Features of electro-discharge-chemical machining with vibrating electrode-tool

全文:

При электрохимической и электроэрозионной обработках межэлектродный зазор (МЭЗ) является определяющим параметром процесса: чем меньше его величина, тем выше скорость съема металла, меньше погрешность копирования, лучше показатели качества поверхности. Однако с уменьшением МЭЗ усложняется процесс его регулирования, возрастают затраты на прокачку рабочей жидкости, усложняется проектирование электрода-инструмента. Для устранения этого противоречия применяют импульсно-циклические способы обработки (электрохимическая размерная обработка и специальные рабочие жидкости (электроэрозионная обработка), что приводит к удорожанию оборудования и расходных материалов. Комбинированный метод обработки [1] электро-контактный и электрохимический осуществляемый вибрирующим катодом-инструментом позволяет использовать простой линейный электродинамический привод [2] а в качестве рабочей жидкости применять зазор 5 уменьшается до нуля, затем электродводу или водный раствор азотнокислого натрия малой инструмент отводится от обрабатываемой детали на концентрации (1-5 г/л). Схема электроконтактнохи-мической обработки приведена на рис. 1. А Рис. 1. Схема электрокоитактнохимической обработки: 1 - электрод-инструмент; 2 - обрабатываемая деталь; 5 - межэлектродный зазор Электроду-инструменту (1) сообщается движение к обрабатываемой поверхности детали (2), при этом 175 Вестник СибГАУ. № 1(47). 2013 зазор, определяемый параметрами привода. Если электрод-инструмент является катодом, то на его поверхности выделяется водород и образующийся газовый фронт движется со скоростью vr (рис. 2). При сближении электродов эта скорость определяется: W = vc +-• c F (1) где W - объемная скорость выделения водорода; F -площадь проекции катода-инструмента на обрабатываемую поверхность. Рис. 2. Расчетная схема скорости разведения и сведения электродов: vj, - скорость разведения катода-инструмента; ve - скорость сведения катода-инструмента; vr - скорость движения границы газового слоя; v3 - скорость движения рабочей жидкости относительно обрабатываемой поверхности При разведении электродов скорость движения границы газового слоя рассчитывается vf = v - Г p w_ F (2) Для цилиндрического катода-инструмента, внутренний радиус которого - r, внешний - R, скорость движения электролита за счет вытеснения газовым слоем равна = vr (R - r ) 2 S (3) Для обеспечения неподвижности рабочей жидкости у обрабатываемой поверхности необходимо равенство скоростей (2): W vP f После подстановки значения W и F получим P ■ 1 1 ну. vp =1 • kH • kT • n--, (4) (5) где i - плотность тока на катоде-инструменте; kH -объемный электрохимический эквивалент выделения водорода; kj - термический коэффициент увеличения объема водорода; n - выход водорода по току; Рну. -давление при нормальных условиях; р - давление подачи рабочей жидкости в МЭЗ. Согласно выражению (3) скорость движения рабочей жидкости (электролита) относительно обрабатываемой поверхности стремится к бесконечности при уменьшении МЭЗ к нулю. Однако скорость движения электролита не может превышать скорости звука в рабочей жидкости. Подставив (1) в (2) с учетом вышесказанного, получим: ^ o2S рн.у vc --lkHT kT • n-, R - r г p (6) где а - скорость звука в прианодном слое электролита. Второе слагаемое в правой части выражения (6) намного меньше первого слагаемого. Таким образом, характер изменения скорости сближения электродов практически полностью определяется законом изменения межэлектродного зазора. При движении катода-инструмента к обрабатываемой поверхности напряженность электрического поля растет, что вызывает нагрев двойного электрического слоя (ДЭС) как на катоде, так и на аноде. В адиабатном приближении прирост температуры может быть определен: AT = X • ed •E • t P •c (7) где x - электропроводность жидкости в МЭЗ; ED -напряженность электрического поля в ДЭС; Е - напряженность электрического поля в МЭЗ; т - время сближения электродов; р - плотность жидкости в МЭЗ; с - теплоемкость жидкости в МЭЗ. По данным В. Г. Левича, напряженность поля в ДЭС равна 106-107 В/см. На границе электролит-металл происходит поверхностное тепловыделение за счет эффекта Пельтье: q = i(n + п), (8) где n - перенапряжение электродных процессов; п -коэффициент Пельтье. При электрохимической обработке n = (1 - 3) В, что во много раз больше п, поэтому выражение (8) можно записать как q = i • n. (9) Повышение температуры приэлектродной области приведет к росту термоэлектронной эмиссии на поверхности катода и пробою межэлектродного зазора. Начинается процесс электроэрозионного разрушения обрабатываемого материала. Далее следует механический контакт катода-инструмента с поверхностью обрабатываемой детали, ток при этом многократно возрастает, что приводит к асимметрии импульсного проплавления материала электродов (электроконтакт-ная обработка). Явление асимметрии проплавления объясняется возникновением мощного термоэлектрического эффекта Томпсона, заключающегося в конвективном переносе теплоты в зоне тепловых полей высокотемпературным градиентом. При разведении электродов ток уменьшается до величины определяемых переносом ионов в электро- 176 Технологические процессы и материалы лите, начинается процесс анодного растворения поверхности обрабатываемой детали. Таким образом, поверхность детали, расположенная напротив торца катода-инструмента, подвергается электроэрозионной и электрохимической обработкам. Боковые поверхности полости детали формируются электрохимической обработкой. При малых амплитудах колебаний при разведении электродов будет образовываться металлический мостик, который способствует появлению дугового разряда и в межэлектродном зазоре реализуется размерная обработка дугой (РОД). Для этого вида обработки характерны высокая производительность и низкое качество обработанной поверхности. Шероховатость поверхности, формируемой торцом катода-инструмента можно оценить по выражению Rz — k ( 4Л + Амех )р, (10) где k - коэффициент, зависящий от режима обработки, материала обрабатываемой детали; Аэл - электрическая составляющая эрозионного разрушения металла; Амех - механическая составляющая эрозионного разрушения металла; р - показатель степени, характеризующий форму лунки, р = 0,3...0,004. В общем случае k = 2.50. Электрическая составляющая эрозионного разрушения металла определяется по формуле Ал — Uср • Icp • тэр , (11) где иср - среднее напряжение во время обработки; Icp - среднее значение силы тока во время обработки; тэр - время эрозионного разрушения за один период колебаний катода-инструмента. Механическая составляющая эрозионного разрушения определяется следующим образом: 4мех — m • f2 • A2, (12) где m - масса катода-инструмента; f - частота колебаний катода-инструмента; А - амплитуда колебаний катода-инструмента. Шероховатость поверхности, формируемой боковой поверхностью катода-инструмента за счет анодного растворения оценивается выражением: Ra — kU-p0,5 • ^ • с-0,5, (13) r T иан где k - постоянный множитель, равный 0,1 В-мкм; иср - среднее напряжение на электродах во время обработки; туст - время установления стабильного значения шероховатости, в большинстве случаев туст = 8.10 с; т^ - время анодного растворения за один период колебания катода-инструмента; с - концентрация соли, выраженная в долях единицы. Из приведенных выражений следует, что время электроэрозионного воздействия на обрабатываемую поверхность определяется частотой колебаний като да-инструмента, а мощность разрушения пропорциональна квадрату частоты и амплитуды вибрирующего инструмента. При сообщении катоду колебаний возможно ожидать уменьшения затрат энергии на газообразование водорода. Водород выделяется в виде пузырьков, размеры которых изменяются. При наличии колебаний пузырьки водорода будут деформироваться, что приведет к изменению радиуса кривизны, что в конечном итоге уменьшит величину перенапряжения электродной реакции. Это предположение подтверждено снятием поляризационных кривых. Известно, что основную роль в анодном растворении выполняют силы гидратации, которые под воздействием приложенного к аноду напряжения вырывают ионы металла и гидратируют их. При сближении электродов электрическое поле вызывает дополнительную ориентацию диполей воды и увеличивает их адсорбцию в прианодном слое. При разведении электродов будет иметь место тенденция к разрыву при-электродного слоя, что вызовет большее гидратаци-онное воздействие. В конечном итоге рассмотренные явления приведут к снижению удельных энергозатрат. На поверхности катода-инструмента и детали имеются впадины и выступы, что при сближении электродов приведет к появлению суживающихся и расходящихся капилляров. Суживающие капилляры будут заполняться рабочей жидкостью (электролитом) с большой скоростью. Расчет по известным зависимостям показал, что скорость заполнения составляет более 10,0 м/с. Наличие электролита в суживающихся каналах способствует анодному растворению выступов на обрабатываемой поверхности. На лабораторной установке [3] при использовании катода-инструмента в виде цилиндрической трубки, был получен кольцеобразный паз при точности копирования формы 20 мкм, шероховатости боковых поверхностей Ra 0,4 мкм, торцевых поверхностей Ra 1,8 мкм. Значения шероховатости поверхности практически совпадают с расчётными величинами, что говорит в пользу предложенной модели.

作者简介

I. Shestakov

Email: yakovlevish@mail.ru

I. Remizov

O. Artyukova

Email: yakovlevish@mail.ru

参考

补充文件