Пневмо- и гидроударная обработка материалов

 
 

 

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение

 

    Пневмо- и гидроударный методы обработки материалов относятся к методам обработки давлением. Оба метода относятся к электровзрывной обработке, в основе которой используется ударное воздействие жидкости (газа), окружающей канал высоковольтного импульсного разряда (так называемый электрогидравлический эффект).

    Известны  две основные разновидности электровзрывного формообразования, в которых применяют:

    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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1. Физика процесса

 

    1.1. Формообразование под действием  электрического разряда в жидкости. 

    В схеме рисунок 1 напряжение на обкладках конденсатора должно быть достаточным для пробоя межэлектродного промежутка. Когда напряжение достигнет пробивного значения , 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. 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    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 , действующими на ее поверхности. Заготовка деформируется и при ударе о стенки матрицы 2.

    Силы  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:

    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. 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 Юткина Л. 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 10¹⁰ 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).

    При протекании тока большей силы проводник нагревается и происходит его взрывное испарение. Возникает газовый пузырь, давление в котором достигает 10¹⁰ 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. 

1.2. Пробой жидкости 

    Начальная энергия конденсатора подсчитывается по формуле:

    

    где С – емкость батареи конденсаторов, Ф;

    

, В.

    Механизм  пробоя рабочей среды, в общем, такой же, как и при ЭЭО (электроэрозионной обработке). Однако техническая вода обладает некоторой электропроводностью, благодаря чему происходит ее местное вскипание еще тогда, когда напряжение на электрод . 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.

1.3. Процессы в разрядной цепи 

     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 подводящих проводов и самого канала разряда. Активным сопротивлением учитывают все необратимые потери энергии, главным образом в канале разряда.

    Обычно  принимают, что разрядная цепь линейная, а  =const. Электрическое состояние цепи описывают уравнением, вытекающим из 2-го закона Кирхгофа для мгновенных напряжений:

     

                              

    где , – мгновенные напряжения соответственно на емкостном, индуктивном и резистивном элементах.

    Из  электротехники известно, что эти  напряжения связаны с мгновенным значением силы разрядного тока I:

                               ;   ;     ;                          

    Технологические показатели обработки в большой  степени зависят от характера  разряда.

      
 
 
 
 
 

    Рисунок 3 — Характер разряда 

    При большом эквивалентном сопротивлении разряд апериодический, а при малом сопротивлении – затухающий периодический с периодом T.

    Чтобы было быстрое нарастание силы тока I сопротивление должно быть

     

, Ом                                                          

    а также мгновенной мощности  P=   в канале.

    Это необходимое условие создания мощной ударной волны и преобразование значительной части электрической  энергии в механическую.

    За  первый  полупериод   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. , наибольшая сила тока в первом приближении равна:

                                                                                       

    Эта сила тока достигается примерно за время , где Т — период колебаний разрядной цепи.

    Как известно из электротехники:

        

, с                                                   

    откуда  ,