Расчет параметров электрохимической обработки материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Электрохимическая размерная обработка проводится при наличии межэлектродного промежутка между рабочей поверхностью электрод-инструмента и обрабатываемой поверхностью анода-заготовки, через который прокачивается электролит. Размеры обработанной поверхности заготовки отличаются в каждой рассматриваемой точке от размеров электрода-инструмента на значении межэлектродных зазорах.

Съем металла с обрабатываемой поверхности заготовки происходит в результате электрохимических реакций, протекающих на поверхности заготовки-анода. Снятый материал находится в виде гидроксидов металлов (шлама). Поток электролита смывает с обрабатываемой поверхности продукты анодного растворения и охлаждает электроды.

1. Исходные данные

Эскиз обрабатываемой детали изображен на рисунке 1.

Рис. 1 - Эскиз обрабатываемой детали

Марка материала - 1Х12Н2ВМФ;

Сталь 1Х12Н2ВМФ жаропрочная высоколегированная (нержавеющая). Назначение - нагруженные детали, длительно работающие при температурах до 600 °С.; сталь мартенситного класса. Температурный интервал ковки 850-1250 °С. Прочие обозначения: 13Х11Н2В2МФ, ЭИ961. Плотность материала 7,8 г/см3.

Длина (А) - 32 мм;

Ширина (В) - 18 мм;

Высота (Н) - 7 мм;

Электролит - 15%NaCl + 5%NaNO3;

Межэлектродный зазор (МЭЗ) - 0,18 мм;

Напряжение на клеммах источника (U) - 26 В;

Температура электролита - 24 °С.

Необходимо:

- рассчитать электрохимический эквивалент обрабатываемого материала;

- из справочной литературы в зависимости от состава, концентрации и температуры электролита выбрать электропроводность рабочей жидкости;

Учитывая размеры и форму обрабатываемой детали, выбранных или назначенных режимов обработки рассчитать:

- скорость анодного растворения;

- величину технологического тока, плотность тока;

- минимально необходимую скорость течения электролита;

- необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре;

- расход электролита;

- размеры формообразующей части электрод-инструмента;

- площадь сечения токоподвода.

2. Расчёт электрохимического эквивалента обрабатываемого материала

Электрохимический эквивалент - количество граммов вещества, которое должно выделиться на электроде, при прохождении через электролит единицы количества электричества. Электрохимический эквивалент материала зависит от химического состава данного сплава, от процентного содержания элементов и от их валентности.

Электрохимический эквивалент сплава рассчитывается по формуле:

,

где xi - процентное содержание химического элемента в сплаве (табл. 1);

zi - степень окисления химического элемента в сплаве;

Аi - атомная масса химического элемента в сплаве;

F - число Фарадея (F=96500 Кл=26,8 A/ч).

Таблица 1 - Химический состав материала 12Х18Н9Т

Объёмный электрохимический эквивалент сплава определяется следующим образом:

,

где г - плотность сплава, г/см3;

.

3. Выбор электропроводности рабочей жидкости

По справочнику определяем электропроводность электролита:

Электропроводность электролита: ч=1,728 Ом-1·см-1.

4. Расчёт скорости анодного растворения

Скорость анодного растворения определяется выражением:

,

где з - выход по току материала заготовки (для стали 1Х12Н2ВМФ з=0,85),

- объёмный электрохимический эквивалент сплава, ;

ч - удельная электропроводность электролита, Ом-1·м-1;

U - напряжение на зажимах источника тока, В;

ДU - суммарная поляризация электродов, В (ДU=4 В);

amin - минимальный межэлектродный зазор, мм.

5. Расчёт величины технологического тока и плотности тока

Величина технологического тока рассчитывается по формуле:

,

где U - напряжение на зажимах источника тока, В;

ДU - сумма анодного и катодного потенциалов, В;

S - площадь обрабатываемой поверхности, мм2;

ч - удельная электропроводность раствора, Ом-1·см-1;

a - межэлектродный зазор, мм;

Площадь обрабатываемой поверхности рассчитывается:

Плотность тока определяется выражением:

где I - величина технологического тока, А;

S - площадь обрабатываемой поверхности, мм2.

6. Расчёт минимально необходимой скорости течения электролита

Для расчёта минимально необходимой скорости течения электролита следует определить скорость Vэ' электролита, которая могла бы обеспечить полный унос продуктов анодных и катодных реакций из указанного пространства, затем скорость Vэ'', которая исключила бы в нём недопустимый перегрев электролита.

,

где н - кинематическая вязкость электролита в пределах диффузионного слоя, мм2/с (н = 1,5 мм2/с),

l - длина обрабатываемой поверхности заготовки в направлении потока электролита, мм ();

с - плотность продуктов обработки, кг/м3 (с = 2700 кг/м3);

D - коэффициент диффузии, применяется в зависимости от концентрации электролита и его температуры, мм2/с (D = 1,3·10-3 мм2/с);

С - массовая концентрация продуктов обработки (Сa - в зазоре на аноде, Сa =0,95; Cвх - на входе в зазор в электролите Cвх =0,05).

Скорость, исключающая перегрев электролита, определяется следующим образом:

,

где l - длина обрабатываемой поверхности в направлении течения электролита, см

ДT - допустимый нагрев электролит, определяется точностью ЭХО. На практике ДT = 5-10°С. Для небольших по длине поверхностей принимается меньшее значение ДT. Примем ДT = 5°С;

сэ - плотность электролита, г/см3 (сэ = 1,1 г/см3);

Сэ - теплоёмкость раствора электролита (Сэ = 4,18 Дж/г·°С).

Окончательно принимаем большее из двух полученных значений скорости Vэ = Vэ” = 281 м/c.

7. Расчёт необходимого перепада давления при перемещении электролита в зазоре

Необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре рассчитывается по формуле:

,

где Vэ - средняя скорость потока электролита, м/с;

l - длина межэлектродного пространства, мм;

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/c2;

D - гидравлический диаметр, мм, есть отношение учетверённого сечения канала S к его периметру П.

8. Расчёт расхода электролита

Напор, создаваемый агрегатом прокачки электролита (например, насосом), должен компенсировать не только перепад давления в межэлектродном пространстве ДP, но и потери давления в подводящей магистрали и на выходе из рабочей зоны (противодавление электролита).

Расход электролита определяется выражением:

,

где м - коэффициент расхода (для плоской щели м=0,7).

.

9. Расчёт размеров формообразующей части электрода-инструмента

Электрохимическое формообразование вертикальных поверхностей в большинстве случаев проводят электродом-инструментом с электроизолированной боковой поверхностью, параллельной направлению рабочей подачи. Для предохранения изоляционного покрытия от разрушения потоком электролита на боковой поверхности электрода-инструмента предусматривается буртик шириной b = 0,5…3 мм в зависимости от материала обрабатываемой поверхности.

Эскиз электрод-инструмента приведен на рисунке 2.

Рис. 2 - Эскиз электрод-инструмента

Высота токопроводящего буртика определяется по формуле:

,

где - торцевой межэлектродный зазор, .

Боковой зазор находится следующим образом:

,

Длиновые размеры сечения электрода-инструмента рассчитываются:

Диаметр отверстия для подачи электролита находится из формулы:

,

Длина рабочей части электрод-инструмента:

,

где нл - относительный износ электрод-инструмента, % (нл = 5,6 %),

10. Расчёт площади сечения токоподвода

Площадь сечения токоподвода рассчитывается:

,

электрохимический анодный токопровод

где Iт - величина технологического тока, А;

jп - плотность тока, jп = 1...2 А/мм2, принимаем jп=1,5 А/мм2.

.

Вывод: высокие технологические характеристики процесса ЭХО должен обеспечивать электролит, выполняющий ряд функций: он является средой, в которой протекают электрохимические реакции, и носителем необходимых токопроводящих ионов, без которых невозможны эти реакции. Поток электролита смывает с обрабатываемой поверхности продукты анодного растворения и охлаждает электроды. Поэтому он должен иметь высокую электропроводность, невысокую вязкость, быть недорогим, недефицитным и безопасным. Кроме того, он должен обеспечивать протекание на катоде электрохимических реакций с выделением только газообразного вещества.

Данный двухкомпонентный электролит состава 15%NaCl+5%NaNO3 достаточно полно удовлетворяет вышеперечисленным требованиям. Он имеет относительно высокую электропроводность (ч=1,728 Ом-1·см-1), невысокую вязкость (=1,5 мм2/с) и обеспечивает высокую скорость анодного растворения (=0,27 мм/мин).

Помимо электропроводности на энергоемкость и производительность процесса оказывают такие параметры, как величина технологического тока (I=121,4 А), плотность тока (i=0,21 А/мм2), необходимый перепад давления при перемещении электролита в зазоре (ДР=0,194 МПа), расход электролита (Q=823,92 мм3/с), площадь сечения токоподвода (S=575,4 мм2).

Размещено на Allbest.ru