Исследование процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента

УДК 621.9.044

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА

, ,

Разработана математическая модель для расчета электрических параметров электрохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента. Выполнено моделирование процесса анодного растворения материала образца. По результатам анализа полученных данных даны рекомендации по выбору рациональных параметров электрохимической обработки.

Ключевые слова: импульсный плазменный канал, электрохимическая обработка плазменный катод-инструмент.

Введение. Развитие машиностроения напрямую связано с постоянным ростом производительности и повышением качества обработки деталей. Технологические проблемы, связанные с обработкой новых материалов и сплавов, повышение точности и надежности трудно решить известными механическими методами. В этих условиях, когда возможности традиционных инструментов ограничены плохой обрабатываемостью материала изделия, сложностью формы обрабатываемой поверхности или обработка принципиально невозможна, целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки, в которых используются нетвердотельные инструменты. К таким методам относятся лазерная, плазменная, электронно-лучевая обработка.

В работе [1] было предложено использовать в качестве нетвердотельного катода-инструмента в электрохимической обработке импульсный плазменный канал, полученный вследствие пробоя воздуха мощным лазерным излучением наносекундной длительности.

Как известно при превышении определенного порога интенсивности лазерного излучения в среде происходит оптический пробой и на фокальном отрезке аксикона или в перетяжке каустики сферической линзы образуется протяженный плазменный канал. На начальном этапе формирования плазменный канал имеет размеры лазерного луча с протяженностью порядка длины фокального отрезка аксикона или перетяжки каустики сферической линзы. В начальный период времени удельная электропроводность канала может достигать величин порядка 106 (Ом*м)-1 [1]. Это величина сравнима с удельной электропроводностью графита [2].

Исходя из этого, была предложена схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента (рис1).Согласно технологической схеме обработки плазменный катод-инструмент 3 формируется в результате оптического пробоя среды лазерным излучением 4, сфокусированным линзой 5. Сформированный плазменный катод-инструмент 3 находится рабочей частью в электролите 2. Подведение электрической энергии к плазменному катоду-инструменту 3 осуществляется путем его касания токоподводом 6 в зоне, находящейся вне электролита 2. Таким образом, между плазменным катодом-инструментом и анодом-заготовкой создается разность потенциалов, необходимая для протекания процесса анодного растворения.

Рис. 1. Схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента: 1 – анод-заготовка; 2 – электролит; 3 – плазменный катод-инструмент; 4 – лазерное излучение; 5 – фокусирующая линза; 6 – токоподвод;

Учитывая вышеописанное, предполагается, что в зоне обработки имеет место сложный процесс энергетического воздействия на обрабатываемый материал. Поэтому необходимо произвести моделирование анодного растворение материала заготовки с применением плазменного катода-инструмента. По результатам моделирования определить поле скоростей анодного растворения и эволюцию обрабатываемой поверхности в результате обработки.

Теоретическое моделирование процесса анодного растворения с использованием плазменного катода-инструмента.

При моделировании принимались следующие допущения:

1.  Вследствие малого размера нагретых зон электролита и парогазовых оболочек вокруг плазменного катода-инструмента в определенные промежутки времени, температурный фактор в расчетах не учитывался.

2.  Выделяющееся в результате протекания электрического тока в электролите джоулево тепло в расчетах не учитывалось ввиду его пренебрежимо малой величины.

3.  Принималось, что обработка производится в неподвижном электролите, так как движение электролита обеспечивает замену его пренебрежимо малого объема в МЭП за период существования плазменного катода-инструмента.

Расчетная схема для моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема для моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента: 1 – плазменный катод-инструмент; 2 – анод-заготовка; 3 – электролит; s0 – начальный межэлектродный зазор; Lk – общая длина плазменного катода-инструмента; Ly – длина расчетной области; Lx – ширина

расчетной области; dk(t) – диаметр плазменного катода-инструмента во времени; Vk – подача плазменного катода-инструмента в процессе обработки; I(t) – сила тока в цепи технологической ячейки в процессе обработки

Величина начального межэлектродного зазора s0 равна расстоянию от оптической оси лазерного излучения до поверхности анода-заготовки.

Исходя из принятой расчетной схемы и учитывая принятые в модели допущения, модель технологической ячейки может быть представлена в виде эквивалентной электрической схемы, изображенной на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема технологической ячейки

для электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента: Rk – сопротивление участка плазменного катода-инструмента, находящегося вне зоны обработки; Rk1, Rkn – сопротивления участков плазменного катода-инструмента в зоне обработки; Rе1, Rеn – сопротивления участков электролита в процессе обработки; I(t) – общий ток в цепи во времени

Полный ток в цепи может быть определен как:

(1)

Продифференцировав выражение (1), получим

Так же, полный ток в цепи может быть найден:

Таким образом, имеется дифференциальное уравнение для распределения потенциала по длине плазменного катода-инструмента:

с граничными условиями:

где φk – электрический потенциал в заданной точке плазменного катода-инструмента, σk – погонная электропроводность плазменного катода-инструмента, σе – погонная электропроводность электролита.

Погонная электропроводность плазменного катода-инструмента может быть определена по формуле:

,

где σk.уд(t) – удельная электропроводность канала плазменного катода-инструмента во времени, dk(t) – диаметр плазменного катода-инструмента во времени.

Погонная электропроводность электролита определяется по формуле:

где χ – удельная электропроводность электролита, φk – потенциал плазменного катода-инструмента.

Распределение потенциала в растворе электролита описывается трехмерным уравнением Лапласа, с граничными условиями:

на аноде

на катоде

на остальных поверхностях

Плотность тока на аноде определяется как:

Скорость съема материала определяется по формуле:

где η – выход по току, ε0 – электрохимический эквивалент, ρ – плотность.

Уравнение эволюции поверхности записывается в виде [3]:

Для моделирования эволюции анодной поверхности в результате обработки необходимо решить следующую систему уравнений:

, ;

, , ;

,

где

При моделировании были приняты следующие значения постоянных величин:

·  начальный межэлектродный зазор s0 = 1,0 мм;

·  общая длина плазменного катода-инструмента Lk = 10 мм;

·  длина расчетной области Ly = 8,0 мм;

·  ширина расчетной области анодного растворения Lx = 3,0 мм;

·  подача плазменного катода-инструмента по отношению к поверхности анода-заготовки Vk = 0,01 мм/мин;

·  напряжение U = 150 В;

В результате моделирования получены данные о распределении потенциала по длине плазменного катода-инструмента, изменении силы тока в цепи технологической ячейки во время обработки, эволюции анодной поверхности в результате обработки.

Анализ зависимостей изменения электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента в различные промежутки времени (рис. 4) показывает существенное падение электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента, находящейся вне зоны обработки. Наименьшее падение напряжения на катоде-интсрументе наблюдается в начальный период его формирования (t ≤ 1,0 мкс), что связано с наличием высоких проводящих свойств плазмы в этот промежуток времени.

Рис. 4. Изменение электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента во временном интервале t = 1…5 мкс: 1 – 1 мкс; 2 – 2 мкс; 3 – 3 мкс; 4 – 4 мкс; 5 – 5 мкс

На рис. 5 представлены кривая тока в процессе обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Рис. 5. Изменение силы тока в цепи за время существования плазменного катода-интсрумента.

Анализ данной кривой показывает, что наибольшая величина тока наблюдается во временном интервале t = 8,0…12,0 мкс. Это объясняется тем, что в данный промежуток времени плазменный электрод-инструмент обладает наименьшим электрическим сопротивлением, поскольку в этом временном интервале он имеет наибольший диаметр, а анодное растворение осуществляется на минимальном межэлектродном зазоре.

Результаты изменения силы тока в цепи хорошо согласуются с экспериментальными данными [4].

Полученные данные по эволюции анодной поверхности в процессе обработки указывают на неравномерность съема материала по ширине анода-заготовки вследствие падения потенциала по длине плазменного катода-инструмента. По данным рис. 6 полученный геометрический элемент на анодной поверхности имеет различную глубину (от 0,5 мм при Lx = 0 мм до 0,35 мм при Lx = 3,0 мм). Компенсировать различную скорость анодного растворения по ширине анода-заготовки можно путем установки токоподводов в нескольких точках по длине плазменного катода-инструмента.

Рис.6. Изображение анодной поверхности при времени обработки tобр = 20 мин (вид по направлению оси y)

Анализ кривых тока в цепи и анодных плотностей тока показывает, что для минимизации электрических потерь целесообразно использование импульсного напряжения с подачей импульса во временном интервале t = 5,0…15,0 мкс. Это позволяет наиболее рационально использовать электрическую энергию для осуществления процесса анодного растворения, минимизировать потери электрической энергии вследствие падения электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента, получить наиболее равномерное распределение плотности тока по поверхности анода-заготовки и, как следствие, достичь более высокой точности обработки и производительности процесса.

Вывод. Произведено моделирование процесса анодного растворения материала образца. Установлено, что в процессе обработки происходит значительное падение потенциала по длине плазменного катода-инструмента, что отражается на распределении плотности тока по поверхности образца и геометрии поверхности, полученной в результате обработки.

Для компенсации падения потенциала по длине плазменного катода-инструмента предложено подведение электрической энергии в разных точках. Для минимизации электрических потерь целесообразно использование импульсного напряжения с подачей импульса во временном интервале t = 5,0…15,0 мкс.

Список литературы

1.  В.,  А. Микроформообразование нетвердотельными инструментами // Современная электротехнология в промышленности центра России: труды XI региональной научно-технической конференции. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 3 – 10.

2. Марин и структура оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках: дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 20с.

3. Давыдов -электрохимическая обработка металлов // Электрохимия. 1994. Т. 30. №8. С. 965-976.

4. , Грачев обработка стали 12х18н10т с применением нетвердотельного катода // Известия Тульского государственного университета. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вып. 3. С. 483 – 491.

Виктор Васильевич Любимов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, *****@, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Олег Евгеньевич Грачев, канд. техн. наук, *****@***ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Денис Владимирович Козырь, аспирант, Kozyr. *****@***ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

INVESTIGATION OF electrophysical and electrochemical machining with plasma cathode-TOOL

V.V. Lubimov, O.E. Grachev, D.V. Kozyr

A mathematical model to simulate electric parameters of electrochemical machining with plasma cathode-tool was designed. A modeling of the anodic dissolution of the sample material was performed. According to the results of analysis recommendations to choose efficient production performances of electrochemical machining were given.

Key words: pulsed plasma channel, electrochemical machining, plasma cathode-tool.

Victor Vasilevich Lubimov, doctor of technical science, professor, manager of department, *****@, Russia, Tula, Tula State University,

Oleg Evgenevich Grachev, candidate of technical science, *****@***ru, Russia, Tula, Tula State University,

Denis Vladimirovich Kozyr, postgraduate student, Kozyr. *****@***ru, Russia, Tula, Tula State University.