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;

    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

    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:

    откуда  ,

      где L – индуктивность, Гн;

           C – емкость, Ф.

    В этом момент мгновенная мощность равна

                                                   P= кВт                                                           

    В течение первой четверти периода  мгновенная мощность разряда изменяется примерно по линейному закону (см. рисунок). Можно принять, что мгновенная мощность увеличивается пропорционально времени:

           P=P_мах∙

    Канал разряда между электродами для окружающей жидкости представляет цилиндрический источник энергии. Интенсивность процесса определяется удельной мощностью P/ , где – длина промежутка между электродами.

    Если  в последнее соотношение подставить предыдущие выражения, то в течение первой четверти периода удельная мощность окажется пропорциональной времени разряда:

    P/

    где                                                                                                                                       

    Постоянная  — одна из важнейших характеристических величин, определяющих технологические показатели электрогидравлической обработки.

    Из  электротехники также известно, что в магнитном поле индуктивного элемента накапливается энергия

    Эта энергия максимальна в конце  первой четверти периода, когда сила тока достигает значения I_max. Когда ток в течение второй четверти периода уменьшается, энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля конденсаторов.

    Запасение энергии в магнитном поле уменьшает  долю энергии конденсаторов, расходуемой  в течение первой четверти периода  на создание ударной волны. Для повышения КПД процесса необходимо уменьшать индуктивность разрядной цепи.

    Ударная волна — это область повышенного давления, распространяющаяся в жидкости в радиальном направлении от канала разряда. На небольшом расстоянии от канала  разряда ударная волна имеет форму цилиндра, а при удалении от области разряда становится сферической.

    На  фронте ударной волны величины, описывающие  состояние жидкости, изменяются скачком. В частности давление увеличивается  от P_а до очень высокого давления на фронте P_Ф>>P_а. Вследствие сжатия повышается плотность жидкости от нормальной ρ_ж до ρ_ф . На фронте ранее неподвижные частицы жидкости приобретают скорость V_ср. Фронт ударной волны движется со скоростью V_у.в.

    Для расчета показателей электрогидравлической  обработки необходимо знать значения указанных величин на фронте ударной волны.

    Если  в системе координат, движущейся вместе с фронтом, составить закон  сохранения, то величины оказываются  взаимосвязанными. В такой системе  неподвижная жидкость перед фронтом  обладает относительной скоростью-V_у.в., а скорость жидкости относительно фронта равна V= V_у.в.-V_ф.

    Согласно  закону сохранения масс

    В соответствии с законом сохранения импульса

    После пробоя жидкости от оси канала расходится ударная волна. Скорость фронта ударной  волны (из теории ударных волн) равна:

    Обычно  при τ<(0,1…0,3) мкс скорость фронта  V_у.в.≈10⁴ м/с, а радиус r_ф≈1 мм.

    Скорость  фронта V_у.в. не может быть меньше скорости звука в жидкости V_зв, и постоянная К_р имеет наименьшее допустимое значение , определяется согласно выражению

    В применяемой рабочей жидкости ударная волна может возникать только при определенных соотношениях между начальным напряжением разряда , длиной промежутка  и индуктивностью разрядной цепи .

    Таким образом, последним неравенством устанавливаются условия осуществимости электрогидравлического формообразования.

    Давление  на фронте расходящейся ударной волны P_ф можно найти, если подставить величину (V_у.в. -V_ф) из выражения в уравнение и принять, что для воды существует связь между давлением и плотностью:

                                    Па

    Для воды давление на фронте ударной волны  можно оценить по формуле:

    Если  в это соотношение подставить предыдущие выражения, то

    Также как и скорость фронта, давление на фронте не зависит от емкости  разрядной цепи, но растет с повышением напряжения, уменьшением индуктивности и длины промежутка.

    Последним соотношением предопределяются основные показатели электрогидравлической обработки при цилиндрической ударной волне.

    Обычно  скорость частиц на фронте V_ф>100 м/с. После того, как рост мощности разряда прекращается, т. е. при τ≥0,25T , скорость фронта, давление и скорость частиц жидкости начинают уменьшаться.

    При большом удалении от оси канала ударная  волна переходит в мощную акустическую волну, скорость фронта которой немного повышает скорость звука (в воде около 1500 м/с).

    Деформация  заготовки вызывается силами, возникающими при подходе к заготовке фронта ударной волны. Как известно из физики, сила, с которой поток действует  на неподвижную преграду (в данном случае на заготовку), представляет сумму гидростатического P_ф и динамического   давлений.

    Плотность поверхностных сил f_п максимальна, когда фронт ударной волны подходит к еще неподвижной заготовке и , а гидростатическое давление потока равно давлению P_ф на фронте ударной волны. Поэтому

    Давление  на фронте сохраняется постоянным примерно всю первую четверть периода, т. е. до тех пор, пока ударная волна не отойдет от оси канала на расстояние 0,25·Т·V_у.в..

    Если  заготовка расположена от оси  разряда на расстоянии <0,25·Т·V_у.в., то давление на фронте наибольшее.

    Плотность поверхностных сил должна превышать  предел текучести, т.е. f_п>σ_τ.

    Экспериментально  установлено, что давление на фронте ударной волны в десятки и  сотни раз превышает σ_τ.

    Когда фронт ударной волны достигнет  поверхности заготовки, то спустя некоторое  время (≈100 мкс) начинается само формообразование. Ударная волна частично отражается, а частично переходит в заготовку, где распространяются продольные и поперечные волны.

    При отражении ударной волны от заготовки  в жидкости возможна кавитация.

    Абсолютные  скорости деформации заготовки превосходят 100 м/с. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2.Оборудование

Электрическая часть установок.

    Функциональная  схема генератора импульсов приведена  на рис.4. 
 

    Рисунок 4 – Функциональная схема генератора импульсов 

      Батарея конденсаторов подключена  к выходу выпрямителя через зарядный резистор, сопротивление которого R₃=U₃/I_доп, где U₃ – выходное напряжение выпрямителя; I_доп – допустимая сила тока выпрямителя, равная силе зарядного тока I₃ в начале зарядки конденсатора, когда напряжение U_c 0. По мере увеличения напряжения U_c сила тока I₃ падает.

    Средняя мощность ввода энергии в разрядную  цепь P_p=(CUc²/2)/T_ф, где T_ф – время между разрядами, которое в автоматизированных установках равно периоду формообразования. Входная мощность выпрямителя P_B=P_p/ ₃, где ₃ – КПД зарядного устройства.

    С ростом силы зарядного тока I₃ и уменьшением времени зарядки батареи КПД падает, так как увеличивается мощность преобразования электрической энергии в тепловую на зарядном резисторе R₃. Таким образом, производительность установки можно повысить лишь ценой снижения ее КПД, т.е. в конечном счете, увеличением затраченной энергии. КПД данного генератора достигает 90% благодаря стабилизации зарядного тока I₃ с помощью регулируемого автотрансформатора.

    Генераторы  большой мощности целесообразно  включать непосредственно в высоковольтную промышленную сеть, не используя автотрансформатор  и повышающий трансформатор. Это  делается для того, чтобы снизить  потери энергии и уменьшить влияние работы установки на состояние сети.

    В генераторах обычно применяют высоковольтные импульсные конденсаторы на основе бумажно  – масляных диэлектриков или касторового  масла. Конденсаторы второго типа обладают большей энергоемкостью (примерно в 1,5 раза) и большим (в 2,5 раза) сроком службы. При выборе типа конденсаторов учитывают так называемую стоимость одного разряда, которая определяется как отношение стоимости конденсатора к гарантированному числу его разрядов.

    Современные высоковольтные импульсные конденсаторы имеют номинальное напряжение 50 кВ, номинальную емкость 1…5 мкФ, частоту следования разрядов до двух импульсов в секунду при гарантированном числе разрядов 3*10⁶. 

    Разрядник обеспечивает подключение конденсаторов  к электродам рабочей камеры. Различают типы разрядников: вакуумные, с твердым диэлектриком, а также высокого и атмосферного давления. Рабочие электроды разрядника отделены диэлектрическим промежутком, который соответствующими внешними воздействиями переводится в проводящее состояние.

    В вакуумных разрядниках требуется  непрерывно откачивать и удалять  продукты разряда из его рабочего объема. Это значительно усложняет  как устройство, так и эксплуатацию разрядника.

    Разрядники  с твердым диэлектриком – это  установки разового действия, поскольку после каждого разряда необходимо заменять диэлектрик.

    Наиболее  простым и распространенным является разрядник с воздушным промежутком  под атмосферным или более  высоким давлением. Существующие воздушные  искровые разрядники рассчитаны на рабочее  напряжение 5…100 кВ и максимальную силу разрядного тока 5…500 кА. Эти разрядники применяют при длительности импульсов тока от нескольких десятков до сотен микросекунд.

    Воздушные разрядники изготовляют управляемыми и неуправляемыми. Последние используют, когда не требуется точно задавать начало разряда, например при штамповке, очистке, запрессовке, дроблении и т.п. На рис.5  показана схема неуправляемого воздушного разрядника, рассчитанного на напряжение 50 кВ и силу тока 40 кА.