CC BY
27
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ_
УДК 621.9.047.7
Получение искусственной шероховатости в каналах охлаждения электрохимическим методом
В. П. Смоленцев, А. А. Коровин
Введение
В настоящее время одним из способов повышения эффективности теплообменных устройств является получение на их рабочих (теплопереда-ющих) поверхностях искусственной шероховатости заданного профиля (турбулизаторов), позволяющей увеличить площадь таких поверхностей и разрушающей ламинарный пограничный слой охлаждающей среды [1]. Наибольший интерес представляет получение искусственной шероховатости заданного профиля на теплопередающих поверхностях изделий авиационной и ракетной техники [2], которые работают в условиях высокотемпературных тепловых потоков и должны иметь минимальную массу конструкции.
Конструктивные особенности теплообменных элементов
В известных конструкциях теплонапряжен-ных изделий (камерах сгорания, реактивных соплах и др.) используют различные каналы для протекания охлаждающей среды. В настоящее время наиболее применимы каналы наподобие приведенных на рис. 1.
1 2 хЧчЧчччччччч^чччч
Рис. 1. Конструкция изделия с каналами охлаждения:
1 — наружная стенка; 2 — боковая теплопередающая поверхность; 3 — фрезерованный канал; 4 — торцевая теплопередающая поверхность; 5 — ребро
Основные формулы для расчета геометрических параметров применяемых в таких каналах турбулизаторов приведены в работе [2]. В настоящее время чаще всего применяется формирование на торцевых теплопередающих поверхностях каналов (см. рис. 1) углублений, глубина которых к = 0,3...0,4 мм, ширина Ь = = 0,8...1,0В, где В — ширина канала; длина I = = 10.14к, шаг г = 0,5.1,5 мм (рис. 2).
Показатели качества углублений в тепло-обменных каналах
Углубления, выполненные для увеличения интенсивности теплообмена, могут влиять на прочностные характеристики изделий, выступать как искусственная шероховатость, изменяющая гидродинамические режимы процесса. Обычно требуемая высота неровностей оценивается разработчиком и указывается в технической документации. Задачей изготовителя становится получение заданной шероховатости. В отличие от большинства операций металлообработки, в данном случае требуется сформировать неровности, отвечающие чертежу не только по высоте, но и по форме выступов, обеспечив наибольшую теплопередачу от стенок канала к жидкой среде. Если выполняется охлаждение жидкими низкотемпературными газами (например, водородом), то следует учесть образование газообразной фазы на горячих поверхностях стенок канала, которая может значительно
А — А
041 1 -
1 >• <—1—> -----) г <
Рис. 2. Геометрия локальных углублений в донной части канала
изменить требования к профилю проточного тракта, в частности к шероховатости участков, где создаются искусственные неровности. Сформированные углубления и измененный поверхностный слой оказывают влияние на усталостную прочность элементов канала и всего изделия, поэтому их нужно учитывать при расчетах конструкции.
Технология получения углублений
Ширина (см. рис. 2), глубина (в основном 3...6 мм) и часто сложная форма (винтовая и др.) каналов ограничивают доступ инструмента в зону изготовления углублений. Применение концевых фрез приводит к образованию скруглений на торцах углублений, которые нарушают требования к срыву потока охладителя. Попытки создать теплообменный профиль вдавливанием пуансона оказались неэффективными, так как после указанной процедуры требуется термообработка (отжиг) и механическая доработка профиля.
В настоящее время искусственную шероховатость (или турбулизаторы) в таких каналах получают преимущественно электроэрозионной обработкой. Для нее требуется сложное оборудование для корректировки процесса из-за постоянного износа инструмента [3], производительность обработки низкая.
Мы рассмотрели получение искусственной шероховатости в фрезерованных каналах охлаждения электрохимическим методом по схеме с неподвижным электродом-инструментом (ЭИ) и прокачкой электролита в направлении, перпендикулярном к оси канала. Электрохимическая обработка (ЭХО) по схеме с неподвижным ЭИ [3] — один из перспективных методов для получения локальных углублений небольшой глубины (до 0,5-0,6 мм) в металлических деталях. Во многих случаях ее применение значительно упрощает конструкцию оборудования и технологию производства. Также есть возможность получить необходимую шероховатость поверхностей впадин, образующих турбулизаторы (зависимость шероховатости обработанной поверхности от плотности рабочего тока показана ниже), что при других способах обработки труднодостижимо.
Использование метода ЭХО требует организации движения жидкой среды и непрерывного контроля гидродинамических и электрических параметров процесса. При разработке такой технологии, как правило, выполняется экспериментальная отработка процесса с учетом отличительных свойств операции. К особенностям проектирования гидравлического режима при наличии рассматриваемой схемы
следует отнести возможность срывов потока при его резких поворотах на границах ребер 5 и торцевой поверхности 4 (см. рис. 1) в случае подачи электролита в направлении, перпендикулярном оси канала. При подаче потока вдоль оси канала процесс анодного растворения идет неравномерно, так как по ходу межэлектродного промежутка концентрация продуктов обработки будет разной, поэтому применение такой схемы возможно, если протяженность обрабатываемых участков невелика или используется импульсная схема подачи напряжения.
В зависимости от геометрии канала требуется уточнить расчетные параметры процесса, в течение которого электролит прокачивается через межэлектродный зазор в канале. Такое уточнение можно выполнить экспериментально на имитаторах профиля проточной части канала охлаждения изделия (см. рис. 1). Схема процесса показана на рис. 3. ЭИ 1 на торцевой части может содержать один или несколько токопроводящих участков для создания углублений на донной поверхности канала. Более точные результаты можно получить, если одновременно профилировать несколько соседних углублений, но тогда возникает необходимость нанесения на торец ЭИ 1 тонкого слоя диэлектрика. Здесь можно воспользоваться способом с нанесением защитной пленки фотохимическим методом [4]. Толщина такой пленки не превышает 50 мкм и практически не влияет на расчетные параметры гидродинамического режима.
Рис. 3. Схема получения турбулизаторов на поверхностях имитатора канала охлаждения методом ЭХО с неподвижным ЭИ:
1 — ЭИ; 2 — диэлектрическая вставка; 3 — устройство подвода электролита в зону обработки; 4 — имитатор канала охлаждения; Н — глубина канала; 8 — межэлектродный зазор
Зависимость параметров обработки от плотности тока
Нами исследовались зависимости шероховатости получаемых углублений и скорости их обработки от плотности рабочего тока. Неизменные данные:
• электролит — водный раствор хлорида натрия (180 г хлорида натрия на 1 л воды);
• температура электролита — 302 К;
• напряжение между электродами — 12 В;
• площадь обрабатываемой поверхности (обрабатывалась только торцевая поверхность, боковые поверхности изолированы) — 15 мм2;
• ширина канала — 3,6 мм;
• глубина канала — 3,1 мм;
• величина начального межэлектродного зазора — 0,3 мм;
• время обработки — 1 мин;
• перепад давления на входе и выходе межэлектродного промежутка — 0,23 атм.
Переменные данные — плотность рабочего тока: 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 40,0; 44,3 А/см2.
Основные результаты экспериментальной работы представлены на рис. 4. На рис. 4, б показаны кривые зависимости скорости обработки полостей в течение 1 мин от величины плотности тока, построенные по расчетным (1) и экспериментальным (2) данным. При этом расчет скорости ЭХО производился по формуле, взятой из [5]:
^ЭХО = KvU3m /Vо-о + 2KvU3mt, (1)
где Kv — объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого материала; U3 — напряжение на электродах; % — удельная электропроводность электролита; ^ — коэффициент выхода по току; а0 — начальный межэлектродный зазор; t — время обработки. При этом в формуле (1) произведение напряжения на электродах и удельной электропроводности электролита можно выразить через силу рабочего тока I (по закону Ома), тогда
Vaxo = KvIn /Va° + 2KvI4t. (2)
Анализ полученных с помощью формул (1), (2) расчетных и экспериментальных данных о зависимости скорости обработки от плотности рабочего тока говорит о том, что в исследуемом диапазоне режимов обработки имеется некоторое расхождение, особенно сильно выраженное при малой плотности тока. Однако при повышении плотности тока данное расхождение снижается и уже при 15 А/см2 достигает 26 %, а при 35 А/см2 — приблизительно равно нулю.
Было выявлено, что экспериментальная отработка позволяет обеспечить точность получения конечного размера (глубины Н, которая является определяющей, так как влияет на прочностные характеристики изделия) в пределах 0,03 мм, что труднодостижимо другими методами. Это позволит проектировать и изготавливать изделие с минимальными допусками на отклонения толщины стенки, а следовательно, появится возможность получить изделие со значительной экономией в весе.
а)
Ra, мкм
5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 44,3 J, А/ом2
б))
V, мм/'мин
Рис. 4. Основные зависимости, полученные в ходе экспериментальной работы: а — зависимость шероховатости Яа полученных поверхностей от величины плотности ^ тока I; б — зависимость скорости обработки полостей V в течение 1 мин от величины плотности J тока I: 1 — расчетная; 2 — экспериментальная
1 2 3 4 5 678
Рис. 5. Образец после ЭХО при величине плотности тока (прокачка электролита осуществлялась сверху вниз):
1 — 10 А/см2; 2 — 20 А/см2; 3 — 30 А/см2; 4 — 40 А/см2; 5 — 5 А/см2; 6 — 44,3 А/см2; 7 — 40 А/см2 (перепад давления увеличен до 0,285 атм.); 8 — 40 А/см2 (перепад давления увеличен до 0,355 атм.)
На рис. 5 показан внешний вид полученных в ходе экспериментальной работы углублений (боковые стенки имитатора канала убраны). При плотности рабочего тока выше 30 А/см2 в зоне выхода электролита (около нижних границ углублений 3, 4, 6, 7) наблюдается образование выпуклого участка (поперечно потоку электролита) высотой до 0,1 мм (при плотности тока 40 А/см2 — углубление 4). На наш взгляд, это связано с тем, что в данной зоне продукты обработки (в основном газообразные) достигают максимальной концентрации и значительно ухудшают электропроводность электролита.
На рис. 6 представлено распределение скоростей электролита вдоль его течения (показано сечение по центру потока), рассчитанное в программе моделирования и анализа гидродинамических процессов. Оно показывает, что в зоне выхода электролита наблюдается падение скорости — менее 1,5 м/с. Учитывая, что здесь будет максимальная
12
\_/
3 4
Рис. 6. Распределение скоростей потока электролита в межэлектродном промежутке:
1 — подача электролита; 2 — ЭИ; 3 — обрабатываемый канал; 4 — область возникновения выступа
в межэлектродном промежутке концентрация продуктов обработки, а по мере возрастания межэлектродного зазора скорость потока станет еще меньше (по закону неразрывности потока), мы предполагаем, что продукты обработки не успевают своевременно выводиться из данной зоны и тем самым препятствуют нормальному протеканию анодного растворения.
Экспериментальная работа показала, что увеличение величины перепада давления на входе и выходе межэлектродного промежутка с 0,230 до 0,285 атм. при неизменной плотности рабочего тока (40 А/см2) значительно уменьшает высоту выступа (до 0,02 мм, см. углубление 7 на рис. 5), а увеличение перепада до 0,355 атм. позволяет избежать образования выступа (углубление 8 на рис. 5).
Обработка торцевой и боковых поверхностей канала
Образование искусственной шероховатости не только на торцевой, но и на боковых те-плопередающих поверхностях канала может предоставить возможность значительно повысить эффективность охлаждения изделия. В данном случае существующие методы получения искусственной шероховатости (электроэрозионная обработка, накатка) практически неприемлемы.
Предлагаемый метод ЭХО с неподвижным ЭИ позволяет получать искусственную шероховатость как на торцевой, так и на боковых теплопередающих поверхностях канала одновременно. В проведенных нами экспериментальных работах были получены углубления удовлетворительного качества на торцевой и боковых поверхностях имитатора канала глубиной 0,2 мм и подтверждены основные закономерности, полученные опытным путем, что доказывает возможность изготовления турбулизаторов таким методом.
Выводы
В статье рассмотрен способ интенсификации проточного охлаждения с помощью искусственной шероховатости заданного профиля (турбулизаторов) и представлены следующие результаты:
• описаны и проанализированы применяемые в настоящее время методы получения искусственной шероховатости (турбулизаторов);
• на основании анализа различных методов предложен способ ЭХО с неподвижным ЭИ для получения искусственной шероховатости (турбулизаторов);
• представлены результаты экспериментальных работ по получению искусственной шероховатости (турбулизаторов) на поверхностях имитатора канала охлаждения;
• получены и исследованы основные закономерности изготовления искусственной шероховатости (турбулизаторов) в фрезерованных прямоугольных (трапецеидальных) каналах охлаждения методом ЭХО с неподвижным ЭИ.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности и целесообразности применения предлагаемого метода обработки для получения искусственной шероховатости в каналах охлаждения таких изделий, как камеры сгорания и сопла жидкостных ракетных двигателей и т. п., а также дают информацию для проектирования технологических процессов такой обработки.
Литература
1. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208 с.
2. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей: Учеб. для авиац. спец. вузов: В 2 кн. / А. П. Васильев, В. М. Кудрявцев, В. А. Кузнецов и др.; под ред. В. М. Кудрявцева. 4-е изд., пере-раб. и доп. М.: Высшая школа, 1993. Кн. 2. 368 с.
3. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: В 2 т. / Под ред. В. П. Смо-ленцева. М.: Высшая школа, 1983. Т. I. 208 с.
4. Смоленцев В. П., Смоленцев Г. П., Сады-ков 3. Б. Электрохимическое маркирование деталей. М.: Машиностроение, 1983. 72 с.
5. Байсупов И. А. Электрохимическая обработка металлов: Учеб. для СПТУ. М.: Высшая школа, 1988. 184 с.
УДК 621.9.047
Эксплуатационные характеристики материалов после комбинированного маркирования
В. П. Смоленцев, О. Н. Кириллов, А. Н. Осеков
Введение
Известно, что электрические методы обработки металлов могут вызывать как повышение, так и снижение механических характеристик сплавов [1, 2]. Это проявляется в основном при изготовлении деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Маркирование сплавов является частным случаем использования электрохимической, электроэрозионной и комбинированной обработки, где в комбинированном процессе применяется импульсное (ударное) воздействие электродом-инструментом, бесконтактная вибрация инструмента, высоковольтные разряды для вскрытия диэлектрика.
Эксплуатационные показатели материалов
На рис. 1 показаны результаты усталостных испытаний стандартных образцов с нанесенной
информацией. Сравнивались два варианта обработки:
• гравирование знаков твердосплавным бором на гравировальном станке с формированием контура шрифта на пантографе;
• комбинированная обработка материалов с диэлектрическим покрытием.
Локальное удаление покрытия выполнялось разрядником с током напряжением 40 кВ. Глубина знаков, полученных анодным растворением, под покрытием 0,25 мм. В обоих случаях высота шрифта — 3,00 мм. База испытаний 2 • 107 циклов.
На рис. 1 показаны пределы прочности после механической обработки (А) и предельные значения для тех же материалов, на которые нанесены информатизационные знаки большой глубины, превышающей глубину штрихов после ударного клеймения (Б). Предел усталостной прочности исследованных материалов
