Особенности гидродинамических процессов в межэлектродном зазоре при электрохимической обработке с импульсным током и вибрацией электродов-инструментов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МАШИНОСТРОЕНИЕ^ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.9. 047
В. Э. ГАЛИЕВ, Г. И. ФАРВАЗОВА
ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ЗАЗОРЕ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ С ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ И ВИБРАЦИЕЙ
ЭЛЕКТРОДОВ-ИНСТРУМЕНТОВ
Теоретически изучены гидродинамические процессы в межэлектродном зазоре (МЭЗ) при импульсной электрохимической обработке (ЭХО) с вибрацией электрода-инструмента (ЭИ) на малых зазорах. Рассмотрены две схемы обработки: круглым ЭИ с центральной прокачкой электролита и прямоугольным ЭИ (близко к форме лопатки газотурбинного двигателя (ГТД)), с боковой прокачкой электролита. На примере лопаток изделий 117 и ВК-2500 продемонстрированы современное состояние и перспективы развития технологии импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ. Электрохимическая обработка- импульсный ток- вибрация электродов-инструментов- двусторонняя обработка- межэлектродный зазор
Применение ЭХО позволило решить многие конструкторские и технологические задачи в авиастроении и других отраслях машиностроения. В настоящее время области применения размерной ЭХО имеют тенденцию к сужению по ряду причин, в том числе и в связи с проблемой повышения точности и качества поверхности обрабатываемых деталей на фоне ужесточения требований по точности и качеству поверхности и развития альтернативных методов обработки (обработка резанием, электроэрозион-ная обработка, точное литье и штамповка, порошковая металлургия и др.).
Одним из наиболее перспективных направлений повышения точности формообразования и качества обрабатываемой поверхности с площадью до 75.. 100 см² является ЭХО с вибрацией ЭИ и синхронизированной подачей рабочих импульсов тока (рис. 1) [16, 17]. Способы ЭХО с вибрацией ЭИ были изобретены советскими специалистами в 60−70-е годы [1]. Имеются работы, в которых приведено описание процессов электрохимического формообразования с вибрацией ЭИ [2−5]. Рядом отечественных и зарубежных предприятий произведены станки, реализующие различные схемы ЭХО с вибрацией ЭИ [6−13].
Вместе с тем представляют интерес задачи изучения гидродинамических процессов в МЭЗ и определение на этой основе требований к элементам электрохимических станков и технологической оснастки и оптимального соотношения технологических параметров ЭХО для обеспечения необходимых требований по точности и качеству обрабатываемых поверхностей (рис. 2).
/, /7 / ± /т
ч
4 і А
і ?_ '-'- т! п
180 360 540 ф
Рис. 1. Схема траектории движения ЭИ и подачи импульсного тока: I — ток- И — траектория ЭИ, определяемая величиной МЭЗ- А — амплитуда колебаний ЭИ- Итш — минимальный МЭЗ-
Ф — фазовое положение ЭИ
При проектировании технологического процесса (ТП) и оборудования необходима оценка возможности обеспечения требуемого качества деталей при выбранных технологических параметрах и сопоставление возникающих гидродинамических усилий с податливостью станка.
Рис. 2. Технологическая оснастка для обработки лопаток КВД изделия ВК-2500
Контактная информация: (347) 273−76−26
Поэтому была поставлена задача — изучение гидродинамических процессов в МЭЗ, возникающих при вибрации ЭИ на малых зазорах с целью оптимизации параметров прецизионных электрохимических станков и процесса обработки.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим две схемы обработки заготовки: круглым ЭИ с центральной прокачкой электролита (рис. 3) и прямоугольным ЭИ (близко к форме лопатки ГТД) с боковой прокачкой (рис. 4). Пластины вибрируют вдоль оси z. Жидкость поступает в зазор под давлением Р0, а давление на выходе из зазора — Рвых. Зазор h значительно меньше размеров R0 и RM в случае круглого ЭИ и размеров L и B в случае прямоугольного ЭИ.
2. ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ
Для представления задачи в математическом виде произведено упрощение реальных условий протекания электролита в МЭЗ. В данной работе в основу положены уравнения Навье-Стокса и неразрывности со следующими допущениями [14]:
1) электролит является ньютоновской жидкостью-
2) вязкость электролита постоянна-
3) электролит несжимаем-
4) толщина слоя электролита мала по сравнению с другими размерами-
5) скольжение на границе электролит -твердое тело отсутствует-
6) влиянием поверхностного натяжения можно пренебречь.
3. КРУГЛЫЙ ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ
Средняя скорость движения электролита:
— 1 дР 1 h, 1,1 h2 дР
u =----------z (z -h -z =---------, (1)
2ц dr h 0 v r 12ц dr
где ц — динамический коэффициент вязкости электролита- h = A ¦ (1 + cos (со • t- + hmin — траектория движения ЭИ (рис. 1) — dh
dt
скорость
движения ЭИ.
За время Л объем зазора изменится на величину:
Ди = %(г2 — Я02) ЛИ. (2)
Объем электролита под электродом изменяется на величину разности объемов втекающего и вытекающего электролита:
AU = 2п ¦ h¦(R0 ¦u®-ru®)dt. (3)
Рис. 3. Схема процесса ЭХО для круглого ЭИ с центральной прокачкой электролита
Из (2) и (3) после преобразований получаем: 6ц ЛИ г2 (дР 6ц ЛИ
Р=--------------+ 1 R0---------^-R0 I¦lnr + c,
h dt 2 y dr h dt j
используя условия на входе (r = R0, P = P0) и выходе МЭЗ (r = RM, Рвых = 0), в итоге имеем:
р — Зц dh r 2 — R 2)
Р = ЗЦ dh (2 — R 2- P_h dt M P = h3 '-dt'-[r Rm & gt- +
ln R
RM
Продифференцировав данное уравнение и подставив полученное в уравнение (1), получим формулу для расчета скорости потока электролита:
V = -
Рп
1 dh
1
Rq 4h
RM
xR — Rm 2 —
(4)
г ЛИ 2И А
Расход электролита в текущий момент времени:
Q = 2%- г- И (I) • V, (5)
с учетом формулы (4) уравнение (5) приобретает следующий вид:
% И3 Рп % ЛИ
Q = -%¦ r----------------
6 ц ln Rl 2
-------X
RM
x (Rq2 — Rm 2)-1 ln-
Ro '-
RM
Сила, противодействующая движению электрода, должна быть равна интегралу давления по поверхности круглого ЭИ:
р = Р0 -С + - • -±3-В,
0 Л И
где С = -
1п
Ям
1п
Я_ Ям
к =
¦ %.
4. ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ
Выдавливаемый объем жидкости:
Ди = Ь • ЛИ • (г — г0) — (6)
объем жидкости, которая втекает и вытекает:
Ди = Ги0 — иг)• Ь-И-Ж. (7)
С учетом формул (1), (6), (7) получим следующее соотношение:
ЛР ЛР 12- ц, ч 1 ЛИ -------= --(г-г0)---------------. (8)
Лг Лг0 И И Л
Рис. 4. Схема процесса ЭХО для прямоугольного ЭИ с боковой прокачкой электролита
Решая выражение (8), используя условия на входе (г = г0, Р = Р0) и выходе МЭЗ (г = Я, Рвых = 0) и интегрируя полученную систему уравнений, в итоге будем иметь следующее:
««Я — г 6-ц ЛИ Р = Р0-------+ -?-• - X
Я — г0 И3 Л
х (г2 -г-(г0 + Я) + г0-Я).
(9)
Продифференцировав данное уравнение и подставив полученное в уравнение (1), получим формулу для расчета скорости потока электролита:
И2 Р 1 ЛИ
V = -----------0--- - •(2-г — Я — г0). (10)
12ц Я — г0 4И & amp-
Расход электролита в текущий момент времени:
Q = (г — г0)-И (?) ^ с учетом формулы (10) приобретает следующий вид:
Q=-И Я& quot-г
-Р0 — - -(г2 -г• (г0 + Я)+ г0 Я).
12ц Я — г0
В результате последовательного интегрирования уравнения (9) по Лг и ЛЬ получена расчетная формула гидродинамического усилия для прямоугольной пластины:
р = Р0ВЬ -_ц-ЛИ. В3 -Ь
2 И3 Л (
Для более точного описания процессов, протекающих в МЭЗ, необходим учет податливости элементов технологической системы и масс подвижных частей при определении усилий на ЭИ и заготовку и величину МЭЗ в каждый момент времени.
5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ
Относительное положение ЭИ определяется координатой у (рис. 5).
Рис. 5. Относительные колебания движущегося ЭИ
Дифференциальное уравнение колебаний ЭИ имеет вид [15]:
У + 2-и-У+ к2-У = -1, (11)
где п — коэффициент затухания (п & lt- к) —
I с
к = л- - частота собственных колебаний сис-| т
темы- с — коэффициент жесткости станка- т -масса вибрирующих элементов- I р — сумма
г
внешних сил.
На массу т действует переносная сила инерции и гидродинамическая сила, значение которой получено при решении уравнений Сто-кса-Навье:
I р¦ = р — Р, (12)
к
где Fe — переносная сила инерции- F — гидродинамическая сила- умножив обе части уравнения (10) на m и введя обозначение b = 2-n-m, получим следующее:
m • y + b • y + c • y = F — m • A • ю2 • sin (со • t)
где b — эквивалентный коэффициент вязкости.
В результате изменения гидродинамических усилий при колебании ЭИ возникает упругая сила элементов станка, поэтому уравнение (12) приобретает следующий вид:
c•Ay = F-m• A• ю2 •sin (& amp-• t),
где (cAy) — сила упругости элементов станка- Ay — деформация.
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В МЭЗ
На основе полученных зависимостей была разработана программа в среде Delphi с учетом технологических, геометрических параметров и характеристик электролита. Программа позволяет рассчитать давление, скорость и расход электролита, а также усилия, приходящиеся на ЭИ и заготовку.
6.1. Круглый ЭИ
На рис. 6, 7 показаны зависимости, полученные для схемы обработки плоским круглым ЭИ, со следующими входными параметрами: р = 1130 кг/м3 (плотность электролита) —
ц = 0,0017 кг/(мс) — А = 0,2 мм- hmin=30 мкм (рис. 6) — P0=0,2 МПа- R0=5 мм- Rm=40 мм- f=30 Гц- с=70 Н/мкм и m=25 кг (рис. 6, в- рис. 7).
По мере приближения ЭИ к заготовке скорость течения электролита падает и выравнивается по линии тока. При приближении к зоне нижнего положения возникает возвратное течение (выдавливание). Под Э И возникает центр давления (окружность, где скорость V = 0), в котором давление текущее больше входного P & gt- P0. Низкие значения скорости в момент максимального приближения ЭИ к заготовке и приложения импульса тока указывают на то, что поток должен быть ламинарным (число Рейнольдса Re приблизительно составило & lt-10).
При приближении ЭИ к нижнему положению (ф=160… 180°) возрастает давление электролита, а вместе с тем усилие на ЭИ и заготовку. С уменьшением МЭЗ давление, а значит, и гидродинамическое усилие достигают своего максимума, который наступает при некотором смещении фазового положения ЭИ (на графике 164°). С уменьшением значения hmin усилие существенно возрастает (рис. 7).
Уэл, м/с 190
170
150
130
110
90
70
50
30
10
-10
1 1 1
— -0 град
40 град
ч -«-80 град
-«-120 град
V ^^¦1 СП гнал
V ^ N. юи I JOtц

ТИП МИт
0,5
Рэл, атлл
1,5
2 2,5
Г, СМ
а
3,5
--- Оград
Г, СМ
б
h, мкм- F, Н- Q, л/мин
1190
— Итеор, мкм
---Иреал, мкм
--Рреал, Н
. ----Q, л/мин
1
1
|
'-
1
Г
160 200 tp, град
Рис. 6. Теоретические зависимости для плоского круглого ЭИ: а, б — распределения скорости и давления потока электролита в МЭЗ соответственно- в — распределения усилия и расхода электролита и траектории движения ЭИ
/), мкм-
1590
F, Н
— hmin=20MKM
/ --hr пш=30мкм nin=50 мкм nin=75 мкм
// % i- hr
• I и, а -h при hn iin=20 MKM
/ а/

к
-А L
160 200 Ч& gt->- град
Рис. 7. Распределения усилий при различных минимальных МЭЗ и траектории движения круглого ЭИ при Атш=20 мкм
в
6.2. Прямоугольный ЭИ
На рис. 8, 9 показаны зависимости, полученные для схемы обработки плоским прямоугольным ЭИ, со следующими входными параметрами: р=1130 кг/м3 (плотность электролита) — ц=0,0017 кг/(мс) — А=0,2 мм- йтт=30 мкм- Р0=0,2 МПа- 5=35 мм- Ь=70 мм-У=30 Гц (рис. 8) — с=70 Н/мкм и т=25 кг (рис. 8, в- рис. 9).
Рэл, атм
----Оград
Г, СМ
б
Ь, мкм- Р, Н- О, л/мин
1590 ¦ 1390 • 1190 ¦ - • Ьтеор, МКМ — Иреал, мкм — Рреал, Н / Г®!
/ X
/ 1 40 -х ^
-и, тш 1Н / 1 Ю
/ 1 1 МО К 2 ОС
/ у- -1- 1
1
1
& gt-• '--~г-
160 200 & lt-р, град
в
Рис. 8. Теоретические зависимости для плоского прямоугольного ЭИ: а, б — распределения скорости и давления потока электролита в МЭЗ соответственно- в — распределения усилия и расхода электролита и траектории движения ЭИ
В фазе отвода ЭИ имеет место реверс нагрузки, создаются условия для возникновения
кавитации и вскипания электролита. Режим кавитации начинается в точке, где Р = 0. Величина области кавитации и время ее существования зависят от минимального МЭЗ ктт и входного давления Р0. С увеличением Итт зона кавитации и время существования уменьшаются, а с понижением Р0 увеличиваются. При увеличении размеров ЭИ время кавитации также увеличивается. На больших зазорах и при больших давлениях кавитация не возникает вообще (для примера: для круглого ЭИ при 5'ЭИ=50 см2,
йтт=60 мкм, Р0=0,4 МПа- для прямоугольного ЭИ при ^ЭИ=50 см2, йтт=60 мкм, Р0=0,2 МПа).
й, мкм- F, Н
1800
1600
1000
800
200
О
т 1 — Ьпр^=20Гц — -1=20 Гц -f=30 Гц

// \
140 Ги
Г'- *
//
// Л» ?
— _
-¦ -
_. 1И ГГ ?4
О 40 80 120 160 200 240 280 320 360
V, фад
Рис. 9. Распределения усилий при различных частотах колебаний прямоугольного ЭИ и траектории движения ЭИ при f=20 Гц
7. ПРИМЕНЕНИЕ
Из вышерассмотренных результатов моделирования (рис. 7 и 9) следует, что усилия могут быть настолько значительными, что вызывают большие деформации элементов технологической системы, которые нельзя не учитывать при проектировании оборудования и ТП.
Разработанные математические модели гидродинамических процессов в МЭЗ для двух схем импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ позволяют установить взаимосвязь технологических факторов (технологический ток, частота вибрации ЭИ, амплитуда колебания ЭИ, минимальный МЭЗ, расход и давление электролита, тип электролита) с усилиями на ЭИ и заготовку, с упругой деформацией элементов технологической системы станка.
Данные разработки использовались при проектировании электрохимических станков для двусторонней обработки однополочных и двухполочных лопаток компрессора и турбины (рис. 10) в рамках работ, проводимых ОАО «Инновационный научно-технический центр «Искра».
а
Рис. 9. Электрохимический станок с вибрирующими ЭИ и импульсным током для двусторонней обработки лопаток — «Искра»
Рабочие лопатки 5-й ступени КВД изделия 117
Рабочая лопатка ТВД изделия ВК-2500
Рис. 10. Примеры деталей, полученных методом импульсной ЭХО с вибрирующими ЭИ
ВЫВОДЫ
1) При колебательном движении ЭИ в зоне приближения к нижнему положению на зазорах 10.. 50 мкм в МЭЗ возникает зона повышенного давления, при одновременном резком падении
скорости электролита и выравнивании его по линии тока. Величина Яе позволяет сделать вывод о ламинарности потока электролита и даже остановке течения в некоторых областях поверхности электрода (центр давления).
2) В фазе отвода ЭИ происходит интенсивное вымывание МЭЗ электролитом.
3) Расширение «зоны», в которой отсутствуют вскипание электролита и высокая электропроводность, способствует созданию «идеальных» условий для реализации ЭХО.
4) При прохождении зоны нижнего положения ЭИ происходит резкое падение давления в потоке электролита, что может привести к возникновению кавитационных явлений при отводе электрода.
5) Возникающие гидродинамические усилия следует учитывать при конструировании станков, определении возможности обработки детали с заданными геометрическими размерами для конкретного вида оборудования, а также оптимизации технологических параметров обработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров Ю. Н. Основы повышения точности электрохимического формообразования / Ю. Н. Петров [и др.]. Кишинев: Штиинца, 1978. 162 с.
2. Строшков В. П. Высокоточное электрохимическое формообразование сложнопрофильного инструмента и деталей машин / Строшков В. П. [и др.]. Екатеринбург: Изд. УрО РАН. 2005. 212 с.
3. Щербак Г. А. Моделирование процесса ЭХРО катодом, совершающим колебательное и вибрационное движения / Щербак Г. А. [и др.]. // Вестник Сиб. гос. аэрокосмического университета. 2005, № 6. С. 262−265.
4. Бурков В. М. Электрохимическое формообразование с вибрацией электрода-инструмента. Иваново: Изд-во ИГХТУ, 2008. 413 с.
5. Житников В. П., Зайцев А. Н. Импульсная электрохимическая размерная обработка. М.: Машиностроение, 2008. 413 с.
6. Winbro Group Technologies [Электронный ресурс]. [2011] URL: http: //www. winbrogroup. com (дата обращения: 24. 05. 2011).
7. Саушкин В. А. Проектирование технологий электрохимической обработки изделий авиационной техники. М.: Машиностроение, 2009. 360 с.
8. Зайцев А. Н. Прецизионные электрохимические копировально-прошивочные станки 2000 года // Электронная обработка материалов. 2001. № 6. С. 71−79.
9. Зайцев А. Н. Прецизионные электрохимические станки // ИТО. 2008. № 5. С. 104−107.
10. PEM Technologiegesellshaft fur electroche-mische Bearbeitung mbH. Inform. Rev. 2006. 12 p.
11. Di Shi-chun. Development of HSPECM set-up and its experiments / Di Shi-chun [et al] // Trans. Non-ferrous Metals Soc. China. 2005, V. 15, 3. P. 274−278.
12. Hewidy M. S. Modeling the performance of ECM assisted by low-frequency vibrations / Hewidy M.S. [et al] // J. Mater. Process. Technol. 2007, V. 189, № 1−3. P. 466−472.
13. Ebeid S. J. Towards higher accuracy for ECM hybridized with low-frequency vibration using the res-pons surface methodology / Ebeid S.J. [et al] // J. Mater. Process. Technol. 2004, V. 149, № 1−3. P. 432−438.
14. Мур Д. Основы и применения трибоники. Л.: Мир, 1978. 488 с.
15. Яблонский А. А., Норейко С. С. Курс теории колебаний: учеб. пособие для студентов втузов. изд. 3-е, испр. и доп. М.: Высш. шк., 1975. 248 с.
16. Semashko A. P. Electrochimical working method and system for effecting same // United States Patent 423 834. Publ. July, 1980.
17. Semashko A. P. Electrochimical working method and system for effecting same // United States Patent 4 257 865. Publ. March, 1981.
ОБ АВТОРАХ
Галиев Владимир Энгелевич, канд. техн. наук, доцент каф. технологии машиностроения. Главный технолог ОАО ИНТЦ «Искра». Дипл. инж. -механик (УАИ, 1985). Канд. техн. наук (МГТУ им. Баумана, 1990). Исслед. в обл. технологии и оборудования электрофизико-химических методов обработки.
Фарвазова Гульшат Ильдусовна, аспирант той же каф. Инженер ОАО ИНТЦ «Искра». Дипл. инженер (УГАТУ, 2010). Исслед. в обл. технологии и оборудования электрохимический методов обработки.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой