Erosion coefficient in electric contact processing of metals

Full Text

Введение

Тенденции современного развития и повышения технического уровня авиакосмической техники связаны с непрерывным улучшением эксплуатационных характеристик применяемых материалов – их прочности, твердости, ударной вязкости, жаропрочности, стойкости к коррозионным средам и т. д. В свою очередь появление новых видов материалов, обладающих специфическими физико-механическими свойствами и, как следствие, характеризующихся трудностью их обработки традиционными методами, обуславливает актуальность создания и широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на фундаментальных достижениях современной науки и техники. Одним из приоритетных направлений, существенно расширяющих технологические возможности процесса обработки деталей, изготавливаемых из сталей и сплавов, обладающих высокими прочностными характеристиками, является использование локального термического воздействия непосредственно на физико-механические свойства обрабатываемого материала, включая изменение его структурных характеристик и агрегатного состояния, так что производительность обработки не зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, а определяется только его теплофизическими характеристиками Видное место в этом, успешно развивающемся в последние годы, перспективном направлении занимают электрические способы обработки деталей, использующие разновидности термического воздействия электрического тока непосредственно в процессе удаления  слоя материала В технологии размерной электрообработки возрастает роль электроэрозионных методов, которые находят все большее применение во всех отраслях машиностроения как наиболее эффективные, а зачастую, и как единственно возможные способы обработки деталей из современных высокопрочных и вязких конструкционных материалов [1–5]. В этих условиях приобретает актуальность проблема широкого использования потенциальных возможностей электрических методов обработки, и создание на их базе новых эффективных технологических процессов.

Одним из перспективных методовэлектрообработки металлических заготовок является электроконтактный [6]. По сравнению с другими видами электрообработки металлов электроконтактная имеет ряд преимуществ. Для её реализации не требуются жидкие среды, незначительно изнашивается режущий инструмент и применяется безопасное для работы напряжение на электродах. Обработке подвергается любой электропроводный материал независимо от прочности и твёрдости [7].

Анализ литературных данных

Технологические показатели, принятые за критерии оценки эффективности процесса электроконтактнойобработки это: производительность, удельный расход электроэнергии, качество обработанной поверхности (шероховатость, глубина измененного слоя, подвергшегося термическому воздействию, наличие микротрещин на обработанной поверхности) и износ электрод-инструмента. Наиболее важным показателем ЭКО является производительность.

При электроконтактной обработке массовая производительность (m) определяется как масса удалённого (снятого) металла (М) в единицу времени

m = M / t,

где M – масса снятого (удалённого) металла; t – время обработки.

При электроконтактной обработке в воздушной среде зависимость скорости съёма от среднего тока имеет характер, близкий к линейному, то производительность процесса [1] можно оценивать через силу тока

m = kI,

где k – коэффициент, учитывающий режим обработки и материал электродов.

При разрезании заготовок производительность

m = k1I,

где k1 = k / b; b – толщина заготовки.

Массовую производительность [8] предлагается определять по формуле

m = VпBbρ,

где Vп – скорость подачи инструмента, см/мин; В – толщина заготовки, см; b – ширина прорези, см; ρ – плотность обрабатываемого материала, г/см³. Vп – выбирают на основе практического опыта.

Теплофизические свойства материала в расчёте не учитываются. Однако скорость подачи инструмента можно рассчитать с учётом теплофизических свойств обрабатываемого материала [5].

В первых работах по электро-контактной обработке [9] для расчёта производительности предлагалось учитывать электрическую и механическую составляющие эрозии в процессе

m = M / t = kэл * I + kмех * N / b * g,

где kэл и kмех – коэффициенты электрической и механической эрозии; g – ускорение свободного падения; N – механическая мощность в зазоре, которая определяется по формуле

N = 2 * π * n * P * k * r / 60,

где n – число оборотов дискового инструмента; P – усилие подачи; kтр – коэффициент трения между диском и обрабатываемой заготовкой; r – радиус диска.

Усилие подачи определяется расчётным путём [10], величина kтр не определяемая, так как неизвестно состояние материала заготовки и инструмента в зоне контакта. Коэффициенты эрозии могут быть определены только экспериментальным путём. Учитывая тот факт, что наибольшее использование получила ЭКО в режиме оплавления, т. е. когда механическая эрозия незначительна (менее 5 %), в дальнейшем  рассматривается только электрическая эрозия.

С электрической эрозией столкнулись специалисты в области коммутирующей аппаратуры для материалов контактов. В справочнике [11] рассматриваются механические, электрические, теплофизические свойства контактных материалов. Однако количественные эрозионные характеристики не представлены. Наиболее полные свойства контактных материалов имеются в справочнике [12]. Так, для железа коэффициент эрозии kэр = 0,006 мм³/А*с.

В работах [13; 14] исследовалась связь между теплосодержанием, физико-механическими и эрозионными характеристиками металлов. Основные выводы из работ:

• физико-механические и эрозионные характеристики металлов определяются энергией связи между атомами в узлах кристаллической решетки. Энергия связи между атомами изменяется с изменением теплосодержания(энтальпии) единицы объема металла;
• с целью выявления закономерностей поведения металла при различных физических процессах необходимо свойства металла определять на единицу объема (мм³, см³ и т. д.);
• зависимость, связывающая величину межатомного взаимодействия с физико-механическими и эрозионными свойствами веществ, представляет ряд элементов, последовательно расположенных по мере изменения теплосодержания, обусловленный монотонным возрастанием энергии связи атомов в конденсированной фазе независимо от типа химической связи и кристаллического состояния веществ.

Коэффициент электрической эрозии на единицу объёма обрабатываемого металла при электроэрозионно-химической обработке рассмотрен в работе [15].

Производительность обработки при копировально-прошивочных операциях оценивается суммой скоростей электроэрозионной и электрохимической обработок

V = Vэр + Vэх = kэр * iэр + kэх * iэх.

В этом уравнении коэффициент эрозии kэр определяется:

kэр = 0,4 * U * 60 / (Q * d + 2,2 [k / Poп] * П), мм³/А*мин,

где d – плотность обрабатываемого металла; k – эмпирический коэффициент; Роп – оптимальное значение мощности, соответствующее максимальному съёму материала на единицу тока.

Значения k и Роп нужно определять экспериментально, поэтому коэффициент эрозии не рассчитать. В работе приводится значение коэффициента эрозии железа при электроэрозионно-химической обработке kэр = 20 мм³ / А·мин, что составит  0,333 мм³/А*с.

При электроэрозионной обработке для расчёта производительности используют коэффициент равный объёму металла, снимаемого одним или несколькими импульсами с суммарной энергией 1 Дж [16]. Этот коэффициент зависит от вида и состояния рабочей среды, её прокачки, материалов и размеров электродов, характеристики импульсов и находят его экспериментально. Если значение этого коэффициента умножить на напряжение, то получается коэффициент эрозии.

Напряжение на электродах при электроэрозионной обработке находится в диапазоне (20–50) В [17]. При таком напряжении kэр = (0,0033–0,008) мм³/А*с. Малое значение коэффициента эрозии вызывает сомнение в правильности определения объёма металла приходящегося на энергию импульса 1 Дж. Коэффициент эрозии может быть определён по формуле

kэр = V / I * 60,

где V – объёмная производительность, мм³/мин; I – сила тока, А; 60 – переводной коэффициент.

Расчёт по вышеприведённой формуле по данным из справочника [17] показал, что с увеличением частоты импульсов от 1 до 440 кГц коэффициент эрозии уменьшается в 5–7 раз (с 0,11 до 0,016 мм³/А*с.). Это можно объяснить тем, что рабочая среда не успевает восстановить свои свойства и большая часть электрических импульсов не приводит к пробою межэлектродного промежутка.

При электроконтактной обработке вращающимся электродом-инструментом условия эвакуации продуктов обработки улучшаются, поэтому следует ожидать увеличения коэффициента эрозии.

В работе [17] приведена графическая зависимость коэффициента расплавления вращающихся заготовок из стали 113ГЛ от напряжения холостого хода и полярности включения. Размерность указанного коэффициента совпадает с размерностью коэффициента эрозии. Из графика видно, что полярность включения и напряжение холостого хода влияют на величину коэффициента эрозии. За счёт вращения заготовки kэр достигает максимального значения 1 мм³/А*с при напряжении холостого хода 30 В и обратном включении электродов.

В [18] приводятся данные по удельному расходу электроэнергии для ЭКО слитков из коррозионностойких и жаропрочных сталей q = 0,8 – 1,2 кВт*ч/к

Рассчитать коэффициент эрозии можно по формуле:

kэр = U / q * 3600 * r,                                                             (1)

где U – напряжение, подаваемое на заготовку и вращающийся диск, В; 3600 – коэффициент перевода часов в секунды; r – плотность стали, г/мм³.

При q = 1 кВт*ч/кг получим kэр = 0,854 мм³/А*с.

При обработке титана достигнута производительность m = 12,5 г/с, при этом среднее значение тока I составило 3574 А, тогда коэффициент эрозии будет равен 0,8 мм³/А*с.

При резке заготовок из алюминиевых сплавов среднее значение удельных энергозатрат составляет 2 кВт*ч/кг, при этом рабочее напряжение при ЭКО листа равно 23 В, прибылей – 28 В, тогда коэффициенты эрозии соответственно будут равны 1,18 и 1,4 мм³/А*с.

В работе [19] указано, что удельный расход электроэнергии при электродуго-контактной обработке для сталей различных марок составляет 1,4–1,8 кВт*ч/кг при среднем напряжении 32,5 В. После подстановки в выражение (1) средних значений получим kэр = 0,717 мм³/А*с.

Для экспериментального определения коэффициента эрозии при электроконтактной обработке вращающимся дисковым электродом на переменном токе промышленной частоты разработана схема исследований и установка для ручной резки металлов [20]. Для расчёта коэффициента эрозии использовалось выражение:

kэр = M / I * τ,                                                                        (2)

где М – масса снятого металла, г; I – сила тока, А; τ – время, в течение которого проводилось снятие металла, с.

Резке подвергали прокат из стали Ст. 3 в виде трубы и уголка. Для трубы коэффициент эрозии равен 0,2, для уголка – 0,3 мм³/А*с. Низкое значение коэффициента эрозии можно объяснить малой величиной напряжения на электродах. Результаты расчётов коэффициента эрозии по данным из разных источников показаны в табл. 1.

Исследования электроконтактной резки на постоянном токе при прямой полярности включения электродов представлены в работе [21]. По результатам опытов рассчитан объёмный коэффициент эрозии. В табл. 2 представлены теплофизические свойства обрабатываемых материалов: температура плавления (Тпл), коэффициент теплопроводности (λ), массовая удельная теплоёмкость (с), объёмная удельная теплоёмкость (с’) коэффициент зрозии (kэр). На основании теплофизических свойств рассчитан критерий Палатника и коэффициент температуропроводности. Критерий Палатника был предложен для оценки эрозионной стойкости металлов

П = λ * ρ * c * Тпл2.

По мнению учёных, этот критерий для некоторых случаев не соответствует действительности [22].

 

Таблица 1. Коэффициенты эрозии по литературным данным

Источник	Материал	Вид заготовки	Способ  определения kэр	Коэффициент  эрозии kэр, мм3/А*с
17	Сталь 110Г13Л	Стержень цилиндр.	Из графика	1,0
8	Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали	Слитки	Форм. (2)	0,85
8	Титан		Форм. (1)	0,8
18	Алюм. сплав	Лист	Форм. (2)	1,18
19	Стали разных марок		Форм. (2)	0,72
20	Сталь Ст3	Труба	Форм. (2)	0,2
	Сталь Ст3	Уголок	Форм. (2)	0,3

 

Таблица 2. Теплофизические и электроэрозионные свойства металлов и сплавов

Материал образцов	Теплофизические и электроэрозионные свойства
	Тпл, ºС	а105, м2/с	П*  1014	λ, Вт/(м∙К)	ρ, кг/м3	c, Дж/(кг∙К)	с’*106 Дж/м3К	kэр, мм3/А*с
1. Сталь, Ст3	1540	0,81	5,04	39,71	7800	628	4,9	0,39
2. Сталь нержавеющая 12Х18Н10Т	1510	0,55	8,76	26	7900	598	7,9	0,9
3. Алюминиевый сплав Д16	650	9,84	4.9	238	2696	897	2,4	2,94
4. Медь М1	1084	9,6	25,53	354	8950	412	3,7	0,928
5. Титановый сплав ВТ14	1650	0,34	7,6	8,37	4520	544	2,5	0,984
6. Титан ВТ1	1670	0,77	1,73	18,85	4505	540	2,4	2,06

 

Методика проведения эксперимента

Для исследования влияния полярности включения электродов на коэффициент эрозии были проведены эксперименты в воздушной среде. Испытания проводились с использованием дискового электрода-инструмента изготовленного из низкоуглеродистой  стали  диаметром 150 мм и толщиной 1,0 мм. Для вращения электрода-инструмента применялась модернизированная пневматическая радиально-шлифовальная ручная машина ИП2020 [23]. Источником постоянного тока служил сварочный выпрямитель ВДУ-506. Для ЭКОиспользовали цилиндрические полые образцы (трубы)  из углеродистой  стали Ст3 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т. По результатам испытаний произведён расчёт коэффициента эрозии:

kэр = m / I,                                                                     (3)

где m – производительность обработки, г/с; I – сила тока, А.

Результаты исследований

По формуле (3) рассчитан коэффициент эрозии. Значения коэффициента эрозии в зависимости от напряжения и полярности представлены на рис. 1 и 2. В диапазоне тока от 50 до 175 А значение kэр = (0,7–0,80) мм³/А*с. При электроконтактной резке труб из нержавеющей стали коэффициент эрозии при прямой полярности равен (0,90–1,0) мм³/А*с, при обратной – (0,71–0,83) мм³/А*с, что совпадает с данными табл. 1 и 2.

 

Рис. 1. Зависимость коэффициента эрозии стальной трубы (Ст3) от напряжения и полярности включения

Fig. 1. Dependence of the erosion coefficient of a steel pipe (steel 3) on the voltage and polarity of switching on

 

Рис. 2. Зависимость коэффициента эрозии стальной трубы (12Х18Н10Т) от напряжения и полярности включения

Fig. 2. Dependence of the erosion coefficient of a steel pipe (12X18H10T) on the voltage and polarity of switching on

 

Заключение

1. Полярность включения электродов, изготовленных из материала одной марки не влияет на коэффициент эрозии при электроконтактной обработке сталей.
2. Изменение силы тока практически не влияет на коэффициент эрозии.
3. У меди максимальное значение критерия Палатника, однако коэффициент эрозии близок к нержавеющей стали.
4. При прямой полярности включения коэффициент эрозии в значительной степени определяется напряжением подаваемым на электроды.
5. Коэффициент эрозии зависит от объёмной теплоёмкости обрабатываемого металла.
6. Малое значение коэффициента эрозии титанового сплава ВТ14 по сравнению с титаном ВТ1 можно объяснить наличием легирующих компонентов в количестве12 %.

About the authors

Ivan Y. Shestakov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: yakovlevish@mail.ru

Dr. Sc., Associate Professor, Professor of the Department of Electronic Engineering and Telecommunications

Russian Federation, 31, Krasnoiarskii Rabochi prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Vladislav I. Shestakov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: pn3vm4t@gmail.com

undergraduate of the Department of Mechanical Engineering Technology

Russian Federation, 31, Krasnoiarskii Rabochi prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Igor A. Remizov

Prof. V. F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University

Email: rector@krsk.info

Cand. Sc., Associate Professor of the Department of Medical and Biological Physics

Russian Federation, 1, Partizan Zheleznyaka St., Krasnoyarsk, 660022

References

Supplementary files