Исследование процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Любимов Виктор Васильевич, Грачев Олег Евгеньевич, Козырь Денис Владимирович

Разработана математическая модель для расчета электрических параметров электрохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента. Выполнено моделирование процесса анодного растворения материала образца. По результатам анализа полученных данных даны рекомендации по выбору рациональных параметров электрохимической обработки.

INVESTIGATION OF ELECTROPHYSICAL AND ELECTROCHEMICAL MACHINING WITH PLASMA CATHODE-TOOL

A mathematical model to simulate electric parameters of electrochemical machining with plasma cathode-tool was designed. A modeling of the anodic dissolution of the sample material was performed. According to the results of analysis recommendations to choose efficient production performances of electrochemical machining were given.

Текст научной работы на тему «Исследование процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА

В.В. Любимов, О.Е. Грачев, Д.В. Козырь

Ключевые слова: импульсный плазменный канал, электрохимическая обработка плазменный катод-инструмент.

Развитие машиностроения напрямую связано с постоянным ростом производительности и повышением качества обработки деталей. Технологические проблемы, связанные с обработкой новых материалов и сплавов, повышение точности и надежности трудно решить известными механическими методами. В этих условиях, когда возможности традиционных инструментов ограничены плохой обрабатываемостью материала изделия, сложностью формы обрабатываемой поверхности или обработка принципиально невозможна, целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки, в которых используются нетвердотельные инструменты. К таким методам относятся лазерная, плазменная, электронно-лучевая обработка.

В работе [1] было предложено использовать в качестве нетвердотельного катода-инструмента в электрохимической обработке импульсный плазменный канал, полученный вследствие пробоя воздуха мощным лазерным излучением наносекундной длительности.

Как известно при превышении определенного порога интенсивности лазерного излучения в среде происходит оптический пробой и на фокальном отрезке аксикона или в перетяжке каустики сферической линзы образуется протяженный плазменный канал. На начальном этапе формирования плазменный канал имеет размеры лазерного луча с протяженностью порядка длины фокального отрезка аксикона или перетяжки каустики сферической линзы. В начальный период времени удельная электропроводность канала может достигать величин порядка 106 (Ом-м)"1 [1]. Это величина сравнима с удельной электропроводностью графита [2].

Исходя из этого, была предложена схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента (рис. 1).Согласно технологической схеме обработки плазменный катод-инструмент 3 формируется в результате оптического пробоя среды лазер-

ным излучением 4, сфокусированным линзой 5. Сформированный плазменный катод-инструмент 3 находится рабочей частью в электролите 2. Подведение электрической энергии к плазменному катоду-инструменту 3 осуществляется путем его касания токоподводом 6 в зоне, находящейся вне электролита 2. Таким образом, между плазменным катодом-инструментом и анодом-заготовкой создается разность потенциалов, необходимая для протекания процесса анодного растворения.

Рис. 1. Схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента:

1 - анод-заготовка; 2 - электролит; 3 - плазменный катод-инструмент; 4 - лазерное излучение; 5 - фокусирующая линза;

Учитывая вышеописанное, предполагается, что в зоне обработки имеет место сложный процесс энергетического воздействия на обрабатываемый материал. Поэтому необходимо произвести моделирование анодного растворение материала заготовки с применением плазменного катода-инструмента. По результатам моделирования определить поле скоростей анодного растворения и эволюцию обрабатываемой поверхности в результате обработки.

Теоретическое моделирование процесса анодного растворения с использованием плазменного катода-инструмента. При моделировании принимались следующие допущения:

1. Вследствие малого размера нагретых зон электролита и парогазовых оболочек вокруг плазменного катода-инструмента в определенные

промежутки времени, температурный фактор в расчетах не учитывался;

2. Выделяющееся в результате протекания электрического тока в электролите джоулево тепло в расчетах не учитывалось ввиду его пренебрежимо малой величины;

3. Принималось, что обработка производится в неподвижном электролите, так как движение электролита обеспечивает замену его пренебрежимо малого объема в МЭП за период существования плазменного катода-инструмента.

Расчетная схема для моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента представлена на рис. 2.

Рис 2. Расчетная схема для моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента:

1 - плазменный катод-инструмент; 2 - анод-заготовка;

3 - электролит; - начальный межэлектродный зазор;

Ьь - общая длина плазменного катода-инструмента;

Ьу - длина расчетной области; Ьх - ширина расчетной области;

йк(*) - диаметр плазменного катода-инструмента во времени;

Ук - подача плазменного катода-инструмента в процессе обработки; I(*) - сила тока в цепи технологической ячейки в процессе обработки

Величина начального межэлектродного зазора ^ равна расстоянию от оптической оси лазерного излучения до поверхности анода-заготовки.

Исходя из принятой расчетной схемы и учитывая принятые в модели допущения, модель технологической ячейки может быть представлена в

виде эквивалентной электрической схемы, изображенной на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема технологической ячейки для электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента: Rk - сопротивление участка плазменного

катода-инструмента, находящегося вне зоны обработки;

Rk\, Rkn - сопротивления участков плазменного катода-инструмента в зоне обработки;

Reí, Ren - сопротивления участков электролита в процессе обработки; I(¿) - общий ток в цепи во времени

Полный ток в цепи может быть определен как:

Продифференцировав выражение (1), получим

Так же, полный ток в цепи может быть найден:

Таким образом, имеется дифференциальное уравнение для распределения потенциала по длине плазменного катода-инструмента:

с граничными условиями:

«PkL _0 _ и (Lk - Ьх);

где ф£ - электрическии потенциал в заданной точке плазменного катода-инструмента, - погонная электропроводность плазменного катода-

инструмента, ое - погонная электропроводность электролита.

Погонная электропроводность плазменного катода-инструмента

может быть определена по формуле:

= °к.уд к )• Як (г ) = Як.уд

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎