ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (ИМО)

Импульсные методы обработки включают:

- формообразование и поверхностную очистку заготовок энергией электрического разряда в жидкости;

- формообразование и очистку электрическим взрывом;

- нанесение покрытий путем использования энергии электрического взрыва;

- магнитоимпульсное формообразования деталей.

6.1. Разряд в жидкости (РЖ)

6.1.1. Объекты и схема формообразования детали РЖ

На рис. 6.1 показаны типовые детали, получаемые РЖ.

Рис. 6.1. Детали, получаемые РЖ: а) полость с постоянной толщиной стенки, б) обечайка с переменной толщиной стенки.

Подобные (рис. 6.1) детали можно получать другими технологическими методами (литьем, раскаткой и др.), однако литейные сплавы не всегда применимы, для получения требуемой точности детали необходима последующая обработка, что в ряде случаев неосуществимо. Так полость (рис. 6.1, а) может быть расточена, если возможен доступ инструмента к внутренним стенкам детали. Однако это не всегда возможно. Кроме того механическая обработка подобных деталей не обеспечивает точности размеров полости. Аналогичные трудности возникают при формообразовании обечайки (рис. 6.1, б). Изготовление подобных деталей гидроштамповкой не обеспечивает стабильной толщины стенки, требует мощных установок с высоким давлением, имеет ограничения по толщине стенки.

Применение РЖ позволяет формировать участки заготовки, недоступные, например, давлению пуансона (рис. 6.1, б); снять ограничения по толщине стенки заготовки, обеспечить процесс даже для малопластичных сплавов (при высоких скоростях формообразования возникает новое явление - сверхпластичность). Процесс протекает в течение нескольких секунд (при много импульсных разрядах), для выполнения операций не требуется сложной технологической оснастки (не нужен пуансон).

На рис. 6.2. показана принципиальная схема изготовления крышки (заготовка) со сложным профилем из жаропрочной слабодеформируемой стали с большой толщиной листа.

Рис. 6.2. Схема разряда в жидкости

6.1.2. Моделирование процесса РЖ

Процесс РЖ близок к рассмотренному нами в разделе 2 для электроискровой обработки. Отличиями РЖ являются высокие напряжения на электродах, использование рабочих сред на базе технической воды, которая является слабым проводником, низкая частота следования импульсов, большой межэлектродный зазор. На рис. 6.3 приведена схема установки для РЖ.

Процесс осуществляют в несколько этапов:

1. Пробой жидкости за счет накопленной конденсаторами С энергии. На рис. 6.3 стрелками показаны направления перетекания тока и напряжения . Разряд возможен, если напряжение на

Рис. 6.3. Схема установки для РЖ: С – емкость конденсатора, - индуктивность подводящих проводов, - эквивалентное сопротивление сети.

конденсаторах не ниже напряжения пробоя . При этом энергия в импульсе

;

2. Образование ударной волны, аналогичной описанной для газового пузыря в 2.2;

3. Дальнейшие этапы физического моделирования формально отвечают описанным в 2.2.

При моделировании следует учитывать:

1. Процесс разряда наступает значительно позднее по сравнению с электроэрозионной обработкой. За это время в токопроводящей среде происходит большая утечка (потери) подводимой энергии, что вызывает нагрев, вскипание воды и снижает КПД процесса;

2. Разрядная цепь рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить высокую скорость нарастания разрядного тока, вызывающего мощную ударную волну;

3. В процессе РЖ возникают продукты процесса, происходит очистка заготовки от окалины, загрязнений. Наличие в зоне разряда случайных частиц (как проводников, так и диэлектриков) нарушает стабильность процесса пробоя, поэтому после каждого импульса жидкость в зоне обработки желательно заменять;

4. Необходимы технические устройства для снижения уровня шума до 50…60 ДБ (при РЖ шум достигает 100…120 ДБ).

Математическое моделирование. Допущение: принимаем изменение напряжения близким к нулю (процесс протекает мгновенно). Тогда по II закону Кирхгофа

, (6.1)

где – напряжение на емкостном элементе; – напряжение на индуктивном элементе; – напряжение на резистивном элементе. Наибольшее значение силы разрядного тока (из электротехники) происходит в первой полуволне (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Изменение тока в течение периода разряда

Для первой полуволны

, (6.2)

, (6.3)

(его величина не превышает 2…5 % от ). (6.4)

Требование для формообразования: быстрое нарастание в канале разряда. Достигается при затухающем разряде. При этом мгновенная мощность выделяется в первый полупериод , где Т – период.

Тогда

, (6.5)

где находят как суммарное сопротивление для конкретной конструкции токопровода; С – емкость конденсаторов используемой установки.

Из формулы (6.5)

. (6.6)

Из электротехники известно, что наибольшее значение напряжения в импульсе возникает в средней зоне

. (6.7)

Тогда наибольшая сила тока

(6.8)

Время разряда составляет около 1/4 Т (рис. 6.4).

где Т – период собственных колебаний разрядной цепи.

Из электротехники

(6.9)

Тогда мощность разряда

(6.10)

Принимаем изменение мощности по линейному закону (подобная аппроксимация допустима).

Тогда получаем: в диапазоне мощность

, (6.11)

Интенсивность процесса (для цилиндрического канала разряда) из (6.7), (6.9), (6.10), (6.11):

, (6.12)

где

, (6.13)

где (6.14)

(6.15)

Из (6.15) находят силу тока для через длину промежутка.

Моделирование движения ударной волны (рис. 6.5). После РЖ в рабочей среде (жидкости) формируется ударная волна с цилиндрическим каналом разряда (I этап), затем образуется сфера (II этап). Здесь , – давление на границе (фронте), – атмосферное давление.