CC BY
48
4. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе / М.М. Сохолов [и др.]. М.: Энергия, 1987, 201 с.
B. Stepanov
ELECTROMAGNETIC DRIVE GEAR OF THE SCREW PRESS WITH FRICTION JOINT OF THE FLYWHEEL WITH THE SCREW
The design of a screw press with double-flywheel an electromagnetic drive gear is considered. The mathematical model of the drive gear based on the transformed equations and the synchronous engine is developed for press calculation. The optimum mechanical characteristic EMS providing the most economic mode of behavior of a drive gear is defined.
Key words: forge-presses the equipment, screw the press, an electromagnetic muff of
slippage.
Получено 07.06.11
УДК 621.9.044
В.В. Любимов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,
(4872) 35-26-81, lvv@tsu.tula.ru,
О.Е. Грачев, асп., grachevoleg@list.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭЛЕКТРОФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 12Х18Н10Т С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕТВЕРДОТЕЛЬНОГО КАТОДА
Проанализированы характеристики импульсного плазменного канала, созданного импульсами лазерного излучения, с точки зрения его применимости в качестве катода-инструмента в электрофизико-химической обработке. Проведены экспериментальные исследования электрофизико-химического формообразования образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с применением плазменного катода. Произведен анализ обработанных образцов, даны рекомендации по оптимизации процесса обработки.
Ключевые слова: электрофизико-химическая обработка, нетвердотельный электрод-инструмент, импульсный плазменный канал.
Введение. В машиностроении, приборостроении к деталям машин и механизмов предъявляются все большие требования по точности, качеству поверхности, долговечности. Это требует совершенствования методов обработки материалов. Современное инструментальное оснащение подавляющего большинства традиционных методов обработки и технологические схемы обработки должны удовлетворять определенным требованиям по жесткости, производительности, точности обработки, что в ряде случаев является весьма трудной задачей.
Традиционно применяемые в различных методах обработки материалов твердотельные инструменты имеют ограничения по минимальным размерам и прочности. В процессе обработки данные инструменты подвергаются износу, что снижает точность и увеличивает время обработки, повышает себестоимость обрабатываемых деталей. Вместе с тем существует ряд электрофизико-химических методов обработки, в которых использу-
ются нетвердотельные инструменты: электрические разряды, лазерное излучение и другие. Однако в настоящее время потенциал этих методов используется недостаточно.
Электрофизико-химические методы в классическом представлении имеют ряд недостатков, обусловленных необходимостью уменьшения ме-жэлектродных зазоров, наличием определенного предела по электрической нагрузке, ограничениями, накладываемыми на электрод-инструмент в связи с его механическими свойствами [1,2]. Используя в качестве инструмента нетвердотельный проводник, обладающий основными свойствами классического электрода-инструмента для электрофизико-химической обработки, можно исключить негативные последствия от воздействия на инструмент различных факторов, сопутствующих процессу обработки.
Одним из способов получения нетвердотельного проводника для использования его в электрофизико-химической обработке является способ, основанный на получении импульсного плазменного канала вследствие пробоя различных сред лазерным излучением наносекундной длительности.
Анализ свойств импульсного плазменного канала как электрода-инструмента при электрофизико-химической обработке. Импульсные плазменные каналы в течение длительного времени являлись объектами фундаментальных исследований. В работах [3 - 6] рассмотрены механизмы получения протяженных плазменных каналов в различных средах. Проведены исследования зависимости структуры плазменных каналов от среды, в которой он формируется, применяемых для фокусировки излучения оптических систем, параметров лазеров, используемых для создания плазменных каналов.
Образование плазменного канала происходит по следующему механизму. Когда интенсивность излучения в пучке достигает порогового значения, в среде возникает оптический пробой, и на фокальном отрезке аксикона или в перетяжке каустики сферической линзы образуется протяженный плазменный канал (рис.1)[3].
Рис. 1. Импульсный плазменный канал в воздухе
На начальном этапе канал имеет размеры бесселева пучка с диаметром 20...100 мкм и протяженностью порядка длины фокального отрезка аксикона или перетяжки каустики сферической линзы. В условиях устой-
чивого пробоя плазменный канал становится сплошным за наносекунды. При этом плотность плазмы в зависимости от свойств среды, длины волны
17 20 3
и других условий варьируется от 10 до 3-10 см" (при повышенном давлении газа), температура достигает 30...40 эВ. Через несколько микросекунд канал расширяется до нескольких мм. Соответственно температура падает до 1 эВ и на этом уровне держится около 100 мкс, после чего начинается процесс релаксации плазмы.
Применительно к электрообработке одним из важнейший свойств является его электропроводность. Импульсные плазменные каналы обладают значительной проводимостью в начальный период времени, сравнимый с длительностью лазерного импульса. Токопроводящий канал образуется практически мгновенно за время, меньшее длительности лазерного импульса. При этом в соответствии с направлением приложенного электрического поля ток может протекать как вдоль, так и поперек плазменного канала. На начальной стадии протекания тока удельная электропроводность может достигать величин порядка 106 (Ом*м)-1 [3]. Это величина сравнима с удельной электропроводностью графита [7].
Удельную электропроводность воздушной плазмы о через температуру Те электронов плазмы можно найти по следующей зависимости:
0 = 10,66 -Т^1.
График вышеприведенной зависимости для плазмы в воздухе при атмосферном давлении представлен на рис.2.
о, 1/(Ом*м)---------------------------------------------
4.5*104 /
4*104 /
3.5хЮ4--------------------------------------\У—
3*104 у/
25х104 /
2хЮ4 у/
1.5*104 уГ
ЫО4 ЗхЮ3
V—г- -----------------------------------------
О 3x105 бхЮ3 9Х103 1.2х104 Та, К
Рис. 2. Зависимость удельной проводимости плазменного канала от температуры электронов плазмы, формируемой в воздухе при атмосферном давлении
Формирование плазменного канала в рабочей среде под воздействием лазерного излучения неизбежно оказывает влияние на процесс удале-
485
ния материала при электрообработке. Это вызвано комбинацией физических процессов, происходящих при самой электрообработке, и процессов, сопровождающих существование плазменного канала в рабочей среде: воздействие лазерного излучения на локальную зону рабочего промежутка, изменение гидродинамических режимов в зоне существования канала вследствие ударного воздействия плазмы на рабочую жидкость, тепловое лазерно-плазменное воздействие на рабочую жидкость и обрабатываемый материал.
Таким образом, использование плазменного канала в качестве нетвердотельного электрода имеет свои достоинства и недостатки, изложенные в таблице.
Анализ свойств импульсного плазменного канала как электрода-инструмента в электрофизико-химической обработке
Достоинства
1. Инструмент, на технологическую применимость которого не влияют механические и физические ограничения, свойственные твердотельным инструментам.
2. Образование ударной волны после формирования плазменного канала, что улучшает гидродинамические условия процесса удаления материала и перемешивания рабочей жидкости.
3. Комбинированный процесс обработки, автоматически
активирующий поверхность заготовки лазерным излучением и плазмой.
4. Возможность саморегуляции процесса обработки при прекращении генерации плазменного канала
Недостатки
1. Нарушение формирования канала в рабочей жидкости вследствие рассеивания и поглощения излученияпобочными продуктами обработки и возникающими оптическими неоднородностями. Возможно снижение этого фактора за счет хорошей прокачки рабочей жидкости.
2. Сложности подвода энергии к плазменному каналу, связанные с необходимостью специфических токоподводов.
3. Непостоянство физических свойств и геометрических параметров плазменного канала во времени (при этом возможна их повторяемость от импульса к импульсу)
Из анализа данных таблицы следует, что импульсный плазменный канал может быть использован в качестве электрода-инструмента при электрофизко-химической обработке, при этом представляется возможность реализации большого количества технологических схем обработки при реализации саморегулирующегося импульсного процесса.
Экспериментальные исследования электрофизико-химического формообразования с применением импульсного плазменного канала.
Для проведения экспериментальных исследований была создана экспериментальная установка (рис. 3).
Рис. 3. Схема установки для электрофизико-химической обработки с применением импульсного плазменного канала:
1 - излучатель; 2 - источник питания лазера; 3 - пульт управления лазером; 4- оптическая система; 5 - электрохимическая ячейка;
6 - координатный стол; 7 - подъемное устройство; 8 - контроллер координатного стола; 9 - управляющий компьютер координатного стола; 10 - измерительный компьютер; 11 - источник питания
электрохимической ячейки
Для формирования плазменного канала использовался импульсный Nd:YAG лазер LQ929, состоящий из излучателя 1, источника питания лазера 2 и пульта управления 3. Лазер позволяет производить генерацию лазерного излучения с длиной волны X = 1064 нм, длительностью импульса т = 9 нс, энергией импульса Е = 1,5 Дж, частотой следования импульсов / = 10 Гц.
Фокусировка лазерного излучения производилась оптической системой 4, состоящей из сферической линзы с фокусом 118 мм, установленной на оптическом столе в приспособлении.
Импульсный плазменный канал формировался в электрохимической ячейке 5, установленной на координатном столе 6 с подъемным устройством 7. Питание электрохимической ячейки осуществлялось источником питания 11.
В процессе обработки электрохимическая ячейка перемещалась с помощью координатного стола 6, управление которым осуществлялось с управляющего компьютера 9 через контроллер 8. Наличие импульсного тока в процессе обработки фиксировалось с помощью измерительного компьютера 10, работающего на основе АЦП.
Схема электрохимической ячейки и фотография процесса обработки представлены на рис. 4, 5.
Для реализации процесса обработки с использованием импульсного плазменного канала в качестве электрода-инструмента необходимым условием было формирование плазменного канала в электрохимической ячейке с осуществлением токоподвода к нему вне электролита. Поэтому токопод-вод 2 и образец 4 (рис.4) расположены на расстоянии 1=4 мм. Электролит в зону обработки подавался струей 3 по краю образца 4.
Рис. 4. Схема электрохимической ячейки:
1 - плазменный канал; 2 - токоподвод; 3 - струя электролита;
4 - образец; б - расстояние от оптической оси лазерного излучения до поверхности образца; I - расстояние между токоподводом и образцом; Ау - амплитуда колебаний электрохимической ячейки по отношению к плазменному каналу
Рис. 5. Фотография процесса обработки
Коммутация электрической цепи электрохимической ячейки осуществлялась импульсным плазменным каналом 1 при его касании токо-подвода 2 и прохождении через струю электролита 3. В процессе обработки расстояние s от оптической оси лазерного излучения до поверхности образца было переменным, поскольку электрохимическая ячейка совершала колебания с амплитудой Ау = 0,1... 0,5 мм по отношению к неподвижному плазменному каналу.
Условия проведения экспериментов. Электрофизико-химическая обработка с применение импульсного плазменного канала производилась в 10 %-ном растворе электролита NaCl, температура электролита, подаваемого в зону обработки, T = 20 оС. Обработка проводилась с использованием постоянного напряжения источника питания электрохимической ячейки ИП-26 (U=165 В). Образец из нержавеющей стали 12Х18Н10Т предварительно подготавливался путем шлифования и обезжиривания.
В процессе обработки фиксировалось значение импульсного тока (за счет импульсности формирования плазменного канала). Пиковые значения общего тока I в процессе обработки колебались до Imax = 50 А.
Время обработки составляло 12 минут при частоте следования импульсов лазерного излучения f = 10 Гц.
Качество поверхности и геометрические параметры обработанного образца оценивались с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Zena.
Результаты и обсуждение. В результате электрофизикохимической обработки образца из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 3 мм с применением импульсного плазменного канала в качестве катода-инструмента на торцевой поверхности образца был сформирован паз шириной 1700 мкм и глубиной от 800 до 488 мкм (рис. 6).
Из анализа представленных фотографий следует сделать вывод о комбинированном механизме удаления материала в процессе обработки. Наряду с анодным растворением материла образца происходил процесс теплового разрушения поглощенным лазерным излучением, а также процессы плазменного воздействия, сопутствующие возникновению и расширению плазменного канала. На наличие комбинированного процесса указывают признаки, присущие тепловому механизму удаления материала (параметры шероховатости поверхности, локальное изменение цвета поверхности со стороны воздействия лазерного излучения (рис. 6, а) и т.д.).
Анализируя геометрические параметры и вид поверхности образца со стороны воздействия лазерного излучения (рис. 6, а) и противоположной стороны (рис. 6, б), можно сделать вывод о значительных изменениях глубины паза по ширине образца (с 800 мкм до 488 мкм). Данное явление может быть следствием различных факторов: наличия погрешности бази-
рования образца относительно направления лазерного излучения; разности скоростей анодного растворения по ширине образца вследствие падения напряжения по длине канала и различных значений плотности анодного тока по ширине образца; более существенного проявления механизма теплового удаления материла вследствие лазерного воздействия.
а б в
Рис. 6. Результаты электрофизико-химического формообразования с применением импульсного плазменного канала и геометрические параметры полученного элемента (мкм.): а - вид по направлению лазерного излучения; б - вид со стороны, противоположной направлению лазерного излучения; в - вид, перпендикулярный направлению лазерного излучения
Вместе с тем, следует отметить наличие достаточно высокой степени локализации процесса. Увеличение локализации возможно путем осуществления процесса обработки в объеме электролита, поскольку в этом случае формирование плазменного канала будет происходить в более плотной среде, и степень его расширения будет на порядок меньше, чем на воздухе. Кроме того, обработка в объеме электролита более предпочтительна с точки зрения постоянства гидродинамических условий и разнообразия реализуемых технологических схем обработки.
Выводы. Проанализированы геометрические и физические параметры импульсного плазменного канала, созданного вследствие оптического пробоя различных сред сфокусированным лазерным излучением на-носекундной длительности как электрода-инструмента при электрофизикохимической обработке. Оценены достоинства и недостатки замены твердотельного электрода-инструмента импульсным плазменным каналом.
Приведены результаты экспериментальных исследований процесса электрофизико-химического формообразования образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с применением плазменного катода. Выполнен анализ обработанных образцов и даны рекомендации по выбору рациональных параметров обработки.
Список литературы
1. Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л.: Машиностроение, 1971. 544 с.
2. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки/ Г.Л. Амитан [и др.]; под общ. ред. Волосатова В.А. Л.: Машиностроение, 1988. 719 с.
3. Пятницкий Л.Н., Коробкин В.В. Волновые пучки с компенсированной дифракцией и протяженные плазменные каналы на их основе // Труды Института общей физики РАН. 2000. Т. 57.
4. Структура искрового канала при оптическом пробое газов атмосферного давления в каустике аксикона / В.В. Коробкин [и др.] // Квантовая электроника. Т. 16. №9. 1989. С. 1885 - 1894.
5. Создание в вакууме протяженного плазменного канала при воздействии квазибесселева пучка на мишень / В.М. Батенин [и др.] // Квантовая электроника. Т. 31. № 5. 2001.
6. Динамика периодических структур в протяженной лазерной искре / С.С. Бычков [и др.] // Квантовая электроника. Т. 26. №3. 1999. С. 243 -245.
7. Кайе Г., Лаби Т. Физические и химические константы. М.: Энер-гоатомиздат, 1978. 102 с.
V. Lubimov, O. Grachev
ELECTROMACHINING OF STEEL X10CRNITI18-10 WITH NON- SOLID-STATE CATHODE
Geometrical and physical parameters of a pulsed plasma channel were analyzed from the point of view application of it as cathode-tool in a process of electromachining. The advantages and disadvantages of replacement of solid-state electrode-tool by a pulsed plasma channel were given. Experimental researches of the process of electrochemical machining of stainless steel with plasma cathode were given. The samples being machined were analyzed and recommendations to optimize the process were given.
Key words: electromachining, non-solid-state electrode-tool, pulsed plasma channel.
Получено 07.06.11
