Электротехнологические методы обработки

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2012 в 12:25, дипломная работа

Краткое описание

Человечество подвергает окружающий мир изменениям со времен зарождения самого
понятия человек. На протяжении веков методы обработки становились все совершеннее, однако развитие и улучшение старых материалов и появление совершенно новых материалов так же шло непрерывно. К концу первой мировой войны механические способы обработки уже плохо справлялись с обработкой особо прочных материалов или же качество обработки оставляло желать лучшего. Появление и развитие электрических методов разработки разрешило многие проблемы по обработке материалов в то время и успешно решает не малую часть проблем с новыми материалами, которые возникают сегодня.

Вложенные файлы: 1 файл

бакалавр 1.doc

— 2.63 Мб (Скачать файл)

,                                                                               (8)

где - энергия, в среднем затрачиваемая на формирование канала разряда;

       - энергия, выделившаяся в главном канале разрядного промежутка при первой

       пульсации  периодического колебания (энергия  апериодического колебания);

       - энергия выделившаяся при второй и последующих пульсациях (энергия

        периодического колебания);

        - энергия, оставшаяся в электрическом и магнитном полях в момент разрыва

         электрической дуги.

 Физически этот  процесс объясняется тем, что  практически несжимаемая жидкость, наполняющая сосуд, с огромной скоростью раздвигается вовсе стороны от линии высоковольтного разряда, создавая полость кавитации (полость заполненную газом паром или их смесью) и первый (основной) гидравлический удар. Затем полость смыкается, естественно создавая второй удар – кавитационный. На этом цикл ударных волн заканчивается и для его повторения необходимо вновь подать токовый импульс.

Физические параметры  канала разряда (давление в канале, распространение давления, скорость выделения энергии) влияющие на ударную волну и расходящийся гидропоток, в значительной мере зависят от характеристик разрядного контура.

На сам процесс возникновения  повторного высоковольтного разряда  существенное влияние оказывает  проводимость жидкости. Потери энергии, необходимой для формирования канала разряда, увеличивается с ростом электропроводности жидкости и увеличением площади освобожденных от изоляции электродов. Обычно жидкой средой, в которой осуществляется пробой промежутка между электродами и образование канала разряда в устройствах использующих электрогидравлический принцип, является водопроводная или техническая вода. удельная электрическая проводимость водопроводной воды составляет примерно (сименс на метр). В тех случаях, когда электрическая проводимость воды слишком велика, применяют дистиллированную (очищенную путем дистилляции – очищения путем разделения на фракции сначала выпариванием, а затем конденсацией) или деионизированнную (избавленную от ионов).

Однако воду необходимо периодически менять – это обусловлено появлением в воде металлизированных примесей, которые значительно увеличивают электрическую проводимость жидкости и следовательно увеличивают потери энергии  и значительно снижают производительность всей установки.

 

 

 

4.2 Оборудование, применяемое для электроимпульсной обработки.

 

Рисунок 7 – Принципиальная схема установки для осуществления  высоковольтного разряда в жидкости.

 

Простейшая установка  для гидродинамической обработки  материалов представлена на рисунке 7. Она включает в себя: 1 – источник питания; 2 – трансформатор вместе с выпрямительными устройствами (на рисунке не показаны); 3 – конденсаторную батарею, являющуюся накопителем энергии; 4 – шаровой разрядник; 5 – рабочие электроды; 6 – технологический блок.

Стоит сразу отметить, что для правильной работы оборудования полярность электродов должна быть строго определенной. Заостренный электрод должен быть положительным, а плоский  отрицательным, или же оба электрода  должны иметь форму конусов. В  противном случае высоковольтный разряд не сопровождается электрогидравлическим эффектом. Заостренным положительный электрод делают с целью получения наибольшей напряженности электрического поля, вызывающего разряд. В процессе работы электрод подвергается электрической эрозии и приобретает форму полусферы, поэтому для сохранения производительности установки и качества изделий необходимо либо заменять его либо подвергать специальной заточке. Отрицательный электрод делают плоским не всегда, его форма зависит от формы и типа матрицы, по контурам которой и выполняется конечное изделие.

При пуске установки  происходит заряд конденсаторной батареи. Провода от конденсатора при этом подсоединены через шаровой разрядник  к двум электродам, погруженным в  жидкость. После подачи высокого поджигающего напряжения на разрядный промежуток (между двумя электродами) происходит пробой этого самого промежутка. В результате в жидкости образуется токопроводящий канал разряда, частично заполненный ионизированным газом, образовавшемся в жидкости вследствие высокой температуры процесса электрического пробоя.

Появление канала начинается с образования нескольких (или  целой серии, все зависит от токопроводности  жидкости) растущих ионизированных каналов, которые ярко светятся, завораживая  взгляд, и имеют очень малый диаметр порядка одного двух миллиметров. Эта стадия развития разряда, названная лидерной, возникает по достижении плотностью тока значения, достаточного для повышения температуры в канале до нескольких тысяч градусов. Малые ионизированные разряды образуют потоки электронных лавин, срывающихся с отрицательного плоского электрода и устремляющихся к положительному заостренному электроду. Для осуществления пробоя жидкости напряжение, прилагаемое к электродам должно достигнуть нескольких десятков киловольт Когда один или несколько малых ионизированных разрядов, соединившихся, как правило, в один канал достигают противоположного электрода, начинается вторая стадия развития высоковольтного разряда.

На второй стадии происходит выделение в канале разряда большей части запасенной конденсатором энергии. В результате очень быстрого нарастания мощности температура в канале разряда достигает нескольких десятков тысяч градусов. Под действием тока разряда большой плотности (благодаря испарению жидкости и приведению некоторой ее части в состояние плазмы с температурой от 15 000 до 20 000 Кельвинов) в канале разряда образуется газопаровая полость.

Дальнейший интенсивный  разогрев плазмы разрядным током  приводит к повышению внутреннего  давления канала разряда и его последующему расширению. С увеличением объема канала снижается плотность и увеличивается сила тока. Благодаря же малой сжимаемости жидкости давление внутри газопаровой полости достигает нескольких десятков килобар. В результате наличия высокого давления и внезапного увеличения объема канала разряда в окружающей жидкости возникает ударная волна (стремящаяся в своем идеале к форме сферы), распространяющаяся в жидкости. Скорость этой волны достигает 1500 , что значительно превышает скорость расширения канала разряда. Вследствие этого фронт ударной волны, сначала неотделимый от канала разряда, через примерно 1 мкс удаляется от него и продолжает свое движение к заготовке, которая располагается на матрице-негативе, представляющей из себя особо твердую поверхность.

Ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью, постоянной на протяжении всего времени существования  канала разряда. Это постоянство  скорости фронта ударной волны объясняется  тем, что энергия от канала разряда  передается фронту с помощью серии малых возмущений и слабых ударных волн, возникающих на поверхности канала и постоянно поддерживающих скорость примерно на одном уровне.

Причиной появления  слабых ударных волн и малых возмущений является перемешивание горячих  внутренних слоев газа, с внешними холодными слоями жидкости.

Ударная волна создает  первый – основной, гидравлический удар. Расширяющийся при этом канал  разряда приводит в движение окружающую его жидкую среду, создавая так называемый запаздывающий поток, способствующий развитию газовой полости. Распространяющаяся ударная волна встречается с заготовкой и передает ей часть кинетической энергии и сообщает ускорение, направленное в сторону матрицы. После чего заготовка встречается с матрицей и происходит ее первоначальная деформация. По мере расширения газовой полости давление в ней естественно падает. Когда давление внутри полости становится меньше чем давление окружающей ее жидкой среды, полость начинает сжиматься. Однако по мере сжатия давление в полости вновь нарастает и, когда объем полости приблизится к наименьшему значению, оно достигает наибольшего значения. При смыкании полости происходит второй удар – кавитационный. Часть энергии этой ударной волны передается заготовке, снова деформируя ее, но так как заготовка уже была изначально деформирована первой гидравлической волной, происходят достаточно большие потери энергии на выделение тепла, световое излучение и ионизацию окружающей жидкости.

Рисунок 8 – Схемы электрогидравлической  штамповки деталей из плоской  заготовки в открытой (а), и закрытой (б) и из трубчатой заготовки в закрытой камере (в).

 

 

4.2.1 Применение импульсов высокого давления для обработки материалов.

Существуют два основных метода преобразования электрической  энергии в механическую: разряд конденсатора через зазор в жидкости и разряд конденсатора через специальную проволоку. В первом случае материал деформируют путем периодически повторяющихся импульсов высокого давления, генерируемыми высоковольтными разрядами в жидкости, а во втором случае электрическим взрывом проводника выполненного в виде проволоки необходимого сечения и формы.

На рисунке 8 представлены основные схемы электроимпульсной  штамповки, применяемые на сегодняшний  день. Закрытые видоисполнения емкостей под жидкостную среду лучше передают воздействие ударной волны на заготовку т.е. КПД такого исполнения намного выше КПД открытого исполнения, да и по технике безопасности они намного впереди открытого исполнения, однако снова встает вопрос цены на изготовление камер способных выдержать многократные циклы воздействия этих ударных волн. Если при открытом исполнении избыточная энергия ударной волны высвобождается в виде фонтанирующей жидкости, которую довольно легко заменить (ведь это все равно необходимо делать после нескольких циклов штамповки), то верхняя часть камеры должна успешно противостоять той же величине ударной волны, которая деформирует заготовку. Поэтому снова компромиссное решение рассчитывается индивидуально для каждого заказчика подобного оборудования.

Листовую заготовку 2 (рисунок 8,а) укладывают на матрицу и с помощью прижимного устройства 3 прижимают к ней. Емкость 5 заполняется передающей средой 6 (наиболее часто используется водопроводная вода, так как нет недостатка в возобновляемости данного ресурса производства – достаточно открыть кран). В воде на определенном технологией изготовления и видом материала расстоянии от заготовки 2 размещают рабочие электроды 4 и 7 (положительный и отрицательный), соединенные с генератором импульсов тока электрогидравлической установки.

При высоковольтном электрическом разряде между электродами 4 и 7 возникает токопроводящий искровой канал. Расширение канала разряда приводит к возникновению в жидкости ударной волны. Под действием ударной волны, давления, образовавшиеся при расширении газовой полости, и повторной гидропотока, сопровождаемого кавитацией, и происходит деформирование заготовки 2 по контуру матрицы 1.

На рисунке 8,б показано размещение рабочих электродов 4 и 7 в закрытой камере 8. Электроды 4 и 7 могут  быть установлены также внутри трубчатой заготовки 2, помещенной в закрытую камеру, образуемую матрицей 1 и крышками 9 и 10 (рисунок 8,в).

Главным фактором, определяющим фронт ударной волны при разряде  через зазор между электродами  в жидкости, является форма электродов и отражателей (рефлекторов).

Форма фронта же ударной  волны напрямую зависит от расстояния между электродами и их взаимного  расположения в пространстве камеры. На рисунке 9 представлены различные  типоисполнения камер с разнообразным  расположением электродов относительно друг друга, где 1 – матрицы разнообразной формы; 2 – фронты ударных волн; 3 – непосредственно сами электроды; 4 – разрядные промежутки между электродами; 5 – заготовки, подлежащие обработке; 6 – взрывающиеся проволочки.

Рисунок 9 – Схемы формообразования сферического (а), цилиндрического (б) и плоского (в) фронтов ударной волны.

 

При незначительном расстоянии между электродами в результате разряда образуется волна со сферическим  фронтом (рисунок 9,а), при достаточно большом расстоянии (хватает и  нескольких сантиметров) – волна с цилиндрическим фронтом (рисунок 9,б).

Однако при всех изхищрениях  в выборе формы отражателей ударной  волны или вариациях расстояния и взаимного расположения электродов, разряд через жидкость, все же характеризуется  неустойчивостью, а выходную мощность очень трудно регулировать. И тогда, чтобы облегчить управление формой и амплитудой генерируемых волн давления и одновременно повысить КПД искрового промежутка, электроды закорачивают между собой проводником в виде перемычки. Перемычку обычно выполняют из тонкой проволоки 6, свернув ее спиралью, или из фольги (рисунок 9,б; рисунок 9,в). Благодаря этому путь электрического разряда может быть предопределен по направлению и форме в зависимости от технологического задания.

4.2.2 Использование инициирующей проволочки для обработки материалов.

Наличие проволочки позволяет  увеличить длину разряда при  одинаковой мощности установки и  все той же рабочей среде (жидкости). Это объясняется тем, что при  разряде конденсатора через проволоку  превращение энергии более эффективно, так как свободный разряд и испарение жидкости заменяются " ударным " испарением проволочки. Это явление носит название электрический взрыв проводника.

Применение взрывающейся проволоки дает возможность снижать  рабочие напряжения, так как одно и то же значение напряжения в случае использования проволоки " перекрывает " большее межэлектродное расстояние. Этим преимуществом с лихвой компенсируется основной недостаток данного способа, заключающийся в необходимости замены проволоки после каждого разряда при многоразовой штамповке деталей.

Информация о работе Электротехнологические методы обработки