CC BY
1
УДК 621.9.048
Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-4-760-767
Для цитирования: Удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки металлов вибрирующим инструментом в электролите / И. Я. Шестаков, В. И. Шестаков, И. В. Трифанов, И. А. Ремизов // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 4. С. 760-767. Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-4-760-767.
For citation: Shestakov I. Ya., Shestakov V. I., Trifanov I. V., Remizov I. A. [Specific energy consumption of electro-contact-chemical treatment of metals with a vibrating tool in the electrolyte]. Siberian Aerospace Journal. 2023, Vol. 24, No. 4, P. 760-767. Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-4-760-767.
Удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки металлов вибрирующим инструментом в электролите
1* 1 1 2 И. Я. Шестаков , В. И. Шестаков , И. В. Трифанов , И. А. Ремизов
1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79, *E-mail: yakovlevish@mail.ru
По удельному расходу энергии процессы формообразования располагаются в трёх энергетических уровнях. Электрофизические и электрохимические методы обработки металлов находятся на третьем уровне, где удельные энергозатраты составляют более 6-104 Дж/см3. Анализ литературных данных показал противоречивость удельных затрат некоторых авторов. Удельные энергозатраты электроконтактной обработки (ЭКО) никак не могут быть соизмеримы с затратами при электрохимической обработке (ЭХО) из-за разных размеров удаляемых частиц с поверхности обрабатываемой детали. Литературные данные по удельным энергозатратам электроконтактно-химической обработки металлов вибрирующим инструментом в электролите отсутствуют, поэтому проведены эксперименты с фиксацией осциллограмм тока, напряжения и межэлектродного зазора. Приведена методика расчёта удельных энергозатрат по осциллограммам процесса. Рассчитаны затраты энергии на вибрацию электрода-инструмента, которые на порядок меньше на электро-контактно-химическую обработку. При уменьшении амплитуды вибрации или увеличении напряжения на электродах процесс в межэлектродном зазоре переходит в размерную обработку дугой. При электро-контактно-химической обработке металлов вибрирующим инструментом в воде удельные энергозатраты равны (3,5-3,8)10 Дж/см , что соответствует электроконтактной обработке. Предполагается, что использование водных растворов нейтральных солей приведёт к снижению затрат энергии.
Ключевые слова: удельные энергозатраты, электро-контактно-химическая обработка, вибрация, амплитуда, частота, осциллограмма, расчёт.
Specific energy consumption of electro-contact-chemical treatment of metals with a vibrating tool in the electrolyte
I. Ya. Shestakov1*, V. I. Shestakov1, I. V. Trifanov1, I. A. Remizov2
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation *E-mail: yakovlevish@mail.ru
According to the specific energy consumption, the shaping processes are arranged in three energy levels. Electrophysical and electrochemical methods of metal processing are at the third level, where the specific energy consumption is more than 610 J/cm . The analysis of the literature data showed the inconsistency of the specific costs of some authors. The specific energy consumption of electrical contact processing cannot be commensurate with the costs of electrochemical processing due to the different sizes of the particles removed from the surface of the workpiece. There are no literature data on the specific energy consumption of electro-contact-chemical treatment of metals with a vibrating instrument in the electrolyte, therefore, experiments have been carried out with the fixation of current, voltage and interelectrode gap oscillograms. The method of calculation of specific energy consumption according to the oscillograms of the process is given. The energy costs for vibration of the electrode-tool are calculated, which are an order of magnitude less for electro-contact-chemical treatment. When the vibration amplitude decreases or the voltage on the electrodes increases, the process in the interelectrode gap turns into dimensional arc processing. When electro-contact-chemical treatment of metals with a vibrating tool in water, the specific energy consumption is equal to (3.5-3.8) • 105 J/cm3, which corresponds to electrocon-tact treatment. It is assumed that the use of aqueous solutions of neutral salts will lead to a reduction in energy costs.
Keywords: specific energy consumption, electro-contact-chemical treatment, vibration, amplitude, frequency, oscillogram, calculation.
Введение
Удельный расход энергии - один из важных показателей, влияющих на экономичность процесса формообразования. Удельный расход энергии определяют в кВтчас/кг, Дж/см3. В [1; 2] рекомендуют при выявлении закономерностей поведения металлов при различных физических процессах свойства металлов определять на единицу объема.
По этому признаку все процессы формообразования располагаются в трех энергетических уровнях. Первый уровень включает процессы, при осуществлении которых необходим минимум энергии для нарушения сил связи только между частью атомов или молекул тела. Этот уровень простирается до энергии плавления металлов (табл. 1), т. е. примерно до 104 Дж/см3 [3].
Второй уровень включает процессы, требующие затрат энергии для нарушения связей между всеми атомами и молекулами тела. Для этого условия характерным процессом является литьё. Непонятно, почему развёртывание и шлифование расположены в этом уровне, ведь там не происходит нарушение связей между всеми атомами и молекулами. Удаление металла происходит в виде стружки [4]. Второй энергетический уровень расположен между энергией плавления 104 Дж/см3 и энергией испарения металлов 6-104 Дж/см3.
Таблица 1
Энергетические уровни процессов формообразования
Энергетический уровень Способ формообразования Удельный расход энергии, Дж/см3
I Холодное деформирование 1 -101—4-101
Штамповка 2-101—6,5-Ш1
Холодное выдавливание 5,5-102—8,5-102
Точение 1,7-103—2,5-103
Протягивание 2,5-103—3,7-103
Фрезерование 5-103—7,5-103
II Горячее деформирование 9-103—3,4-104
Литье 1,4-104—2,5-104
Развертывание 1,2-104—3-104
Шлифование 5,5-104—7-104
Окончание табл. 1
Энергетический уровень Способ формообразования Удельный расход энергии, Дж/см
Размерная ЭХО 4,25-105-4,35-105
Обработка:
анодно-механическая 1,7-105-5,2-105
III электроконтактная 2,3105-4,6105
электроимпульсная 3,5-105-7,1 -105
электроискровая 1,1-106-2,9-106
ультразвуковая 6105-3,6 106
светолучевая 2,8-107-4,7-107
В третьем энергетическом уровне расположены процессы, при осуществлении которых необходима энергия для полного разрушения сил связи между всеми атомами или молекулами тела. Характерными для этого уровня являются электрохимическая размерная обработка (ЭХРО), электроискровая и электроимпульсная обработки, обработка электронным и световым лучами. Этот уровень расположен выше энергии испарения металлов, т. е. выше 6-104 Дж/см3.
С ростом твердости и прочности материалов растут затраты энергии (рис. 1) [4], снижается производительность обработки. Современные металлы и сплавы имеют предел прочности более 200 МПа, поэтому вполне оправданы высокие энергозатраты электрообработки, так как другие способы формообразования становятся неконкурентоспособными по производительности.
2,0 -
10 ■
-——1_I__I
SO 100 (Js 150
т зоо «з йе
Рис. 1. Энергоёмкость некоторых видов обработки: 1 - обработка лезвийным инструментом; 2 - шлифование; 3 - электроимпульсная; 4 - ЭХО
Fig. 1. Energy intensity of some types of processing 1 - blade tool processing; 2 - grinding; 3 - electric pulse; 4 - EKHO
Анализ
Данные, приведенные в работах [4-6] и табл. 1-3, не согласуются со значениями удельного расхода энергии при электрохимической обработке, представленными авторами [7; 8] (табл. 4).
По мнению этих авторов, затраты при электрохимической обработке в 9-40 раз больше, чем при электроконтактной обработке. Из табл. 1 и 2 видно, что удельные расходы энергии электроконтактной и электрохимической обработок соизмеримы, что не соответствует действительности, так как удаление металла с обрабатываемой поверхности происходит разными размерами частиц: в первом случае - в виде капель расплавленного металла, во втором - в виде ионов металлов.
Подробные показатели разновидностей электрофизических способов обработки приведены в справочнике [6], табл. 3.
Таблица 2
Удельный расход энергии электрических методов обработки
№ п/п Вид обработки Удельный расход энергии, Дж/см3*105
1 Электроискровая 11-29
2 Электроимпульсная 3,5-7,1
3 Электрохимическая 4-6
4 Электроконтактная 2,3-4,6
Таблица 3
Основные показатели электрофизических способов обработки металлов
Вид обработки Средняя удельная производительность, см /с Средний удельный расход энергии, Дж/см3
Электроискровая: 9,3 10-3-1 ■ 10-2 (4,3-7,2) ■ 105
черновая
чистовая 8 ■ 10-4-1,6 ■ 10-3 (1,4-2,0) ■ 106
прецизионная 1,7 ■ 10-6-1,7 ■ 10-5 (2,0-2,5) ■ 106
Электроимпульсная: 1,7 ■ 10-2-1,8 ■ 10-1 (3,5-7,1) ■ 105
черновая
чистовая 8 ■ 10-4-8 ■ 10-3 (2,6-5,8) ■ 105
Электроконтактная:
разрезание 1,6 10-2-1,3 ■ 10-1 (0,3-1,2) ■ 105
точение 1,6 ■ 10-2-6,5 ■ 10-1 (1,2-1,4) ■ 105
обдирка 15-17 (2,3-4,6) ■ 105
прошивание 8,3 ■ 10-3-2,5 ■ 10-2 (0,12-5,8) ■ 104
В табл. 3 вызывают сомнение удельные расходы энергии при электроконтактном прошивании отверстий, которые на порядок меньше, чем остальные виды этой обработки. При электроконтактном прошивании удаление продуктов эрозии из отверстий затруднено, поэтому требуются дополнительные траты энергии.
Таблица 4
Удельный расход энергии некоторых электрических методов обработки
№ Обработка Удельный расход энергии,
п/п Дж/см3*105
1 Электрохимическая 2,52-5,61[5]; 5,61-11,2[6]
2 Электроэрозионная 1,68-3,36
3 Электроконтактная 0,28-0,56
Более полные данные по удельным энергозатратам электрохимической обработки в кВт*час/кг имеются в справочнике [9]. С учётом плотности металлов произведён расчёт энергозатрат на единицу объёма обрабатываемого материала. В табл. 5 приведены результаты расчётов удельных энергозатрат для некоторых металлов.
Таблица 5
Удельные энергозатраты электрохимической размерной обработки металлов в водных растворах нейтральных солей, Дж/см 10
Металл 25%NaCl 30%NaNO3 15%Na2SO4
Сталь У10 1,96 6,44 70,84
Сталь 35ХГС 3,28 3,84 28,03
Сталь 4Х5В2ФС 3,12 4,37 34
Алюминий 1,55 1,94 65,5
Никель 2,14 22,3 39,2
Титановый сплав ВТ8 3,49 5,33 258
Из табл. 5 следует, что наименьшие удельные энергозатраты характерны для электрохимической обработки в водном растворе хлорида натрия. Это объясняется наличием в электролите активирующего аниона хлора, который способствует образованию промежуточных комплексных соединений [10]. При электрохимической обработке в водном растворе сульфата натрия удельные энергозатраты увеличиваются в 10-15 раз, что объясняется пассивацией анода [11]. Это явление особенно характерно при обработке титанового сплава ВТ8, так как титан активный металл, его стандартный электродный потенциал равен -1,2 В [12] и на его поверхности всегда присутствует окисная плёнка.
Методика
Экспериментальные исследования проводились на установке электрообработки с линейным электродинамическим двигателем, описанной в сборнике научных трудов [13]. Для крепления электрода-инструмента было изготовлено приспособление, обеспечивающее проток воды (слабый электролит) через межэлектродный зазор. Методика экспериментальных исследований изложена в работе [14]. Обрабатываемый металл-сталь ХВГ. Однако в этой статье не приведена методика расчёта удельных энергозатрат электро-контактно-химической обработки металлов в электролите по осциллограммам процесса.
IV III II I
Рис. 2. Осциллограмма напряжения и тока ЭКХО Fig. 2. Oscillogram of the voltage and current of the ECHO
Расчет удельного расхода энергии по осциллограмме. Типичная осциллограмма тока, напряжения и межэлектродного зазора при электро-контактно-химической обработке вибрирующим электродом-инструментом в воде приведена на рис. 9. Данные получены при среднем напряже-ниина электродах 16,7 В, амплитуде колебаний инструмента 0,75 мм. При амплитуде колебаний
0,25 мм и средней скорости потока воды в межэлектродном зазоре 1 м/с и менее наблюдается осциллограмма тока и напряжения, характерная для размерной обработки дугой [15; 16].
Осциллограмма разбивается на участки I, II, III, IV. Участок I - это предпробойный период -время образования стримера - канала разряда. Участок II - пробой межэлектродного промежутка, III - контакт электродов, IV - период, когда ток обусловлен анодным растворением обрабатываемого металла (электрохимическая обработка). Определяется площадь каждого треугольника, тем самым будет известно количество электричества, прошедшее в каждый период (участки I - IV). Далее по осциллограмме определяется среднее значение напряжения на каждом участке.
Для участка I имеем
41 = 2 и1а1мМт,
где Н1 - высота треугольника участка I; а1 - длина основания треугольника участка I; М1 -масштаб тока, М} = 2,5А/мм; Мт - масштаб времени, Мт = 0,48 мс/мм.
После расчета количества электричества для всех участков получаем:
qI = 56,25-10-3 Кл; 4П = 76,6-10-3 Кл;
4Ш = 600 -10-3 Кл; = 162 -10-3 Кл.
Среднее напряжение на участках:
и1 = 24,3 В; ип = 17,5 В; иш = 11,3 В; и1У = 25,7 В.
Энергия импульса на участках:
= 1,351 Дж; <ц = 1,348 Дж; <ш = 6,78 Дж; = 4,155 Дж.
С учётом частоты колебаний электрода-инструмента (50 Гц), времени обработки и объёма удалённого металла удельные энергозатраты определяются
W = [^1 + Q2 + Qз + Q4) * f * А / V,
где f - частота колебаний, с-1; t - время обработки, с; V - объём удалённого металла, см3.
Удельный расход энергии составляет W = (3,5-3,8)- 105Дж/см3.
Кроме затрат электрической энергии, расходуемой на процесс электрообработки, необходимо учитывать затраты энергии на вибрацию электрода-инструмента. Эта энергия определяется по известной формуле:
Wв = т * f 2 * А2,
где т - масса электрода-инструмента с приспособлением для его закрепления, кг; А - амплитуда вибрации электрода-инструмента, м. После подстановки данных в вышеприведённую формулу получается, что энергозатраты на вибрацию электрода-инструмента на порядок меньше, чем на процессы электро-контактно-химической обработки.
Заключение
При выборе метода обработки металлов и сплавов важным показателем являются удельные энергозатраты. Для материалов, труднообрабатываемых механическими способами, альтернативой являются методы электрообработки. Анализ литературных данных показал, что показатели по удельным энергозатратам противоречивые, а для комбинированного электроконтактно-химического способа обработки вибрирующим электродом в воде эта характеристика практически отсутствует. Расчёт по осциллограммам процесса показывает, что удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки вибрирующим электродом в воде соответствуют электроэрозионной обработке и электрохимической обработке в водном растворе хлорида натрия или нитрата натрия. При электро-контактно-химической обработке в водном
растворе вышеуказанных солей следует ожидать снижение удельных энергозатрат, так как уменьшаются потери энергии на нагрев электролита в связи с уменьшением его электрического сопротивления, а ионы хлора и нитрата снижают энергию активации обрабатываемого металла.
Библиографические ссылки
1. Верхотуров А. Д., Шпилёв A. M., Евстигнеев А. И. Основы материалогии : монография. Т. 1. Владивосток : Дальнаука, 2012. 270 с.
2. Николенко С. В., Верхотуров А. Д. Новые электродные материалы для электроискрового легирования. Владивосток : Дальнаука, 2005. 219 с.
3. Смоленцев Е. В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М. : Машиностроение, 2005. 511 с.
4. Зубарев Ю., Приемышев А. Теория и практика повышения эффективности шлифования материалов. М. : Лань, 2010. 304 с.
5. Физико-химические методы в производстве газотурбинных двигателей / Ю. С. Елисеев, В. В. Крылов, Б. П. Саушкин и др. ; под ред. Саушкина Б. П. М. : Форум, 2013. 456 с.
6. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 2 / под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. 5-е изд., испр. М. : Машиностроение, 2003. 944 с.
7. Теоретическое обоснование рациональных параметров режима электроконтактной обработки проволочным инструментом / М. Г. Киселев, А. В. Дроздов, А. В. Москаленко, П. С. Богдан // Вестник Гомельского гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. 2012. № 3. С. 3-11.
8. Орлов В. Ф., Чугунов Б. И. Электрохимическое формообразование. М. : Машиностроение, 1990. 240 с.
9. Справочник по электрофизическим и электрохимическим методам обработки / Г. Л. Ами-тан и др. ; под общ. ред. В. А. Волосатого Л. : Машиностроение, 1988. 719 с.
10. Житников В. П., Зайцев А. Н. Импульсная электрохимическая размерная обработка. М. : Машиностроение, 2008. 413 с.
11. Саушкин Б. П., Сычков Г. А., Атанасянц А. Г. Современное состояние и перспективы развития электрохимической размерной обработки // Металлобработка. 2002. № 6. С. 9-17.
12. Справочник по электрохимии / под ред. А. М. Сухотина. Л. : Химия, 1981. 488 с.
13. Совершенствование системы управления установки электрообработки металлов на базе линейного электродинамического двигателя / И. Я. Шестаков, В. И. Шестаков, А. А. Фадеев, Н. А. Швалева // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 3. С. 543-549.
14. Шестаков И. Я., Стрюк А. И., Цуканов А. В. Импульсная электро-обработка вибрирующим электродом-инструментом // Вестник СибГАУ. 2004. Вып. 5. С. 253-258.
15. Носуленко В. И. Размерная обработка металлов электрической дугой // Электронная обработка материалов. 2006. № 1. С. 1-10.
16. Саушкин Б. П. Электрический разряд в жидких и газовых средах основа нового поколения методов и технологий машиностроительного производства // Электронная обработка материалов. 2004. № 1. С. 1-14.
References
1. Verkhoturov A. D., Shpiljov A. M., Evstigneev A. I. Osnovy materialogii [Fundamentals of Ma-terialology]. Vol. 1. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 2012, 270 p.
2. Nikolenko S. V., Verkhoturov A. D. Novye elektrodnye materialy dlya elektroiskrovogo legirovaniya. [New electrode materials for electric spark alloying]. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 2005, 219 p.
3. Smolentsev E. V. Proektirovanie elektricheskih i kombinirovannyh metodov obrabotki. [Design of electrical and combined processing methods]. Moscow, Mechanical Engineering Publ., 2005, 511 p.
4. Zubarev Yu., Priemyshev A. Teoriya i praktika povysheniya effektivnosti shlifovaniya materia-lov [Theory and practice of improving the efficiency of grinding materials]. Moscow, Lan Publ., 2010, 304 p.
5. Eliseev Ju. S., Krylov V. V., Saushkin B. P. Fiziko-himicheskie metody vproizvodstve gazotur-binnyh dvigateley [Physico-chemical methods in the production of gas turbine engines]. Moscow, Forum Publ., 2013, 456 p.
6. Spravochnik tehnologa-mashinostroitelya [Handbook of a mechanical engineer]. Moscow, Ma-shinostroenie Publ., 2003, 944 p.
7. Kiselev M. G., Drozdov A.V., Moskalenko A.V., Bogdan P. S. [Theoretical substantiation of rational parameters of the mode of electrocontact processing with a wire tool]. Vestnik Gomel'skogo gos. tekhn. un-ta im. P. O. Sukhogo. 2012, No. 3, P. 3-11 (In Russ.).
8. Orlov V. F., Chugunov B. I. Elektrokhimicheskoe formoobrazovanie [Electrochemical shaping]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990, 240 p.
9. Spravochnikpo elektrofizicheskim i elektrokhimicheskim metodam obrabotki [Handbook of elec-trophysical and electrochemical processing methods]. Moscow, Mashinostroenie Publ, 1988,719 p.
10. Zhitnikov V. P., Zaitsev A. N. Impul'snaja jelektrohimicheskaja razmernaja obrabotka [Pulsed electrochemical dimensional processing]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2008, 413 p.
11. Saushkin B. P., Suchkov G. A., Atanasyants A. G. [Current state and prospects of development of electrochemical dimensional processing].Metallobrabotka. 2002, No. 6, P. 9-17 (In Russ.).
12. Spravochnik po elektrokhimii [Handbook of Electrochemistry]. Leningrad, Khimiya Publ., 1981, 488 p.
13. Shestakov I. Ya., Stryuk A. I., Bez"yazykov S. A. [Electrical treatment plant with linear elec-trodynamic motor]. Siberian Aerospace Journal. 2021, Vol. 22, No. 3, P. 543-549 (In Russ.).
14. Shestakov I. Ya., Stryuk A. I., Tsukanov A. V. [Impul'snaya elektroobrabotka vibriruyushchim elektrodom-instrumentom]. VestnikSibGAU. 2004, No. 5, P. 253-258 (In Russ.).
15. Nosulenko V. I. [Dimensional processing of metals by electric arc]. Elektronnaya obrabotka materialov. 2006, No. 1, P. 1-10 (In Russ.).
16. Saushkin B.P. [Electric discharge in liquid and gas media is the basis of a new generation of methods and technologies of machine-building production]. Elektronnaya obrabotka materialov. 2004, No. 1, P. 1-14 (In Russ.).
© Шестаков И. Я., Шестаков В. И., Трифанов И. В., Ремизов И. А., 2023
Шестаков Иван Яковлевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электронной техники и телекоммуникаций; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: yakovlevish@mail.ru.
Шестаков Владислав Иванович - аспирант кафедры технического регулирования и метрологии; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: pn3vm4t@gmail.com.
Трифанов Иван Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технического регулирования и метрологии; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: sibgau-uks@mail.ru.
Ремизов Игорь Анатольевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технической механики; Сибирский федеральный университет. E-mail: 2remizov@mail.ru.
Shestakov Ivan Yakovlevich - Dr. Sc., Associate Professor, Professor of the Department of Electronic Engineering and Telecommunications; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology. E-mail: yakov-levish@mail.ru.
Shestakov Vladislav Ivanovich - graduate student of the Department of Technical Regulation and Metrology; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology. E-mail: pn3vm4t@gmail.com.
Trifanov Ivan Vasilievich - Dr. Sc., Professor, Head of the Department of Technical Regulation and Metrology; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology. E-mail: sibgau-uks@mail.ru.
Remizov Igor Anatolyevich - Cand. Sc., associate professor of the department of technical mechanics; Siberian Federal University. E-mail: 2remizov@mail.ru.
