Реферат - Электровзрывная обработка материалов
Подождите немного. Документ загружается.
Содержание
Введение…………………………………………………………3
1. Физика процесса………………………………………….6
2. Оборудование……………………………………………12
3. Область применения…………………………………….16
Приложение А. Библиографический список…………………18
Изм
.
Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
2
Разраб. Шиляев
Провер. Куимов
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
ТО эл. физ-х методов
обработки материалов
Лит. Листов
18
ТМу-31
Введение
Процесс электровзрывной обработки относится к методу обработки
давлением.
Рисунок 1 — Схема электровзрывной обработки
1 – заготовка; 2 – матрица; 3 – вещество; 4 – жидкость; 5 – электроды; 6 –
уплотняющие детали; 7 – конденсаторная батарея; 8 – выпрямитель; 9 –
переключатель; 10 – отверстие для удаления воздуха.
Быстрая деформация заготовки 1 вызывается силами
э
F
, действующими на
ее поверхности. Заготовка деформируется и при ударе о стенки матрицы 2.
Силы
э
F
создаются вследствие взрывного испарения некоторого вещества 3
при пропускании через него кратковременного импульса тока I. Жидкость 4
служит для передачи механических усилий к заготовке 1, фиксируемой
уплотняющими деталями 6.
Импульсный ток получается при разряде конденсаторной батареи 7, которая
подсоединяется к электродам 5 с помощью переключателя 9. Конденсаторы
предварительно заряжаются до высокого напряжения от выпрямителя 8. При
деформации заготовки воздух из полости матрицы 2 удаляется через отверстие 10.
Электровзрывная обработка применяется как для формообразования, так и для
разделения заготовки (штамповки, гибки, чеканки, вытяжки, раздачи, а также для
дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки,
развальцовки труб).
Сама обработка происходит очень быстро.
Известны две основные разновидности электровзрывного формообразования,
в которых применяют:
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
3
1) высоковольтный разряд при пробое диэлектрической жидкости, которая
используется как испаряемое вещество, а также для передачи механических усилий
к заготовке;
2) электрический взрыв проводникового испаряемого вещества, помещенного
в жидкость, которая служит передатчиком усилий к заготовке.
При высоковольтном разряде, иначе называемом электрогидравлической
обработкой, используют электрогидравлический эффект.
На возможность использования импульсных электрических разрядов в
жидкости для обработки металлов и для создания кумулятивных струй было
указано в работах Лазаренко Б.Р. и Н.И. в 1944г. “Электрическая эрозия металлов”.
Возможности использования импульсного электрического разряда как
источника высоких давлений в технологических процессах штамповки, дробления,
очистки литья и т. д. сформулированы в работах ЮткинаЛ. А.
“ Электрогидравлический эффект и некоторые возможности его применения”, 1955
г. (1959 г.).
Рабочим веществом, как правило, служит техническая вода. Электрический
разряд протекает в герметичной камере. В окрестности канала разряда происходит
почти мгновенное испарение жидкости, образуется ударная волна — это источник
силы для деформации заготовки, а также высокое давление в возникающем
газопаровом пузыре.
Энергия разряда может достигать десятков килоджоулей, а длительность
составляет несколько десятков микросекунд (мс), мгновенная сила тока достигает
50 кА при длине разрядного промежутка в несколько сантиметров.
Скорость фронта ударной волны заметно превышает скорость звука в воде и
доходит до 3000 м/с (скорость звука в воде составляет 1500 м/с).
Начальная скорость стенок газового пузыря может быть больше 100 м/с,
наибольший радиус пузыря – несколько сантиметров, максимальное давление в
нем – до
10
10
Па.
Размеры обрабатываемых листовых заготовок толщиной до 5 мм могут
превышать один метр.
При электрическом взрыве конденсатор разряжается на проводник в виде
тонкой проволоки (или нескольких проволок, фольги или сетки). Проводник
располагают в диэлектрической жидкости. Начальное напряжение разряда в
данном случае несколько киловольт (значительно меньше, чем в первой
разновидности процесса).
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
4
При протекании тока большей силы проводник нагревается и происходит его
взрывное испарение. Возникает газовый пузырь, давление в котором достигает 10
10
Па. В качестве материалов проводников применяют медь, нихром, константан-
сплав меди (основа) плюс 40% никеля и 1,5% марганца. Длина прямой проволоки –
до нескольких десятков сантиметров, диаметр — 0,1…0,3 мм.
Достоинства электрогидравлического формообразования:
а) простота оснастки;
б) равномерность нагружения заготовки;
в) сохранение исходного качества поверхности листовой заготовки;
г) возможность изготовления разнообразных деталей из заготовок одного
вида;
д) не нужны дополнительные операции;
е) оборудование легко встраивается в автоматические линии.
Электрогидравлические установки в зависимости от назначения различаются
устройством камер, расположением заготовки, конфигурацией электродов.
Ударная волна может иметь сферическую, цилиндрическую или плоскую форму.
Применяют еще одну разновидность электровзрывной обработки –
электрический взрыв в вакууме электропроводного материала (обычно
металлической проволоки) с целью нанесения покрытия. Покрытия наносят на
различные материалы (в том числе керамику и стекло) без предварительного
нагрева изделия.
Этим способом изготовляют детали рентгеновской аппаратуры и электронных
приборов, цилиндров автомобильных двигателей и др.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
5
1. Физика процесса.
1.1. Формообразование под действием электрического разряда в жидкости.
В схеме рисунок 1 напряжение
с
U
на обкладках конденсатора должно быть
достаточным для пробоя межэлектродного промежутка. Когда напряжение
c
U
достигнет пробивного значения
пр
U
, в разрядной цепи быстро нарастает сила тока
I. В жидкости возникает канал разряда и газопаровой пузырь. Вследствие высокого
давления в рабочей камере заготовка 1 деформируется и заполняет полость в
матрице 2.
Пробой жидкости
Начальная энергия конденсатора подсчитывается по формуле:
2
2
c
c
UC
E
(1)
где С – емкость батареи конденсаторов, Ф;
прc
UU
– полагают так, В.
Механизм пробоя рабочей среды, в общем, такой же, как и при ЭЭО. Однако
техническая вода обладает некоторой электропроводностью, благодаря чему
происходит ее местное вскипание еще тогда, когда напряжение на электрод
прc
UU
. Поэтому заметная часть энергии расходуется еще до пробоя (из-за
электропроводности воды).
После пробоя в жидкости образуется канал разряда начальным диаметром в
десятые доли мм. В окружающей жидкости возникает ударная волна. Чтобы
большая часть энергии конденсаторов преобразовалась в энергию ударной волны,
необходим разряд с высокой скоростью нарастания силы разрядного тока I. Этого
добиваются подбором параметров разрядной цепи.
После разрядов в воде накапливаются продукты эрозии электродов и газовые
пузырьки. Если жидкость не менять, то продолжительность ее использования
влияет на значение пробивного напряжения, на устойчивость пробоя и
последующего разряда, а также на показатели самой обработки.
Разряд иногда стабилизируют продольным магнитным полем.
Процессы в разрядной цепи
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
6
Для описания технологических процессов разрядную цепь представляют
схемой замещения – совокупностью идеализированных элементов: индуктивных и
емкостных.
Рисунок 2 — Схема замещения разрядной
цепи
Схема замещения содержит емкость С конденсаторной батареи, а также
небольшую индуктивность
экв
L
подводящих проводов и самого канала разряда.
Активным сопротивлением
экв
R
учитывают все необратимые потери энергии,
главным образом в канале разряда.
Обычно принимают, что разрядная цепь линейная, а
экв
R
=const.
Электрическое состояние цепи описывают уравнением, вытекающим из 2-го закона
Кирхгофа для мгновенных напряжений:
0
RLc
UUU
(1.2)
где
,
c
U
L
U
,
R
U
– мгновенные напряжения соответственно на емкостном,
индуктивном и резистивном элементах.
Из электротехники известно, что эти напряжения связаны с мгновенным
значением силы разрядного тока I:
dI
C
U
c
1
;
dt
dI
LU
L
;
IRU
эквR
;
Технологические показатели обработки в большой степени зависят от
характера разряда.
Рисунок 3 — Характер разряда
При большом эквивалентном сопротивлении
экв
R
разряд апериодический, а
при малом сопротивлении
С
L
R
экв
экв
2
– затухающий периодический с периодом
T.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
7
Чтобы было быстрое нарастание силы тока I сопротивление, должно быть
C
L
R
экв
экв
2
, Ом (1.3)
а также мгновенной мощности P=
экв
RI
2
в канале.
Это необходимое условие создания мощной ударной волны и преобразование
значительной части электрической энергии в механическую.
За первый полупериод
Т5,00
в канале выделяется значительная часть
энергии конденсаторной батареи. Амплитуда силы тока и выделяемая в канале
энергия уменьшается по мере затухания колебательного процесса в разрядной
цепи.
При начальном условии, т.е.
С
L
R
экв
экв
, наибольшая сила тока в первом
приближении равна:
ALСUI
эквпрмах
,/5,0
(1.4)
Эта сила тока достигается примерно за время
4
T
, где Т — период
колебаний разрядной цепи.
Как известно из электротехники:
CLТ
2
, с (1.5)
откуда
CL
T
6,1
4
,
где L – индуктивность, Гн;
C – емкость, Ф.
В этом момент мгновенная мощность равна
P=
,
2
мах
IR
экв
кВт (1.6)
В течение первой четверти периода мгновенная мощность разряда изменяется
примерно по линейному закону (см. рисунок). Можно принять, что мгновенная
мощность увеличивается пропорционально времени:
P=P
мах
∙
,25,0/ T
кВт (1.7)
Канал разряда между электродами для окружающей жидкости представляет
цилиндрический источник энергии. Интенсивность процесса определяется
удельной мощностью P/
п
, где
п
– длина промежутка между электродами.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
8
Если в соотношение (1.7) подставить выражения (1.4), (1.5), (1.6), то в течение
первой четверти периода удельная мощность окажется пропорциональной времени
разряда:
P/
рп
,
где
пэкв
пр
р
L
U
2
15,0
(1.8)
Постоянная
р
— одна из важнейших характеристических величин,
определяющих технологические показатели электрогидравлической обработки.
Из электротехники также известно, что в магнитном поле индуктивного
элемента накапливается энергия
2
2
IL
E
экв
L
Эта энергия максимальна в конце первой четверти периода, когда сила тока
достигает значения I
max
. Когда ток в течение второй четверти периода уменьшается,
энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля конденсаторов.
Запасение энергии в магнитном поле уменьшает долю энергии конденсаторов,
расходуемой в течение первой четверти периода на создание ударной волны. Для
повышения КПД процесса необходимо уменьшать индуктивность разрядной цепи.
Ударная волна — это область повышенного давления, распространяющаяся в
жидкости в радиальном направлении от канала разряда. На небольшом расстоянии
от канала разряда ударная волна имеет форму цилиндра, а при удалении от
области разряда становится сферической.
На фронте ударной волны величины, описывающие состояние жидкости,
изменяются скачком. В частности давление увеличивается от P
а
до очень высокого
давления на фронте P
Ф
>>P
а
. Вследствие сжатия повышается плотность жидкости
от нормальной ρ
ж
до ρ
ф
. На фронте ранее неподвижные частицы жидкости
приобретают скорость V
ср
. Фронт ударной волны движется со скоростью V
у.в
.
Для расчета показателей электрогидравлической обработки необходимо знать
значения указанных величин на фронте ударной волны.
Если в системе координат, движущейся вместе с фронтом, составить закон
сохранения, то величины оказываются взаимосвязанными. В такой системе
неподвижная жидкость перед фронтом обладает относительной скоростью-V
у.в
., а
скорость жидкости относительно фронта равна V= V
у.в
.-V
ф.
Согласно закону сохранения масс
фвуфж
VVV
.
(1.9)
В соответствии с законом сохранения импульса
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
9
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
10
2
.
2
фвуффжа
VVPVP
(1.10)
После пробоя жидкости от оси канала расходится ударная волна. Скорость
фронта ударной волны (из теории ударных волн) равна:
4
..
7,0
ж
P
ву
K
V
, м/с (1.11)
Обычно при τ<(0,1…0,3) мкс скорость фронта V
у.в
.≈10
4
м/с, а радиус r
ф
≈1 мм.
Скорость фронта V
у.в
. не может быть меньше скорости звука в жидкости V
зв
, и
постоянная К
р
имеет наименьшее допустимое значение
мin
р
K
, определяется
согласно выражению (1.11)
4
7,0
ж
р
мin
K
зв
V
(1.12)
Согласно выражению (1.8) и (1.12), в применяемой рабочей жидкости ударная
волна может возникать только при определенных соотношениях между начальным
напряжением разряда
пр
U
, длиной промежутка и индуктивностью разрядной цепи
экв
L
.
Таким образом, неравенством (1.12) устанавливаются условия
осуществимости электрогидравлического формообразования.
Давление на фронте расходящейся ударной волны P
ф
можно найти, если
подставить величину (V
у.в
. -V
ф
) из выражения (1.9) в уравнение (1.10) и принять, что
для воды существует связь между давлением и плотностью:
,1103
9
ж
ф
аф
PP
Па
Для воды давление на фронте ударной волны можно оценить по формуле:
92
..
103
вужФ
VP
, Па (1.13)
Если в соотношение (1.13) подставить выражения (1.8) и (1.11), то
99
1032,01035,0
пэкв
ж
прржф
L
UK
(1.14)
Также как и скорость фронта, давление на фронте не зависит от емкости
разрядной цепи, но растет с повышением напряжения, уменьшением
индуктивности и длины промежутка.
Соотношением (1.14) предопределяются основные показатели
электрогидравлической обработки при цилиндрической ударной волне.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
11
Обычно скорость частиц на фронте V
ф
>100 м/с. После того, как рост
мощности разряда прекращается, т. е. при τ≥0,25T , скорость фронта, давление и
скорость частиц жидкости начинают уменьшаться.
При большом удалении от оси канала ударная волна переходит в мощную
акустическую волну, скорость фронта которой немного повышает скорость звука
(в воде около 1500 м/с).
Деформация заготовки вызывается силами, возникающими при подходе к
заготовке фронта ударной волны. Как известно из физики, сила, с которой поток
действует на неподвижную преграду (в данном случае на заготовку), представляет
сумму гидростатического P
ф
и динамического
2
5,0
Фф
V
давлений.
Плотность поверхностных сил f
п
максимальна, когда фронт ударной волны
подходит к еще неподвижной заготовке и
0
З
V
, а гидростатическое давление
потока равно давлению P
ф
на фронте ударной волны. Поэтому
2
5,0
ФФФП
VPf
(1.15)
Давление на фронте сохраняется постоянным примерно всю первую четверть
периода, т. е. до тех пор, пока ударная волна не отойдет от оси канала на
расстояние 0,25·Т·V
у.в.
.
Если заготовка расположена от оси разряда на расстоянии
<0,25·Т·V
у.в.
, то
давление на фронте наибольшее и определяется соотношением (1.14).
Плотность поверхностных сил должна превышать предел текучести, т.е. f
п
>σ
τ
.
Экспериментально установлено, что давление на фронте ударной волны в
десятки и сотни раз превышает σ
τ
.
Когда фронт ударной волны достигнет поверхности заготовки, то спустя
некоторое время (≈100 мкс) начинается само формообразование. Ударная волна
частично отражается, а частично переходит в заготовку, где распространяются
продольные и поперечные волны.
При отражении ударной волны от заготовки в жидкости возможна кавитация.
Абсолютные скорости деформации заготовки превосходят 100 м/с.
2.Оборудование.
Электрическая часть установок.
Функциональная схема генератора импульсов приведена на рис.4.
Автотра
нсформа
тор
Повыш
ающий
трансф.
Бат-я
конден
-ов
Выпря
митель
Разряд
ник
Электр
оды
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
12