1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Возрождение технологического суверенитета России возможно, как за счет снижения доли импорта готовых технологических решений, так и за счет применения отечественных наукоемких технологий позволяющих снизить затраты на производство и получить более качественную продукцию [1-5].
Одной из таких технологий является технология струйной электролитно-плазменной обработки поверхности и объема металлических изделий. На сегодня существует две основных разновидности данной технологии. Первой и основной технологией является обработка изделий в электролитической ванне погружением изделия [6-12]. Второй на сегодня еще довольно редко применяемой технологией является обработка поверхности и объема направленной (фокусированной) струей электролита или областью электролитной плазмы, сформированной электромагнитным полем [13-22]. Высокая скорость обработки в электролитной ванне и простота обработки позволяет обрабатывать сложные криволинейные изделия и неглубокие полости за технологический цикл 5-10 мин. При этом площадь изделий может составлять 1-2 м². К недостаткам метода можно отнести округление тонких кромок на ребрах и вершинах, наличие дефектов в виде эрозионных лунок в середине поверхности, значительную мощность источников питания, увеличивающих стоимость обработки и наличие большого объема паров от зеркала электролитической ванны, что снижает экологическую безопасность работ. Струйная электролитно-плазменная обработка является альтернативой обработки в электролитической ванне. Струйная обработка характеризуется локальным воздействием области электролитной плазмы на поверхность изделия, что позволяет проводить обработку изделия только в технологически обоснованных областях. Струйная обработка обладает определенными преимуществами, такими как возможность создания в заданной области электролитной плазмы с более высокими показателями напряженности электрического поля между катодом и анодом (изделием), более высокой скоростью удаления поверхностных слоев [8-17], более высокой скоростью достижения заданных параметров шероховатости, меньшими параметрами шероховатости при обработке, большей глубиной съема материала анода [18], более высокой экологичностью процесса и на несколько порядков меньшей мощностью затрачиваемой на процесс обработки. Однако применение струйных методов сдерживается за счет необходимости автоматизации процесса, а также недостатка знаний для разработки промышленно готовой технологии. Цель работы – установить связь между электрофизическими закономерности и изменениями морфологии поверхности после струйной электролитно-плазменной обработки.
2 Материалы и методы
Работа состояла из двух частей, экспериментальной и расчетной. Расчетная часть работы выполнялась с использованием программ COMSOL Multiphysics, Wolfram Mathematica, SolidWorks.
В программе COMSOL Multiphysics использовался расчетный модуль «Электростатика» для стационарной 2D-модели процесса струйной электролитно-плазменной обработки поверхности. Моделирование проводили с целью оценки влияния основных параметров процесса, напряжения между электродами, геометрическими параметрами трубки полого катода, формы капли и высоты межэлектродного промежутка на напряженность и геометрию электрического поля.
Экспериментальную часть работы проводили на установке струйной электролитно-плазменной обработки, созданной в Высшей школе машиностроения СПбПУ [18-22]. Назначение данного оборудования – формирование струйного электрического разряда (ЭР) в межэлектродном зазоре между поверхностью обрабатываемой детали и токоподводом (рис.1.). Объем электролита Q замеряли мерным химическим стаканом 2 класса точности с ценой деления 0,02 мл. Напряжение измеряли цифровым мультиметром UT61B с точностью измерения ± (0,5 %+1). В качестве электролита использовали хлорид натрия. Концентрацию электролита k меняли в диапазоне от 22,5-100 мг/л
Морфологию поверхности изучали сшиванием изображений на автоматическом микротвердомере FM-300 (Япония) с помощью программы Thixomet Pro (Россия).
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
а) – формирование электролитической капли; б) – касание электролитической капли поверхности анода; б) – формирование электролитической струи (моделирование в графическом редакторе Cinema 4D)
Рисунок 1 – Основные этапы развития струйного электролитно-плазменного разряда
- Электрофизическое моделирование зоны обработки в программном продукте COMSOL Multiphysics
Оценку потенциала для среды с разными электрофизическими свойствами проводили в соответствии с уравнением:
(1)
где U – потенциал электростатического поля; ɛ – диэлектрическая проницаемость; ρ – плотность объемных свободных зарядов.
При этом заряды расположены только на металлическом катоде и металлическом аноде. В этом случае плотность объемного заряда соответствует выражению:
