Введение к работе
Актуальность. Разкєр.чзя элзкгрохчжческая обработка ( ЗХО ) металлов - один из современных ме. люв изготовления деталей за счет анодного растворения металла в проточном электролите с помощью специального катода - инструмента. Одной из' актуальных задач теории ЭХО является изучение особі ішостєй гидродинамики потока электролита и учете, этил особенностей при разработке методов рзечега электрохимического формообразования. Особое .место в изучении гидродинамики потока электролита запинают кавитшионные .явления. Основными факторам способствующими возникновению кавитации и ершу потока электролита от поверхности электродов являются: 1) большая скорость течения электролига в кежэлектродноч промежутке ( МЗП >; 2) началыгл загазованность электролита и выделение газообразных продуктов реакции.
Каверны возникающие в области МОП вызывает местное экранирование поверхностей электродов, что приводит it нарушению стабильности анодного растворения. Б результате возникает поверхностные дефекты обрабатываемой детали и увеличивается вероятность короткого закыкания. Б связи с чем, изучение влияния кавитации на процесс ЭХО и разработка методов расчета электрохимического формообразования с учетом кавитацион-ных явлений представляет вполне or.; еделеикый практический и теоретический j ттерес.
Цель работы.'
разработка, на основе теории плоскопаралледьных течении идеальной несжимаемой жидкости со свободными поверхностям!, кет адов расчета' стационарного анодного форкообразования с учетом сопутствующих кавитационных явлений;
исследование задачи специального профилирования формы катода - инструмента, необходимого для обеспечения безотрывного течения электролита в НЭП;
исследование стационарного электрохимического формообразования секционным катодом - инструментом.
._ -з -
Научная новизна. Построзны ктецатпчзекне юдзлч, опись -ваидие течение в !,52П в регашзх развитой и чізїпчьоіі кавпта -ній. Разработаны эффективные численно - аналитические г.этодц' расчета стационарного здектрох>*;,з";зского формообразования с учетом ка&итацхоннь&с явлений. Получено реішние задачи спада -ального профилирования фор?,:;.; катода, необходимого для обеспечения безотрывного течения электролита в !.:3'Л при ста -цконарнок ре&и:>:а ЭХО. Разработай катод расчета стационарного электрохимического форкиоЭразовавхл двухсекционная катодом, при различных значениях напряжения' на его секциях и решена задача специального дзофилированкя двухсекционного катода -инструмента.
Практическая ценность подученных в диссертации рсзутьта -т -і состоит в возможности использования разработанных кзто -до в для расч-зга стационарного электрохимического гсор.чообра -зованил, проектирования катодов -- инструментов и технологи -ческогс процесса.
Апробация работы. Результати диссертации по каре их по -лучения докдздкзались на республиканской научно - тахни - . ческой конфер-. щни " Механика машиностроения" (г. Брежнев, 1937 г.), на У - YI' науино-технкческих конференциях КамАЗ -КакШ (г. Набережные Челзы, 1986, 1988 гг.), на кеготрасле -вор научно-технической конференции "Теория и практика элект -рохимической обработки в мавиностроении." (г. Казань,198В г), на V-оИ Всесоюзной научной иксл-з по гидромеханике больших скоростей (г. Чебоксары,1992 г.>, на итоговых научных кон -ференциях Казанского государственного университета в 1991 г, 1992 г., 1.994 г., на республиканской научно - технической конференции молодих ученых по проблемам ЭХРО в Казанской авиационном институте (г. Казань, 19L г.).
Публикации. По теме диссертации опубліковано 9 работ, -писок которых приведен в ^онце автореферата.
Структура и обьен работы. Диссертация состоит из введе
ния, четырех глав, заключения, списка литературы и прилоке-
кия. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста,
^одержит 72 ^исунка. Список 'литература насчитывает 67 наз
вания. .
. _ 4 -
CGJiEPSaHKE РАБОТЫ
Во лведснии дан краткая обзор литературы по методам расчета анодного формообразования, изло'нлю содержание работы, с '^аудированы основные результаты вкносиные на зациту.
Значительный :зкллд в разработку теории распета размерной 3X0 виголи Гелыкин Ф.В., Мороз И.П., Петров Ю.Н., Корчагин Г.Н., Каримов А. X., Клоков В. В., Волков Ю.С., Алексеев Г. А., Шзрбаков Л. й., Стюланнев В. П., Крылов А. Л., Крылов Б. С, Kozak I., He^son-Brou/ne Р..С. и др.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований по вопросам, связанный с разработкой теоретических основ и ' совершенствования технологии ЭХО , металлов достаточно полю отсажены в монографии Л. Д. Давыдова, Е.Козака1? Отмечено, что к настоящему времени хорошо разработаны методы расчета анодного формообразования, основанные на теории функции комплексного переменного.
3 работе В.В.Клокова25, впервые предложен метод расчета анодного формообразования с учетом движения электролита в меж-элекгродном промежутке (МЭП). Поток электролита в окрестности кромки катода-инструменга считается плоскопараллельным и по-. тенциальным. Теоретическому исследованию гидродинамических явления на основе модели идеальной несжимаемой жидкости посвящены работы В. В. Клокова, Л. М. Котляра, Л; Л. Лебедева, З.Б. Садыко-ва, В.Г. Насибулина, Результаты_ исследований свидетельствуют о том, что-описание течения электролита на основе модели идеальной несжимаемой жидкости отражает качественные эффекты наблюдаемые на практике и мо^ет служить основой для построения математических; моделей с целью описания вязкого потока.
Для изучения влияния на процесс ЭХО такого фактора, как наличие кгвигации, необходимы дополнительные исследования.
-
Даькдов а.Д., Козак Е. Высокоскоростная электрохимическое формообразование. М..: Наука, 1S90. - 342с.
-
Клоков В. В. Стационарное электрохимическое формообразование с учетом движения электролита.'- В кн.: Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов в а?иастрое -нии. - Казань. 1989, с. 30-36.
В первой главе < 1.1
В.В.Клыкова 2>, теории плоскопараллельны*
1. 2> в рамках, использованной в работе ' течений идеальной несжимаемой жидкости разработана математическая кодель и численно-аналитический метод решения плоской задачи стационарного электрохимического формообразования с учетом образования на катоде развитоп каверны. В катоде учитывается двукерпссть электростатического и гидродинамического полей. Электростатическое поле в ,\5ЭП полагается потенциальные с нулевой плот -ностью зарядов. Поляризация электродов счлтается разноверной. Предполагается, что граница каверни является изоляторе;,:, что оправдано при учете слабой электропроводности гаоовоя среды по сравнению с электролитоы.
В 1.1 рассматривается решение кодельной задачи. Схема рассматриваемого течения изображена на рис. 1а. Течение олект -ролита осуществляется в направлении от в:;ода в МЭГ! в окрестности точки А к точке В. Точки А и В находятся в бесконечноеги. В точке С происходит отрыв потока с поверхности катода с образованием каверны. Согласно схеме Кирхгофа граница каверны простирается дс бесконечности. На границе каверны модуль скорости постоянен и равен V0. Уа - скорость набегащего потока, а н\ - величина мекэлектродного зазора (ЮЗ) на бесконечности з точке А Вектор Vk указывает направление подачи катода. Границы АВ и АС при допущении равномерной поляризации электродов являются зквиаотенциалями электростатического поля. На анодной границе АВ выполняется условие стационарности формообразования. На границе каверны СВ выполняется условие непротекаиия тока. Требуется определить форму анодной границы АВ и . форму границы СБ.
Рис. 1 '--Цяя решения задачи введем_вспомогательное комплексное пэ->мекное и = і + i-rj изменяющееся в области D^duK 1>С5Ю>ч>0) ."іио.іЬ и будем искать функции. Z(u) конформно отобрахаодую оо -
ласть Du на область течения с соответствием точек, указанном на ряс.1а и 1в. Для определения функции Z(u) достаточно найти производную комплексного потенциала V(u) в плоскости и и функцию Жуковского"
%(u) = Ln <У6 dZ/dV) = г ч- 1-в , г = Ln(V0/V>, (1) где V- модуль скорости, Є - угол наклона вектора скорости к оси Я. Функция dV/du строится методой особых точек35 '
g_ 8'УЦ Q^Vj-H, (2)
du я-Ш4-!)* Функция %<и> имеет следующее представление
X(u> = an-u 2n_1 + а-я-і . (3)
где an-- вещественные коэффициенты. Для определения коэффициентов an введем в рассмотрение комплексный потенциал V = Фэ+1-ф0 злектричєсісого пом, который при гидродинамической интерпретации задачи является одновременно комплексный потении -ало» фиктивного течения идеальной несхимаеисп. жидкости от источника в бесконечно удаленной точке А к стокам на линии СВ. Производная dW,/du строится методам особых точек35
d"',/du = 4/-/CU2 - 1). (4) .
Ha анодной границе АВ вкполкязтся условие стационарное -
ти Формообразования'1 Re (dZ/d»/9) = н, (5)
где Н = s-t)-32'(U - u1)/(p-Vt), є - лектрохнмнческий эквива -лент, . -выход гк току, ж-эдэктрспроводность среды, 13- напря -гение источника питания, .ut-падение-потенциала электростати -ческого поля в прнэлектродных слоях, р-плотность обрабатыва -емого-материала, Vk -скорость подачи катода. Величины Н и Hj связаны соотношением'45: Hj= H/cos(a-sc). Это обстоятельство с учетом соотнесения
dZ dZ dW3 du
dW = 5w3 du W
-
Ґуревич M.И. Теория струп идеальной жидкости.-М.: Наука, 1979. - 5'Збс.
-
Клоков В.В. Электрохимическое формообразование.-- Казань: Изд-во КГУ, 1934. - 80с.
Отсюда с учетом (З) получим її/2
an = -vy j «Co") - a-5;>-sin((2ri-l)-0>eW , (7>
V - со
где в(С) .= arc;.:"?.<-- -~ co3(cx)-cos
Задача сгодится к спраделажю числовой посладоьаіе.!ьнсстн Р^ 'а^Х л --- 1,2,3... Используя полученную систем/ ураььопп;', (7)
і " її і
с пошлые /летода простоя пгерацчп іЮследовател^ь'осгь А = і^'1 У вырадается через последовательность /Г = {а*" }. За начальное приближение принимается an = 0, n=l,2,3... После кавдой итерации производится проверка граничного условия ;6). Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока граничное условие <6) fie будет выполнено с требуекой точностью. После определения значений коэффициентов ап, используя формулы (і), (2) к (3) молено определить форму границы казерны и профиль обрабатываемой поверхности.
^ 1.2 представлены результаты чи" ленных расчетов. На рис.2 приве'-дены результаты расчета формы анод -ной границы и форма каверны. Пунктирной линией показаны результаты расчета анодной границы при ЭХО двугранным катодом с-боковой изолированной гранью, Рис.2 ..ара. .дельной направлению подачи кате да, без учета кавитации. Видно, что при наличии каверны ширина кежэлектродного про -f кутка умеї шается. Особенно это заметно в области рас -
полэлллня каверны.
Лредлололдіті метод озеч
пі:
анодного
:Л
гз\оътаты расчетов могут Слгь коікллоое
проектировании катодных устройств и проведении рас-лтов rpop-мл анодних грай, ц в тех случаях когда используются электролиты с бохькім коэффициентом выхода водород і по ТОКу.
Ео второй главе (со 2.1-2.2) ла основе математическое модели, прздяэденнол в первой глосо диссертации, разрссст'н численно'- аналитический метод ременчя плоской задачи стацн-
лля с учетом обра
силового электрохимического Формообраз сования да катоде частичкой кавардьТ -
В 2.1 рассматривается ремонке ьп дельной задачи. Схема рассматриваемого течения представлена па рис 3: ACR - граница катода, ЛБ- исковая анодная граница. Для опредедляюсти будем считать, что течение олектролктз осуществляется в направлении от входа в НЭП в окрестности толки А к толке D. І5 точке г нро-
погодит отрьз ПЛІ катода о образованием каверни. ] модели считается, что граница каверны CD замлкается на фикгиввуо 13^лф"Ґ ~" *"" г,лестинку PF, пергк.ядикудлрнуы Л *"'" " \У
онгого течения является аналогом' Рнс.З схелн Рябуливокого3? Скорость течении электролите на боско-нечкос~и в точк А равна Y., , шірика нелэлектродлого зазора . Hj. Давление в каверне постоя.чв ; и скорость в точка С равна \0. Величины зазоров Еі на в,.^де и Н2 на выходе из МЭП связаны соотнесением Н2 = ^j-cosCa-JO/cosCp-TO. Это равенство является еле отвиеи условия стационарности формообразования.
В 2.2 даны примеры численних расчетов Формы каверны и профиля обрабатываемой поверхности. Проведен анализ полученных результатов. На рис.4 представлены результаты расчета, таи же приведены известные ре -зультатн43 (пунктирная линия) расчета oC=OJ,J>~^/3j^/ff~/tS анодной .границы без учета кавитации. Рис. 4
Уз представленных графиков видно, что профиль анодной границы существенно зависят от режима течения электролита, определи -екого значением параметра \/"1г Используя предложенный кетод решения, мокно построить семейство кривых типа представленных на рис.4 и считая, что давление в каверне равно давлению на -сыщенных паров для данного' электролита, подобрать соответ -ствуицее значение давления на входе в ЮП, таким образом, чтобы поверхностные дефекты на обрабатываемой поверхности были незначительны.
- При проектировании электродов предусматривают, чтобы электролит в МЭП прс екал плавно, без резких поворотов. Среди . комплекса предпринимаемых кер кокю выделить операцию округ -ления острых крокок катода при обтекании которых,как правило, пр .исходит отрыв потока электролита с поверхности инструмента и возникают каверны.
В третьей главе (3.1-3.2) рассматривается задача специального профилирования форкы катода, необходимо го для сбєспечз-ния безотрывного течения электролита в ЮП.Граница спрофилированной крог,ни катода должна икать такую форму, чтобы скорость течения элачтг лига на этой границе нигде не убывала. Форму криволинейного участка, получаемого в результате сгла&ивания острой крокки катода будги строить такий образом, чтобы значение скорости на этоы участке границы катода было постоянны:.?.
"Рис.5
. В 3.1 рассматривается задача расчета, формы границы .глаженной кроши двугранного катода и форкы анодной границы образующейся при стационарном режиме ЭХО этим катодом. Схема МЭП представлена на рис.5: АВ-граница анода, ACDB -граница катода, причем АС и BD - полигональные границы, CD - криволинейный участок границы катода. Скорость течения электролита на бесконечности в точке А равна Yj, ширина кеаэлектродного зазора Нг. Значение. скорости на границе CD постоянно.и равна Y0. Требуется определить $орыу границ АВ и СР.
При решении этой задачи используется метод, предложенный для решения ранее ргсмотрєпних задач.
В 3.2 представлены результаты численных расчетов и проведен анализ полученных результатов. Па рис. G представлены
V./V, = 2.0
c/V^-t.
оС=о.о , fi~= і/з. ;
і'ис. б результаты расчета для некоторых частик случаев. В диссертационной работе показано, что разкеры спрофилированного участка такхе как и форма обрабатываемой поверхности существенно зависят от режима течения электролита и форма спрофилированного участка инструмента значительно отличается от применяемой на практика дуги окружности.
Четвертая глаза ( 4.1 - 4.4) работу посещена иследо-, ваиию стационарного ЭХО секционным электродом. Метод основан на разделении обрабатываемой поверхности на участки путем применения катода, состоящего из отдельных изолированиях .друг от друга секция. В процессе ЭХО на различные секции катода путеч коммутации можно подавать различные назрякения, при этеа интенсивность съема металла на отдельных участках анодной по-; верхкости будет разной3? Тским otразом, при обработке детали катодом заданной формк, изкеняя значение напряжения на секциях катода, можно получать анодные поверхности разной фор?6?
5> Закрнов'А. П., Корчагин Г. И. Посеїадкжная эдектрохимичес-кая обработка крупногабаритных деталей дийуцимся электрическим пален. - Электронная обработка материалов, 19/3,
б, с. 30-33.
б) Клоков В. В. Электрохимическое формообразование катодом инструментом при различной напряжении/на его элементах. - В кн.Электрофизические и электрохимические методы обра -ботки материалов. Труды Комитета по проблемам СФЭХО. Вш.1, Казань, 19У9, с: 22-26.
В 4.1 рассматривается плоская задача теории размерной ЭУО металлов, состоящая в нахождении черны анодной границы, образующейся щч\ стационарно:.: ссци;.;е 3X0 детали двухсекционным катодом запавнпп
— ! Х///л Jw~ /
VJZ1
бой секции катода, BD -граница
второй секции катода, CD -
граница изоляции между секци
ями катода, ЛВ -искомая анод- .
ная граница . Задача решается д~
на основе модели потекцкадь-
' ного электростатического поля Рис.7
при допущениях равномерной поляризации электродов и электро-нейтральности среды в ЮП. Задача решается без учета влияния течения электролита.
В <,- 4. 7: .тоиьедены результаты численных расчетов.
На рис.. 8. представлены результаты расчета для некоторых частных случаев, расчета анодной границы для стационарного режима ЭХО детали двухсекционный катодом.
{- P-o.Z; 2-9=0.6; 3- <Р = 1.0.
Рис.8
соразмерней і:лра»іетр ф определяет перепад напряжения на сек
ция/ катода. _ '
"ре.одожнний метод позволяет, используя перепад напряке-.u: і Г;1, секция", катода, который, как видно из рис.8, оказывает ;:'.:'-.",гельлое влияние на форму детали, лормировагь необходимую кспфигурац',20 анодне»» гргницы.
; ; 1. С селена задача специального профилирования двух-
-Г2