1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы Развитие новых технологических методов размерной и финишной обработки во многом осуществляется на базе уже состоявшихся технологий и стимулируется активным поиском инновационных решений для обеспечения технологического рывка России [1-3].  Среди таких базовых технологий размерной обработки электрохимическая обработка изделий в электролитической ванне занимает значительное место. Она характеризуется низкими напряжениями в интервале U = 3 … 60 В, большими   величинами применяемых токов (I  = 10000 А) и, следовательно, высокими скоростями удаления материала анода [4-8]. Размерная электрохимическая обработка является конкурирующим методом лезвийной обработки материалов, к которой относятся точение, фрезерование, строгание, долбление, шлифование и др. Кроме этого, она может являться конкурирующей обработкой для раскроя материала такими методами как плазменная, газопламенная, лазерная резка, комбинированная струйно-абразивная обработка [9-11]. Однако методы струйной обработки на сегодня недостаточно изучены.  Известно о применении электролитической струи при выполнении операций прошивания отверстий и поверхностной обработке [12-15]. Однако мало сведений об использовании струи электролита в диапазоне напряжений U = 60 … 200 В для размерной обработки и резки материалов [16-18]. На наш взгляд, заполнение вакуума информации в этой области может привести к формированию нового метода размерной и раскройной технологий обработки материалов. Целью исследования является изучение механизмов воздействия электролитической струи на поверхность материала анода. Задачами работы являются построение вольтамперной характеристики (ВАХ) при разных объемных расходах электролита, оценка морфологии поверхности, оценка убыли массы образцов в процессе струйной обработки, выявление границ перехода от процессов электролиза к электролитно-плазменной обработке 2 Материалы и методы  В качестве установки для исследований мы применяли прототип установки струйной обработки [19]. Принципиальная схема установки приведена на рис.1. В качестве анода использовали образцы 40×50×1 мм из нержавеющих сталей 08Х18Н9Т, AISI 301 и AISI 304 с исходным параметром шероховатости Ra = 0,8 … 12 мкм.  Межэлектродный зазор h между полым катодом (медной трубкой с внутренним диаметром Ø3 мм и наружным Ø5 мм) и анодом (пластиной из нержавеющей стали) составил 1 …4,5 мм. Исследования проводили при перемещении полого катода с подачей, равной S = 180 ... 500 мм/мин. Исходная температура подаваемого в полый катод электролита была T = 20 º С. Определение вольт-амперной характеристики проводили при разных объемных расходах электролита. Для свободнопадающей струи электролита объемный расход составил Q = 33 л/ч, а при подаче электролита под давлением с использованием лопастного насоса объемный расход составил Q = 88 л/ч. Время исследований для опытов составляло 60, 120, 180 с. В качестве электролита использовался раствор K2SO4 с концентрацией K = 5 г/л и раствор нитрата аммония NH4NO3 с концентрацией до K = 20 … 40 г/л. Измерение объемного расхода электролита проводили с помощью мерного стакана (ГОСТ 1770–74). Время прохождения электролита фиксировалось секундомером. Рабочее напряжение варьировали в интервале U = 20 … 300 В. Напряжение контролировали щитовым вольтметром Omix DV–1–0.5. Величину тока измеряли токовыми клещами UT210D.Расчет напряженности электрического поля производили при использовании программы Comsol Multithisics.  Рисунок 1 – Принципиальная схема прототипа струйной электролитно-плазменнойустановки 3 Результаты исследований Вольтамперная характеристика (ВАХ) является важнейшим информативным показателем процесса электрохимической и электрофизической обработки (рис. 2). Исследование проводили при разных объемных расходах электролита и при фиксированной температуре электролита на входе в полый катод, равной T = 20 ºС. Результаты измерений показывают, что при разных расходах электролита при данной температуре ВАХ имеет фактически линейный характер. Это может говорить о том, что на этом отрезке сопротивление межэлектродного промежутка является величиной постоянной. К тому же можно предположить, что, если зависимость имеет линейный характер, то она соответствует режиму электролиза и подчиняется второму закону Фарадея. I, AU, В  1 – Q = 33 л/ч; 2 – Q = 88 л/ч. Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика процесса струйной обработки при разных расходах электролита K2SO4 (К = 5 г/л) Принято считать, что убыль массы образцов при обработке в режиме электролиза описывается вторым законом Фарадея [20]:m = k × ηa × I × t,                                                                      (1)где, k – электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда; ηa  – коэффициент выхода по току; I – величина силы тока, А;   t – время электролиза, с.Однако исследования Фарадея наиболее справедливы для режима массопереноса в электролитической ванне (до U = 60 В) [21]. Для понимания того, насколько эффективно работает данный закон для более высоких напряжений, и выявления его соответствия при струйной обработке для более высоких напряжений, мы провели исследование потери массы образца в диапазоне напряжений до U = 200 В. График убыли массы образцов представлен на рис. 3. Анализ показывает, что увеличение напряжения в цепи при постоянной концентрации и объемном расходе электролита ведет к увеличению убыли массы. Так, средний коэффициент съема металла (Кс = dΔ / dU) при расходе электролита Q = 88 л/ч и межэлектродном зазоре h = 4,5 мм (кривая 1) на участке напряжений 60 ... 100 В составляет 1·10-4 мг/В, а на участке 100 ... 200 В ‒ 1,3·10-4 мг/В, при этом на участке 80 ... 120 В он практически не меняется на уровне ~ 0,25·10-4 мг/В. Это может говорить о том, что для данного диапазона изменяется коэффициент выхода по току ηa. Возможно, это связано с тем, что при данных объемных расходах электролита (Q = 33 … 88 л/ч), межэлектродных промежутках (1 … 4.5 мм) и выделяемой мощности температура струи в период воздействия ее на металлический анод является относительно постоянной, около 25 … 27 º С, за счет высокой скорости потока электролита. При дальнейшем увеличении напряжения (U = 60 … 200 В) температура электролита в указанном диапазоне растет до 35 … 43º С при активном выделении Джоулева тепла:  dQ = I² × R × dt ,                                                           (2)где dQ  – количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, Дж/с;       I – величина силы тока, А;       R – сопротивление, Ом. Очевидно, что это ускоряет и активизирует процессы в электролите и на поверхности анода, и ведет к увеличению съема металла анода, но не приводит к вскипанию электролита и переходу к процессу электролитно-плазменной обработки с формированием электролитно-плазменного слоя на поверхности анода. Стремление увеличить съем материала за счет поднятия напряжения в цепи сопровождается проблемой, связанной с возникновением в межэлектродном промежутке искровых разрядов, переходящих в дуговые. Так, для объемных расходов электролита Q = 33 л/ч и межэлектродного промежутка 1 мм этот предел фиксируется при U = 140 … 200 В, а при межэлектродном промежутке h = 4,5 мм он составляет U = 160 … 200 В.    Δ, мгU, В  1 – h = 4,5 мм, Q = 88 л/ч; 2 – h = 1 мм, Q = 33 л/ч; Рисунок 3 – Зависимость величины убыли массы образца при изменении напряжения между токоподводами (сталь 08Х18Н9Т). Анализ морфологии поверхности в процессе струйной электролитно-плазменной обработки показывает, что при разных технологических режимах для одних и тех же материалов формируются общие закономерности, связанные с растворением материала анода струей электролита (рис. 4). Эти закономерности присущи как при падении свободной струи, так и для струи, подаваемой под давлением. Рассмотрим исходную поверхность (рис. 4, а). При рассмотрении поверхности при большом увеличении фиксируется развитый рельеф, сформированный абразивными зернами шлифовального круга. При этом хорошо различимыми являются отдельные зерна металла образца, включенные в состав гребней микрорельефа. При подаче электролита и напряжения в цепи рельеф начинает изменяться. Для разных металлов наблюдается два основных механизма изменения морфологии поверхности и две особенности формирования рельефа при струйной обработке.  а) – исходное состояние поверхности (сталь AISI 301); б) – область воздействия периферии струи, выявление зерен микроструктуры (сталь AISI 301); в) – зона возникновения искрового разряда, сталь AISI 301;  г) – увеличенный съем зерен; д) – ускоренное растворение зерен; е) – возникновение угловатой структуры (сталь 08Х18Н9Т); ж) – развитие валиков межзеренного пространства;з) – начало дробления  валиков межзеренного пространства; и) – область сглаживания регулярного микрорельефа поверхности (сталь 08Х18Н9Т); к) – центральная зона струи (сталь 08Х18Н9Т); л) – развитие инверсии съема (вогнутая поверхность локальных зон обработки; м) – морфология  поверхности стали AISI 301 Рисунок 4 – Изменение морфологии поверхности нержавеющей сталей под влиянием электролитической струиПервый механизм – преимущественное растворение поверхности зерен металла. Второй механизм - преимущественное растворение межзеренного пространства. Каждый из них можно разделить на пять основных стадий. Стадии механизма преимущественного растворения поверхности зерен металла: - четкое выявление границ зерен на поверхности (рис. 4, б); - ускоренное растворение площади зерен и уменьшенное растворение межзеренного пространства (рис. 4, б, в, г, д); - формирование явно выраженного рисунка из площадок зерен и валиков, разделяющих эти зерна (рис. 4, б, в, г, д); - укрупнение валиков зерен и уменьшение межзеренного пространства (рис. 4, е, ж, з);- дробление валиков на мелкие отдельные составляющие и относительное выравнивание рельефа поверхности (рис. 4, з, и, к).Стадии механизма преимущественного растворения межзеренного пространства:- четкое выявление границ зерен на поверхности и обозначение зерен на поверхности микронеровностей; - ускоренное растворение межзеренного пространства и прорезание в разных направлениях канавками гребней микронеровностей в виде микронеровностей шероховатости; - формирование явно выраженного рисунка из площадок зерен и валиков, разделяющих эти зерна; - рост канавок границ зерен в разных направлениях, почти полное удаление гребней микропрофиля и уменьшение площадей зерен; - дробление остатков зерен на мелкие отдельные составляющие и выравниванию рельефа поверхности с получением чешуйчатой структуры (рис. 4, и, л). Исследования морфологии поверхности от напряжения (U = 20 ... 200 В) показывают, что для стали AISI 304 (табл.) имеется ряд особенностей.  Таблица – Анализ морфологии поверхности нержавеющей стали AISI 304 в процессе обработки электролитической струей (Q = 33 л/ч)Элементы морфологииНапряжение, В20406080100120140160180200Скругление вершин микрорельефа-+--------Эрозия поверхности граней микрорельефа+---------Выравнивание поверхности--++-+++++Уменьшение межзеренного пространства--------+-Увеличение межзеренного пространства-++-+--+--Сглаживание рисок------++--Эрозия всей поверхности-+--------Травление всей поверхности---------+Наличие следов от искровых разрядов-----+++++Наличие блеска-------+++Температура электролита на входе в полый катод, º С20202020202022253536Ярко выраженные признаки элементов морфологии: - отсутствие признака; + наличие признака. Морфология поверхности после струйной обработки представлена на рис. 5. Анализ показывает разнообразный микрорельеф с характерными особенностями. Среди них эрозия поверхности граней и скругление вершин микрорельефа наиболее характерны для низких напряжений, выравнивание поверхности происходит в разной степени для всех видов напряжений, увеличение межзеренного пространства фиксируется в основном для малых напряжений, сглаживание рисок происходит при более высоких напряжениях, травление всей поверхности происходит при самом высоком напряжении и минимальном съеме в каждой точке поверхности образца. Важным является тот факт, что на поверхности с напряжением U = 120 ... 200 В фиксируются следы от искровых микроразрядов. Это может говорить о том, что начиная с напряжения U = 120 В массоперенос с анода в виде отдельных ионов металла дополняется массопереносом за счет искровых разрядов, разрушающих поверхность расплавлением в локальных областях и вырывания из нее расправленной части металла. Наиболее характерным является напряжение цепи в U = 200 В. В этом случае наблюдается комбинированное воздействие на поверхность двух механизмов съема материала ‒ электрохимическое растворение и электролитно-плазменная обработка с преобладанием последней. При электрохимическом растворении наблюдается рост выделяемой мощности и увеличение съема, при электролитно-плазменном наблюдается обработка поверхности разрядами с малой энергией. Это обеспечивает мельчайшую проработку и выявление всех элементов поверхности. При увеличении напряжения в цепи до U = 200 В температура электролита достигает T = 35 ... 43º С, а напряженность поля ‒ E = 7,48×10⁵ В/м. Очевидно, что в этом случае температуры и напряженности поля достаточно для частичной ионизации межэлектродного промежутка и возникновения процесса струйной электролитно-плазменной обработки. Среди особенностей формирования морфологии поверхности можно отметить наличие инверсии при обработке струей электролита. В одном случае поверхность формируется в виде выпуклых полусфер, в другом случае наоборот поверхность формируется в виде вогнутых сферических поверхностей. Условия получения данной морфологии требуют дальнейших исследований.  а) – U = 20 В;  б) – U = 40 В; в) – U = 60 В;г) – U = 80 В; д) – U = 100 В; е) – U = 120 В;  ж) – U = 140 В;  з) – U = 160 В; и) – U = 180 В; к) – U = 200 В   Рисунок 5 – Изменение морфологии поверхности нержавеющей стали AISI 304 под влиянием электролитической струи при разных напряженияхНами было исследовано изменение параметра шероховатости поверхности Ra при изменении напряжения в цепи. Зависимость (рис. 6) показывает рост параметра шероховатости поверхности Ra в интервале U = 20 ... 40 В и плавное уменьшение до U = 100 В. Это происходит при увеличении общей мощности разряда и увеличении скорости съема материала анода.Анализ напряженности электрического поля, проводили в соответствии с уравнением:                                                        (1) где U – потенциал электростатического поля; ɛ – диэлектрическая проницаемость;ρ – плотность объемных свободных зарядов. U, ВU, В Ra, мкм Рисунок 6 – Зависимость изменения параметра шероховатости Ra от напряжения при струйной электролитно-плазменной обработке Учитывая, что плотность объемного заряда равна: ρ=0                                                          (2) Оценку потенциала записываем с использованием векторного дифференциального оператора набла Ñ:                         ∇⋅ε∇U=-ρ, E=-∇U,                        (3) где Ñ – векторный дифференциальный оператор набла; E – вектор напряженности электрического поля.При использовании осесимметричной модели выражение (3) можно записать в виде:            (4) Расчет напряженности электрического поля показывает, что данная величина при напряжении U = 60 В, высоте межэлектродного промежутка h = 3 мм составляетE = 3.57×103⁵ В/м, а для U = 200 В ‒ соответственно E = 7,43×10⁵ В/м.   Расчет, проведенный в программе Comsol Multithisics показывает, что между наружным и внутренним срезом медной трубки полого катода и поверхностью анода из нержавеющей стали формируется электрическое поле с потенциалом U = 60 В (рис. 7, а).    а)                                                              б)Рисунок 7 – Результаты расчета в программе Comsol Multithisics распределения электрическогопотенциала (а) и распределения напряженности электрического полядля поверхности с нанодефектом (б)При этом возникает большая напряженность электрического поля не только на вершинах микронеровностей, острых краях трубки полого катода, но и на микродефектах поверхности, полученных процессами шлифования (рис. 7, б). Нанодефекты порядка 100 нм и более, сформированные абразивными зернами, локализуют на себя электрическое поле и формируют высокую напряженность E = 3,57×10⁵ В/м, сопоставимую с вершинами микронеровностей. Поэтому за счет высокой неоднородности электрического поля на вершинах микро- и макродефектов поверхности максимальный съем происходит именно в этих местах, сглаживая развитую поверхность металлического анода как на пиках, так и во впадинах материала. 4 Обсуждение и заключение Изменение энергии частиц и напряженности поля от оси электролитической струи приводит к изменению морфологии в разных точках ее взаимодействия с поверхностью анода.В процессе электрохимической обработки в исследуемом диапазоне эффективно удаляются множественные микронеровности поверхности, характеризующие параметр шероховатости Ra 0,8 ... 1,6 мкм.Электростатические расчеты показывают, что при электрохимической обработке струей электролита между срезом полого катода и поверхностью металлического анода возникает высокая напряженность электрического поля до E = 3,57–7,43×10⁵ В/м.На дефектах поверхности порядка 100 нм, расположенных во впадинах, возникает напряженность электрического поля, сопоставимая c напряженностью на пиках микронеровностей, что ведет к конкурентному растворению этих областей.Для изменения морфологии поверхности характерна повторяемость ее рисунка для разных напряжений.Процесс электрохимического растворения (электролиза) при повышении напряжения и уменьшении межэлектродных зазоров ограничивается повышением температуры струи до T = 35 ... 43 ºС, вследствие чего происходит переход к локальной ионизации межэлектродного промежутка и возникновение искровых разрядов, переходящих в дуговые.При струйной обработке с объемными расходами электролита Q = 33 ... 88 л/ч граница процесса электролиза смещается с U = 30 ... 80 В, характерной для обработки в электролитической ванне, до U = 140 ... 200 В для обработки электролитической струей.Для напряжения U = 60 ... 200 В классический процесс электролиза отличается увеличенным коэффициентом выхода по току и наличием в струе искровых разрядов малых энергий.Благодарность.  Автор выражает благодарность графическому дизайнеру Диане Поповой за подготовку иллюстраций.