Поликристаллических телах ближний порядок, а в аморфных, например стекле

• Название: Поликристаллических телах ближний порядок, а в аморфных, например стекле
• Дата: 08.03.2021
• Размер: 302.31 Kb.
• Имя файла: elektrofiziceskie_i_elektrohimiceskie_processy_obrabotki_materia.docx
• Тип: Документы; #182763
• страница: 9 из 10

Задача 1.6. Наименьшая энергоемкость при удалении материала в расплавлен- ном состоянии.

Электроэрозионной обработкой (см. п. 2.3) в стальной заготовке требуется создать выемку размерами 5510 см. Объем материала, удаленного с заготовки, V_в = 5  510 см³ = 2,510^–4 м³.

Оценить наименьшие затраты энергии на удаление такого объема, полагая, что

материал переводится в расплав. Свойства стали можно принять такими же, как у железа. В частности, удельная плотность _ж = 7,910³ кг/м³ и, значит, масса удален- ного металла m_в = _жV_в = 7,910³2,510^–4 = 1,98 кг.

Наименьшие затраты энергии W_min слагаются из теплоты, необходимой для нагрева железа до температуры плавления, и теплоты плавления. Пусть началь- ная температура заготовки ₀ = 20C, средняя удельная теплоемкость железа

c_ж = 0,4610³ Дж/(кгК), температура плавления _пл = 1530C, удельная теплота плавления H_пл = 2,9010⁵ Дж/кг.

Тогда наименьшие затраты энергии
W_min = m_в[c_ж(_пл – ₀) + H_пл] = 1,98[0,4610³(1530 – 20) + 2,9010⁵] =

= 1,98[0,6910⁶ + 2,910⁵] = 1,98  0,9810⁶ = 1,9410⁶ Дж = 6,98 кВтч.
Удельная объемная энергоемкость
W_min/V_в = 1,9410⁶/(2,510^–4) = 7,710⁹ Дж/м³.

Удаляемое вещество приобретает и дополнительную энергию, например, при дроблении материала возможны его нагрев, ускорение, деформация, а при съеме в расплавленном состоянии капли вещества перегреваются, ускоряются и закручи- ваются. Наибольший вклад в энергоемкость вносит нагрев. Часть энергии может затрачиваться и на ненужные процессы в самой детали, например нагрев или де- формацию, а также в частях оборудования.
32 ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ

7. 
   ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ
   

В ЭФЭХПО основные воздействия на заготовку созданы с помощью электромагнитных явлений, порождаемых током, электрическим, магнитным или электромагнитным полем.
ЭФЭХПО — «царство» электромагнетизма. Возможна как неразмерная об-работка, так и размерная. Подавая определенные основные воздействия, размер- ную обработку можно осуществить электрофизико-химическим процессом, причем любыми физико-химическим методом (см. п. 1.4) и геометрическим классом (см. п. 1.5).

ЭФЭХПО, в которых «задействованы» почти вся физика, много химии и много- много математики, разделены на три группы.

1. 
   Электрофизические, основанные на явлениях, протекание которых опреде- ляется физическими свойствами вещества, например электро- или теплопроводно- стью, оптическими величинами.
   

К процессам съема относятся электроэрозионная (см. п. 2.3), ультразвуковаяабразивная (см. п. 4.4), лазерная (см. п. 6.5) и электронно-лучевая (см. п. 6.7) об- работка. Применяют процессы формоизменения — электрогидравлическое(см. п. 7.2) и магнитно-импульсное(см. п. 7.8) штампование. Соединение обеспечи- вают лазерной(см. п. 8.6) или электронно-лучевой(см. п. 8.7) сваркой.

2. 
   Электрохимические, основанные на явлениях переноса электриче- ского заряда через границу раздела сред с ионной проводимостью.
   

Протекание этих процессов определяется индивидуальными свойствами ве- ществ. Формообразование съемом происходит при размерной электрохимическойобработке (см. гл. 3), которая относится к совмещенному методу: атомы веще- ства заготовки преобразуются в ионы, вступающие в химические связи с ионами рабочей среды.

3. 
   Комбинированные, принцип работы которых основан на сочетании механических, электрофизических и электрохимических воздействий.
   

К этим процессам относятся, например, абразивно-электроэрозионное шлифо-вание(см. п. 5.4), электроэрозионно-электрохимическая(см. п. 5.2) и анодно-механическая (см. п. 5.5) обработка. В некоторых случаях наблюдается синерги- ческий эффект — более высокая обрабатываемость при определенном сочетании нескольких воздействий. Комбинированные процессы стали основой многоопера- ционной электротехнологии. Прежде сложное преобразование заготовки в деталь заменяется обработкой на многоцелевом оборудовании с соответствующими воздей- ствиями на заготовку.

К ЭФЭХПО традиционно не относят «древние» процессы электросварочной тех- нологии, гальванопластики и гальваностегии (см. п. 9.5).

ЭФЭХПО выполняют примерно 2% от всех работ с материалами. На первый взгляд их вклад невелик, но в основном он касается инструментального обеспече- ния и важнейших задач, которые не могут быть решены иначе.

1.8. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ 33

Достоинства ЭФЭХПО: независимость обрабатываемости от механиче- ских свойств материалов — твердости и вязкости; широкие геометрические воз- можности изготовления деталей; незначительное механическое воздействие на заготовку, возможность получения деталей без дефектного слоя; совмещаемость с контролем; сочетаемость с другими воздействиями на заготовку; применимость в гибких, безлюдных, малоотходных производствах.
Недостатки данных процессов: повышенная энергоемкость; сложность техно- логического оборудования и необходимость его отдельного размещения; специфи- ческое состояние продуктов обработки; малодоступность надежного информацион- ного обеспечения; высокая наукоемкость, потребность в квалифицированных спе- циалистах; особые меры обеспечения безопасности, охраны окружающей среды, организации технологического процесса.

ЭФЭХПО получают детали из твердых, вязких или хрупких материалов или детали из обычных материалов, но сложной формы, тонкостенные, с труднодо- ступными местами. Эти процессы участвуют в создании огромных «изделий» — авианосцев, самолетов, ускорителей, антенн, а также изделий с приставкой

«нано».

Как видно, переплелись «жизненные пути» ЭФЭХПОи нанотехнологии. С одной стороны, с помощью ЭФЭХПО изготовляют нанооборудование и нанопро- дукцию. А с другой — материалы, содержащие наночастицы, обрабатывают этими же процессами.

ЭФЭХПО освоены также при восстановлении и ремонте деталей, заготовок, ин- струментов, утилизации тех из них, которые уже не «оживить». ЭФЭХПО легко согласуются с цифровыми средствами управления и отображения информации —

«братьями по крови», т. е. также электромагнитными.

ЭФЭХПОзавоевали свое место в современных технологических системах, их внедрение повышает уровень технологии предприятия. Многие из них «прошли» через жесткие требования со стороны экономики, техники безопасности, охраны окружающей среды, сбережения материалов и энергии.

Эти процессы удачно вписываются в новый технологический уклад, который уже давно «стучится в двери» нашей цивилизации. Этот уклад основан на роботиза- ции, сетевой информатизации, миниатюризации продукции, разукрупнении пред- приятий, индивидуализации потребления и др.

Задача 1.7. Оценка действительной энергоемкости процесса.

При размерной электрохимической обработке (см. п. 3.3) энергия постоян- ного тока потребляется от электронного выпрямителя, на выходе которого напря- жение U_{э. х} = 15 В и ток I_{э. х} = 1000 А. Выпрямитель включен в трехфазную про- мышленную сеть с линейным напряжением U_с = 660 В, работает при линейном токе I_с = 18,5 А и коэффициенте мощности cos = 0,8.

Определить мощность потребления энергии процессом P_{э. х} и мощность, потре- бляемую станком от сети P_ст, КПД выпрямителя . Подсчитать энергию W_ст, потре- бленную от сети, если станок работал в течение T_раб = 1 ч. Оценить удельную массо- вую энергоемкость обработки, пренебрегая прочими затратами энергии, если за это время с заготовок был удален металл массой m_з = 0,7 кг.

Мощность самого процесса — это мощность постоянного тока:

P_{э. х} = U_{э. х}I_{э. х} = 151000 = 15 000 Вт = 15 кВт.
34 ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ

Входная мощность выпрямителя (станка) — это активная мощность трехфазно- го тока сети:

P_ст  3U_с I_с cos  1,73660 18,5 0,8  16 900  16,9 кВт.

КПД выпрямителя:
 = P_{э. х}/P_ст = 15 000/16 900  0,89.

Энергия, потребленная станком за время работы T_раб = 1 ч:

W_ст = T_рабP_ст = 116,9  16,9 кВтч.

Действительная удельная массовая энергоемкость:

W_уд = W_ст/m_з = 16,9/0,7  24,1 кВтч/кг.

Освоение ЭФЭХПОвыявило общее во всех процессах обработки.

Любой из них, в котором применен инструмент, характеризуется кинематиче-скойсхемой, показывающей поступательные, вращательные и колебательные пе- ремещения инструмента и заготовки. Подобными схемами описывают и потоковые процессы (см. п. 6.1).

На точность обработки влияет ряд одинаковых «общестаночных» причин, в том числе погрешности установки инструмента и заготовки, вибрации, изменения раз- меров заготовок и деталей станка вследствие деформаций, нагрева и др.

Стало явным и отличие ЭФЭХПОот традиционных процессов.

Например, обрабатываемость ЭФЭХПОопределяется не механическими свой- ствами инструмента, а более общими характеристиками воздействий, в том числе плотностью потока энергии. Если при резании плотность потока энергии состав- ляет 10⁶–10⁹ Вт/м², то при ЭФЭХПОона достигает 10¹² Вт/м².

Целевые воздействия на заготовку создают организацией взаимосвязанных подпроцессов, обеспечивающих: подачу воздействий на заготовку, преобразо- вание материала в нужное состояние, выведение и подвод участников такого преобразования, отвод теплоты. Эта организация описывается принципом дей- ствия, показывающим, как физико-химический метод и геометрический класс обеспечивают достижение поставленной цели. «Беспринципных» процессов не бывает!

Оборудование должно содержать контрольно-измерительные средства, не та- кие, как в традиционном.
Технологичностьдетали по отношению к ЭФЭХПОопределяется сово- купностью ее особых свойств, не всегда только механических.
Ряд ЭФЭХПО отличается сложной структурой. Показатели процесса зависят от большого числа величин, задающих условия и режим обработки. Некоторые про- цессы относят к наукоемким технологиям, для освоения которых нужны глубокие знания протекающих явлений.

Эти знания заложены в моделях процессов, составляющих основу информаци- онного обеспечения производства.

Познавательные модели строят на основе естественнонаучных законов физи- ки, химии, математики. Так описывают сравнительно «чистые» процессы для иде- альных условий. Подобные модели полезны для оценки возможностей ЭФЭХПО,

8. 
   ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ 35
   

но не пригодны для решения технологических задач в неопределенных условиях обработки.

ЭФЭХПО протекают при сильных воздействиях на материалы, когда состояние вещества далеко от равновесного. Поэтому зависимости одних величин от других и точные модели процессов, как правило, нелинейные. Их трудно рассчитать теоре- тически.

Технологические модели задают связь «выход — вход», т. е. зависимости конеч- ных и интегральных показателей p₁, ..., p_K от величин s₁, ..., s_N, описывающих усло- вия и установившийся режим обработки.

Например, зависимость некоторого k-го показателя p_k от этих величин обозначе- на p_k = p_k(s₁, ..., s_N). Малое изменение этого показателя определяется первыми про- изводными этой функции и приращениями величин s₁, ..., s_N:

_ ^N p_k

p_k  _{ s}

s_n.

(1.4)

₁ n

Эти зависимости полезны, если приращения всех величин малы, а показатель p_k определяется для неизменной точки пространства. Все производные постоян- ные, и можно найти, как надо изменять величины s₁, ..., s_N, чтобы в партии деталей

p_k = 0.

Подобные модели задают математические связи между величинами в общем

виде или только для определенных условий и режимов. Важно знать, как изменяет- ся показатель, например p_k, с ростом некоторой величины s_n (рис. 1.9): увеличивает-

ся (1), уменьшается (2), не изменяется (3), достигает

максимума (4) или минимума (5).

Такие зависимости следуют из «словесной» кар- тины процесса, построенной с применением теории нечетких множеств. При работе с оборудованием вид подобных зависимостей надо держать «в голо- ве».

В качестве технологических моделей широко освоены регрессионные зависимости, определенные на «живом процессе» с помощью теории планирова- ния эксперимента. Когда величины s₁, ..., s_N мало

Рис. 1.9

Виды простейших зависимостей p_k(s_n)

изменяются, то пригодны линейные зависимости.

При более широких пределах изменения показатель представляют произведением величин s₁, ..., s_N в со- ответствующих степенях.

Один из показателей p_k — погрешность детали, обычно определяемая большим числом величин s₁, ..., s_N. Чтобы повысить точность при изготовлении партии де- талей, надо среди всех составляющих погрешности, порожденных разными причи- нами, найти постоянные систематические, закономерно изменяемые и случайные. Если стабилизировать процесс, то можно получить партию одинаковых деталей-

«близнецов».

Для очень сложных процессов качественные зависимости находят, применяя правила теории размерностей.

По технологическим моделям разрабатывают алгоритмы и программы управле- ния жизнью изделия, в том числе и при производстве ее деталей. Эти модели необ- ходимы при выборе процесса обработки и оборудования, подготовке и управлении
36 ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ

процессом, его оптимизации, совершенствовании, при диагностировании устано- вок и т. п.

Основные ЭФЭХПО и оборудование успешно завершили «оцифровывание», со- держат самые современные устройства.

Оборудование для ЭФЭХПОнередко работает при высокочастотном или им- пульсном токе и потому становится источником электромагнитных помех (см. п. П.5). Важна электромагнитная совместимость электрических и электрон- ных устройств, которые не должны создавать взаимных помех. Управляющие элек- тронные устройства могут «повредиться в рассудке» от сильных помех. Требуется соблюдать правила безопасности, отличающиеся от тех, которые выполняют на традиционном оборудовании.