Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и экспериментальные исследования по ЭХО и комбинированной обработке в пульсирующем потоке крупно габаритных деталей 12
1.1. Опыт электрохимической размерной обработки крупногабаритных деталей 12
1.2. Условия образования в межэлектродном зазоре пульсирующего потока 52
1.3. Механизм образования пульсаций потока 55
1 .4. Влияние пульсаций на технологические показатели процесса обработки 61
Выводы 68
Глава 2. Научное обоснование проблемы пульсационного течения рабочих сред при ЭХО и комбинированной обработке 70
2.1. Научная концепция работы 70
2.2. Рабочие гипотезы...; , 75
2.3. Масштабы использования обработки в пульсирующем потоке 77
2.4. Методы решения поставленных задач 78
2.5. Выбор способов формирования пульсирующего потока... 81
2.6. Создание новых способов и устройств для обработки деталей в пульсирующей рабочей среде 86
2.7. Создание экспериментальной установки 97
Выводы , 98
Глава 3. Теоретические основы образования и течения пульсирующих рабочих сред в межэлектродном зазоре 101
3.1.. Образование газовой фазы и ее влияние на пульсирующий лоток 101
3.2. Физическое моделирование процесса обработки длинномерных деталей в пульсирующей рабочей среде 107
3.3. Моделирование процесса при различных способах регулирования МЭЗ 118
3.4. Расчет гидродинамических режимов 127
3.5. Влияние высокочастотных пульсаций потока на параметры течения рабочей среды 133
3.6. Устойчивость пульсирующего потока в зазоре 144
Выводы 152
Глава 4. Управление процессом обработки в пульсирующем потоке 153
4.1. Характеристика пульсирующего управляемого потока в межэлектродном зазоре 153
4.2. Условия формирования и пути управления пульсирующей рабочей средой 170
4.3. Влияние температурного фактора на технологические показатели процесса ЭХО в пульсирующей рабочей среде... 184
4.4. Управление качеством формирования изделий в пульсирующем потоке , 189
Выводы 202
Глава 5. Технологические показатели и процессы изготовления деталей с большой длиной зоны формообразования 203
5.1. Область рационального применения пульсирующего потока при обработке крупногабаритных заготовок 203
5.2. Особенности комбинированной обработки в пульсирующем эл ектрол ите 209
5.3. Расчет параметров процесса обработки в пульсирующем потоке 211
5.4. Оптимизация технологических режимов обработки сопряженных поверхностей : 216
5.5. Особенности обработки цветных сплавов 227
5.6. Опыт изготовления в пульсирующем потоке типовых изделий 231
5.7. Расширение технологических возможностей ЭХО путем управления параметрами процесса 249
Выводы 261
Общие выводы : 262
Литература
- Условия образования в межэлектродном зазоре пульсирующего потока
- Масштабы использования обработки в пульсирующем потоке
- Моделирование процесса при различных способах регулирования МЭЗ
- Условия формирования и пути управления пульсирующей рабочей средой
Введение к работе
При размерной электрохимической и комбинированной обработке технологические возможности процесса зависят от параметров течения рабочей среды через межэлектродный промежуток. Принятый в настоящее время метод расчета скорости прокачки среды через критерий массовыноса дает положительные результаты для некоторой осре д-ненной по свойствам и расходу жидкости, что в реальных условиях обработки не может быть обеспечено.
Исследования, проведенные в Туле, Ленинграде, позволили создать новые способы обработки в пульсирующем электролите за счет прерывания течения жидкости в промежутке внешним воздействием путем регулирования подачи электрода. Эти работы заметно расширили область применения электрохимической размерной обработки некоторых видов деталей,, например, небольших прессформ, ковочных штампов, матриц. Однако проведенные исследования не связали технологические режимы с динамикой массовыноса, что не позволило снять ограничения по габаритам зоны обработки и стабильности процесса. Последующие исследования по управлению процессом, выполненные в Казани и Воронеже, частично связали параметры течения рабочей среды с длительностью рабочего цикла, однако реализация новых способов на действующем и вновь создаваемом оборудовании вызвала трудности, преодоление которых в современных условиях оказалось практически не осуществимым.
Исследованиями ученых и специалистов Казани, Воронежа и других городов было установлено, что для большинства обрабатываемых поверхностей поток рабочей жидкости протекает через межэлектродный промежуток с пульсациями, характеристики которых автоматически изменяются даже без внешнего управления. Первые же попытки управления пульсациями показали перспективность такого процесса и значительно расширили технологические возможности методов по увеличению длины зоны обработки, повышению точности, качества поверхности и других технологических показателей. Проведенные эксперименты показали принципиальную возможность достижения точности и качества поверхностного слоя, при электрохимической размерной обработке (ЭХО) на порядок превышающих достигнутый уровень. Это открывает перед разработчиками широкие возможности по созданию конкурентоспособной наукоемкой отечественной техники нового поколения, что актуально для промышленности.
Работа выполнялась по заданиям Росавиакосмоса, в соответствии с комплексной программой развития машиностроения Татарии на 1990-1995, 1995-2000, 2000-2005 годы, программами Академии наук (тема 2,25), Академии технологических наук РФ «Новые интенсивные технологии для промышленного комплекса России» и «Развитие новых высоких промышленных технологий», научными направлениями технологических кафедр КГТУ-КАИ (г. Казань) и ВГТУ (г. Воронеж). .
Цель работы: создать новые способы размерной электрохимической и комбинированной обработки, осуществляемые в пульсирующей рабочей среде с регулированием параметров импульса по локальной величине масс выноса, что дает возможность значительно увеличить зону качественной обработки по длине потока поверхностей с большими размерами и повысить технологические показатели процесса, расширить область эффективного применения ЭХО и комбинированных методов.
Методы исследований: в работе использованы научные основы гидродинамики, пульсирующих потоков жидкости и газа, теория движения потоков в газотурбинных двигателях, представления о механизме полпажа на переходных режимах работы лопаточных машин, теория подобия в гидравлических машинах, механизм электрических методов обработки, основные положения технологии машиностроения, процедуры оптимизации.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
Обоснование возможности формирования в межэлектродном промежутке управляемого пульсирующего потока рабочей среды с адаптацией режимов к электрическим параметрам процесса.
Разработка принципиально новых способов и устройств для электрохимической и комбинированной размерной обработки широкой номенклатуры деталей различных типоразмеров в пульсирующем потоке рабочей среды.
Физическое и математическое описание процесса обработки в пульсирующем потоке.
Создание методов управления потоком рабочей среды для типовых типоразмеров поверхностей.
Проектирование технологических режимов и технологий обработки в пульсирующем потоке.
Создание научных основ расчета предельной длины рабочей части инструмента при обработке крупногабаритных деталей методом последовательного непрерывного формообразования или последовательного воздействия тока.
Модернизация оборудования под обработку в пульсирующем потоке.
Обоснование предельных возможностей процесса в пульсирующем потоке и создание рекомендаций конструкторам по расширенным технологическим возможностям новых способов.
Апробация и внедрение разработанных способов для обработки типовых деталей нового поколения машин с качеством, соответствующим мировому уровню. Основные научные положения, выносимые на защиту:
Разработанные автором новые способы размерной и комбинированной обработки металлических изделий, позволяющие значительно расширить возможности процессов по изготовлению крупногабаритных деталей с высокой точностью и качеством поверхностного слоя. На способы получены положительные решения на патенты, что подтверждает их приоритет и новизну в мировом масштабе.
Механизм формообразования поверхности в пульсирующем потоке.
Математическое описание процесса в пульсирующем потоке, где учитываются первичные и вторичные течения фаз рабочей среды, что позволило разработать технологические режимы размерной электрохимической и комбинированной обработки, обеспечивающие получение технологических показателей, не достижимых традиционными методами.
Типовые технологии и модернизированное оборудование для обработки в пульсирующей рабочей среде, отличающиеся учетом воздействия основных фаз и пульсаций рабочей среды на массовынос при больших размерах обрабатываемых поверхностей, что позволило минимизировать затраты на модернизацию и трудоемкость перенастройки средств технологического оснащения, повысить гибкость производства и конкурентоспособность выпускаемой продукции.
Научно обоснованные предельные технологические возможности процессов в пульсирующем . Г7 о тощ отличающиеся формализацией единого подхода к управлению процессом массовыноса через электрические параметры и фазы рабочей среды, что позволило разработчикам поднять качество изделий и исключить требования к производству, не осуществимые в новом процессе.
Личное участие автора в создании производственных участков, где используются предлагаемые способы, и новых учебных курсов при подготовке специалистов современных технических специальностей. Научная новизна. Обоснована научная позиция и сформулированы основные закономерности размерной электрохимической и комбинированной обработки в пульсирующем потоке рабочих сред, где впервые расчет режимов течения рабочей среды и параметров тока выполняется в реальном масштабе времени для всех фаз, что позволяет установить предельные размеры рабочего участка электрода-инструмента при зонной обработке и длину секций для секционных инструментов, снять ограничения по длине зоны обработки деталей.
Установлены закономерности течения фаз в рабочей среде и параметров пульсации потока, что позволило создать новый метод регулирования и управления лродессом, отличающийся тем, что время рабочего цикла обработки находят по параметрам газовой составляющей потока, а время пауз тока по времени массовыноса из зазора жидкой фазой фазы рабочей среды.
Разработан механизм управления пульсирующим потоком по расширению технологических возможностей и повышению показателей при обработке длинномерных поверхностей.
Разработаны расчетные зависимости для установления предельной длины (по течению рабочей среды) рабочей части электрода-инструмента, отличающиеся использованием стабильного участка пульсирующего потока и гарантированным исключением участка потока с вихревыми течениями жидкой фазы и мест остановки потока, позволяющие создать методику проектирования инструмента для обработки каналов и секций секционных электродов, обеспечивающую наибольшую достижимую производительность и точность профиля обрабатываемых участков больших размеров.
Созданы методы численных расчетов оптимальных технологических режимов в пульсирующем потоке жидкости при изменяющихся межэлектродных промежутках.
Предложен новый механизм размерного формообразования в пульсирующем потоке рабочей среды, с управлением процессом от единого воздействующего фактора - технологического тока - связывающего электродинамическую модель через массовынос с параметрами пульсирующего потока.
Практическая значимость. Созданы типовые технологические процессы обработки деталей различных габаритов переменного исходного профиля в пульсирующем потоке, что расширило технологические возможности размерной электрохимической и комбинированной обработки и позволило применять их для окончательного формообразования широкой номенклатуры изделий различного назначения.
Достигнуты технологические показатели, превышающие ранее известные, что повысило качество изделий до конкурентоспособного уровня.
Снижено количество (в ряде случаев исключено) последующих операций при изготовлении наукоемких изделий, что позволило повысить прибыль изготовителя.
Установлены предельные значения технологических показателей при рассматриваемых процессах, что позволило разработчикам ускорить проектирование и отработку технологичности новых изделий, выигрывать в сроках поставки изделий и конкурентной борьбе за рынки сбыта продукции.
В КГТУ-КАИ и ВГТУ разработаны- новые учебные курсы и разделы по использованию в технологии нетрадиционных методов формообразования в пульсирующих потоках жидкости.
Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной базе КГТУ-КАИ, ВГТУ, предприятий КПО-КМЗ, ВМЗ.
Внедрение результатов выполнялось на действующих участках и цехах путем модернизации оборудования и изменения технической документации.
Апробация работы. Основные разделы докладывались на конференциях и семинарах в Туле: на VI Всесоюзной научно-технической конференции, 1986 г., Международной конференции "Современные электротехнологии в машиностроении", 2002 г.; в Казани: на Международной научно-технической конференции МП-95, Всероссийской научно-технической конференции КФВАУ 2001; в Ленинграде на III всесоюзном научно-техническом семинаре Оптимшлиф-88; в Москве на VII Всесоюзной школе-семинаре МГТУ, 19S9 г.; в Кишиневе на Всесоюзном научно-техническом семинаре, 1990; в Воронеже: на совещании по направлению 2.25.1 Л, 1990 г., 4 на Международной научно-технической конференции "Нетрадиционные методы обработки", 2002 г.; в Тольятти на Всероссийской научно-технической конференции, ТЛИ, 2002; в Ростове н/Д на IV Международной научно-технической конференции "Динамика технологических систем", 2001 г.; в Киеве на Международной научно-технической конференции "Проблемы станкостроения, производства технологической оснастки и инструмента", 2002 г.; Krusevac, Yugoslavia; 2 World Tribology congress, Wienna, 2001 и др.
Публикации по работе. По материалам диссертации опубликованы 2 монографии, 30 статей, получено 3 положительных решения на способы и устройства.
Личный вклад автора в работе III - глава 1, раздел "Обработка лопаток вращающимися катодами" (с. 4-69); в /3/ - выбор схемы подачи рабочей среды в межэлектродное пространство; в /4/ - разработка способа импульсной подачи потока жидкости за счет центробежных сил; в 151 - анализ точности формирования профиля сложнопрофильных поверхностей; в /6/ - разработка схемы и режимов обработки жаропрочных материалов; в /7/ - разработка способа дозированной подачи рабочей среды; в /10/ - создание условий течения пульсирующего потока рабочей среды; в /11/ - разработка алгоритма выбора рабочих режимов технологического процесса ЭХО и комбинированной обработки; в /15/ - пути повышения точности обработки вращающимся инструментом; в /16/ - экспериментальные зависимости по точности комбинированной обработки; в /20/ - моделирование процесса комбинированной обработки с дозированной подачей электролита; в /21/ - анализ технологических показателей и оптимизация режимов комбинированной обработки жаропрочных материалов; в /22/ - описание процесса дозированной подачи электролита в межэлектродное пространство; в /23/ - критерии течения и взаимодействия газовых потоков; в /37/ - модель течения газовой и жидкой фазы в силовом поле.
Условия образования в межэлектродном зазоре пульсирующего потока
В Казанском авиационном институте в течение более 40 лет выполнялись исследования по гидродинамике рабочей среды при ЭХО путем скоростных съемок, где получены /124/ интересные результаты, учитывающие условия образования в межэлектродном зазоре пульсирующего потока жидкости. Здесь /124/ принимали рабочую среду многофазной, где источником образования газов считали катодные реакции. Режим течения принмался пузырьковым, причем двухфазная среда рассматривалась как смесь несжимаемой жидкой и сжимаемой газовой фаз. В целом ее уподобляют однородной сжимаемой жидкой среде с физическими свойствами, отличающимися от свойств газа и жидкости.
Водород, выделившийся на катоде, формируется в виде пузырькового клина, толщина которого растет по длине межэлектродного канала. Пузырьковый клин на некотором расстоянии от входа в канал может достигнуть поверхности анода и все сечение канала будет занято газожидкостной смесью.
Размеры и форма пузырькового клина зависят от параметров обработки. В случае газовыделения на аноде возможно образование в межэлектродном канале двух газовых клиньев.
Интенсивное газовыделение с поверхности катода вызывает асимметрию поля скоростей течения электролита (ркс. 1ЛЗ).При этом максимум скорости смещается к аноду. Это объясняется тем, что образующийся пузырьковый клин отжимает жидкость к аноду. По мере заполнения канала пузырьками газа эпюр распределения скорости в сечении канала приближается к симметричной. При этом средняя скорость движения электролита возрастает вниз по потоку /124/.
В относительно коротких каналах зозможно существование пузырьковой и жидкостной зон. При ЭХО деталей с длинномерными межэлектродными каналами пузырьковая зона достигает анода, и с некоторого расстояния все межэлектродное пространство заполняется газожидкостной смесью.
Увеличение газо с одержання по направлению потока происходит за счет более плотной упаковки пузырьков. При этом пузырьковый режим течения может при определенных условиях перейти в пленочный с образованием газовых пробок. При дальнейшем увеличении газосодержания устойчивый режим течения газожидкостной смеси Егруглается. Таким образом, в зависимости от объемного газосодержания характер движения двухфазной рабочей среды может существенно меняться.
Размеры газовых пузырьков (рис. Ы4) зависят /124/ от режимов ЭХО, гидродинамики течения рабочей среды в зазоре и динамики их роста. Средний диаметр пузырьков не стабилен по длине канала: он изменяется до 30— 60 мкм в конце канала (при длине канала 300 МЭЗ). Данные скоростной киносъемки процесса показали, что в растворе хлористого натрия, движущегося со скоростью 0,7 м/с, пузырек на катодной поверхности удерживается в течение 0,12 с, вырастая за это время до 10 УКМ- После этого происходит его отрыв. Во время удаления пузырька от катодной поверхности его размеры увеличиваются. При удалении от катода на расстояние 0,1 мм размеры пузырьков не превышают 40 мкм. При дальнейшем движении их размеры зависят от условий процесса, главным образом от скорости протока. При определенных эз режимах течения весь канал заполнен пузырьками диаметром 40—55 мкм, образующими ядро потока двухфазной среды. В комбинированной электроабразнвной обработке лопаток ГТД автор /171/ использовал дозированную подачу рабочей жидкости, что существенно повысило технологические показатели при изготовлении базовых элементов крупногабаритных лопаток. Механизм образования пульсапнй потока
Для определения истинного объемного газосодержания необходимо учесть связь между массовой и объемной концентрацией газа. Пузырьки газа (d0 0,0001 мм) , выделившиеся на катоде, скачкообразно достигают установившихся размеров по прошествии времени т. минуя промежуточные стадии. Это означает, что объемная концентрация газовой фазы а в момент времени t определяется массовой концентрацией газа, выделившегося за время t-т, а объем пузырьков газа, выделившихся за время т, можно считать нулевым. В этом случае зависимость между объемной и массовой концентрацией газовой фазы по/124/ а = 1 , (1.16) l-rkcr(l-q) где к — коэффициент; сг — массовая концентрация газа; , — коэффициент, учитывающий ту часть газа, которая находится в при-электродных слоях в нестационарных условиях. Этот коэффициент равен отношению массовой концентрации газа с нулевым объемом к установившемуся значению массовой концентрации. Он зависит от времени т, скорости потока и координаты
Масштабы использования обработки в пульсирующем потоке
В работе выбраны и обоснованы следующие гипотезы:
1. При расчете режимов ЭХО определяющими фазами рабочей среды являются парогазовая и жидкая, которые можно считать раздельными с четко существующей границей разделения фаз и находять параметры течения каждой фазы с учетом только внешнего взаимного воздействия. Граничным условием, определяющим активное воздействие газовой фазы на процесс ЭХО, является достижение в зазоре объема газовой фазы, заполняющей все сечение канала течения рабочей среды.
2. В пульсирующем потоке помимо импульсов движения фаз по век тору течения возникают поперечные пульсации, вызывающие вибрации электродов в направлении межэлектродного зазора, что следует учитывать при расчете длины канала со стабильными осредненными параметрами процесса ЭХО. 3. Тепловые процессы оказывают влияние на режимы течения газовой фазы, увеличивая ее за счет паров жидкости. Однако такое влияние проявляется только в период "запирания" движения потока, который относится к нерабочему периоду, поэтому при расчетах параметров рабочей среды по тракту термин "парогазовая среда" будет заменен на "газовая среда". При этом предполагается, что в газообразной фазе могут присутствовать, наряду с водородом, кислород, хлор, пары воды, но их количество существенно ниже по сравнению с водородом.
4. Управление потоком рабочей среды возможно путем изменения интенсивности и периода воздействия электрического поля синхронизированного в реальном масштабе времени с переходными границами режимов течения основных фаз и осредненного потока в межэлектродном зазоре.
5. При большой ширине межэлектродного зазора возникают перетекания всех фаз рабочей среды, что снижает точность течения одномерных потоков, однако увеличивает запас величины устойчивого движения, необходимого для стабилизации показателей качества обработки по длине канала течения среды. Поэтому такие перетекания могут не учитываться, что создает возможность исключить влияние случайных факторов на стабильность процесса и упростить расчеты.
6. При протекании потока жидкости в межэлектродном промежутке могут возникать локальные застойные зоны, которые за счет расчетных режимов можно объединить в виде единого импульса потока по всему периметру обрабатываемой поверхности.
7. Время паузы между импульсами можно сформировать достаточным для выравнивания свойств рабочей среды перед зоной торможения потока, следовательно в начале каждого импульса условия обработки в пульсирующем потоке могут выравниваться независимо от величины межэлектродного промежутка. 8. Условием выравнивания свойств потока можно управлять начальным зазором при неподвижных электродах и изменением минимальной ве личины зазора при принудительном переметений электродов.
9. Длительность импульса потока электролита с реологическими ха рактеристиками можно совмещать с длительностью импульса тока путем воздействия магнитного поля в начале импульса и снижения магнитного по ля по мере торможения потока за счет его заполнения газообразными и кол лоидными продуктами обработки или изменением свойств (например, вязко сти, электропроводности и др.) рабочей среды.
10. Механическое перекрытие потока адекватно его торможению про (V дуктами обработки или увеличению вязкости рабочей среды.
11. Процесс формообразования в ігульсирующей среде адекватен из вестным /5, 13, 14, 15/ процессам при периодическом изменении величины тока в промежутке (управляющие сетки и др.) или проводимости среды (на грев, газонаполнение, изменение состава среды в др.) 2.3. Масштабы использования обработки в пульсирующем потоке
Сформулированные гипотезы и классификатор в таблице позволяют ограничить без потери показателей процесса область более сложных расче т тов режимов обработки с учетом пульсаций течения жидкости, создать новую теорию электрохимического и комбинированного процесса в пульсирующем потоке, технологию, решающую проблему повышения точности электрохимической обработки, что дает возможность преодолеть барьер для этих методов по границе области чистовой обработки деталей с большими габаритами /4/ и вносит принципиальную возможность расширить область использования ЭХО, особенно в комбинированных технологиях, где ранее из-за ограничений по точности и появления нестабильности структурная электрохимическая составляющая комбинированного процесса применялась для ограничений номенклатуры детатей в основном с малыми размерами по длине потока. Достоинством новой технология является возможность применения достаточно дешевого и доступного для изготовления своими силами оборудования, т.к. управление пульсацией потока может решаться изменением конструкции инструмента и внешними воздействиями на поток.
Автор считает, что предлагается новый технологический процесс, способный оказать заметное влияние на повышение точности и качества сложных деталей авиационной, космической, транспортной техники (например, сопловых, направляющих, рабочих лопатог /7/, инструмента (например, прессформ, штампов), особенно с большими габаритами обрабатываемой зоны), что способствует росту потенциала машиностроения, повышению конкурентоспособности отрасли на мировом рьгаге, росту престижа промышленности России.
Моделирование процесса при различных способах регулирования МЭЗ
В Казанском авиационном институте в 80-90 годах прошлого века проводились работы по скоростной съемке процессов, протекающих в межэлектродном зазоре при ЭХО. В /124/ показано, что в зависимости от электрических режимов, зазора и давления электролита на входе в канал возникает "запирание" потока. Подобное явление наблюдалось /149/ при обработке неподвижным катодом длинномерных каналов (до 10000 мм). Здесь была + сделана попытка поднять точность обработки за счет повышения скорости прокачки среды до 50-60-м/с, однако это не дало положительного результата, т.к. возникла сильная пульсация потока, нарушившая точность профиля.
В /141, 126/ предложены новые схемы регулирования межэлектродных зазоров, где изменяются гидравлические режимы и возникает пульсация потока, которая рассматривается в указанных источниках в качестве сопутствующего фактора, не оказывающего существенного воздействия на точность обработки. Такой подход правомерен для коротких каналов течения электролита, но не может приниматься для крупногабаритных поверхностей.
Делались также попытки регулировать режимы подачи рабочей среды в зону обработки /171/, где порции жидкости подавались под инструмент от внешнего источника давления в количестве, необходимом для удаления продуктов обработки из зазора.
Анализ известных результатов исследований показывает, что в большинстве случаев использования ЭХО поток электролита имеет переменную скорость (пульсацию) и без учета этого не удается достичь стабильной точности обработки, особенно при изготовлении крупногабаритных деталей.
При моделировании процесса пульсационного течения электролита при различных способах регулирования межэлектродного зазора установлено, что по длине потока скорость электролита нелинейно снижается /124/ и может произойти его остановка. Этот факт в /124/ объясняют возникновением скачка уплотнения при переходе скорости звука в жидкости. Такой вывод позднее не подтвердился, т.к. он противоречит фактическим материалам /124/, в частности появлению эффекта запирания потока при малых скоростях потока. Вызывает сомнение также отмеченная в /124/ высокочастотная (более 1800 Гц) пульсация. Вероятно при скоростной съемке имеют место автоколебательные процессы, предшествующие запиранию зазора, за счет упругих свойств газовой пробки, играющей роль демпфера.
В общем виде начальная стадия движения электролита в межэлектродном зазоре (МЭЗ) может быть представлена рис. 3.7. Длина канала более 200 МЭЗ. Пузырьки (1, 2 на рис. 3.7) отрываются от электролизера и под действием давления (Рвх) электролита перемещаются по потоку. Одновременно образуются другие пузырьки, которые сливаются с движущимися и образуют единый пузырь 5. Чем крупнее пузырь, тем больше его трение о другие пузырьки и стенки канала. Это интенсифицирует его рост за счет слияния отдельных пузырьков и увеличения внутреннего давления. Если принять описание роста пузырьков по /124/, то они сначала увеличиваются до 0,05 — ОД мм, затем уменьшаются до 0,03 — 0,06 мм. Отрыв от стенки происходит при диаметре около 0,01 мм. Далее канал полностью заполняется пузырьками и происходит его запирание. С позиции нашей модели (рис. 3.7) снижение диаметра отдельных пузырьков по длине канала можно объяснить ростом сопротивления их движению, увеличением внешнего давления, что адекватно дросселированию потока /160/.
По /124/ не удается объяснить причины запирания канала: если диаметр пузырьков снижается, то почему поток перекрывается. Более близкой к реальности является модель на рис. 3.7. Здесь часть пузырьков действительно изменяет размер, но как видно из материалов скоростной съемки, их диаметр в направлении от электролизера стабильно возрастает за счет слияния. Тогда МЭЗ заполняется однородной средой до полного перекрытия канала. На кадрах съемки не видно единого пузыря 5 или 6, что можно объяснить нахождением в пузырьках продуктов обработки в виде гидроокислов, смазывающих границы. Если принять нашу модель, то легко объясняются наблюдаемые в /124/ высокочастотные колебания пузырьков (а следовательно и потока). Останавливающийся пузырь 6 является упругим, на него воздействуют более мелкие пузырьки, образующиеся на электролизере. Происходит возвратно-поступательное перемещение их в потоке, сопровождаемое импульсным перемещением пузыря 5 перед полным запиранием канала. Количество газов, образующихся при реакции удаления металла с анода, может быть оценено по /141/, откуда следует, что основную часть (по объему) продуктов обработки составляет водород. Это подтверждается наблюдаемыми в /149/ взрывами в канале, которые при больших площадях обработки (до 4000-5000 см2) и токах до 30 тыс. ампер могут вызвать выброс со станка заготовки и повреждение оборудования. Разноречивые сведения имеются о влиянии скорости течения электролита на точность обработки. По /149, 160/ скорость желательно иметь более 8 м/с, хотя там же приводятся режимы, где скорость около 1 м/с. Очевидно, что увеличение скорости движения рабочей среды целесообразно, если в зазоре не имеется запирания канала и условия анодного растворения достаточно стабильны по всей длине зоны обработки. Малые скорости потока снижают съем, но выравнивают его значения по длине, что используется, как правило, при чистовых операциях, где съем материала не значителен и пульсации имеют меньшую частоту. Известно, что операция электрохимического полирования происходит в неподвижном электролите с перемешиванием его для выравнивания свойств.
Условия формирования и пути управления пульсирующей рабочей средой
Дальнейшее развитие электрохимической размерной обработки сдерживают ее ограниченные технологические возможности по изготовлению крупногабаритных деталей, где начали, проявляться погрешности, превышающие допустимые нормы. Скоростные съемки процесса, выполненные с участием автора в Казанском авиационном институте, показали, что основной причиной нарушения стабильности прояесса является нарушение течения потока рабочей среды. Принятая во всем мире методика расчета течения потока как однородной однофазной среды оказалась допустимой только для коротких (до 100-150 величин зазоров) каналов. В других случаях, а это основная область приложения способа, поток является нестационарным, пульсирующим с резким изменением не только скорости, но и направления течения, что в принятых методиках расчета не учитывалось. Скоростные съемки показали возможность полной остановки рабочей среды, когда съем прекращался и процесс локально затухал. Известны многочисленные (к сожалению малоэффективные) попытки управлять пульсирующим потоком, используя для этого противодавление, разделение канала на короткие участки течения среды, вибрацию электродов и др.
Наиболее результативной оказалась попытка механического перекрытия канала при импульсно-циклической обработке, когда пульсации электролита совмещают во времени с длительностью анодного растворения. Однако такое воздействие эффективно только для.небольших обрабатываемых поверхностей, где рассогласование между накоплением продуктов обработки и временем их транспортировки незначительно, происходит полный вынос газов и «запирания» потока не наблюдается. Для крупногабаритных изделий требуется установить алгоритм управления параметрами течения рабочей среды, что возможно, если рассматривать процесс как движение многофазной среды с источниками пополнения фаз по длине канала. В качестве крите рия управления можно принять обеспечение одинаковых условий течения среды и стабильность съема по всей обрабатываемой поверхности в реальном времени.
В качестве рабочей гипотезы принято, что управление процессом обработки деталей с большой длиной канала течения рабочей среды следует осуществлять по величине подводимого тока в зависимости от состояния газовой и жидкой фазы в межэлектродном зазоре. Это позволяет создавать требуемую пульсацию потока, обеспечивающего дискретный вынос продуктов обработки из каналов любой длины, т.е. управлять процессом размерной об работки деталей с любыми размерами, что особенно перспективно для авиакосмической отрасли и расширяет область использования метода в общем машиностроении, поскольку не требует усложнения оборудования, оснастки. Необходимые для технологии расчеты параметров процесса на современной вычислительной технике не вызывают особых трудностей и дают удовлетворительные результаты. Механизм формирования гидравлических и электрических параметров режима размерной обработки в пульсирующем потоке приведен на рис. 4.7. В начале процесса анодного растворения (рис. ,4.7, а) условия течения жидкости по всей длине канала одинаковы, стабилен массо-вынос, поток течет достаточно плавно и съем подчиняется теоретическим зависимостям, т.е. процесс управляем и может рассчитываться по осредненным параметрам, как это применялось ранее. Такое предположение правомерно для небольших обрабатываемых поверхностей (в зависимости от профиля канала его длина 100-200 зазоров). Здесь условие массовыноса и равномерность съема в конце формирования профиля вьшолняется при всех режимах анодного растворения, погрешность самого метода незначительна и точность высокая. Если длина канала возрастает (рис. 4.7, б), то поступление в зазор газообразных продуктов обработки (в основном с катода) тормозит движение пузырей 3 и всего потока (W2 W,), вызывает неравномерность величин скоростей по сечению зазора. У катода поток может иметь обратное течение, т.е. жидкая фаза 4 образует вихрь (5 на рис. 4.7, б), способствующий росту газовых пузырей 3 из-за их торможения в потоке. При скоростных съемках наблюдались также двойные вихри 6, которые способствовали образованию струйное потока на аноде и вызывали неустранимые местные дефекты. Из эпюры (рис. 4.7, б) видно, что на катоде вынос продуктов обработки отсутствует, т.е. нарушается условие массовыноса и возникает местное нарушение стабильности процесса, съема материала с анода.
