Рис.13.3. Изменение положения ударной волны (кривые 1) и границы
газовой полости (кривые 2) при разряде в жидкости,
вызванном пробоем (
а
) и взрывом проводника (
б
)
Из-за потерь энергии в соединительных проводах и элементах накопителя, в канале разряда и в газовой полости только незначительная часть накопленной энергии подводится при пробое промежутка или взрыве проволочки к объекту обработки. Однако при разряде в жидкости достигаются высокие концентрации энергии и скорости обработки, что и определяет области применения электрогидравлических установок. Это прежде всего высокоскоростное деформирование металлов, разрушение и дробление хрупких материалов, очистка металлических деталей от формовочных смесей, окалины, эхолокация водоемов и т.п.
13.2.2.Технологические применения разряда в жидкости
Как уже отмечалось, технологии с применением электрического разряда в жидкости относятся к высокоскоростным. Этим и определяется их преимущество.
Можно назвать ряд технологических процессов, которые либо нашли применение, либо перспективны. Среди них отметим следующие:
откачка воздуха заготовка матрица вода электродная система
а)
б)
в)
г)
Рис. 13.4. Типичные электрогидравлические технологические процессы: а) штамповка;
б) дробление хрупких материалов (щебень, гранит и т.д.);
в) разрушение некондиционных железобетонных изделий;
г) разрушение камней в почках человека
•
Штамповка деталей из труднодеформируемых материалов или сложной конфигурции. Штамповка осуществляется в устройстве, схематично показанном на рис. 13.4,
а. Листовая заготовка вместе с матрицей помещается в бак с водой. Над заготовкой размещается электродная система. В результате разряда в жидкости механическое воздействие ударной волны и потоков жидкости на заготовку приводит к ее деформации. Перемещаясь при каждом разряде к матрице на некоторое расстояние, в конце обработки заготовка принимает форму матрицы. Для того, чтобы в процессе обработки заготовка плотно прилегала к матрице, образуя изделие, воздух из пространства между заготовкой и матрицей откачивается.
Как видно из рисунка, при электрогидравлической штамповке реализуется экономия на оснастке: для приготовления детали требуется только матрица. Пуансон, необходимый при традиционной штамповке отсутствует.
•
Дробление хрупких материалов (строительных материалов, геологических проб, некондиционного бетона, негабаритов и т.д.) (рис. 13.4,
б,
в). При этом порция обрабатываемого материала помещается в сосуд, заполняемый водой. В сосуде имеется один (рис. 13.4,
б) или несколько (рис. 13.4,
в) электродов, с которых развивается разряд на дно камеры или на арматуру разрушаемого железобетона.
После серии разрядов бетон разрушается, извлекаются продукты обработки и цикл повторяется.
•
Очистка литья от формовочной земли. При этом удается проводить очистку в формах сложной формы и существенно улучшить условия труда.
•
Очистка поверхностей от окалины, минеральных отложений и т.д.
•
Разрушение камней в почках человека без хирургического вмешательства, путем концентрации ударных волн в требуемом месте. При этом пациент помещается в ванне в водой (рис. 13.4,
г). Следящая ка правило рентгеновская система обеспечивает излучение разряда в момент, когда разрушаемый камень оказывается в фокусе концентрирующей системы.
Раздробленный камень выводится из организма естественным путем.
•
Активизация нефтяных скважин.
•
Эхолокация водоемов и многие другие.
13.3. Электроэрозионная обработка материалов 13.3.1. Основные сведения Под электроэрозионной обработкой понимают обработку металлов с использованием электрической эрозии, возникающей при организации импульсного разряда между обрабатываемой деталью и специальным электродом- инструментом. Электроэрозионная обработка производится с целью придания детали требуемой формы (размерная обработка), упрочнения поверхности или нанесения на нее защитного покрытия.
Принципиальная схема обработки детали на электроэрозионном станке показана на рис.13.5. При обработке используется собственно станок 1 с рабочей ванной 2, в которой находится стол 3 для установки электрода-изделия 4 с перемещением по двум координатам; 5
− регулятор подачи электрода-инструмента; 6 − источник питания − генератор импульсов; 7
− система снабжения рабочей жидкостью, состоящая из насосов, фильтров, бака и т.п.; 8 − электрод- инструмент.
1 5
8 2
6 4
3 7
Рис.13.5. Электроэрозионный станок со вспомогательными устройствами энергопитания и снабжения рабочей жидкостью Источник питания 6 преобразует переменный ток промышленной частоты в импульсный с регулируемыми частотой следования импульсов от сотен до сотен тысяч герц, амплитудой от долей до тысяч ампер, скважностью от 1,01 до 5
÷10, длительностью импульса от долей до нескольких тысяч микросекунд. Изменением указанных параметров устанавливается технологический режим обработки.
Регулятор 5 подачи осуществляет автоматическое изменение положения одного из электродов с целью поддержания заданного межэлектродного зазора, изменяющегося благодаря эрозии материала электродов.
Система снабжения 7 служит для
урегулирования расхода и очистки рабочей жидкости, подаваемой с целью облегчения удаления продуктов процесса и охлаждения непосредственно в межэлектродный промежуток (рабочую зону) и в ванну 2 станка.
Различают два вида электроэрозионной обработки: электроискровую и электроимпульсную.
Электроискровая обработка производится короткими импульсами тока (менее 100 мкс). Условно такие разряды называют искровыми, из чего следует и название обработки.
Электроимпульсная обработка характеризуется более длительными импульсами тока (более 100 мкс), при которых разряд по своим характеристикам приближается к дуговому: с характерными зонами и столбом канала, для которого характерны малые градиенты напряжения.
Принцип реализации электроэрозионной обработки основан на тепловом действии канала разряда на обрабатываемую деталь. В канале разряда, включая приэлектродную зону, за короткое время выделяется энергия, нагревая газовую среду канала (в основном пары металла) до температуры в несколько тысяч градусов. За счет теплопроводности из зоны разряда формируется тепловой поток, который быстро нагревает непосредственно примыкающий к месту разряда металл заготовки, плавит и частично испаряет некоторое количество металла, образуя эрозионную лунку. Для организации разряда с нужными параметрами и эвакуации продуктов эрозии (пара и частиц расплавленного металла) разряд производится в технологической жидкости (керосин, масло, вода).
На рис.13.6 показаны открытая (
а) и закрытая (
б) рабочие зоны электроэрозионного станка.
1 3
5 4
8 6
7 2
1 5
3 6
7 2
8
а)
б)
Рис.13.6. Схема открытой (а) и закрытой (б) рабочей зоны при единичном разряде: 1
−
анод; 2
−
катод; 3
−
канал разряда; 4
−
рабочая среда; 5
−
газовый пузырь;
6
−
пузырьки пара или газа; 7
−
твердые частицы; 8
−
продукты пиролиза
Напряжение источника питания электроэрозионных установок составляет обычно несколько десятков вольт (в некоторых случаях
− сотни вольт), поэтому расстояние между обрабатываемой деталью 2 и электродом-инструментом 1 составляет микроны. Электрод-инструмент выполняется подвижным. Разряды возникают в тех местах, где расстояние между электродом и деталью минимально. Образовавшаяся лунка приводит к увеличению расстояния, и разряд при следующем импульсе происходит в другом месте. Таким образом, постепенно обрабатывается вся поверхность между электродом и деталью, электрод 1 медленно вводится в отверстие, образующееся в детали 2. Продукты эрозии 7 (мелкие затвердевшие частицы материала, как детали, так и электрода), продукты пиролиза 8 выносятся жидкостью 4 из отверстия.
Главными преимуществами электроэрозионной обработки являются возможность обработки металлов с любой прочностью, включая высокопрочные сплавы, а также возможность изготовления отверстий, линий разреза сложной конфигурации. Например, используя электрод в форме спирали, возможно изготовить отверстие повторяющее форму электрода в заготовке, обладающей любой прочностью. Никакими другими технологическими приемами аналогичную операцию выполнить невозможно.
Важной особенностью электроэрозионной обработки является простота регулирования выделяемой в разряде энергии путем изменения емкости источника питания. Тем самым обеспечивается желаемый режим: грубый
(обдирочный) или более мягкий, с более гладкой поверхностью обрабатываемой детали (финишные режимы).
Электроэрозионная обработка как технологический процесс впервые была изобретена в СССР в 1943 г.
Изобретателями этого вида обработки являются Б.Р. и Н.И. Лазаренко. Приоритет СССР был признан в 1946 г. во
Франции, Англии, США, Швеции, Швейцарии, что последовало после постановления Совнаркома СССР в 1945 г. о патентовании за рубежом этого изобретения (были такие порядки!).
В течение десятилетий ведущие организации СССР (АН Молдовы, Кишинев; ЭНИМС, Москва и др.)
занимали передовые позиции, как в области разработки технологии, изучении процессов, так и по производству серийного оборудования, электроэрозионных станков, машин. В основном для отражения проблем электроэрозионной обработки был основан издающийся в Кишиневе академический журнал “Электронная обработка материалов”.
В настоящее время электроэрозионная технология широко распространена. Без электроэрозионных станков невозможно современное производство многих приборов, инструмента, изделий из твердых сплавов, фильер, матриц, пуансонов и многого другого.
13.3.2. Физические основы электроэрозионной обработки металлов Не вдаваясь в подробности электрического пробоя коротких промежутков в жидкости и динамики перехода к искровой или дуговой формам разряда, можно представить следующую картину разряда
(рис.13.7).
Между катодом 1 и анодом 2 в течение некоторого времени, равного длительности импульса тока существует канал разряда. При этом в нем выделяются зоны прианодного 3 и прикатодного 5 падений напряжений, а также пламенный столб 4.
В прикатодной области протяженностью порядка 10
−5
÷10
−4
см создается высокая напряженность электрического поля, достаточная для термоавтоэлектронной эмиссии из катода. Она равна 10 6
В/см. В прикатодной области электроны на 2
−3 длинах свободного пробега должны набрать энергию, достаточную для ударной ионизации молекул газа (пара) на границе плазменного столба, где необходимая концентрация носителей заряда для обеспечения тока поддерживается термической ионизацией.
В прикатодной области ток в основном сосредоточен в катодных пятнах (ток на одно пятно 1
−5 А), беспорядочно двигающихся по опорной зоне на катоде. Поперечные размеры опорной зоны зависят от тока: при большом токе опорная зона разряда велика, с уменьшением тока она сужается.
На поверхность катода воздействует поток положительных ионов, излучение. Поступает энергия и за счет теплопроводности из канала разряда. Прикатодное падение напряжения
Uк зависит от материала катода, и для большинства металлов оно составляет 15
÷20 В. Примерно половина мощности, равной
Uк
i, всеми механизмами передачи энергии
(бомбардировка ионами, теплопроводностью и т.д.), поступает в виде теплового потока
qк на поверхность катода в опорной зоне канала разряда
qа
Прианодная область также состоит из анодных пятен. В ней падение напряжения составляет 3
÷5 В. Анод подвергается бомбардировке злектронами и отрицательными ионами, а также воздействию теплового потока.
Сопоставляя тепловые потоки на анод и катод, можно отметить, что при коротких импульсах поток на катод выше, и эрозия катода более существенна, чем анода. Поэтому электроискровая обработка обычно проводится при отрицательной полярности обрабатываемой детали. При больших длительностях соотношение обратное, и при электроимпульсной обработке деталь имеет, как правило, положительную полярность.
Тепловая мощность, подводимая к электродам из канала, составляет 10 3
÷10 4
Вт, что при малых размерах опорной зоны дает плотность теплового потока 10 9
÷10 10
Вт/м
2
При воздействии такого мощного теплового потока тепловые процессы на электроде следующие (рис.13.8).
- твердый металл
-расплавленный металл
- испаренный металл
t- примерный профиль эрозионной лунки.
Рис.13.8. Развитие тепловых процессов во времени при электроэрозионной обработке материалов 2 3
4 5
1
qK
qA
Рис.13.7. Разряд между электродами 1 и 2 Энергия, поступающая в электрод, нагревает материал. Поскольку тепловые процессы инерционны, то за счет теплопроводности сравнительно медленно повышается температура на некоторой глубине от поверхности материала.
Если проследить во времени динамику повышения температуры по глубине электрода, то можно установить следующие закономерности.
В начале процесса нагревается по мере поступления энергии поверхностный тонкий слой. Температура его повышается, достигая температуры плавления; начинается фазовый переход, требующий сравнительно блдьшей энергии.
Граница между твердым и жидким металлом удаляется от поверхности электрода.
Так как тепло поступает с поверхности и к границе плавления транслируется через жидкий металл, то жидкий металл нагревается вплоть до температуры испарения. С поверхности жидкого металла начинается испарение, и верхняя граница жидкого металла также смещается вглубь электрода.
Следует отметить, что такая
картина тепловых процессов довольно условна, она близка к наблюдаемым при сравнительно медленных процессах (при электроимпульсной обработке). При быстрых процессах наблюдаются перегревы как твердой, так и жидкой фаз. Чем короче процесс, тем большая роль испарения в эрозии материала.
После окончания импульса тока (прекращения действия теплового потока) процесс продвижения границ плавления и испарения может некоторое время продолжаться за счет тепловой энергии, содержащейся в жидкой фазе, которая может иметь температуру, большую температуры плавления (а поверхностные слои
− большую, чем температура кипения).
Как уже отмечалось, электроэрозионная обработка проводится в жидкой среде. Возникновение канала разряда и его существование вызывает разложение и испарение среды, сопровождающееся механическими эффектами, в частности, движением массы жидкости, окружающей возникший газовый пузырь.
Обычно газовый пузырь, образованный при разряде, совершает пульсирующие движения, пока полностью не захлопнется.
Потоки жидкости, а также взрывное расширение нагретого материала приводит к тому, что большая часть расплавленного металла выбрасывается в окружающую жидкость в виде мелких по форме близких к сферическим частицам. Естественно, часть расплавленного металла кристаллизуется. В результате на электроде образуется лунка с валообразным наростом по краям за счет кристаллизации и с плоским дном. На дне имеется некоторый слой перекристаллизованного материала, который по своей структуре отличается от исходного материала. На этом эффекте основан такой вид электроэрозионной обработки, как упрочнение поверхности.
13.4. Магнитно-импульсная обработка материалов 13.4.1. Основные сведения Магнитно-импульсная обработка материалов основана на использовании электродинамических сил, которые в импульсных режимах могут достигать гигантских значений. Если давления, создаваемые электродинамическими силами, превышают предел прочности, то происходит деформация заготовки Этот процесс часто называют магнитной штамповкой.
При магнитно-импульсной обработке происходит преобразование электрической энергии, накопленной в конденсаторной батарее, при разряде на индуктор или непосредственно на заготовку в
энергию импульсного магнитного поля, совершающего работу деформирования электропроводной заготовки.
Известно, что на единицу длины проводника с током
I, помещенном в магнитное поле с напряженностью
Н, действует сила
[
]
HIF×
=
0
µµ
, (13.1) где
µ
0
= 4
⋅10
−7
Гн/м
− магнитная постоянная;
µ − магнитная проницаемость окружающей среды.
Магнитное поле, воздействующее на проводник с током, может быть создано током, протекающим в другом проводнике. Величина напряженности магнитного поля в пространстве вокруг проводника с током может быть определена из закона полного тока
∫
∑
=
lIHdl, (13.2) где
l − контур интегрирования.
На расстоянии
r от уединенного проводника
rIHπ
2
=
, (13.3)
В случае бесконечно тонких прямых проводников, расположенных на расстоянии
∆
r друг от друга, электродинамическая сила, действующая на единицу длины проводников,
rIIF∆
=
π
µµ
2 2
1 0
. (13.4)
Направление силы зависит от направления токов
I1
и
I2 в проводниках: при одинаково направленных токах проводники притягиваются друг к другу, при противоположно направленных
− отталкиваются.
Для двух бесконечно тонких шин шириной
a, расположенных на небольшом расстоянии (
∆
r<<
a) друг от друга, напряженность магнитного поля в объеме между шинами без учета краевых эффектов равна
aIH=
. (13.5)
Давление магнитного поля на шины численно равно удельной плотности энергии поля
2 2
0
Hpµµ
=
. (13.6)
Если толщина шин имеет конечную величину, то из-за эффекта близости и поверхностного эффекта ток по сечению шин распределяется неравномерно.
Поэтому при расчете распределения силы или давления по толщине обрабатываемой заготовки и для определения индуктивности системы следует использовать не геометрическое расстояние
∆
r, а некоторое эквивалентное расстояние
∆
+
∆
=
∆
2
экв
r, (13.7) где
(
)
ω
µµ
ρ
0 2
=
∆
− глубина проникновения электромагнитного поля в материал шин;
ρ − удельное электрическое сопротивление материала шин;
ω − круговая частота тока.
Известно, что в проводящем теле, расположенном вблизи проводника с переменным током, возникают вихревые токи. Взаимодействие тока в проводнике с наведенным в теле (заготовке) током сопровождается появлением отталкивающей силы
dxdLIF2 2
1
=
, (13.8) где
dL/
dx − изменение индуктивности системы проводник-заготовка в направлении
х, перпендикулярном поверхности проводника.
Среднее давление на проводник и заготовку равно силе
F, деленной на площадь проводника
S.
Величина давления на заготовку толщиной
δ может быть определена по формуле (13.6), если электромагнитное поле не проникает сквозь заготовку (
∆<<
δ). В случае проникновения поля (∆≈δ) давление определяется разностью удельных плотностей энергии на поверхностях заготовки.
2 2
2 2
1 0
HHp−
=
µµ
. (13.9)
Скачать 1.77 Mb.