Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теории и технологии электроэрозионного формообразования прецизионных полусферических оболочек. Монография.pdf
лярности включения электродов), факельным и лучистым
компонентами. При этом вклад этих компонентов в процесс
эрозии различен. Как правило, эрозионный эффект определяется воздействием ионного (электронного) компонента энергии, а при определенных условиях и факельного компонента.
Влиянием остальных компонентов энергии на процесс эрозии
электродов в первом приближении можно пренебречь, поскольку сравнительная их энергия и, следовательно, вызываемый эро
зионный эффект, как правило, меньше энергии и эрозионного эффекта от воздействия ионного, электронного или
факельного компонентов энергии примерно на порядок [18].
В первом приближении можно принять, что эрозия
электрода-инструмента обусловлена в основном результатом
воздействия на него ионного компонента энергии электрического разряда при протекании проц
есса ЭЭО на прямой
полярности включения электродов или воздействием электронного компонента на обратной полярности включения
электродов.
Влияние факельного компонента энергии на эрозию ЭИ
может быть существенным лишь в том случае, если обработка
производится импульсами малой длительности [25] или кинематические условия формообразования таковы, что дают возможность беспрепятственно перемещать факельную стру
ю
в направлении рабочей поверхности инструмента.
Анализ механизма и последовательности протекания
процесса эрозии электрода-инструмента, являющегося катодом, может быть представлен следующим образом [36–38].
В начальной стадии развития электрического разряда, т. е.
после пробоя диэлектрической жидкости, на электрод-анод
с электрода-катода начинают поступать электроны. Положительно заряженные массивные ионы поступают на катод со
значительной задержк
ой во времени, поэтому при воздействии коротких импульсов эрозия катода от воздействия на него ионного компонента весьма незначительна. Ощутимой
81
эрозия инструмента-катода может быть лишь при сравнительно большой длительности (порядка 10
–4
с) импульса.
В зависимости от принятой схемы формообразования
и энергетических параметров импульса на эрозию электродакатода существенное влияние может оказывать факельный
компонент энергии электрического разряда. Действие факельного компонента смещено по времени от начала действия
ионного или электронного компонента на 5–150 мкс в зависимости от длительности импульса, поскольку испарение материала ЭИ, т. е. образование паровой стр
уи, запаздывает по
отношению к началу воздействия импульса. Такая задержка
выброса паровой струи определяется временем, необходимым
для нагрева поверхностного слоя металла, находящегося
в зоне действия канала разряда, до температуры, превышающей температуру его испарения.
Итак, основным компонентом, вызывающим эрозионное
разрушение рабочей поверхности электрода-инструмента при
воздействии импу
льсов малой длительности, является факельный компонент энергии. При больших длительностях
электрического импульса эрозия ЭИ происходит под воздействием ионного и факельного компонентов энергии.
Усиление предшествующего эрозионного эффекта происходит в том случае, когда факельная струя, сформированная при испарении локального объема материала заготовки
и тормозящаяся на рабочей поверхности ЭИ, при подходе
к этой поверхности обладает энергией, достаточной дл
я дополнительного ее разрушения. Наибольшая эффективность
разрушающего воздействия факельной струи достигается при
условии, что эта струя движется в МЭП беспрепятственно, не
испытывая тормозящего действия противоположного факела.
Разделение факельных (анодной и катодной) струй в МЭП
обусловливает не только интенсификацию процесса эрозии
рабочей поверхности ЭИ, но и является одни
м из условий образования на его рабочей поверхности пленки из материала
обрабатываемой заготовки.
82
Итак, наиболее перспективной при ЭЭО сферических
поверхностей самопрофилирующимся инструментом является защита ЭИ, осуществляемая путем факельного переноса на
его рабочую поверхность материала заготовки.
Сущность определения возможности и условий, при
выполнении которых обеспечивается образование на рабочей
поверхности ЭИ металлической защитной пленки, состоит
в следующем [34–37]. Поскольку предполагается регулировать износ ЭИ переносом на не
го с помощью факельной
струи материала противоположного электрода, то первым условием такого переноса является возможность беспрепятственного перемещения в МЭП паров металла с поверхности
обрабатываемой заготовки к рабочей поверхности ЭИ. Если
в процессе ЭЭО в МЭП происходит взаимодействие факелов
паров, приводящее к торможению их друг о друга, то результат их дальнейшего поведения, как правило, непредсказ
уем:
либо конденсация паров на одном из электродов, либо дополнительное разрушение одного из электродов, либо ни то и ни
другое. Кинематика процесса ЭЭО сферических поверхностей самопрофилирующимся инструментом неизбежно предопределяет выполнение первого из условий, обеспечивающих
образование на рабочей поверхности ЭИ пленки из материала
обрабатываемой за
готовки, поскольку дает возможность паро-
вым струям беспрепятственно перемещаться в МЭП.
Вторым условием образования металлической пленки
на рабочей поверхности ЭИ является достижение таких значений энергии факельной струи, при которых происходит не
разрушение поверхности ЭИ этой струей, а конденсация на
ней металла, составляющего основу струи. Чтобы управлять
энергией струи, необходимо определить, от ка
ких параметров
она зависит. Классическое уравнение энергии факельной
струи, приведенное в работе [18], позволяет полностью качественно анализировать этот компонент энергии, однако использование уравнения в практических целях, т. е. для наибо-
83
лее простого управления энергией струи, затруднительно.
Поэтому исходное уравнение энергии факельной струи необходимо преобразовать к виду, в котором оно стало бы пригодно для практического применения.
Вывод уравнения энергии факельной струи, свободно
перемещающейся в МЭП, осуществлен в [34–37] следующим
образом. Поскольку факельный перенос – это перенос вещества, являющегося материалом одного из электродов, на поверхность др
угого электрода при различии температур между
ними, то тепловой поток q, возникающий в процессе этого
переноса, определяется [39], согласно закону Ньютона – Рихмана, выражением
где Т
α ,qTТ (2.39)
исп пов
– температура испарения материала анода; Т
исп
– тем-
пов
пература поверхности противоположного электрода, на которой тормозится паровой факел; α – коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность теплообмена.
Согласно [25] коэффициент теплопередачи определя-
ется как
α ,
С
гг
р
где С
кельной струи) при постоянном давлении:
– удельная теплоемкость металлического пара (фа-
р
12
ССRR
р V
mN
i
A
A
.
2
Здесь: СV – теплоемкость паровой струи при постоянном объеме; m
[кг] = 1,66·10
A
основу факела; А – атомная масса вещества; N
–27
·А – масса атома металла, составляющего
– 6,02·1023 –
A
число Авогадро; i – число степеней свободы частицы газа (так
как пары металла представляют собой частицы одноатомного
газа, то i = 3); R = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая
постоянная; ρ
v
[м/с] – скорость частиц факела.
г
[кг/м3] – плотность газа, образующего факел;
г
84
Из уравнения кинетической теории газа следует, что
A
средняя квадратичная скорость частиц газа, составляющих
факел, определяется как [28]
3
kT
vm
г
,
где k = 1,38·10
Плотность газа факела ρ
где m
– масса испаренного за импульс металла; Vф – объем,
и
–23
Дж/град. – постоянная Больцмана.
определяется как
г
(2.40)
гиф
,mV
в котором распространяется факел. Массу испаренного материала заготовки в результате теплового воздействия на него
электрического импульса приближенно можно определить из
выражения [40]
Q = Lmи, (2.41)
где Q – количество теплоты, переданное поверхности заготовки в результате воздействия одного электрического импульса; L – скрытая теплота испарения металла. Численное
значение L может быть взято из соответствующих таблиц (например, из [40]). При всей своей простоте и удобстве использования формула (2.41) не учитывает интенсивность ввода
заданного количества теплоты Q, тогда как количество испаренного за импу
льс металла существеннейшим образом зависит от длительности импульса. Например, согласно [25] доля
испаренного металла в зависимости от длительности импульса составляет от 5 до 70 % от общего количества удаленного
за импульс металла, причем меньшим значениям длительности импульса соответствуют большие значения доли испаренного металла. Поэтому для более точного определен
ия количества испаренного за импульс металла целесообразнее
воспользоваться решением уравнения теплопроводности,
представленным в работе [20]. Анализ приведенного в этой
работе решения показывает, что уменьшение длительности
85
импульса способствует повышению температуры поверхностных слоев металла в зоне действия импульса, т. е. увеличению градиента температуры по глубине металла.
Для определения более точного количества испаренного
за импульс металла можно воспользоваться уравнением (2.5).
Задав в этом уравнении температуру испарения металла, его
теплофизические константы и параметры импульса, можно
построить изотерму температуры испарения Т
объем испаренного металла V
. Зная объем испаренного ме-
исп
и вычислить
исп
талла и его плотность ρ в твердом состоянии, легко найти
массу испаренного металла:
m
исп
= ρV
.
исп
Согласно [41, 42] осевое сечение канала, в котором распространяются факелы паров, имеет форму трапеции, т. е. канал имеет форму усеченного конуса, большее основание которого при прямой полярности включения электродов находится на аноде (на поверхности обрабатываемой заготовки),
меньшее основание – на катоде (на рабочей поверхности ЭИ).
При этом, как следует из работы [25
], при различных длительностях импульса (20–200 мкс) диаметры зоны металлизации, т. е. диаметры факелов, пришедших на катод, изменяются незначительно и находятся в пределах 45–60 мкм. Диаметры же анодной (испаряющей) поверхности факела не выходят
за пределы 150–250 мкм. Тогда объем, занятый факелом, может быть определен как
2
DDd
h
V
ф
34 4 4
2
d
aaк
к
,
(2.42)
где h – величина МЭП, Da – диаметр факельного пятна на
аноде, d
– диаметр факельного пятна на катоде.
к
В общем случае форма факельной струи может быть
определена геометрическим способом [25]. Вследствие удаления с поверхности заготовки некоторого объема металла,
86
нагретого до парообразного состояния, форма эрозионной
лунки является сферической. В этом случае каждая элементарная паровая струйка будет двигаться в направлении, перпендикулярном тому участку сферической поверхности лунки, на котором она образовалась. На рис. 2.6 схематично показаны эрозионная лунка, образовавшаяся в результате
испарения некоторого объема металла, и направление распространения паровой стр
уи.
Рис. 2.6. К определению формы факельной струи
Анализ рис. 2.6 показывает, что при МЭП меньше h1
факельная струя будет оказывать в основном разрушающее
воздействие на противоположный электрод, поскольку плотность струи увеличивается в результате уменьшения площади
ее поперечного сечения. Плотность факельной струи будет
максимальной на расстоянии h
от поверхности анода. Даль-
1
нейшее увеличение МЭП вызывает снижение плотности факельной струи. Изменение плотности факельной струи влечет
за собой изменение ее плотности энергии [24].
Определив V
талла m
, легко определить плотность газа факела:
исп
и зная массу испаренного за импульс ме-
ф
гиспф
.mV
Подстановка всех найденных выше значений в исходное выражение (2.39) с учетом того, что
87
Wф = qStф,
где W
– факельный компонент энергии;
ф
2
4Sd – пло-
щадь рабочей поверхности ЭИ, занятая затормозившимся на
ней факелом; t
– время действия факела, позволяет получить
ф
развернутое выражение энергии факельной струи, перемещающейся в МЭП [37]:
3
12
i
WRТТSt
(2.43)
фиспповф
mN m V
AA
2
A ф
kT m
исп исп
.
Вычисление Wф по формуле (2.43) хорошо согласуется
с данными работы [25], а также с данными, полученными автором при проведении соответствующих экспериментов.
Анализ формулы (2.43) показывает, что значение W
обратно пропорционально V
, а значение Vф в соответствии
ф
ф
с формулой (2.42) пропорционально h, т. е. величине МЭП,
поэтому зависимость между W
1
Wh . Основываясь именно на этой зависимости, пред-
ф
и h также является обратной
ф
ложен наиболее простой способ регулирования энергии факельной струи в момент торможения ее на поверхности противоположного электрода.
Регулирование энергии факельной струи за счет изменения величины МЭП наиболее легко осуществляется с помощью рабочих жидкостей, имеющих различное удельное
электрическое сопротивление: уменьшение удельного электрического сопротивл
ения диэлектрической рабочей жидкости приводит к увеличению МЭП, т. е. способствует снижению энергии факельной струи в момент ее торможения на
поверхности противоположного электрода. Таким образом,
применение рабочей жидкости с соответствующим удельным
электрическим сопротивлением обеспечивает возможность не
только устранения разрушающего действия факельной струи
на поверхность противоположного электрода, но и спос
обст-
88
вует созданию условий для конденсации паров металла на этой
поверхности, т. е. образованию на ней металлической пленки.
Однако выполнение двух этих условий еще не является
гарантией того, что на рабочей поверхности ЭИ обязательно
образуется пленка из материала обрабатываемой заготовки.
Чтобы это произошло, необходимо выполнить третье условие: если в результате воздействия факельно
й струи на рабочую поверхность ЭИ небольшие участки этой поверхности
будут иметь температуру больше температуры плавления, но
меньше температуры кипения материала ЭИ, а также учитывая, что при торможении паровой струи о его поверхность
температура струи снижается до перехода металла в жидкое
состояние, то на данном участке поверхности ЭИ образуется
ванна расплавленного металл
а, в состав которой входят материалы обоих электродов. Температуру металла в этой ванне
можно определить, допустив, что вся энергия факельной
струи расходуется на нагрев малого участка поверхности ЭИ.
Воспользовавшись полученным уравнением факельного компонента энергии (2.43), можно определить температуру металла того участка поверхности ЭИ, на который поступила
факельная стр
уя. Локальный расплав металлов, входящих
в состав обоих электродов, кристаллизуется за короткий промежуток времени вследствие высокой теплопроводности материала ЭИ и сравнительно больших его размеров.
Поскольку в процессе кристаллизации металлы могут
образовывать твердые растворы ограниченной или неограниченной растворимости, химические соединения и механические смеси [43], то с точки зрения образова
ния на рабочей поверхности ЭИ пленки наилучший результат достижим в том
случае, когда основные компоненты материалов ЭИ и обрабатываемой заготовки обладают взаимной растворимостью друг
в друге, т. е. когда они образуют твердые растворы.
Итак, теоретически возможно регулирование износа ЭИ
с помощью механизма факельного переноса металла и со-
89
блюдении трех основных условий: устранение тормозящего
действия анодного и катодного факелов друг о друга; увеличение МЭП до значений, позволяющих устранить разрушающее действие факельной струи; способность материалов электродов образовывать друг с другом твердые растворы.
Экспериментальное подтверждение теоретических положений факельной защиты электрода-инструмента от чрезмерного износа было получено следу
ющим образом. Кинематика процесса электроэрозионного формообразования сферической поверхности подразумевает наличие вращательных
движений обоих электродов, оси вращения которых наклонены на заданный угол относительно друг друга. Это обеспечивает свободное перемещение в МЭП паровых струй (факелов
паров). Свободное перемещение паровых струй приводит
к торможению их на рабочих поверхностях противоположных электродов и, со
ответственно, к дополнительному их
разрушению. Поэтому износ ЭИ в данных условиях обработки оказывается повышенным. Например, при обработке сферической поверхности в углеводородной среде ранее спрофилированным ЭИ, площадь рабочей поверхности которого составила 137,5 мм
2
(f
= 0,3), с энергией импульса Wи = 1
отн
и 0,1 Дж относительный износ ЭИ при неподвижных электродах составил соответственно 55–60 % и 110–115 %, тогда
как обработка по схеме самопрофилирующегося инструмента, т. е. с вращением наклоненных друг к другу электродов,
в тех же режимах (W
= 1 и 0,1 Дж) показала относительный
и
износ ЭИ 220–240 % и 280–370 % соответственно. Столь существенное увеличение износа ЭИ, обусловленное кинематикой процесса при обработке сферических поверхностей по
методу самопрофилирующегося инструмента, значительно
превосходящее оптимальные показатели для его самопрофилирования, привело к необходимости изыскания способов его
уменьшения, то есть возникла задача поиска возможностей
90