CC BY
107
УДК 621.9.047 : 004.94
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ-ИНСТРУМЕНТОМ: ВЛИЯНИЕ ВЫХОДА ПО ТОКУ НА ГЕОМЕТРИЮ РЕЗА
До Ван Донг
Проведен анализ влияния выхода по току на геометрию реза и даны рекомендации по выбору рациональных режимов электрохимической обработки. Изучено влияние скорости перемещения проволочного электрода-инструмента на геометрию реза при обработке в разных электролитах.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, проволочный электрод-инструмент, моделирование, электролит.
Введение. Для разрезания и вырезания деталей сложной формы, которые изготовлены из труднообрабатываемых материалов широко используются различные методы электрофизикохимической обработки, такие как лазерная, электроэрозионная и электрохимическая обработка. При использовании лазерного и электроэрозионного вырезания на обрабатываемой поверхности формируется зона термического влияния, которая отсутствует при электрохимической обработке (ЭХО) проволочным электродом-инструментом (ПЭИ). Хотя схемы электрохимического вырезания известны уже достаточно давно [1 - 5], недостаточно высокая точность обработки не позволили получить им широкого применения. Однако в последние годы интерес к электрохимическому вырезанию постоянно повышается, особенно при обработке микродеталей [6 - 11]. Это обусловлено целым рядом причин [10 - 16], среди которых можно выделить следующие: отсутствие значительного механического воздействия на ПЭИ и заготовку, что позволяет производить обработку маложесткий деталей с высокой точностью; отсутствие термического воздействия на заготовку и инструмент; отсутствие износа ПЭИ; использование импульсов технологического напряжения сверхкороткой длительности (порядка нескольких наносекунд) и сверхмалых межэлектродных зазоров (порядка нескольких микрометров) и т.д.
Закономерности электрохимического формообразования при получении элементов сложной формы в настоящее время изучены недостаточно, так как большинство работ, посвященных исследованию процесса ЭХО ПЭИ, являются экспериментальными. Для определения геометрии реза при перемещении ПЭИ по прямолинейной траектории с постоянной скоростью можно использовать известные аналитические решения [12], а в более сложных случаях необходимо использовать численные методы, такие как -метод конечных разностей, метод конечных элементов и метод граничных элементов [13 - 16].
В статье [17] проведено теоретическое исследование электрохимического формообразования проволочным электродом-инструментом при постоянной скорости перемещения ПЭИ. В настоящей работе разработанная ранее математическая модель процесса модифицирована, для обеспечения учета зависимости выхода по току от плотности тока, а также возможности обработки с различной скоростью перемещения ПЭИ.
Математическая модель. В рамках приближения идеального процесса электрохимической обработки распределение для электрического потенциала в межэлектродном пространстве описывается уравнением Лапласа:
ф) = 0, (1)
где ф - потенциал электрического поля.
Плотность тока может быть рассчитана с использованием закона
Ома:
1 = -% вгаё ф, (2)
где 1 - плотность тока, с - удельная электропроводность электролита.
Граничные условия на участках границы, расположенных на изоляторе или совпадающих с линиями симметрии задаются в виде
ф' = 0, (3)
что соответствует непротеканию электрического тока через границу.
Граничные условия на участках границы, расположенных на электродах, учитывают процессы переноса в диффузионном слое и электродные процессы и задаются следующим образом:
Г и , на аноде
ф = 1 (4)
[ 0 , на катоде
где и - напряжение, приложенное к электродам.
Перемещение обрабатываемой поверхности, обусловленное анодным растворением металла, будем описывать следующим соотношением:
^Г = Ше{ = -ШеСдФп (5)
& у у дл
где Г = [ха (1, г) уа (1, г)] - вектор-функция, задающая обрабатываемую поверхности; ха (1, г), уа (1, г) - координаты точки на обрабатываемой поверхности; 1 - плотность тока, с - удельная электропроводность электролита; 1 -натуральный параметр обрабатываемой поверхности; г - время; ц - выход по току; е - электрохимический эквивалент материала заготовки; у - плотность материала заготовки; п - единичный вектор внешней нормали к поверхности обрабатываемой заготовки.
Для удобства решения и анализа полученных результатов математическая модель была приведена к безразмерному виду. При этом в качестве единицы длины был выбран диаметр ПЭИ (ёПЭИ), в качестве единицы электрического потенциала - значение технологического напряжения (и),
а в качестве единицы скорости щения ПЭИ (у0):
характерное значение скорости переме-
X--
х
-■ПЭИ
У-
У
-■ПЭИ
ф
л 1:
и
К ■ 1,
V=^,
Т
(6)
0
ПЭИ
где X, У - безразмерные координаты; Ф - безразмерный потенциал; 1 -безразмерная плотность тока; т - безразмерное время; Ус - безразмерная
скорость перемещения ПЭИ, К. = ^ПЭИ - коэффициент, характеризующий
си
условия проведения процесса обработки.
На рис. 1 представлены зависимости выхода по току от анодной плотности тока при обработке стали 5ХНМ в растворах 5% №С1 и 10% NN03, полученные в экспериментах [18]. Из рис. 1 следует, что для указанных электролитов зависимость 1а) описывается уравнением гиперболы
Ь
Л=а+—,
(7)
где а, Ь - постоянные коэффициенты, значения которых представлены в табл. 1.
Для зависимости выхода по току от анодной плотности характерны три зоны. Зона I - зона малых значениях плотности тока, в которой значение выхода по току при ЭХО в активирующем электролите (ЫаС1) практически равно единице, а в пассивирующем электролите (NN0^ очень мало отличается от нуля. Зона II - зона средних значений плотности тока, в которой значение выхода по току при ЭХО в активирующем электролите убывает от 1 до 0,5 , а в пассивирующем электролите увеличивается от 0 до 0,7. Зона III - зона больших значений плотности тока, в которой значение выхода по току достаточно слабо зависит от плотности тока (рис. 1).
Плотность тока. А/см2
Рис. 1. Зависимость выхода по току от анодной плотности тока при обработке стали 5ХНМ в растворах 5% ЫаС1 и 10% №М03.
1
а
Таблица 1
Параметры, характеризующие зависимость выхода по току от плотности тока для различных электролитов
Результаты. Численное решение уравнения Лапласа осуществлялось методом граничных элементов, а для моделирования эволюции обрабатываемой поверхности был использован метод маркеров.
Было посмотрено три различном значении коэффициента К1, соответствующего трех области значении плотности тока: К1=0.02(рис. 2,а), К1=0.1 (рис. 2,б) и К1=0.005 (рис. 2,в), соответствующие средним, малым и большим плотностям тока .
В предыдущей статье было рассмотрено в случае изменения перемещения скорости ПЭИ, а в этой статье мы рассмотрим влияние выхода по току на геометрию реза. Показано, что при К1=0.02 (рис. 2,а) и К1=0.005 (рис. 2,в), соответствующие средним и большим плотностям тока параметры реза немного зависят от типа электролита; при К1=0. 1 (рис. 2,б) и, соответствующие малых значениях плотности тока обработку целесообразно осуществлять в активирующем электролите, так как при обработке в растворе NN03 выход по току очень мал, а следовательно, очень велика энергоемкость процесса.
Были проведены вычислительные эксперименты для ЭХО при прямолинейном перемещении ПЭИ с использованием различных типов электролитов и получены зависимости параметров реза от условий проведения процесса (рис. 3 - 5). На рис. 3 представлены зависимости бокового межэлектродного зазора от условий проведения процесса, которые характеризуются величиной безразмерного установившегося торцевого межэлектродного зазора при обработке плоским электродом-инструментом.
На рис. 4 показана зависимость бокового зазора от скорости перемещения ПЭИ при обработке в разных электролитах. Видно, что при увеличении скорости перемещения ПЭИ, боковой зазор уменьшается. На рис. 5 представлены зависимости бокового межэлектродного зазора от длины реза - в процессе обработке боковой зазор увеличивается от начального до установившегося значения, причем при обработке в пассивирующем электролите длина реза на которой достигается установившееся значение зазора существенно меньше, чем при обработке в активирующем электролите.
б
в
Рис. 2. Результаты моделирования ЭХО при прямолинейном перемещении ПЭИ, V = 0.5, З = 0.5и различном значении коэффициента: а - N¡=0.02, б - Ш=0.1, в - N¡=0.005
а
б
Рис. 3. Сравнение численных результатов при обработке в разных электролитах и при разных скоростях перемещения ПЭИ: а - 5% ЫаС!, б -10% ЫаЫОз.
Рис. 4. Зависимость бокового зазора от скорости перемещения ПЭИ при обработке в разных электролитах и Бу = 0,2.
Рис. 5. Результаты расчета бокового установившегося межэлектродного зазора при Бу=0,5; Ю=0.02; у=0,5
Заключение. В работе реализована предложенная двумерная математическая модель процесса электрохимической обработки ПЭИ с учетом зависимости выхода по току от плотности тока. Проведенное сравнение численных результатов при обработке в активирующем (5% №0) и в пассивирующем электролитах (10% NaNO3) позволяет прогнозировать размеры и форму реза и позволяет выбирать наиболее подходящий электролит для ЭХО.
Список литературы
1. Metzger M. Electrolytic Saw // Review of Scientific Instruments. 1958. V.29. pp. 620-621.
2. Проклова В. Д. Электрохимическая обработка непрофилирован-ным электродом-инструментом. М.: Машиностроение. 1976. - 54 с.
3. Chikamori К. Electrochemical wire cutting method. U.S. Patent No. 4052274. 4 Oct. 1977.
4. Itoh T. Method and apparatus for electrically cutting work pieces with a wire electrode. U.S. Patent No. 4317019. 23 Feb. 1982.
5. Bejar M.A., Eterovich F. Wire-electrochemical cutting with a NaN03 electrolyte // J. Materials Processing Tech. 1995. V.55 (3-4). pp. 417-420.
6. Zhu D., Wang K., Qu N.S. Micro wire electrochemical cutting by using in situ fabricated wire electrode // Annals of the CIRP. 2007. V.56(l). pp.241-244.
7. Shin H.Sh., Kim B.H., Chu Ch.N. Analysis of the side gap resulting from micro electrochemical machining with a tungsten wire and ultrashort voltage pulses // J. Micromech. Microeng. 2008. V.18. 075009.
8. Wang S., Zhu D., Zeng Y., Liu Y. Micro wire electrode electrochemical cutting with low frequency and small amplitude tool vibration //Int. J. Advanced Manufacturing Technology. 2011. V.53 (5-8). pp. 535-544
9. Osipenko V.I., Stupak D.O., Trigub O.A., Bilan A.V. Calculation of the parameters of the technological-current density distribution during wire electrode electrochemical processing // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2012. V.48. No.2. pp.105-110.
10. Spieser A., Ivanov A. Recent developments and research challenges in electrochemical micromachining (jiECM) // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2013. V.69. pp.563-581.
11. Schuster R. Electrochemical microstructuring with short voltage pulses // ChemPhysChem. 2007 V.8. pp. 34-39.
12. Zhitnikov V.P., Fedorova G.I., Zinatullina O.V., Kamashev A.V. Simulation of non-stationary processes of electrochemical machining // J. Materials Processing Technology.2004. V.149. pp.398-403.
13. Давыдов А.Д., Волгин B.M., Любимов В.В. Электрохимическая размерная обработка металлов: процесс формообразования // Электрохимия. 2004. Т.40. N 12. С. 1438-1480.
14. Volgin V.M., Davydov A.D. Modeling of multistage electrochemical shaping // Journal of Materials Processing Technology. 2004. V.149. N 1-3. P. 466-471.
15. Pattavanitch J., Hinduja S., Atkinson J. Modelling of the electrochemical machining process by the boundary element method // CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2010. V.59. pp. 243-246.
16. Hinduja S. Kunieda M. Modelling of ECM and EDM processes // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2013. V.62. pp.775-797.
17. Волгин B.M., До В.Д., Давыдов А.Д. Моделирование электрохимической обработки проволочным электродом-инструментом // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 11. С. 122-136.
18. Седыкин Ф.В., Орлов Б.П., Матасов В.Ф. Исследование анодного выхода по току при электрохимической обработке с применением по-
стоянного и импульсного напряжения // Технология машиностроения. 1975. Вып. 39. С. 3-7.
До Ван Донг, асп, svaolinh vn2005@yahoo. com. vn, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
SIMULATION OF ELECTROCHEMICAL MACHINING WITH WIRE TOOL-ELECTRODE: EFFECT OF CURRENT OUTPUT ON GEOMETRY OF SLIT
Do Van Dong
The effect of current efficiency and speed of the wire tool-electrode on geometry of slit is described and recommendations for rational selection of electrolytes for electrochemical machining are presented.
Key words: electrochemical machining, wire tool-electrode, modeling, electrolyte.
Do Van Dong, postgraduate student, svaolinh vn2005@yahoo. com. vn, Russia, Tula, Tula State University
