетон, трихлоретилен). [1]

Великі деталі (корпуса, станини) перед обробкою очищають привідними стальними щітками з наступним обдуванням струменем стисненого повітря. Перед контролем ці деталі також очищають.

За допомогою ультразвуку можна очищати не лише зовнішні, але й важкодоступні внутрішні поверхні малих деталей. Цей метод складається з трьох етапів: попереднього миття деталей, ультразвукової очистки та кінцевого споліскування деталей чистим миючим розчином (керосин, трихлоретилен, чотирьох хлорним вуглецем та ін.). При ультразвуковому очищуванні забруднення не перевищують 1%.

Ретельна очистка деталей - необхідна умова якісного збирання виробів.

Останнім часом особлива увага приділяється обробці заготовок на високопродуктивних верстатах, що працюють одночасно декількома інструментами. Основними моделями таких верстатів являються: токарні багаторізцеві та гідрокопіювальні верстати мод. 1708, 1712, 1722, ІА720, ІА730, 1723,1734 та ін., токарні багатошпиндельні, вертикальні напівавтомати мод. ІБ24ОП-4, ІБ24О-6, ІБ265-6К, ІБ265П-6К, ІБ290-6К, ІБ290П-6К; агрегатні верстати з чотирма, шістьма, восьма та десятьма позиційними столами; токарні, свердлильні, розточні, фрезерні, свердлильно-фрезерні-розточні верстати з ЧПУ, що мають від двох до п'яти різноманітних рухів по різноманітним координатам. Особливу групу верстатів являють багатоцільові верстати, обладнанні автоматичною заміною інструменту з інструментального магазину типу СМ400, СМ630, ИР250МФ4, ИР500МФ4, та ін.

Залежно від моделі, багаторізцеві верстати обладнуються декількома повздовжніми та поперечними супортами. В таких верстатах передбачена робота як декількома ріжучими інструментами так і декількома супортами, в кожному з яких можуть працювати декілька інструментів. Можливість паралельної роботи декількох інструментів різко збільшує продуктивність праці при механічній обробці заготовок, істотно знижує цикл виготовлення деталей і, як правило, зменшує собівартість виготовлених деталей. Недоліком цих верстатів є трудність налагодження інструменту під розмір, необхідність високої жорсткості системи СПІД. На відміну від багато інструментальних верстатів багато позиційні верстати можуть обробляти ще й декілька деталей одночасно, проводячи самі різноманітні операції. Такі верстати призначенні для масового виробництва і важко піддаються перестройці на різноманітну номенклатуру деталей. Самим високопродуктивним обладнанням в автомобілебудуванні, машинобудуванні являються спеціальні автоматичні лінії. Вони працюють без участі людини в технологічному процесі виготовлення деталей. Заготовки між робочими головками передаються, орієнтуються та закріплюються спеціальними гідро-, пнемо- електричними механізмами, маніпуляторами та роботами. [1]

При умові малосерійного та одиничного виробництва основний напрямок в області автоматизації технологічних процесів механічної обробки базується на застосування верстатів з ЧПУ. Особливістю обробки деталей на цих верстатах являється обробка деталей з одною настановною базою, швидке переналагодження верстатів на різноманітну номенклатуру деталей, що випускаються, відсутність можливості для оператора змінювати структуру та режими різання, передбачені технологічним процесом. Висока механізація забезпечення процесу обробки деталей на основі ЕО техніки, підвищена точність обробки та гнучкість в переналагоджені устаткування відкривають широкі перспективи підвищення продуктивності праці багато номенклатурних виробництв.

1.2 Електрохімічні методи обробки

Тепер розглянемо більш детальніше методи електрохімічної обробки матеріалів.

Методи електрохімічної обробки матеріалів засновані на хімічних процесах, що виникають у результаті проходження електричного струму через ланцюг, утворений провідниками (електродами) і рідиною ,що знаходиться між ними (електролітом). [6]

Електрохімічні методи обробки засновані на законах анодного розчинення при електролізі. При проходженні постійного електричного струму через електроліт на поверхні заготовки, включеної в електричний ланцюг і яка є анодом, відбуваються хімічні реакції і поверхневий шар металу перетворюється в хімічну сполуку. [3]

Електрохімічне розчинення металів включає в себе дві основні групи процесів: примусове розчинення за рахунок зовнішнього струму (Анодне розчинення) і мимовільне розчинення в результаті хімічного взаємодії з навколишнім середовищем (корозійне руйнування). [3]

Особливості електрохімічної розмірної обробки: [9]

· продуктивність обробки досягає 50 000 мм³/хв. і вище;

· чистота обробленої поверхні звичайно знаходиться в межах 2.5...0.63;

· відсутність електрода інструмента;

· із збільшенням продуктивності підвищуються чистота поверхні і точність обробки;

· необхідність очищення електроліту;

· необхідність видалення водню з робочої камери ( при видаленні 1 кг сталі виділяється біля 0.5м3 водню);

· висока енергоємність процесу (1000 а.ч на 1 кг знятого металу).

За технологічними можливостями електрохімічні методи обробки поділяють на поверхневі і розмірні.

1.2.1 Поверхнева електрохімічна обробка

Практичне використання електрохімічних методів почалося з 30-х рр. 19 ст (гальваностегія і гальванопластика). Перший патент на електролітичне полірування був виданий в 1910 Е. І. Шпітальському. Суть методу полягає в тому, що під дією електричного струму в електроліті відбувається розчинення матеріалу анода (анодне розчинення), причому найшвидше розчиняються виступаючі частини поверхні, що приводить до її вирівнювання. При цьому матеріал знімається зі всієї поверхні, на відміну від механічного полірування, де знімаються лише найбільш виступаючі частини. Електролітичне полірування дозволяє отримати поверхні вельми малої шорсткості. Важлива відмінність від механічного полірування -- відсутність яких-небудь змін в структурі оброблюваного матеріалу. [11]

1.2.2 Розмірна електрохімічна обробка

До цих методів обробки відносять анодно-гідравлічну і анодно-механічну обробку.

Анодно-гідравлічна обробка вперше була застосована в Радянському Союзі в кінці 20-х рр. для витягання із заготівки залишків застряглого зламаного інструменту. Швидкість анодного розчинення залежить від відстані між електродами: чим воно менше, тим інтенсивніше відбувається розчинення. Тому при зближенні електродів поверхня анода (заготівка) в точності повторюватиме поверхню катода (інструменту). Проте процесу розчинення заважають продукти електролізу, обробки, що скупчуються в зоні, і виснаження електроліту. Видалення продуктів розчинення і оновлення електроліту здійснюються або механічним способом (анодно-механічна обробка), або прокачуванням електроліту через зону обробки.

Цим методом, підбираючи електроліт, можна обробляти практично будь-які струмопровідні матеріали, забезпечуючи високу продуктивність у поєднанні з високою якістю поверхні. Використовувані для анодно-гідравлічної обробки електрохімічні верстати прості в обігу, використовують низьковольтне (до 24 в ) електроустаткування. Проте значна щільність струму (до 200 а/см ² ) вимагає потужних джерел струму, великих витрат електроліту (інколи до ¹ / ₃ площі цехів займають баки для електроліту). [4]

Цим способом обробляють заготовки із високоміцних сплавів, карбідних і важкооброблюваних металів.

Для розмірної електрохімічної обробки використовують нейтральні електроліти, такі як розчини солей NaCl, NaNO₃, Na₂SO₄.

Для нашої курсової було обрано кухонну сіль, тобто NaCl

1.3 Застосування електрохімічної обробки для заточування голки тунельного мікроскопу

У тунельної мікроскопії використовуються голки з над малим радіусом заокруглення кінця (до 1 нанометра і менше). Такі голки можна отримати в процесі електрохімічного травлення тонкого дроту (діаметром 0,2 - 0,3 мм) з повільно окислюються металів (наприклад, вольфраму). Найбільше поширення отримав процес травлення в плівці їдкого натру (рис.1.1.) [5].

Під час знаходження дроту в плівці, частина речовини металу стравлюється і до деякого моменту часу нижня частина дроту (рис. 1) під дією власної ваги падає, при цьому на місці розриву утворюється голка, так як шар металу зменшується в процесі деформації поступово.

Оцінки показують, що технологія травлення голок в плівці дозволяє отримувати досить гострі голки. Дійсно, деформація дроту ? під дією ваги P її нижнього кінця дається формулою [5]:

,

де E - модуль пружності (приблизно 1.10^-6 кг/см²), d - діаметр поперечного перерізу дроту в місці відриву. З теорії пластичності відомо, що металевий дріт розривається при деформаціях, що лежать в діапазоні 0,03 - 0,1. Розрахунки з використанням формули для величини деформації показують, що при діаметрі голки d = 0,3 мм і довжині звішувати кінця 3 мм, діаметр в місці розриву виходить рівним всього 30 нм.

Ця величина сама по собі досить мала. Вибираючи відповідні матеріали, можна отримувати ще більш тонкі голки. Наприклад, перед-покладається, що у вольфраму в місці розриву утворюються волоски, діаметр яких має порядок нанометрів.

Рис. 1.2.

Другим способом отримання надгострих голок є процес електрохімічного заточування дроту в розчині. Він відбувається наступним чином.

Тонка дріт поміщається в розчин їдкого натрію і подається напруга між електродом і дротом. Поступово дріт стоншується і на своєму кінці набуває форму голки (рис. 1.2.). [5] Цей процес зазвичай використовується для підтравлювання дроту з метою зменшення її діаметра та отримання більш тонкої голки в першому процесі.

Разом з тим, видається можливим отримання голки з надмалим закругленням тільки в другому процесі. Це припущення грунтується на тому, що вже в першому процесі можливе зменшення діаметра дроту до як завгодно малої величини, і отримання як завгодно малого радіуса заокруглення. Крім того, можливе використання технологій розтягування і відриву кінця голки під дією сили тяжіння. Момент відриву гіпотетично можна встановити по стрибку струму електрохімічної реакції.

У зв'язку зі сказаним представляє інтерес дослідження форми, яку приймає голка в процесі електрохімічного травлення. У даний роботі робиться спроба з'ясувати, чи існує такий профіль, який не змінюється при травленні. Існування такого профілю дозволило б побудувати управління процесом отримання голки.

При цьому сам факт існування такого профілю не є очевидним. Відмінність аналізованої математичної моделі процесу травлення полягає в тому, що на ширину голки не накладаються обмежень. У реальних умовах голка виходить з дроту кінцевого діаметра, тому ширина одержуваної голки не може його перевершувати. Якщо ж у завдання додати обмеження на діаметр, то форма голки відповідним чином зміниться. У моделі врахуємо, що коефіцієнт швидкості розчинення не є постійним і може залежить від різних факторів, наприклад, локальної кривизни дроту.

1.4 Математичні моделі процесу електрохімічного травлення голки

На рис. 3 зображено профілі голки в різні моменти часу. З малюнка маємо: [5]

, .

Координати кожної точки кривої перетворяться по наступному закону:

.

Для опису процесу електрохімічного травлення можна користуватися різними моделями. Розглянемо деякі з них.

Система рівнянь в приватних похідних від двох змінних.

Залежність зміщення точки пропорційно часу протікання реакції висловимо рівністю ? = k ?t. На швидкість реакції, яка задається коефіцієнтом k поки не накладається ніяких обмежень.

Тоді отримаємо систему рівнянь, що описує процес травлення для будь-якого коефіцієнта швидкості розчинності: [4]

.

У диференціальної формі



1. Система рівнянь в приватних похідних від однієї змінної. [5]

Припустимо, що в будь-який момент часу голка є симетричною щодо своєї осі.

Позначимо її профіль у вигляді функції y = f (x, t) (змінна x на-спрямована вздовж осі). Беручи до уваги, що , отримаємо

.

Після перетворень,, де ? (x) - початкова форма голки.

2. Облік залежності швидкості травлення від кривизни профілю. [4]

Відомо, що швидкість реакції відрізняється від середньої тим більше, чим більшу кривизну має поверхню, причому на опуклих ділянках вона більше, на увігнутих - менше.

Рис 1.4



Рис. 1.5.

У разі рівної поверхні (на рис. 1.4. кривизна дорівнює нулю) атоми, розташовані на ній відчувають приблизно однаковий вплив (притягання) як атомів самого речовини, так і речовини розчинника. Однак відносини між ними різко змінюється на нерівних ділянках (на рис. 1.5. кривизна негативна), так як ступінь впливу пропорційна відношенню площ частин сфери, укладеної всередині тілесних кутів речовини і розчинника.

Характер зміни цього співвідношення можна уявити собі наступним чином. Якщо позначити через ? ставлення кута при вершині нерівності до розгорнутому повного кутку (?), то беручи до уваги, що площа поверхні всередині тілесного кута пропорційна квадрату його розчину, отримаємо, що відношення площ можна представити відношенням . Графік цієї залежності наведено на

Рис. 1.6.

Безпосередньо з малюнка слідує, що швидкість розчинення швидко збільшується при зменшенні кута ? (гостра опуклість) і зменшується до 0 при його збільшенні (глибока западина).

Залежність швидкості розчинення від кривизни можна врахувати за допомогою формули k (x) = w (K (x)), в якій K (x) - кривизна поверхні в точці. Функція w враховує знак кривизни з урахуванням того, що опуклі частини поверхні труяться швидше, увігнуті - повільніше. Якщо поверхня голки задається у вигляді функції f (x, t), то

.

У підсумку рівняння для зміни поверхні голки в процесі травлення приймає вигляд:

,

з початковою умовою у вигляді контуру дроту ? (x): .

1.5 Стаціонарні рішення

Розглянемо випадок, коли в процесі травлення голки її форма (f (x, t)) не змінюється. Для цього досить, наприклад, щоб рішення задовольняло рівності f (x, t) = g (x - сt). Геометрично воно означає, що кінець голки рухається (розчиняючись) уздовж осі з постійною швидкістю a. Дріт, з якої виходить голка, передбачається нескінченною. [5] Якщо швидкість розчинності k постійна для всіх точок поверхні, то стаціонарне рішення має задовольняти рівнянню

,

рішення якого дає конус.

Недолік розглянутої моделі полягає в тому, що вістря конуса має нульовий радіус заокруглення і, з цієї причини не може бути взято в якості наближення до результату процесу травлення. Більш істотно, що при цьому не виходить оцінки на радіус заокруглення голки ні знизу ні зверху.

Для того, щоб врахувати ту обставину, що ділянки з великою кривизною труяться швидше, виберемо коефіцієнт k пропорційним кривизні. Будемо також вважати, що в будь-який момент часу голка є опуклою. У цьому випадку функція w повинна бути негативною. Приймемо її рівною константі. Розглянемо плюси і мінуси такого підходу: [5]

1. При нульовій кривизні швидкість травлення стає нескінченною. Тому важко очікувати, що в якості вирішення вийдуть фігури з надмалим радіусом заокруглення. Отримана оцінка радіуса заокруглення буде оцінкою зверху.

2. При малій кривизні, тобто для плоских ділянок, швидкість травлення наближається до нульової, що не відповідає дійсності. Протиріччя з реальністю можна зменшити, якщо припустити, що в процесі травлення голка запихається в розчин.

Можна також взяти до уваги, що в процесі реакції утворюються бульбашки газу, які, піднімаючись вгору, перешкоджає надходженню лугу до голки. Цей процес призводить до істотного уповільнення реакції у верхніх шарах. [5] Рівняння утворить контуру поверхні голки прийме вигляд:

.

Після перетворень приходимо до рівняння

.

Роблячи заміну , знижуємо порядок рівняння

і приходимо до розв'язку

.

Звідки випливає, що

.

З урахуванням розглянутого випадку, в якому приймається, що при нульовому радіусі заокруглення швидкість травлення голки нескінченна, отримуємо умову . Звідки C₁ = 1. Крім того, не обмежуючи спільності розгляду, можна прийняти g (0) = 0. У цьому випадку, C₂ = 0. Графік функції зображений на рис. 1.7. Він показує форму голки в стаціонарному випадку.

Факт існування стаціонарного рішення говорить про наявність таких умов, при яких форма голки не змінюється в процесі розчинення. Питання про те, чи буде процес формування голки з дроту (що має форму циліндра) сходитися до стаціонарної формі, вимагає окремого розгляду.

Рис. 1.7.

На кінці голки (при )

.

Чим менше коефіцієнт при , тим гостріше голка. Відповідно до отриманої формулою в стаціонарному вирішенні радіус заокруглення кінця залежить тільки від діаметра дроту. Записавши це рівність у вигляді

,

знаходимо, що радіус заокруглення дорівнює , що означає, що малий радіус заокруглення може бути отриманий при малому діаметрі дроту. Це пояснюється зробленим припущенням про те, що при нульовому радіусі заокруглення швидкість травлення нескінченна. Покажемо це.

Для того, щоб врахувати особливості розчинення при малих і великих значеннях кривизни припустимо, що швидкість розчинення дається формулою:

.

Коефіцієнти ? і ? позитивні, кривизна K (x) негативна (оскільки функція g (x) передбачається опуклою). Графік залежності наведено на рис. 1.8. Вибираючи підходящими коефіцієнти, можна отримати будь-яке співвідношення між швидкостями розчинності при малих і великих величинах кривизни. У підсумку приходимо до рівняння [5]

.

Воно забороняє рішення у вигляді стрижня, так як не існує рішення для ? ? 0 з асимптотичними умовами , при . Разом з тим, можливе вирішення типу конуса (рис. 1.9.): , при .

Прийнявши розчин конуса за ? (), отримаємо для нього рівняння: , яке має рішення для всіх значень ?. При цьому виявляється, що швидкість розчинення голки в стаціонарному процесі залежить від тільки кута розчину конуса:



Рис. 1.9.

.

Для того, щоб знайти радіус заокруглення голки розглянемо рішення, в якому велике. У цьому випадку рівняння спрощується:

.

Вирішуючи його, отримаємо:

і =.

Безпосередньо з формули рішення випливає, що величина радіуса заокруглення голки явно залежить від розчину конуса. Нагоди, малого радіуса заокруглення відповідають великі значення знаменника. Для того, щоб задовольнити цій умові достатньо взяти ? << 1. Тоді формула рішення спрощується:

.

Ця формула дозволяє зробити висновок про те, що за рахунок вибору заготовки у вигляді конуса з малим розчином можна забезпечити отримання голки зі як завгодно малим радіусом заокруглення.

Розділ 2. Використання електрохімічної обробки для заточування голок тунельного ефекту

2.1 Опис приладу

Для демонстрації заточування голки за допомогою явища електролізу складають електричне коло за схемою, поданою на малюнку 2.1. [10]

Мал. 2.1. 1 - електролітична ванна; 2 - розчин NaCl; 3 - катод (к); 4 - голкотримач; 5 - анод; А - амперметр; К - ключ.

В якості електролітичної ванни, в нас була звичайна пластикова посудина з 5-відсотковим розчином NaCl. Катодом в нас виступав мідний електрод, а анодом - голка. Джерелом струму в нас виступав випрямляч напруги ВС-24.

2.2 Заточування голки явищем електролізу

Ми зібрали установку, схема якої зображена на мал. 2.1. Вигляд нашої установки зображений на мал. 2.2. і мал. 2.3.

Мал. 2.2.

Мал. 2.3.

Для кращого заточування голки потрібно, щоб на катоді іони натрію осідали так, щоб утворювався щільний шар. А для утворення щільного шару слід користуватися таким струмом, який не перевищує 0,05А на 1см² поверхні катоду. В нашому випадку потрібно використовувати струм, силою приблизно в 1А.

Оскільки у нашій електролітичній ванні 5% NaCl, то при проходженні струму іони Na⁺ рухаються до нашого мідного електроду, а іони Cl^- - до голки, вириваючи іони з її металу. Оскільки в голці, на кінчику (бо ми запихаємо в електроліт не усю голку, а лише її кінчик) залишається менше іонів, то і товщина голки зменшується. І в сфері на кінчику голки, яку видно під мікроскопом, зменшується діаметр до тих пір, поки його зовсім стає не видно.

Та до повного заточення ми не дійшли, бо в такому випадку потрібно було б чекати досить довгий час. А, оскільки в нас часу було не так-то й багато, то заточення голки було не досить серйозним.

Для заточення голок електрохімічною обробкою ми витратили приблизно 30 хв. А для точнішого результату заточення ми проводили експеримент три рази. Результат заточення голки протягом приблизно 30 хв показано на мал. 2.3.

А) Б)

Мал. 2.3.

А) До обробки; Б) Після обробки.

Висновок

Працюючи над даною курсовою роботою, ми дійшли таких висновків:

1. Існує багато методів обробки матеріалів, та для більш кращої обробки, тобто обробки порядку мікронів, використовують зазвичай електрофізичні та електрохімічні методи.

2. Будь-яка «гостра» необроблена річ (голка, бритва) під мікроскопом є не досить загостреною, а на її кінці розташована сфера з деяким радіусом.

3. Одним з методів заточення голки є метод розмірної електрохімічної обробки, в якому використовується таке явище, як електроліз. Це означає, що при проходженні струму, відбувається заточення голки за допомогою іонів.

4. Заточення голки, використовуючи електролітичну ванну з 5% кухонною сіллю NaCl та струм із силою 1А, досить непогано видно, витративши на нього 30 хв.

Список використаних джерел

1. Гусєв А.П. Основи технологій виробництва і ремонт автомобілів. Технологічні основи машинобудування / Анатолій Павлович Гусєв - Луцьк: Луцький національний технічний університет, 2010 - 452 с.

2. Електрохімічна розмірна обробка

3. Електрохімічні методи обробки. Ультразвукова обробка

4. Еоектрофізичні і електрохімічні методи обробки

5. Карташев В.А. Математическая модель процесса электрохимической заточки иглы туннельного микроскопа / В.А. Карташев, В.В. Карташев - Москва: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2007 - 11 с.

6. Технологічні процеси електрофізичної та електрохімічної обробки

7. Острое острие.

8. Бірюков Б.Н. Електрофізичні та електрохімічні методи розмірної обробки. / Б.Н. Бірюков - М.: Машинобудування, 1981.

9. Мороз І.І. Електрохімічна обробка металів. / І.І. Мороз - М.: Машинобудування, 1969.

10. Петруха П.Г. Технологія обробки конструкційних матеріалів. / Под ред. П. Г. Петрухи - М: Вища школа, 1991.

11. Попив Л.Я. Електрофізична та електрохімічна обробка матеріалів. / Л.Я. Попив. - Довідник. 2-е вид. доп. і перероб. - М.: Машинобудування, 1982.

Размещено на Allbest.ru