Розмірна обробка металів електричною дугою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

УДК 621. 9. 048. 4

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Розмірна обробка металів електричною дугою

Носуленко Віктор Іванович

Київ 1999

Дисертація є рукописом

Роботу виконано в Кіровоградському державному технічному університеті

Науковий консультант - д.т.н., професор Коваленко Володимир Сергійович НТУУ "КПІ", декан ФХМ (м. Київ).

Офіційні опоненти:

д.т.н., професор Лєсков Григорій Іларіонович, інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, головний науковий співробітник, м. Київ

д.т.н., професор Пархоменко Володимир Дмитрович, Український інститут науково-технічної і економічної інформації, директор, м. Київ

д.т.н., професор Петров Станіслав Володимирович, інститут газу НАНУ, ведучий науковий співробітник, м. Київ

Провідна установа Інститут проблем матеріалознавства НАН України, відділ інструментального матеріалознавства, м. Київ

Захист відбудеться 17 травня 1999 року о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 26.002.15 НТУУ "Київський політехнічний інститут", 252056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37; корп. 19, ауд. 417.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "київський політехнічний інститут"

Автореферат розіслано 16 квітня 1999 р.

Відгуки на автореферат дисертації в двох примірниках, завірені гербовою печаткою, прохання надсилати на адресу Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", ученому секретарю

Учений секретар спеціалізованої вченої Ради доктор технічних наук, професор Головко Л.Ф.

Анотаціі

Носуленко В. І. Розмірна обробка металів електричною дугою. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 1998.

Дисертацію присвячено розробці теоретичних основ, технологій і обладнання та впровадженню у виробництво нового високоефективного способу електрофізичної розмірної обробки металів, автором якого є здобувач. Спосіб отримав назву РОД (розмірна обробка дугою) і відрізняється тим, що обробку здійснюють стаціонарною електричною дугою в поперечному потоці рідини відповідних гідродинамічних характеристик. Установлено, що стаціонарна електрична дуга в поперечному потоці рідини, яка раніше не була об'єктом досліджень і не отримувала практичного застосування, є високоефективним джерелом тепла для розмірної обробки металів та інших цілей науки і нових технологій. Розроблено технологічні схеми формоутворення, створено принципи побудови та розроблено типові технологічні процеси РОД. Розроблено нову концепцію проектування верстатів, яка характеризується локальним підведенням робочої рідини в зону обробки, і конструкції типових універсальних та спеціальних верстатів РОД. Верстати і технологію РОД впроваджено в виробництво.

Ключові слова: металообробка, електроерозія, продуктивність, ресурсозбереження, електрична дуга, технологія, обладнання.

Носуленко В. І. Размерная обработка металлов электрической дугой. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 Процессы физико-технической обработки. Национальний технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 1998.

Диссертация посвящена разработке теоретических основ, технологии и оборудования и внедрению в производство нового високоэффективного способа электрофизической размерной обработки металлов, автором которого является соискатель. Способ получил название РОД (размерная обработка дугой) и отличается тем, что обработку осуществляют стационарной электрической дугой в поперечном потоке жидкости соответствующих гидродинамических характеристик.

Показано, что способ РОД является разновидностью и объективно следующим этапом развития электроэрозионной обработки (ЭЭО), а все способы ЭЭО основаны на использовании электрических разрядов единой физической природы того, что называют электрическим дуговым разрядом. На этом основании предложена классификация способов ЭЭО.

Исследована электрическая дуга в поперечном потоке жидкости как источник тепла для размерной обработки металлов. Установлено, что энергетические характеристики такой дуги, которые определяются прежде всего плотностью тока и напряженностью электрического поля, регулируются легко, плавно и в широких пределах, значительно превышают энергетические характеристики известных сварочных и плазменных дуг и соответствуют энергетическим характеристикам нестационарного (искрового) электрического разряда в условиях известных способов ЭЭО. Это позволяет рассматривать такую дугу как качественно новый источник тепла для науки и новых технологий и, в частности, исполшьзовать для размерной обработки металлов.

Предложена и обоснована гипотеза, которая объясняет особенности и характер взаимодействия электрической дуги с поперечным потоком среды-диэлектрика, согласно которой установлена закономерность взаимодействия электрического поля, материальной формой проявления которого является электрическая дуга, и силового поля, материальной формой проявления которого является поток среды-диэлектрика, состоящая в преобразовании энергии электрического поля в энергию собственного магнитного поля дуги, которое сжимает, удерживает и уравновешивает давлпение плазмы в столбе дуги высоких энергетических характеристик. Таким образом, в столбе дуги, которая протекает в поперечном потоке среды-диэлектрика, одновременно достигается и получение, и удержание плазмы высоких энергетических характеристик.

По своим энергетическим характеристикам, а также по эффекту теплового воздействия на металл, в частности, по зоне термического влияния, электрическая дуга в поперечном потоке жидкости соответствует нестационарному (искровому) электрическому разряду в условиях известных способов ЭЭО. Однако, по сравнению с последним имеет важное преимущество она независимо от тока обеспечивает стабильные энергетические характеристики, которые легко регулируются, а значит обеспечивает как качественную, так и количественную стороны процесса обработки в значительно более широком диапазоне режимов, начиная от грубого размерного плавления и вплоть до тонкого размерного испарения, в частности, позволяет реализовать высокопроизводительную обработку (десятки тысяч ммі/мин) на больших токах (сотни и тысячи ампер) при высоком качестве обработки и глубине зоны термического влияния в пределах сотых долей миллиметра или даже при ее отсутствии. Обеспечиваются при этом и другие преимущества, в частности примерно вдвое уменьшается энергоемкость процесса, в несколько раз уменьшается стоимость источников питания технологическим током.

Электрическая дуга в поперечном потоке среды-диэлектрика может быть высокоэффективно использована для новых технологических целей, таких как поверхностное упрочнение металлов, получение металлических порошков необходимой степени дисперсности, плазменной резки металлов, подводной резки, получения металлических суспензий, проведения химических реакций, получения и удержания в столбе дуги плазмы высоких энергетических характеристик и пр.

Физический механизм электрической эрозии при РОД характеризуется беспрнерывным подведением энергии в зону обработки, беспрерывным горением дуги и беспрерывным существованием источников тепла на электродах. Поэтому беспрерывным является тепловое воздействие дуги на электроды и беспрерывно происходит процесс эрозии. При этом физическая природа существования электрической дуги предусматривает дискретный характер ее перемещения, а, следовательно, и дискретный характер процесса эрозии, что является безусловным свойством дуги.

Описана феноменологическая модель физического механизма электрической эрозии в условиях РОД, что отвечает существующим представлениям в области электрической дуги и подтверждается совокупностью полученных экспериментальных данных.

РОД позволяет осуществить практически все технологические схемы формообразования, характерные для обработки металлов резанием, и, кроме того, технологические схемы формообразования, которые в известной степени приближены к схемам обработки металлов давлением, прежде всего, схему обработки поверхностей по принципу прошивания с объемным копированием формы электрода-инструмента. Для реализации конкретных технологий и разработки технологических схем формообразования изложены унифицированные технологические приемы в виде перечня и описания способов реализации процесса РОД.

Производительность обработки прямо пропорциональна току, который ограничивается лишь площадью поперечного сечения электрода (не более 1...2 А/ммІ) и может достигать 1000 А и более, что обеспечивает высокую производительность, во много раз превышающую производительность известных способов ЭЭО (на порядок и больше) при высоком качестве обработки (глубине зоны термического влияния в пределах сотых долей миллиметра и шероховатости поверхности Ra 6,3). Точность обработки при копировально-прошивочных операциях соответствует обычной точности инструментальных работ. Удельный расход электроэнергии для сталей колеблется в пределах 100...300 кДж/смі (3...10 кВтч/кг).

При проектировании станков РОД реализована концепция локального подведения рабочей жидкости в зону обработки, для чего разработан системный ряд электроэрозионных головок разнообразных конструкций. Это позволяет не только устранить недостатки существующих электроэрозионных станков (сложность конструкции, металлоемкость, неудобство обслуживания), но и реализовать процесс РОД на металлорежущих станках без потери последними своих основных функций, что значительно расширяет их технологические возможности. Описаны особенности проектирования станков РОД в виде типовых конструкторских решений, что позволяет проектировать как универсальные и специальные копировально-прошивочные станки РОД, так и электроэрозионные головки РОД к металлорежущим станкам. Описаны принципиальные схемы, типовые конструкции и порядок работы, а также сформулированы требования к станциям рабочей жидкости, системам автоматической подачи электрода-инструмента и источникам питания технологическим током.

Приведены технологические характеристики, назначение и область применения, комплект установки, описание конструкций и порядок работы типовых станков и электроэрозионных головок РОД, а именно: универсальных копировально-прошивочных станков "Дуга 8" и "Дуга 11", специального горизонтального прошивочного станка "Дуга 13", специального горизонтального резьбонарезного станка "Дуга25", переносной электроэрозионной машины "Дуга 23", электроэрозионных головок АМН-1 и АМН-2 к настольным сверлильным станкам. Показано, что станки и электроэрозионные головки РОД к металлорежущим станкам могут быть высокоэффективно и широко использованы как в инструментальном, так и в основном производстве, а также при выполнении ремонтных работ, что позволяет рассматривать их как станки массового спроса.

Описаны сложные, оригинальные и уникальные процессы РОД, которые требуют индивидуальных подходов и соответствующей теоретической и экспериментальной доработки, а именно: РОД полостей штампов для горячей штамповки, РОД сопряженных пар рабочих деталей разделительных штапов, РОД глубоких отверстий, многоэлектродная прошивка отверстий и полостей, очистка способом РОД твердосплавных вставок прессформ для синтеза алмазов.

Станки и технология РОД внедрены в производство.

Ключевые слова: металлообработка, электроэрозия, производительность, ресурсосбережение, электрическая дуга, технология, оборудование.

Nosulenko V. I. Size machining of metals by electric arc. Manuscript.

The dissertation for searching of academic degree of Doctor of technical sciences on spesiality 05.03.07 processes of physic- technical machining. The National Ukraine Technical University "Kyiv Politechnical Institute", Kyiv, 1998.

The dissertation is devoted to development of theoretical base, technology and equipment of new high effective electrophysic method of machining of metals, the author of wich is competitor. The method was named ASM (Arc Size Machining) and differs by the following: machining is realized by stationary electric arc in the cross flow of liquid of corresponding hydrodynamic characteristics. There is established, that the stationary electic arc in the cross flow of liquid, which was not an object of investigations and was not put into practice, is a high effective heat source for size machining of metals and for other new techniques. Technological schemes of shaping are developed. Principles of working out of technological processes and typical ASM technological processes are developed. New conception of machine tool designing, which cheracterised by local feed of working liquid of corresponding hydrodynamic characteristics universal and special ASM machines are developed. ASM machines and technologies are put into practice.

Key words : machining of metals, electrical erosion, productivity, economy of resources, electric arc, technology, equipment.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із прогресивних способів електрофізичної обробки металів, що забезпечує широкі технологічні можливості, є електроерозійна обробка (ЕЕО). проте вона знаходить обмежене практичне застосування, оскільки не забезпечує достатньо високої продуктивності процесу. В цьому зв'язку певний практичний інтерес являє розроблений нами спосіб, що отримав назву розмірної обробки електричною дугою надалі РОД.

РОД це принципово новий процес обробки металів, заснований на використанні стаціонарної електричної дуги. Він є різновидом електроерозійної обробки (ЕЕО), по суті, об'єктивно наступним етапом її розвитку. Порівняно з відомими способами ЕЕО, заснованими на використанні нестаціонарного електричного розряду (електроіскрова обробка), РОД забезпечує такі переваги:

1. Значно більш високу продуктивність (в 5...10 разів і більше), що наближується до продуктивності обробки металів різанням. продуктивність РОД прямо пропорційна струму дуги. В умовах РОД струм дуги може досягати сотень і тисяч ампер. Відомих обмежень по струму обробки, характерних для електроіскрової обробки, тут нема.

2. Менші питомі витрати електроенергії (приблизно вдвічі), що помітно підвищує економічну ефективність процесу.

3. Джерела живлення технологічним струмом (звичайні джерела живлення зварювальної дуги) значно дешевші (в 3...5 разів), широко розповсюджені та загальнодоступні, є в достатній кількості.

4. Розроблені порівняно прості та дешеві електроерозійні верстати РОД та системний ряд компактних, простих і дешевих електроерозійних головок (ЕЕГ) реалізують концепцію локального підведення робочої рідини в зону обробки (тобто робочої ванни з рідиною, як це характерно для звичайних електроерозійних верстатів, нема). Це дозволяє високоефективно здійснити обробку як профільованим, так і непрофільованим електродом, як на універсальних і спеціальних верстатах РОД, так і на будь-яких металоріжучих верстатах без втрати останніми своїх основних функцій, як в найбільш сучасному інструментальному цеху, так і в будь-якій ремонтній майстерні. тому верстати РОД стають верстатами масового попиту.

Як високоефективний альтернативний процес спосіб РОД порівняно з традиційними способами металообробки (різанням, тиском) забезпечує такі переваги:

1. Вихідний енергоносій (електроенергія) не перетворюється в силову енергію (тобто не потрібен двигун і відповідні ланки кінематичного ланцюга верстата), а реалізується в зоні обробки безпосередньо, виконуючи відповідну операцію при необхідних якості та продуктивності обробки. При цьому продуктивність обробки змінюється простим регулюванням струму обробки.

В результаті верстат значно спрощується та здешевлюється, а процес стає більш мобільним.

2. Обробка здійснюється без помітних механічних зусиль на інструмент та без силової дії на заготовку. Відповідно виключається необхідність передачі значних механічних зусиль через систему ВПІД, що дозволяє помітно спростити та здешевити верстат в цілому.

3. Відсутня необхідність застосування спеціальних інструментів, більш твердих, ніж метал, що обробляється. Інструмент для РОД (електрод) помітно простіший та дешевший, ніж інструменти, які застосовуються при традиційних способах металообробки (різець, свердло, протяжка, штамп).

4. Продуктивність обробки не залежить від твердості та в'язкості металу, який обробляється, що важливо в умовах зростаючого застосування важкооброблюваних матеріалів.

5. Широкі можливості реалізації різноманітних технологічних схем формоутворення як непрофільованим, так і, особливо, профільованим електродом, зокрема, копіювання форми електрода на поверхні заготовки при простому поступальному русі електрода, що дозволяє отримати, аналогічно процесу штампування, різноманітні отвори, порожнини стержні та інші вироби складної форми.

6. Існує можливість виконувати ряд технологічних операцій, які неможливо виконати іншими способами обробки, наприклад, різноманітні глибокі отвори в важкооброблюваних матеріалах.

Викладені переваги РОД, досягнутий рівень розробок, простота реалізації і наявність відповідної техніки (джерел живлення дуги і т. і.) роблять РОД високоефективним альтернативним процесом металообробки, що має широкі технологічні можливості, визначену область раціонального застосування та забезпечує високу економічну ефективність, перш за все, більш високу продуктивність та ресурсозбереження, а отже обумовлює актуальність цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконана в лабораторії РОД ("Розмірна обробка дугою") Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування згідно діючих з 1973 року різноманітних галузевих програм, планів та тем, а також згідно діючого на цей час "Координаційного плану науково-дослідних робіт Міносвіти України" за фаховим напрямком "Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні".

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень розробка теоретичних основ, технології і обладнання та впровадження у виробництво нового високоефективного способа електрофізичної розмірної обробки металів електричною дугою.

Поставлена мета роботи реалізована шляхом вирішення таких задач:

1. пошук та встановлення закономірностей розвитку процесів ЕЕО та взаємозв'язок з ними способу РОД який об'єктивно є наступним етапом розвитку ЕЕО. Аналіз основних фізичних умов реалізації ЕЕО та розробка класифікаційних ознак і класифікації способів ЕЕО.

2. Теоретичні дослідження електричної дуги як джерела тепла для розмірної обробки металів. Експериментальні та теоретичні дослідження стаціонарної електричної дуги в поперечному потоці рідини як високоефективного джерела тепла для розмірної обробки металів та інших цілей науки і нових технологій.

3. Дослідження та опис феноменологічної моделі фізичного механізму електричної ерозії металів в умовах РОД.

4. Розробка технологічних схем формоутворення та дослідження технологічних характеристик процесу РОД. Розробка типових технологічних процесів РОД.

5. Розробка концепції та основ проектування верстатів РОД, як верстатів масового попиту. Конструкції типових верстатів РОД.

6. Розробка і впровадження у виробництво типових технологій та обладнання РОД.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано, досліджено, розроблено теоретичні основи і описано новий високоефективний спосіб електрофізичної розмірної обробки металів, що отримав назву РОД і який відрізняється тим, що обробку здійснюють електричною дугою в поперечному потоці рідини.

2. Показано, що РОД об'єктивно є наступним етапом розвитку ЕЕО, а всі різновиди ЕЕО мають однакову фізичну природу вони реалізують електричний дуговий розряд в поперечному потоці рідини різноманітних форм, але певних гідродинамічних характеристик. На цій підставі запропоновано класифікаційні ознаки та класифікацію способів ЕЕО.

3. Експериментально та теоретично досліджено і описано як джерело тепла для розмірної обробки металів стаціонарну електричну дугу в поперечному потоці рідини, яка раніше не була об'єктом досліджень. Показано, що таку дугу можна розглядати як високоефективне якісно нове джерело тепла для розмірної обробки металів та інших цілей науки і нових технологій.

4. Запропоновано і обгрунтовано гіпотезу, яка пояснює фізичний механізм взаємодії електричної дуги з поперечним потоком середовища-діелектрика.

5. Показано, що стаціонарна електрична дуга в поперечному потоці рідини як джерело тепла для ЕЕО порівняно з нестаціонарним розрядом має важливу перевагу вона забезпечує стабільні енергетичні характеристики, які легко регулюються незалежно від струму, що дозволяє реалізувати високопродуктивну обробку на великих струмах при високій якості обробки а отже забезпечує як кількісну, так і якісну сторони процесу обробки в значно більш широкому діапазоні режимів. Також приблизно вдвічі зменшується енергоємкість процесу.

6. Описано феноменологічну модель фізичного механізму електроерозії в умовах РОД, яка відповідає існуючим уявленням в області стаціонарної електричної дуги та підтверджується сукупністю отриманих експеримен-тальних даних.

7. Розроблено, досліджено та описано основні технологічні схеми формоутворення як профільованим, так і непрофільованим електродом та досліджено технологічні характеристики процесу РОД.

8. Розроблено нову концепцію проектування верстатів, яка характеризується локальним підведенням робочої рідини в зону обробки і створенням, в кінцевому підсумку, ЕЕГ РОД, що значно розширює застосування процесу та дозволяє розглядати верстати РОД як верстати масового попиту.

9. Розроблено основи проектування та конструкції типових універсальних і спеціальних верстатів РОД. Сформульовано основні вимоги до техніки процесу: джерел живлення технологічним струмом, систем автоматичної подачі електрода-інструмента, систем живлення робочою рідиною.

Практичне значення та реалізація одержаних результатів. Показано, що стаціонарна електрична дуга в поперечному потоці рідини, яка раніше не мала практичного застосування, є якісно новим високоефективним джерелом тепла для різноманітних цілей науки та нових технологій і, зокрема, для ЕЕО.

Розроблено та впроваджено у виробництво високоефективний спосіб РОД, на таких підприємствах: ВО "Більшовик", м Київ; Південмаш, п/я Г 4311, м. Дніпропетровськ; ВО "Мінський тракторний завод"; ВО "Моторобудівник", м. Запоріжжя; ВО "Невський завод", м. Ленінград; п/я М 5203, м. Знам'янка; Харківський тракторний завод; Ніжинсільмаш; "Фрегат", м. Первомайськ; "Електромаш", м. Тірасполь; п/я В 2190, м. Москва; "Автогенмаш", м. Одеса; ВО "Херсонський комбайновий завод"; полтавський завод штучних алмазів та алмазного інструменту; п/я А 1152 м. Луганськ; Куйбишевське моторобудівне виробниче об'єднання ім. М.В. Фрунзе та інші.

Розроблено та впроваджено у виробництво різноманітні спеціальні та універсальні копіювально-прошивні верстати, ЕЕГ до металоріжучих верстатів та технологічні процеси РОД. Деякі з верстатів освоєні серійно, наприклад, універсальний копіювально-прошивний верстат "Дуга-8", а деякі з них є унікальними, наприклад, спеціалізований горизонтальний електроерозійний верстат "Дуга-13" для прошивання отворів діаметром 35 мм на глибину 2800 мм у валках каландрів продуктивністю до 100000 ммі/хв.

Загальний економічний ефект від впровадження цих розробок у виробництво склав 1 млн. 120 тис. крб. в цінах 1988 р.. Зазначені розробки нагороджено 8 медалями ВДНГ СРСР та УРСР.

Особистий внесок здобувача. В період з 1967 по 1973 р.р. роботи по розробці способу РОД виконувались здобувачем самостійно, без співавторів. За цей час здобувачем особисто, без співавторів розроблено теоретичні та технологічні основи способу, отримано перше (пріоритетне) авторське свідоцтво за № 368965 на спосіб електрофізичної обробки металів з пріоритетом від 4.03.68 р., спроектовано та виготовлено перший верстат "Дуга-1", на якому були відпрацьовані типові технологічні процеси РОД.

Для подальшої практичної реалізації та впровадження розробленого процесу у виробництво 1973 . з ініціативи і під керівництвом здобувача в Кіровоградському інституті сільськогосподарського машинобудування було створено госпрозрахункову лабораторію "Розмірна обробка електричною дугою", яка функціонує до цього часу, а незмінним науковим керівником її є здобувач.

Тому в цей період роботи по подальшій розробці способу та його впровадженню у виробництво носили, в відомих межах, колективний характер, що і засвідчують наукові праці здобувача, які виконано переважно у співавторстві зі співробітниками лабораторії .

Апробація результатів дисертації. Результати роботи було представлено на Міжнародному ювілейному симпозіумі по ЕЕО, Москва, 1993; на першому Всесоюзному з'їзді технологів-машинобудівельників, Москва, 1989; на Всесоюзній науково-технічній конференції "Комбіновані електроерозійно-електрохімічні способи розмірної обробки металів", Уфа, 1982; на VII Всесоюзній конференції "Електрохімічна розмірна обробка деталей машин "ЭХО 86"", Тула, 1986; на VI Всесоюзній конференції "Теплофізика технологічних процесів", Ташкент, 1984; на 6-й Всесоюзній конференції "Прогресивна технологія обробки глибоких отворів", Москва, 1985; на Всесоюзній науково-технічній конференції "Конструювання і виробництво сільськогосподарських машин", Ростов-на-Дону, 1985; на Всесоюзній конференції по імпульсних способах обробки матеріалів, Мінськ, 1978; на регіональній науково-технічній конференції "Прогресивна машинобудівна технологія у виробництві продукції сільськогосподарського машинобудування", Челябінськ, 1983; на науково-технічному семінарі "Прогресивні технологічні процеси і обладнання ЕФХК обробки", Москва, 1989; на науково-технічному семінарі "Підвищення ефективності застосування електрофізичних і електрохімічних способів обробки металів", Ленінград, 1990; на технологічному семінарі наукових відділів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона, Київ, 1979; на міжнародній конференції "Високоефективні технології в машинобудуванні", Харків, 1998; на 28 науково-технічних конференціях Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування і інше.

Публікації. Результати роботи опубліковано в 124 наукових працях, з яких 35 статей, 56 авторських свідоцтв та патентів, 20 звітів про науково-дослідну роботу, 13 інформаційних листів про науково-технічне досягнення.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 7 розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел та додатків, зокрема, 250 сторінок машинописного тексту, 162 рисунка, 200 позицій літератури, 23 додатка.

Основний зміст дисертаціі

Сутність РОД полягає в тому, що обробку здійснюють стаціонарною електричною дугою, яка горить поміж електродом-інструментом (ЕІ) і електродом-заготовкою (ЕЗ) в потоці рідини при динамічному тиску потоку в зоні обробки не менше 1...2 кПа (що відповідає швидкості потоку приблизно 1...2 м/с).

Звичайно РОД здійснюється дуговим розрядом, що горить в поперечному, по суті, потоці робочої рідини (рис. 1). Одержаний таким чином дуговий розряд має високі енергетичні характеристики і переміщується по поверхні електродів. При цьому відбувається інтенсивне локальне руйнування металу за рахунок випаровування і крапельного викидання розплаву, а потік рідини видаляє із зони обробки отримані продукти ерозії.

Все це в сукупності забезпечує оптимальне протікання процесу розмірної обробки.

Рис 1 Принципова схема РОД

Типова осцилограма струму і напруги дуги при РОД (рис. 2) принципово не відрізняється від типової осцилограми струму і напруги звичайної стаціонарної дуги типу зварювальної чи плазмової дуги для різання металу.

Рис 2 Типова осцилограма струму I та напруги U дуги при РОД

В умовах РОД енергетичні характеристики розряду (густина струму, напруженість електричного поля) регулюються легко, плавно і в широких межах за рахунок зміни динамічного тиску потоку і при збільшенні (зменшенні) останнього збільшуються (зменшуються), що треба розглядати як результат саморегулювання енергетичних характеристик розряду в функції динамічного тиску потоку. Як наслідок, в умовах такого процесу можна легко керувати якістю процесу обробки за рахунок зміни динамічного тиску потоку, здійснюючи обробку в широкому діапазоні режимів, починаючи від грубого розмірного плавлення і аж до превалюючого тонкого розмірного випаровування. Таким чином, динамічний тиск потоку робочої рідини в умовах РОД є основним параметром процесу, який визначає, в кінцевому підсумку, можливість та якісну сторону процесу обробки.

Робочою рідиною є рідини-діелектрики, наприклад, нафтопродукти, вода, розчини, емульсії та суспензії. Зазначимо, що в умовах РОД можуть бути ефективно використані також різноманітні гази, перш за все повітря. Проте рідини-діелектрики, принаймні зараз, мають перевагу з точки зору технологічних та експлуатаційних характеристик і тому РОД звичайно реалізують із застосуванням середовищ-рідин.

ЕІ можуть бути плавкими, наприклад сталевими, і неплавкими, наприклад вольфрамовими, профільованими і непрофільованими. Вони виготовляються з тих же матеріалів і мають приблизно таку ж ерозійну стійкість, як і при відомих способах ЕЕО. Так, високу стійкість забезпечують ЕІ з графіту при застосуванні робочої рідини із нафтопродуктів.

Дуга при РОД може живитись як постійним, так і змінним струмом. При живленні дуги змінним струмом стабільність процесу гірша, а продуктивність помітно знижується. В цьому зв'язку, а також з метою використання ефекту полярності електричної ерозії, який дозволяє забезпечити максимальну продуктивність обробки ЕЗ і мінімальний знос ЕІ, дугу РОД звичайно живлять постійним струмом. Джерелом живлення струмом є зварювальні випрямлячі або генератори із зовнішньою падаючою характеристикою. Напруга робочого ходу джерел живлення визначається особливостями реалізації технологічних схем формоутворення і коливається в межах 20...50В і більше Напруга холостого ходу коливається в межах 50...100В і більше. Потужність джерел живлення струмом визначає продуктивність обробки і може досягати десятків і сотень кіловат.

Якщо змінювати типорозміри електродів і надавати їм відповідні рухи подачі, можна при використанні відповідних технологічних прийомів здійснити зазначені закономірності процесу РОД і таким чином реалізувати практично всі відомі технологічні схеми формоутворення.

Якість обробленої поверхні, яка визначається її шорсткістю та глибиною зони термічного впливу, є, головним чином, функцією динамічного тиску потоку робочої рідини і, менше, робочого струму, покращується при збільшенні динамічного тиску потоку та зменшенні струму і, в цілому, не поступається досягнутій при відомих способах ЕЕО. Глибина, структура і твердість зони термічного впливу легко регулюється за рахунок зміни динамічного тиску потоку і при збільшенні останнього до відповідних значень незалежно від струму ця зона може бути відсутньою.

Оптимальна величина міжелектродних зазорів коливається в межах 0,1...0,2 мм. Точність обробки, яка визначається перш за все зносом ЕІ та коливаннями величини міжелектродного зазора, в цілому не поступається досягнутій при відомих способах ЕЕО.

Порівняльна оброблюваність матеріалів в умовах РОД оцінюється аналогічно, як і при відомих способах ЕЕО. Продуктивність обробки прямо пропорційна струму, який може досягати декількох тисяч ампер, і в багато разів перевищує продуктивність електроіскрової обробки. Наприклад, при струмі обробки 1000А продуктивність при обробці сталей досягає 30000 ммі/хв при Ra 6,3 мкм та глибині зони термічного впливу в межах кількох сотих долей міліметра. Питомі витрати електроенергії в залежності від режимів обробки складають для сталей 3...10 кВтгод/кг (100...300 кДж/смі).

Процес РОД потрібно розглядати як спосіб ЕЕО.

Електрична дуга в поперечному потоці рідини як джерело тепла для розмірної обробки металів і нових технологій. Для оцінки дуги як джерела тепла скористаємося такою характеристикою, як об'ємна густина теплової потужності , Вт/мі

, (1)

де густина струму, А/мІ;

напруженість електричного поля, В/м.

Енергетичний стан плазми в стовбі дуги визначається концентрацією елементарних часток, температурою та тиском. Опишемо його на оціночному, якісному рівні. Число елементарних часток в стовбі дуги пропорційне струму, а їх концентрація n (їх число в одиниці об'єму) пропорційна густині струму і може бути представлена виразом, 1/мі

n = , (2)

де коефіцієнт;

густина струму, А/мІ.

Температура плазми в стовбі дуги пропорційна об'ємній густині теплової потужності (див. вираз 1) і обернено пропорційна концентрації елементарних часток (див. вираз 2). Отже температура плазми в стовбі дуги Т може бути представлена виразом, К

, (3)

де коефіцієнт;

E напруженість електричного поля, В/м.

Тиск плазми в стовбі дуги пропорційний концентрації елементарних часток (див. вираз 2) та їх температурі (див. вираз 3). Тому можемо записати, що тиск плазми Р в стовбі дуги, Па

, (4)

де коефіцієнт

Наведені співвідношення (1, 2, 3, 4) показують, шо для якісної оцінки дуги як джерела тепла достатньо визначити напруженість електричного поля і густину струму на відповідних ділянках дуги. Зазначимо, що як напруженість електричного поля, так і густина струму можуть бути легко визначені за електричними характеристиками дуги (струм і напруга) та її геометричними характеристиками (площа поперечного перерізу і довжина відповідних ділянок дуги). Тому надалі напруженість електричного поля і густина струму будуть розглядатись нами як основні енергетичні характеристики дуги, які дозволяють, в кінцевому підсумку, описати енергетичний стан окремих ділянок дуги з точки зору простої суті такого складного фізичного явища, яким є дуга і дати якісну оцінку дузі, як джерелу тепла для різноманітних цілей науки і практики. Спосіб РОД реалізує стаціонарну електричну дугу в поперечному потоці рідини при динамічному тиску потоку не менше 1...2 кПа. Така дуга не була раніше об'єктом досліджень і не отримувала практичного застосування. Тому для якісної і кількісної оцінки такої дуги як джерела тепла для розмірної обробки металів необхідно установити її електричні і геометричні характеристики, визначити густину струму на катоді jк, на аноді jа і в стовбі дуги jс, сумарне значення катодного і анодного падінь напруги Uк+а, визначити напруженість електричного поля в стовбі дуги Eс, побудувати вольтамперну характеристику дуги.

Основним параметром взаємодії дуги з поперечним потоком рідини є динамічний тиск цього потоку Рd, Па

, (5)

де об'ємна густина (об'ємна маса) рідини, кг/мі;

v швидкість потоку, м/с.

Геометричні, електричні та енергетичні характеристики дуги в поперечному потоці рідини є головним чином функцією струму I, динамічного тиску потоку робочої рідини та напруги , мало залежать від виду рідини і, наприклад, при горінні дуги в поперечному потоці водопровідної води між катодом із сталі 45 і анодом із матеріалу МПГ-7 при струмі I = 100...1000 А і динамічному тиску потоку = 0,01...1 МПа можуть бути визначені за формулами:

площа поперечного перерізу дуги, мІ

, (6)

довжина дуги, м

, (7)

густина струму (рис. 3), А/мІ

, (8)

сума катодного і анодного падінь напруги, В

Uк+а=, (9)

напруженість електричного поля в стовбі дуги (рис. 4), В/м

, (10)

об'ємна густина теплової потужності в стовбі дуги, кВт/мі

, (11)

напруга дуги при = 0,2 мм, В

. (12)

Сукупність отриманих експериментальних даних дозволяють зробити такі висновки.

Площа поперечного перерізу дослідженої дуги визначається переважно струмом та динамічним тиском потоку робочої рідини і, порівняно зі звичайними зварювальними і плазмовими дугами, за інших рівних умов (струм і напруга) принаймні в декілька разів менша.

Довжина дуги є головним чином функцією напруги дуги і динамічного тиску потоку робочої рідини і порівняно зі звичайними зварювальними і плазмовими дугами за інших рівних умов (напруга і струм) в десятки разів менша.

Це дозволяє використати таку дугу для достатньо точної розмірної обробки металів.

Рис 3 Залежність густини струму j від I та Pd

Рис 4 Залежність напруженості Е стовба дуги від I та Pd

Густина струму в дузі є головним чином функцією динамічного тиску потоку рідини, зростає при його збільшенні і досягає 50 кА/смІ, а порівняно зі звичайними зварювальними і плазмовими дугами за інших рівних умов (струм і напруга) в декілька разів більше і відповідає густині струму в стовбі нестаціонарного (іскрового) електричного розряду в умовах відомих способів ЕЕО. Струм в катодній і анодній плямах частіше розподілений досить рівномірно.

Сума катодного і анодного падінь напруги Uк+а мало залежить від режимів обробки, визначається, перш за все, матеріалом електродів та складом робочої рідини і коливається в межах 12...21 В. Сумарна довжина (висота) катодної і анодної областей дуги для сталевих електродів складає 0,3...0,6 мкм проти 1,2...1,45 мкм для звичайних відкритих дуг в повітрі. Напруженість електричного поля в катодній і анодній областях такої дуги приблизно в 2...3 рази і більше вища, ніж в звичайних відкритих дугах в повітрі.

Напруженість електричного поля в стовбі дуги є функцією динамічного тиску потоку, різко зростає при його збільшенні і, порівняно зі звичайними зварювальними та плазмовими дугами, за інших рівних умов (струм і напруга) в десятки разів вища, досягає 3 кВ/см і більше і відповідає напруженості в стовбі нестаціонарного (іскрового) електричного розряду в умовах відомих способів ЕЕО.

Об'ємна густина теплової потужності обумовлена динамічним тиском потоку робочої рідини, різко зростає при його збільшенні і порівняно зі звичайними зварювальними та плазмовими дугами в десятки разів вища і відповідає об'ємній густині теплової потужності в стовбі нестаціонарного (іскрового) електричного розряду, який реалізується в умовах відомих способів ЕЕО.

Вольтамперні характеристики дослідженої дуги дозволяють зробити висновок, що напруга дуги мало залежить від струму і визначається головним чином динамічним тиском потоку рідини.

Таким чином, згідно викладеного, при горінні дуги в поперечному потоці рідини при збільшенні (зменшенні) динамічного тиску потоку геометричні розміри дуги (площа поперечного перерізу і довжина) зменшуються (збільшуються), а енергетичні характеристики дуги, які визначаються напруженістю електричного поля і густиною струму зростають (зменшуються), що можна розглядати як результат саморегулювання геометричних і енергетичних характеристик дуги в функції динамічного тиску потоку рідини. При цьому енергетичні характеристики дуги регулюються легко, плавно і в широких межах, значно перевищують енергетичні характеристики відомих зварювальних та плазмових дуг і відповідають енергетичним характеристикам нестаціонарного електричного розряду, який реалізується в умовах відомих способів ЕЕО. Це дозволяє використати таку дугу для розмірної обробки металів і, взагалі, розглядати таку дугу як якісно нове джерело тепла для різних цілей науки і нових технологій. Опишемо імовірний фізичний механізм саморегулювання геометричних і енергетичних характеристик дуги в поперечному потоці рідини (і взагалі будь-якого середовища-діелектрика), що є результатом взаємодії дуги з потоком.

Описати таке явище в термінах фундаментальних часток і їх взаємодії поки що неможливо. Тому розглянемо цю взаємодію з макроскопічної точки зору, з точки зору взаємодії двох систем дуги і поперечного потоку рідини. Згідно уявлень сучасної фізики, будь-яка взаємодія реалізується через деякі поля. Електрична дуга це породження того, що ми називаємо електричним полем, це матеріальна форма прояву електричного поля. Потік рідини це силове поле. Таким чином, взаємодію дуги з потоком треба розглядати як взаємодію електричного поля, яке характеризується струмом та силового поля, яке характеризується динамічним тиском потоку . Основним результатом будь-якої взаємодії є те, що системи, які взаємодіють, змінюються з певними наслідками. В нашому випадку в результаті взаємодії з поперечним потоком рідини спостерігається саморегулювання енергетичних характеристик дуги в функції динамічного тиску потоку . Тобто, в результаті взаємодії дуги (електричне поле) з потоком рідини (силове поле) змінюються характеристики дуги (електричного поля), змінюється її енергетична структура, змінюється стан плазми дугового розряду. Тому потребує пояснень фізичний механізм такого саморегулювання.

В цьому зв'язку запропоновано і обгрунтовано гіпотезу, яка пояснює особливості та характер взаємодії дуги з поперечним потоком середовища-діелектрика, згідно якої установлено закономірність взаємодії електричного поля, матеріальною формою прояву якого є електрична дуга та силового поля, матеріальною формою прояву якого є потік середовища-діелектрика, що полягає в перетворенні енергії електричного поля в функції динамічного тиску в енергію власного магнітного поля дуги, яке стискує, утримує та зрівноважує тиск плазми в стовбі отриманої дуги високих енергетичних характеристик, а його магнітна індукція В може бути представлена виразом:

. (13)

Отже, в стовбі дуги, яка горить в поперечному потоці середовища-діелектрика, одночасно досягається і одержання і утримання плазми високих енергетичних характеристик (див. вирази 1, 2, 3, 4, 8 10, 13).

Якщо прийняти до уваги описані особливості дуги та запропоновану гіпотезу і, відповідно вираз (13), газодинамічна модель однотемпературної рухомої плазми дуги може бути описана такою системою рівнянь:

рівняння нерозривності

 (14)

рівняння руху (імпульсів)

(15)

рівняння енергії

(16)

де, окрім загальноприйнятих позначок,

В магнітна індукція власного магнітного поля дуги

(17)

к і к коефіцієнти розмірності; коефіцієнт тепловіддачі конвекцією.

За своїми енергетичними характеристиками (густина струму, напруженість електричного поля, сумарне значення катодного і анодного падінь напруги), а також за своїм ефектом теплової дії на метал, зокрема, за зоною термічного впливу, дуга в поперечному потоці рідини, відповідає нестаціонарному іскровому (імпульсному) розряду в умовах відомих способів ЕЕО. Це означає, що стаціонарна електрична дуга в поперечному потоці рідини і нестаціонарний електричний розряд в умовах ЕЕО як джерела тепла для розмірної обробки металів в відомих межах рівноцінні. Є, проте, і суттєві відміни, різні і технологічні можливості цих джерел тепла.

Дійсно, при горінні дуги в поперечному потоці рідини її енергетичні характеристики, наприклад, густина струму, визначаються динамічним тиском потоку і досить стабільні, принаймні можуть коливатись в досить вузьких межах і не опустяться нижче відповідного рівня, обумовленого динамічним тиском потоку, в той час, як енергетичні характеристики нестаціонарного електричного розряду, є, як відомо, функцією часу, змінюються в дуже широких межах, а в кінцевій стадії протікання розряду взагалі виявляються недостатніми для локального руйнування металу. Таким чином стаціонарна електрична дуга в поперечному потоці рідини порівняно з нестаціонарним електричним розрядом має дуже важливу перевагу: вона забезпечує стабільні енергетичні характеристики незалежно від струму, що, регулюються легко, плавно і в широких межах за рахунок зміни динамічного тиску потоку. Це забезпечує кількісну та якісну сторону процесу обробки в значно більш широкому діапазоні режимів і, зокрема дає можливість реалізувати високопродуктивну обробку (десятки тисяч ммі/хв) на великих струмах (сотні і тисячі ампер) при високій якості обробки і глибині зони термічного впливу в межах сотих долей міліметра або навіть при повній її відсутності. Також приблизно вдвічі зменшується енергоємкість процесу.

Оскільки опис електричної дуги в поперечному потоці рідини подається вперше, не можна не торкнутись можливостей її використання для інших технологічних цілей і, перш за все, для таких, що супроводжують процес РОД в єдиному технологічному ланцюгу. Зокрема, така дуга може бути використана для поверхневого зміцнення металів, для отримання металевих порошків відповідного ступеню дисперсності, для плазмового різання металів, для підводного різання металів, для одержання металевих суспензій, для проведення хімічних реакцій, для отримання плазми високих енергетичних характеристик і т. і.

Фізичний механізм електричної ерозії металів в умовах РОД. Можливість і кількісні та якісні характеристики процесу РОД визначаються якісними характеристиками (якістю) катодного та анодного джерел тепла на електродах, перш за все, об'ємною густиною теплової потужності. Остання, в свою чергу, визначається динамічним тиском потоку робочої рідини, а також, в відомих межах, полярністю електродів. В зв'язку з цим є можливість легко (за рахунко регулювання швидкості потоку робочої рідини) керувати якістю джерел тепла на електродах, а отже і якістю процесу ерозії, здійснюючи обробку незалежно від струму в широкому діапазоні режимів, починаючи від грубого розмірного плавлення і аж до превалюючого тонкого розмірного випаровування.

Фізичний процес електричної ерозії при РОД характеризується безперервним підведенням енергії в зону обробки, безперервним горінням дуги і безперервним існуванням джерел тепла на електродах. Отже безперервною є теплова дія розряду на електроди і безперервно проходить процес ерозії. При цьому фізична природа існування стаціонарної електричної дуги обумовлює дискретний характер переміщення її по поверхні електродів, а, отже, і дискретний характер процесу ерозії, що є безумовною властивістю дуги.

Треба розрізняти два етапи евакуації продуктів ерозії: із лунки та з міжелектродного зазора. Видалення металу з лунки відбувається переважно при протіканні розряду. Метал з лунки, залежно від режимів обробки, може видалятись як в рідкому стані, так і при збільшенні та відповідних значеннях динамічного тиску потоку робочої рідини в газоподібному стані (за рахунок випаровування). Із міжелектродної порожнини продукти ерозії легко видаляються потужним потоком робочої рідини.

Технологія РОД. При забезпеченні основної умови реалізації процесу, яка полягає в тому, що обробка здійснюється електричною дугою в поперечному потоці рідини при певних динамічних тисках останнього, РОД, як і відомі способи ЕЕО, дозволяє принципово здійснити всі технологічні схеми формоутворення, характерні для обробки металів різанням (так звана обробка непрофільованим електродом), але й окрім того, технологічні схеми формоутворення, які наближені, в відомих межах, до схем обробки металів тиском, перш за все, схему обробки поверхонь при прямолінійному поступальному русі ЕІ (або заготовки) за принципом прошивання з об'ємним копіюванням форми електрода (так звана обробка профільованим електродом).

Реалізація конкретних технологій РОД та розробка відповідних технологічних схем формоутворення вимагає індивідуальних підходів та застосування найрізноманітніших технологічних прийомів. Це потребує уніфікації цих прийомів та розробки відповідних рекомендацій. На підставі аналізу і узагальнень теоретичних та експериментальних досліджень і практичної реалізації процесу РОД в дисертації викладено ці технологічні прийоми у вигляді правил реалізації процесу РОД або, що те ж, але згідно діючої термінології, у вигляді переліку та опису способів РОД.

Рис 5 Залежність продуктивності М від I та P_d

На рис. 5 показано залежність продуктивності обробки М сталі 45 від струму обробки I і динамічного тиску потоку P_d при використанні в якості робочої рідини мастила "Індустріальне-12", при застосуванні ЕІ з матеріалу МПГ-7, при =100...1000 А і P_d = 0,01...0,5 Мпа та прямій полярності електродів, що визначається за формулою, ммі/хв

(18)

Аналогічна залежність, але при зворотній полярності електродів визначається за формулою, ммі/хв

(19)

Отримані залежності дозволяють зробити висновок, що продуктивність обробки визначається переважно струмом (приблизно прямо пропорційно ) і менше динамічним тиском потоку (зменшується при збільшенні Рd) і при прямій полярності приблизно в 1,5 рази вища, ніж при зворотній. При цьому питомі витрати електроенергії приблизно вдвічі менші, ніж при відомих способах ЕЕО.

Якість обробленої поверхні визначається її шорсткістю та глибиною зони термічного впливу і, в цілому, не поступається досягнутій при відомих способах ЕЕО. метал електроерозія верстат формоутворення

На рис. 6, 7 показано відповідно залежність шорсткості обробленої поверхні Ra та глибини зони термічного впливу Н сталі 5ХНТ від I та P_d при використанні в якості робочої рідини гасу (50%) і мастила "Індустріальне-12" (50%) при застосуванні ЕІ з матеріалу МПГ-7 при I=100...1000 А, P_d = 0,01...0,5 Мпа і при зворотній полярності електродів, що визначаються за формулами, мкм:

...