ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ, УСТРОЙСТВА И ИХ ВНЕДРЕНИЕ

INNOVATION SOLUTIONS, TECHNOLOGIES, FACILITIES AND THEIR INNOVATION

Статья поступила в редакцию 16.11.15. Ред. рег. № 2412 УДК 621.9.047.7

The article has entered in publishing office 16.11.15. Ed. reg. No. 2412

doi: 10.15518/isjaee.2015.21.027

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

В.К. Драгунов, Г.М. Петрухин

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д. 14 Тел.: +7(495)362-77-22; e-mail: DragunovVK@mpei.ru

Заключение совета рецензентов: 19.11.15 Заключение совета экспертов: 22.11.15 Принято к публикации: 25.11.15

По своим технологическим показателям электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) имеет ряд уникальных особенностей, позволяющих ей конкурировать с другими методами размерного формообразования. Подчеркивается важность, в условиях бурного внедрения станков с ЧПУ, дальнейшего совершенствования технологических показателей ЭХРО. Электрохимическая размерная обработка сопровождается выделением на катоде газообразного водорода. Рассмотрено влияние водорода на устойчивость и производительность процесса обработки. Установлены условия устойчивости процесса ЭХРО и достижения максимальной производительности.

Ключевые слова: электрохимическая размерная обработка, катодное выделение водорода, устойчивость процесса.

THE HYDROGEN IMPACT ON THE EFFICIENCY AND STEADINESS OF THE ELECTROCHEMICAL MACHINING TREATMENT

V.K. Dragunov, G.M. Petrukhin

National Research University "Moscow Power Engineering Institute" (MPEI) 14 Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russia Tel.: +7(495)362-77-22, e-mail: DragunovVK@mpei.ru

Referred: 19.11.15 Expertise: 22.11.15 Accepted: 25.11.15

The electrochemical machining treatment (ECMT) has the several unique characteristics, which give the advantages over the other methods of materials mechanical treatment. The importance of further development of ECMT and the necessity of its technological parameters improvements, stipulated by the rapid integration of CNC machines, are shown. The influence of hydrogen, produced on the cathode during the ECMT, on its stability and efficiency is researched. The conditions, providing the stable ECMT process with the ultimate efficiency, are proposed.

Keywords: electrochemical machining treatment, hydrogen cathode emission, process stability.

JAI 201

Виктор Карпович

Драгунов Viktor K. Dragunov

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технологии металлов» МЭИ.

Образование: МЭИ (1982).

Область научных интересов: технологии и оборудование для обработки материалов концентрированными потоками энергий, электронно-лучевая сварка.

Публикации: более 100.

Information about the author: Dr. Sci. (engineering), professor, head of the "Technology of metals" department.

Education: MPEI (1982).

Research area: technology and equipment for concentrated energy flows processing of materials, electron beam welding.

Publications: more than 100.

Геннадий Михайлович

Петрухин Gennady M. Petrukhin

Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии металлов» МЭИ. Образование: Московский авиационный технологический институт (1976). Область научных интересов: технологические процессы обработки материалов. Публикации: более 30.

Information about the author: PhD, associate professor of the "Technology of metals" department.

Education: Moscow Aviation Institute (1976). Research area: technologies of materials treatment. Publications: more than 30.

Введение

Повышение производительности - одна из актуальных задач любого метода размерной обработки. Известно, что причины ограничения роста производительности обработки могут меняться в зависимости от конкретных условий проведения операции. В стратегическом плане препятствий повышению технических характеристик обрабатывающего оборудования и технологической оснастки нет, поэтому из причин, тормозящих рост производительности обработки, на первый план выходят ограничивающие факторы самого метода обработки, связанные, в общем случае, с физико-химическими процессами в рабочей зоне. Негативное действие последних может проявляться в ограничении стойкости инструмента или снижении до неприемлемого уровня качественных показателей обработки.

Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) не является исключением, но в отличие от традиционных методов формообразования процесс ЭХРО не сопровождается износом электрода-инструмента. Отсутствие связи производительности обработки и стойкости инструмента позволяет устанавливать режимы формообразования «по максимуму» для конкретных условий операции.

В последние годы уникальные технологические особенности этого метода обработки находят все большее применение для обработки мелкоразмерных полостей и деталей малой жесткости, выдерживая

конкуренцию с трех- и пятикоординатными фрезерными станками с ЧПУ [1, 2]. Однако возросшая конкуренция механических методов обработки требует дальнейшего совершенствования технологических показателей ЭХРО.

Важнейшим показателем для ЭХРО остается точность формообразования, поскольку при общей относительно высокой производительности обработки точность всегда была «узким» местом этого метода. Удаление металла с заготовки при ЭХРО происходит в виде ионов, и потенциально этот метод мог бы обеспечить высочайшую точность обработки. Однако из-за сложности локализации съема на отдельных участках обрабатываемой поверхности такая возможность частично реализуется только при существенном уменьшении межэлектродных зазоров (с десятых долей миллиметра на постоянном токе до сотых долей миллиметра при импульсно-циклической обработке). Такое значительное снижение межэлектродного зазора сопровождается соответствующим снижением (в 10-15 раз) производительности обработки. В этих условиях становится актуальной задача оптимизации ЭХРО по критерию максимальной производительности. Рассмотрим этот вопрос для случая ЭХРО на постоянном токе при непрерывном движении электролита через межэлектродный промежуток и для условий импульсно-циклической ЭХРО, когда в рабочем межэлектродном промежутке из-за малости межэлектродного зазора электролит можно считать практически неподвижным.

Анализ причин нарушения устойчивости ЭХРО

Достижение предельных режимов ЭХРО преимущественно связывается с процессом катодного выделения водорода [3, 4]. Производительность ЭХРО в результате влияния катодного газовыделения снижается, и сам процесс при определенных условиях может быть полностью блокирован. Катодный водород в потоке электролита формируется вдоль катодной поверхности в виде клина из газовых пузырьков. Толщина этого пузырькового клина растет по ходу движения электролита и может достичь поверхности анода. Мелкие газовые пузырьки в этих условиях могут сливаться в более крупные газовые образования. С ростом газосодержания (отношения объема газа к объему межэлектродного промежутка) непрерывный режим течения электролита может перейти в пульсирующий как результат образования в межэлектродном промежутке газовых пробок. Развитие пульсаций может привести к явлению «фазового запирания», при котором газовая пробка, занимая значительную часть межэлектродного промежутка, нарушает процесс анодного растворения.

Для предотвращения момента «фазового запирания» представляется естественным повышение скорости течения электролита, что позволило бы снизить газосодержание электролита в межэлектродном промежутке. Однако повышение скорости течения электролита может привести к «гидродинамическому запиранию» межэлектродного промежутка. Причина «гидродинамического запирания» в том, что скорость течения электролита ограничена моментом достижения потоком местной скорости звука, величина которой быстро падает с ростом газосодержания в рабочем промежутке. При равных объемах жидкой и газовой фаз в межэлектродном промежутке местная скорость звука сопоставима с рабочими значениями скорости электролита 12,5 м/с. Явление «гидродинамического запирания» ограничивает предельный расход электролита. По этой причине предлагается ограничивать область оптимальных режимов ЭХРО пределами гидродинамической устойчивости процесса.

Влияние катодного газовыделения на предельные режимы обработки рассматривалось и для условий импульсно-циклической ЭХРО. И для этих условий отмечено негативное влияние катодного водорода на предельные режимы обработки. Установлено, что импульсная обработка на малых зазорах эффективна в каждом импульсе до момента достижения определенного (приблизительно 0,7) газосодержания электролита в межэлектродном промежутке.

Негативное влияние катодного выделения водорода на предельные режимы обработки подтверждается работами многих исследователей, однако однозначности в этом вопросе нет. Ряд исследователей [5], изучая природу факторов, ограничивающих предельную скорость ЭХРО, отметили, что нестабильность процесса и электрический пробой межэлектродного зазора являются следствием локального

перегрева электролита. Исследуя возможности энерговвода в межэлектродный промежуток в режиме импульсной ЭХРО, авторы пришли к выводу, что предельная длительность импульса ограничена моментом закипания электролита. В разработанной по результатам экспериментов физической модели «фазового запирания» межэлектродного промежутка принимается во внимание только нагрев электролита. В исследованиях влияния электродного газовыделения на электропроводность электролита был сделан вывод, что нагрев электролита и его газонаполнение по степени воздействия на электропроводность равномощны, и они взаимосвязаны друг с другом при любых условиях ЭХРО.

Противоречат однозначному принятию той или иной причины нарушения устойчивости процесса ЭХРО и результаты исследования зависимости производительности от напряжения на электродах [6]. Эксперименты показали, что функция изменения производительности от напряжения для различных зазоров имеет экстремальный характер. Максимум производительности наблюдался при напряжениях 12-16 В. Причина такого характера изменения производительности осталась невыясненной.

Из приведенного краткого анализа можно сделать вывод, что, с одной стороны, возможные причины нарушения устойчивости процесса ЭХРО известны -это электродное газовыделение и закипание электролита, а с другой, отсутствует единое мнение на преобладающее влияние какой-либо из них на предельную производительность ЭХРО. Разберем этот вопрос аналитически.

Условия нарушения устойчивости процесса ЭХРО

Для большинства случаев влияние тепло- и газовыделения на процесс ЭХРО может быть раскрыто с применением метода одномерного описания, в котором смесь жидкой и газовой фаз считается некоторой псевдонепрерывной средой с усредненными свойствами по сечению потока.

Примем следующие допущения:

- ширина межэлектродного промежутка постоянна;

- в процессе обработки сохраняется плоскопарал-лельность межэлектродного промежутка;

- нагрев электролита происходит в результате джоулева тепловыделения, то есть воздействие всех других источников нагрева компенсируется теплопередачей через поверхность электродов.

Начало координат поместим в заданную точку рабочей поверхности катода. Ось х направим вдоль по потоку, а у - по нормали к нему. При таких условиях процесс ЭХРО описывается следующей системой уравнений [6]:

эе эе и2x

--+ W— =-

дт dx S2 (1 -ß)pcp

(1)

+ W dß Эт dx

Пн ^н UxRT

x _ xH (1 + а0)(1 -ß)

(2)

(3)

где 6, в - прирост температуры и газосодержание; т - время; W - скорость электролита; U -напряжение; Пн2, ен - выход по току и электрохимический эквивалент водорода; x - удельная электропроводность электролита; Т, Р - температура и давление электролита; р, Cp - плотность и удельная теплоемкость электролита; а - температурный коэффициент электропроводности электролита.

Примем следующие начальные и граничные условия:

6(х,0) = 0; 6(0, т) = 0; в(х,0) = 0; в(0, т) = 0.

Рассмотрим случай импульсно-циклической ЭХРО. Из-за малой величины межэлектродного зазора можно принять условие неподвижности электролита 0. Система (1)-(3) при неизменных начальных условиях принимает вид

U 2Х

Э9__

Эт_ S2(1 -ß)pCp

dß Эт

nHz SHi UxRT

X_Xн(1 + a0)(1 -ß)".

(4)

(5)

(6)

Из совместного решения (4) и (5) соотношение между приростом температуры электролита и газосодержанием определяется как

dß 1 -ß

е н pCRT 2 н2 p -d0.

S2 P

(7)

Таким образом, чем ниже среднее давление электролита и напряжение, тем существенней прирост газосодержания по отношению к приросту температуры. Поскольку в последнем уравнении отсутствует величина межэлектродного зазора, то эта закономерность сохраняется для ЭХРО с любым законом движения электрода-инструмента.

Рассмотрим влияние теплогазовыделения на предельные (максимальные) режимы ЭХРО. В общем случае нарушение процесса ЭХРО наблюдается, если эффективная удельная электропроводность электролита на каком-либо участке межэлектродного промежутка стремится к предельному значению, что, согласно (3), соответствует условию, когда газосодержание в межэлектродном промежутке приближается к единице. Если температура электролита ниже температуры кипения, то газовая фаза в промежутке

состоит только из продуктов электролиза. В случае перегрева электролита появляется новый источник газовой фазы - испарение электролита. Скорость образования пара значительно превосходит скорость электродного газовыделения (при 15 В более чем на порядок), и, соответственно, время от момента закипания электролита до момента фазового «запирания» межэлектродного промежутка мало, поэтому условия прекращения процесса ЭХРО принимают следующий вид:

ß = ßx

(8)

или (и)

Т = Тфп, (9)

где вкр = 0,5-0,7 - критическая величина газосодержания; Тфп - температура фазового превращения (кипения) электролита.

Поскольку соотношение между газосодержанием и приростом температуры зависит от произведения величин давления электролита и напряжения (см. (7)) и пределы изменения в и 6 ограничены, то величина этого произведения и определяет условия нарушения процесса ЭХРО. Величина давления электролита за время импульса напряжения непрерывно меняется, причем управлять этим процессом практически сложно, поэтому основным параметром, который может быть использован для регулирования соотношения между газосодержанием и температурой электролита, остается напряжение. Напряжение, при котором с интенсификацией обработки, например, уменьшением зазора, нарушение процесса ЭХРО наступает от единовременного воздействия катодного газовыделения и перегрева электролита, можно назвать напряжением равного влияния (ирв).

Условия достижения максимума производительности ЭХРО

Условия достижения максимума производительности ЭХРО в пульсирующем электролите можно оценить по предельной величине количества электричества qпр, вводимого в межэлектродный промежуток.

Предельную величину qпр для случая ЭХРО при U < Црв найдем из (5):

9пр _

ß P

Ккр ср

Пн2 ен2 RT

а для ЭХРО при U > UpB - из (4):

РСp 0кр

U

1 +

Пн2 ен2 PCPRT 2UP„„

А '

(10)

(11)

Для анодного процесса предельным значениям qпр соответствует предельная величина производительности обработки. Как следует из (10), при и < Црв

шт

204

величина предельной производительности ЭХРО непосредственно не зависит от напряжения, а меняется в соответствии с изменением давления электролита, в то время как при и > ирв (см. (11)) предельная производительность обратно пропорциональна напряжению. В первом случае определяющее влияние на максимум производительности оказывает электродное газовыделение, во втором - закипание электролита. Таким образом, для ЭХРО при и < ирв предельная длительность импульса напряжения должна рассчитываться из условия достижения критического газосодержания в МЭП, а для ЭХРО при и > ирв рассчитывается из условия нагрева электролита до температуры кипения.

Поскольку в общем случае предельные параметры процесса ЭХРО достигаются при различной температуре электролита, то, следовательно, и удельная энергия, вводимая в межэлектродный промежуток до наступления предельных параметров, не постоянна, а зависит от условий ЭХРО. Физическая модель фазового «запирания» межэлектродного промежутка, разработанная в [7], не учитывает этого, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее. Вводимая за импульс удельная энергия (Еуд) определяется как

Ед = Uí jdт •

S

Применяя теорему Лагранжа о среднем, определим предельное значение удельной энергии для

U < UPB и U > U„B из (4) и (5):

при U < ир1

Ед =

при U > ир1

Еуд =■

U ßKp Рр Ли, е» RT

pCp вкр

Пи, еи, PCPRT '

(1,)

(13)

1 +

2UP„,

Анализ последних уравнений позволяет раскрыть причины противоречивости выводов исследователей о влиянии теплогазовыделения на предельные режимы ЭХРО. С некоторой долей погрешности уравнения (12) и (13) можно представить в упрощенном виде:

для случая U < U^

Еуд = const-U ß к для случая U > U^

Еуд = const- е„.

(14)

(15)

Величины Ркр, 6кр не внесены в число постоянных только потому, что это позволяет для каждого случая

выделить основную причину нарушения устойчивости ЭХРО. Из сопоставления последних уравнений следует, что максимум удельной энергии, которую возможно ввести в межэлектродный промежуток, сохраняет постоянное значение только при напряжениях и > ирв. Результаты экспериментальных данных и выводы, отмеченные в работе [5], можно объяснить тем, что эксперименты проводились при повышенных напряжениях (до 300 В). В этих условиях согласно (15) изменение удельной энергии от напряжения несущественно. Следовательно, рекомендуемая в этой работе формула для расчета предельной длительности импульса применима только для ЭХРО при высоких напряжениях. В пределах изменения и < ирв максимум удельной энергии пропорционален напряжению на электродах, и предельная длительность импульса, как отмечалось выше, должна рассчитываться из условия предельного газосодержания в МЭП.

Если в ходе эксперимента длительность импульса сохраняется постоянной, то (14) и (15) можно переписать в следующем виде:

для случая U < Uw

дуд = const- ß(U),

(16)

где в пропорционально напряжению и меняется в пределах 0 < в < вкр; для случая и > ирв

дуд = const-eKp

(17)

Таким образом, при постоянной длительности импульса изменение величины удельного количества электричества, а соответственно, и анодного съема металла, представляет экстремальную функцию с максимумом при и = ирв. Это снимает трудности интерпретации результатов ранее рассмотренных экспериментов [6].

Продолжим рассмотрение для случая стационарного режима ЭХРО, когда все параметры по длине промежутка принимают установившееся и независимое от времени значение. В этом случае (1) и (2) при тех же граничных условиях принимают следующий вид:

U 2Х

w де=_

dx S 2(1 -ß) pCp

w

dß

дх

U xRT

S2 P

(18)

(19)

После совместного решения (18) и (19) получаем уравнение, полностью совпадающее с (7), что указывает на качественное подобие процессов, протекающих в рассматриваемом объеме электролита в случаях, если он неподвижен за время импульса или движется в межэлектродном промежутке со скоростью Ж.

Анализ результатов

Таким образом, независимо от способа ЭХРО и закона движения электрода-инструмента в процессе обработки, влияние электродного газовыделения на изменение эффективной удельной электропроводности межэлектродной среды тем существенней, чем меньше напряжение и давление электролита в промежутке, а критерий устойчивости (соответственно, критерий максимальной производительности) меняется в зависимости от напряжения на электродах.

Заключение

Из приведенного рассмотрения можно сделать ряд практических выводов:

- для повышения производительности ЭХРО нет необходимости в применении источников повышенного напряжения; максимум производительности достигается при напряжении и = ирв;

- для ЭХРО некоторых металлов и сплавов с целью предотвращения пассивации необходима повышенная температура электролита; регулировать среднюю температуру электролита при импульсно-циклической ЭХРО возможно, изменяя напряжение на электродах;

- эффективным средством повышения максимальной производительности ЭХРО является снижение катодного газовыделения.

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения от 28 ноября № 14.577.21.0148.

Уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (проекта): №МЕР157714Х0148.

Список литературы

1. Смоленцев В.П., Шаров В.П. Конкурентоспособные технологии электрохимических методов обработки // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. № 4. С. 43-45.

2. Строшков В.П., Пшеничников В.А. Высокоточное скоростное электрохимическое формообразование - экономичный и ресурсосберегающий метод металлообработки // Технология машиностроения. 2008. № 6. С. 9-11.

3. Давыдов А. Д., Козак Е. Высокоскоростное электрохимическое формообразование. М.: Наука 1990.

4. Зайдман Г.Н., Корчагин Г.Н. Ограничения возможности повышения производительности электрохимической размерной обработки / В сб.: Электродные процессы в технологии электрохимической обработки материалов. Кишинев: «Штиинца», 1980. С. 54-63.

5. Рыбалко А.В., Зайдман Г.Н., Энгельгардт Г.Р. Определение времени «запирания» межэлектродного промежутка в импульсной ЭХО / В сб.: Размерная электрохимическая обработка деталей машин. Тула, 1980. С. 231-237.

6. Козак Е. и др. Исследование влияния параметров процесса на технологические показатели импульсной электрохимической обработки. VI международный симпозиум по электрическим методам обработки (ИСЕМ-6). Краков, ПНР. 1980. С. 309-314.

7. Рыбалко А.В., Зайдман Г.Н. Энергетические возможности импульсной электрохимической обработки металлов // Электронная обработка материалов. 1979. № 4. С. 17-30.

References

1. Smolencev V.P., Sarov V.P. Konkurento-sposobnye tehnologii elektrohimiceskih metodov obrabotki // Naukoemkie tehnologii v masinostroenii. 2013. № 4. S. 43-45.

2. Stroskov V.P., Psenicnikov V.A. Vysokotocnoe skorostnoe elektrohimiceskoe formoobrazovanie - eko-nomicnyj i resursosberegausij metod metalloobrabotki // Tehnologia masinostroenia. 2008. № 6. S. 9-11.

3. Davydov A.D., Kozak E. Vysokoskorostnoe elektrohimiceskoe formoobrazovanie. M.: Nauka 1990.

4. Zajdman G.N., Korcagin G.N. Ogranicenia voz-moznosti povysenia proizvoditel'nosti elektrohimiceskoj razmernoj obrabotki // V sb.: Elektrodnye processy v tehnologii elektrohimiceskoj obrabotki materialov. Kisinev: ''Stiinca'', 1980, S. 54-63.

5. Rybalko A.V., Zajdman G.N., Engel'gardt G.R. Opredelenie vremeni «zapirania» mezelektrodnogo promezutka v impul'snoj EHO // V sb.: Razmernaa elektrohimiceskaa obrabotka detalej masin. Tula, 1980. S. 231-237.

6. Kozak E. i dr. Issledovanie vliania parametrov processa na tehnologiceskie pokazateli impul'snoj elektrohimiceskoj obrabotki // VI mezdunarodnyj simpozium po elektriceskim metodam obrabotki (ISEM-6). Krakov, PNR. 1980. S. 309-314.

7. Rybalko A.V., Zajdman G.N. Energeticeskie vozmoznosti impul'snoj elektrohimiceskoj obrabotki metallov // Elektronnaa obrabotka materialov. 1979. № 4. S. 17-30.

Транслитерация по ISO 9:1995

Г.-": — TATA — í >

¡MM 206