Технологія розмірного знімання металу при електролітно-плазмовій обробці циліндричних поверхонь Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621/793.14

Канд. техн. наук А. М. Пономаренко, М. В. Хандюк, М. П. Рога Черкаський державний технолопчний уыверситет, м. Черкаси

ТЕХНОЛОГ1Я РОЗМ1РНОГО ЗН1МАННЯ МЕТАЛУ ПРИ ЕЛЕКТРОЛ1ТНО-ПЛАЗМОВ1Й ОБРОБЦ1 ЦИЛ1НДРИЧНИХ

ПОВЕРХОНЬ

Представлено розроблену технологгю електролтно-плазмово! обробки цилгндричних поверхонь, яка за свош яюсним представленням е безпечною та бгльш продуктивною технологгею поргвняно з альтернативними видами (електрохгмгчна, механгчна обробка). Розроблено модельрозмгрного зтмання матергалу для ктьтсноХ оцгнки розмгрного зтмання в процесI електролтно-плазмовоI обробки. Встановлено зв 'язок ¡нтенсивностг розм1рно'1 електролШно-плазмовоI обробки з технологгчними параметрами процесу та геометргею оброблювано'1 деталI обертання.

Ключовi слова: електролтно-плазмова обробка, оброблювана деталь-анод, електролгт, анодне розчинення металу, мгжелектродний простгр, щгльнгсть струму, рад1ус кривизни поверхт.

Елекгролино-плазмова обробка (ЕПО) широко зас-тосовуетъся для очищения поверхш, зниження шорст-косп га знягтя задирок на виробах, виготовлених з рiзних металевих матерiалiв. ЕПО е безпечною та б№ш продуктивною гехнологieю порiвнянj з альтернативними видами (елекгрохiмiчна, мехашчна обробка).

Сутнiстъ процесу полягае в наступному. Навколо поверхнi оброблювано! детальанода, зажурено! в елек-гролiг, ввдбуваеться локалъне плiвкове скипання елект-ролиу та утворення стабшьно! парогазово! оболонки (ПГО). Сформована в такий споаб оболонка з пари та газу ввдтискае електролiг вiд поверхнi деталi та значно збiлъшуе електричний отр у ланцюзi деталь - елект-ролiг. При цъому сила струму рiзко зменшуетъся, i на-пруга джерела живлення майже повнiстю прикладаеть-ся до парогазово! оболонки, що утворилася. Таким чином, через високу локальну напруженiстъ електричного поля виникае часткова iонiзацiя газу iз протiкаиням електричного струму через парогазову оболонку у виглядi iмпульсних i дифузiйних електричних розрядiв [1].

Експериментальш дослiджения показали, що при збшьшент тривалостi ЕПО можливе застосування тех-нологi! для точно! розмiрно! обробки деталей обертання. Розмiрна ЕПО не вимагае створення складних схем обробки та здiйснюетъся у звичайнш ваннi-катодi без використання електродiв - iнструментiв спецiалъно! форми. При цьому на вiдмiну вiд розмiрно! електрохь мiчно! обробки не пог^бно здiйснювати прокачуван-ня електролiгу через мiжелектродний проспр.

Продуктивнiстъ розмiрного зшмання при ЕПО можна охарактеризувати швидшстю анодного розчинення металу, що виражаеться в лiнiйних (мм/хв) або в об'емних (мм3/хв) одиницях. При обробщ деталей обертання доцшьно використовувати об'емнi оди-ницi.

Розробка моделi розмiрного зшмання матерiалу

Для шльшсно! оцiнки розмiрного знiмания в про-цесi ЕПО встановимо зв'язок iнтенсивностi розмiрно! ЕПО з технолопчними параметрами процесу та гео-метрiею оброблювано! деталi обертання. Як деталь обертання розглянемо цилiндр.

Згiдно iз законом Фарадея маса (або обсяг) речови-ни А У, розчиненого на електрод^ прямо пропорцiйна електричному заряду, що пройшов через електролiт. Стосовно до процесiв елекгрохiмiчно! обробки, у тому чи^ та для ЕПО, закон Фарадея можна представили в наступному видi [2]:

АУ = кУпаП, (1)

де ку - об'емний електрохiмiчний екивалент речови-ни, см3/(АЕ-хв);

П а - коефiцiеиг виходу по струму ( для процесiв ЕПО становить 0,215);

I - сила струму, що проходить через електроли; А;

t - тривалiстъ обробки, хв.

1з закону випливае, що з шдвищенням сили струму, що проходить через оброблювану поверхню за однако-вий промiжок часу, розмiрне зшмання металу збшьшуеться. Ввдповвдно, чим вища щiлънiстъ струму, тим iнтенсивнiше йде процес обробки. Тому щiлънiстъ струму е величиною, що визначае iнтенсивнiсть роз-мiрного знiмания металу в процеа ЕПО.

Щiлънiстъ струму у свою чергу визначаеться техно-лопчними параметрами процесу ЕПО (напруга, температура електролиу, глибина занурення, концентра-цiя електролiгу), а також формою оброблювано! поверхш. Помiчено, що обробка на виступаючих частинах заготовок, таких як гост^ крайки, задирки, закруглення,

© А. М. Пономаренко, М. В. Хандюк, М. П. Рога, 2017

52

ще значно iнтенсивнiше, чим на плоских, та тим бшьше вви-нутих дiлянках. Причому швидк1сть знiмання мета-лу залежить ввд радiуса кривизни: чим менший радiус кривизни, тим iнтенсивнiше знiмання. Це явище усклад-нюе розрахунки процесiв формоутворення цилiндрич-них поверхонь методом розмiрно! ЕПО, осшльки при так1й обробцi вщбуваеться поступове зменшення радь уса цмндра та змiна швидкосп знiмання.

Визначимо залежшсть, що характеризуе вплив кривизни оброблювано! цилщдрично! поверхнi на щшьтсть струму. Для цього розглянемо анод, на якому наявнi прямо- i криволiнiйний дiлянки (рис. 1). Товщина ПГО на прямолiнiйнiй дшянщ I на криволiнiйному /1.

Рис. 1. Розрахункова схема

Будемо вважати, що гвдростатичний тиск, що дае на парогазову оболонку навколо вах дiлянок анода, одна-ковий. Систему анод - ПГО - електролгг будемо розгля-дати як плоский конденсатор. На плоскш дiлянцi зовшшнш гiдростатичний тиск компенсуеться тиском ро, створюваним силою впливу поверхнi анода з по-верхнi електролiту, який визначаеться за формулою [3]

Ро =

ееоиА 210

(2)

де е - вщносна дiелектрична проникнiсть ПГО; е 0 - електрична постiйна; и - напруга, прикладена до анода. На криволiнiйнiй дшянщ пдростатичний тиск ком -пенсуеться тиском р

Ро =

ееои" 2/12

(3)

i тиском рс , створюваним силою поверхневого натягу, який для поверхт з зовтштм радiусом г становитиме

Рс = —,

(4)

де с - коефiцiент поверхневого натягу

Тиск рс притискае ПГО до поверхш анода, тобто дiе в напрямку, протилежному р1. Тому товщина ПГО на криволшшнш дiлянцi поверхнi буде менша, нiж на прямолiнiйнiй 11 < I .

Виходячи зi сказаного вище, справедливою е рштсть

Ро = Р1 - Рс.

(5)

Пiдставимо в рiвнiсть (5) значення р0 , р1 i Рс з формул (2)-(4). Пiсля перетворень одержимо рiвняння

1

1

212 212 ееои 2г

(6)

Розглянемо далянку прямолшшно! поверхнi площею Д £о, через яку пролкае струм силою 1о. Щiльнiсть струму на прямолтйнш дiлянцi ]о становитиме:

ко =

I о

Д^ о

(7)

Скориставшись законом Ома, (7) можна записати у виглядi

ко =

и

Яо ДSо

(8)

де Яо - отр парогазово! оболонки на прямолiнiйнiй дiлянцi.

Виразимо опiр ПГО через питомий отр парогазово! оболонки р:

Яо =Р

1о

(9)

Пюля подстановки (9) у вираз (8) i перетворення одержимо:

ко =

и

Р1о

(1о)

Щдльтсть струму на криволiнiйнiй дiлянцiЛ можна представити аналогiчно (1о)

к =

и

Р11

(1)

Виразивши з (1о) i (11) значення 1о i I i подставивши !х в (5), тсля перетворення одержимо

к = ко +

2с

Р2ееог

(12)

Аналiз рiвнянь (1о) i (11) дозволяе стверджувати, що добуток щшьносп струму та товщини парогазово! оболонки е рiвною величиною для будь-яко! дiлянки по-верхт. Назвемо цю величину к. Тзд

ст

+

ст

г

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2017

53

к = 7о1о = ]\1\ = ' Р

З (13) виразимо питомий опiр через напругу та ко-ефiцiеиг к i пiдставимо у вираз (12). Одержимо:

Л =

7о2 +

2к 2ст

и2ее0г

(14)

Ця формула описуе вплив радуса кривизни оброблювано! поверхт та робочо! напруги на щльтсть струму та дозволяе визначити щiлънiстъ струму навколо ци-лiидрично! поверхнi на будь -як1й стади розмiрно! об-робки.

Величина ]0 характеризуе щшьшсть струму на плоский поверхш при рiвних iз цилiндричною поверх-нею умовах обробки (температура електролиу, робо-ча напруга, глибина занурення). I! значення визначаеть-ся з отриманих експериментальним шляхом номограм залежно вiд напруги, температури та глибини занурен-ня (рис. 2).

При розрахунках величина j0 зпдно з вищенаведеною номограмою (рис. 2) приймаеться рiвною 0,21 А/см2, а

також використовувався Icоефiцiент т =

2к 2ст

, що скла-

ее0

даеться з постшних величин. Його експериментально встановлене значення становить 8,02-103.

0,8

0,7

0,6

>> С, 0,5

0.4

=

1 0,3

и 0,2

0,00 0,50 1,00 ] ,50 2,00 2,50 3,00

Радус кривизни, мм

Рис. 3. Експериментальна та розрахункова залежност щiлъиостi струму вщ рад1уса кривизни:

1 - експериментальш; 2 - розрахунковi даиi

0,50

1 0.45

0.40

0.35

0,30

0.25

0.20

0.15

0.10

60 "С

70 °С

80 "С

чо °с

10

30

50 70

90 110

Глио

ина занурення.

Рис. 2. Залежшсть jо вiд температури електролиу та глибини занурення при робочш иапрузi 280 В

Для експериментально! перевiрки залежиостi (14) проводили вимiр робочого струму при обробщ цилш-дричних зразк1в зi стат 12Х18Н9 довжиною 50 мм дiа-метром 0,5; 1,0; 1,5; 1,8; 2,0; 2,5; 4,0 i 6,0 мм. Обробку здiйснювали в 4 %-м розчиш сульфату амонiю при робочш нащ^ 280 В. Температура електролпу станови-ла (80 ± 2)°С. Глибина занурення зразшв в елекгролiт -20 мм. Вимiрювання сили струму проводили за допо-могою цифрового амперметра, послшовно включено-го в ланцюг.

За обмiрюваними значенням сили струму була роз-рахована щшьшсть струму для кожного зi зразшв. На пiдставi отриманих даних побудована залежшсть, що характеризуе вплив радуса кривизни на щiлънiстъ струму (рис. 3). Експериментальна залежшсть идтверджуе дам, отримаш розрахунковим методом за формулою (14).

З формули (1) випливае, що об'емна швидшсть роз-мiрного знiмания при обробцi становить

и = 1кУ Па

(15)

Замшивши в (15) силу струму I добутком щшьносп струмуj на площу поверхнi цилiндра, пiсля перетво-рень одержимо

ицил = 2пгЬку П,

jо2 +

2к 2ст

и2 ее0г

(16)

де Ь - довжина цилiидра.

Виведемо формулу для розрахуншв тривалосп роз-мiрно! обробки. Нехай за промiжок часу А iз цилiнд-рично! поверхнi радiусом г вщдаляеться нескiиченно малий шар металу товщиною Аг.

Об'емну швидк1сть розмiрного зшмання можна представити як вiдношения видаленого обсягу шару до промiжку часу, за який цей шар видаляеться:

2пгЬАг

А

(17)

Псля щдсташвки (17) в (16) i перетворення одержимо

А =-

ёг

кУ Па

V

(18)

2 2к 2ст

jо2 + 72-

и ее0г

Загальний час, необхшний для знiмания металу iз цилiидра з вихiдним радiусом Я0 до к1нцевого радiуса Я1, визначиться за формулою:

цил

1

t = -

dr

kV Па

Ri

j +

2k 2ст

U2 ее0r

(19)

Висновки

1. Проведенi теоретичнi та експериментальш досль дження розмiрного зшмання показують, що щiльнiсть струму е величиною, яка визначае штенсившсть остан-нього.

2. Щшьтсть струму залежить вод технолопчних пара-метрiв процесу ЕПО та зменшуеться зО зростанням тем-ператури та пщвищенням робочо! напруги. ЗО збшьшен-ням глибини занурення щшьтсть струму зростае.

3. Фактором, що виявляе основний вплив на щОльтсть струму на розмОрне зшмання при ЕПО цилш-дричних поверхонь, е радiус кривизни. Залежнiсть щОльносп струму вщ радiуса кривизни носить гшербо-лОчний характер. При зменшент радуса кривизни знач-но збшьшуеться щшьтсть струму. При температурО

електролиу 8о °С, глибиш занурення 2о мм О робочш напрузО 28о В щшьтсть струму для цилщдра дОаметром 6 мм становить о,28 А/см2, а для цилОндра дОаметром 1 мм - о,5о А/см2 .

4. Отримаш математичт залежносп дозволяють виконувати розрахунки при розробц технолопчних процеав формоутворення точних деталей обертання методом ЕПО. Результати роботи були використат при створент технологи виготовлення цилОндричних бага-тостутнчастих ультразвукових хвилеводав для руйнуван-ня тромбОв.

Список лтератури

1. Станишевский В. К. Способ электрохимической обработки / Станишевский В. К. - М. : Наука, 1995. - 345 с.

2. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / [Г. Л. Амитан, И. А. Байсупов, Ю. М. Барон и др.] ; под общ. ред. В. А. Волосатова ; под. общ. ред. В. А. Волосатова. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1988. - 719 с.

3. Шубин А. С. Курс общей физики / А. С. Шубин. -2-е изд. - М. : Высш. шк., 1996. - 48о с.

Одержано 22.05.2017

1

Пономаренко А.М., Хандюк Н.В., Рога М.П. Технология размерного съема металла при электролитно-плазменной обработке цилиндрических поверхностей

Представлена разработанная технология электролитно-плазменной обработки цилиндрических поверхностей, которая по своему качественному представлению является безопасной и более продуктивной технологией в сравнении с альтернативными видами (электрохимическая, механическая обработка). Разработана модель размерного снятия материала для количественной оценки размерного снятия в процессе электролитно-плазменной обработки. Установлена связь интенсивности размерной электролитно-плазменной обработки с технологическими параметрами процесса и геометрией обрабатываемой детали обращения.

Ключевые слова: электролитно-плазменная обработка, обрабатываемая деталь-анод, электролит, анодное растворение металла, междуэлектродное пространство, плотность тока, радиус кривизны поверхности.

Ponomarenko А., Khanduk N, Roga M. Technology dimensional metal removal in electrolyte-plasma treatment of cylindrical surfaces

The developed technology of electrolytic-plasma treatment of cylindrical surfaces, which, by its quality presentation is safer and more productive technology in comparison with alternative types (electrochemical machining) was presents. The dimensional model of material removal for the quantitative assessment of dimensional lifting in the process of electrolyte-plasma processing was designed. The relation of the intensity dimension plasma electrolytic treatment technological process parameters and geometry of the workpiece treatment was established.

Key words: еlectrolytic-plasma treatment, the workpiece is the anode, the electrolyte, the anodic dissolution of metal, interelectrode space, the current density, the radius of curvature of the surface.

ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2017

55