Повышение точности электрохимической обработки крупногабаритных тел вращения

Во введении обоснована актуальность работы, приведена характеристика ее направленности и научной новизны. Сформулирована цель работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен конструкторско-технологический анализ типового объекта исследования и рассмотрены существующие использующие методы обработки крупногабаритных тел вращения.

Проанализированы элементарные классические погрешности обработки крупногабаритных тел вращения при механической обработке. Перспективным является метод восстановления профиля колёс наплавкой материалом бандажей либо твёрдыми сплавами. Возможность обработки наплавок повышенной твёрдости обещает многократное повышение ресурса бандажей, которые в настоящее время импортируются. Возникающие сложности при механической обработке наплавленного подкаленного материала бандажа заставляют искать альтернативные способы формообразования наплавленных заготовок. Такой альтернативой может быть электрохимическая размерная обработка.

Отсутствие силы резания и непосредственного контакта инструмента с заготовкой при электрохимической обработке заметно уменьшает погрешности обработки. Сравнены погрешности при механической и электрохимической обработке и рассмотрено современное состояние проблемы обработки крупногабаритных деталей электрохимическим способом.

Анализ работ Ф.В. Седыкина, Л.Б. Дмитриева, И.И. Мороза, Ю.С. Тимофеева, В.В. Любимова, А.Н. Журавского и др. показал перспективность схем ЭХО при высоких плотностях тока, в том числе с применением циклических схем обработки. Идентичность условий обработки, снижение до минимума погрешностей обработки, вносимых турбулентным режимом течения электролита и возможность повысить плотность тока за счет варьирования форм импульсов технологического тока, позволяет повысить точность обработки, одновременно снизив требования к конструкции инструмента.

Однако, значительный вес электродов при обработке крупногабаритных деталей практически исключает использование циклической ЭХО с приемлемой частотой колебаний инструментальной системы. Практически нет рекомендаций по проектированию оборудования для обработки конкретных крупногабаритных деталей с заданным качеством и производительностью обработки.

Наряду с этим, большинство исследований проведенных в области ЭХО, показывает, что ЭХО при высоких плотностях тока приводит к интенсивному газовыделению, резкому повышению температуры и электрического сопротивления газожидкостной смеси в МЭЗ.

Анализ особенностей гидродинамического режима ЭХО в ряде работ показал, что характер течения электролита в зазорах менее 0,1 мм качественно отличается от течения жидкости в больших объемах. Затухание процесса ЭХО наблюдается при чрезмерной интенсификации технологического процесса и носит явные признаки кризисного явления. При этом пузырьки газа разрастаются и, соединяясь, образуют сплошной газовый электроизоляционный слой, называемый рядом авторов «пережогом», отклонением от пузырькового кипения, кризисом кипения и т. п.

Выявление зависимостей момента наступления кризиса процесса кипения от основных технологических параметров обработки позволит определить рациональные области применения ЭХО на постоянном токе, как наиболее экономичного процесса.

На основании проведенного анализа, исходя из поставленной цели, были сформулированы следующие основные задачи исследований:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование факторов, влияющих на точность и производительность ЭХО крупногабаритных тел вращения.

2. Разработка рациональных технологических схем ЭХО крупногабаритных тел вращения повышенной точности за счет применения импульсов электрического тока высокой плотности.

3. Создание инженерной машиноориентированной методики проектирования технологического процесса ЭХО крупногабаритных тел вращения.

4. Разработка рекомендаций по расчету технологических параметров оборудования для реализации данной операции на предприятиях железнодорожной отрасли и народного хозяйства.

Во второй главе приведен теоретический анализ влияния технологических режимов ЭХО на точность обработки крупногабаритных тел вращения.

Приведен анализ теплообмена в МЭЗ при высоких плотностях тока, аномальных явлений, причин кризиса кипения электролита в МЭЗ.

Большинство исследований, проведенных в области ЭХО, показывает, что ЭХО при высоких плотностях тока приводит к интенсивному газовыделению, резкому повышению температуры и электрического сопротивления газожидкостной смеси в МЭЗ.

Исходя из принципов термодинамики, можно записать тепловой баланс в межэлектродном зазоре.

Q_прих = Q_расх. (1)

где Q_прих - общее количество тепла, поступившего в элементы цепи электролитной установки при прохождении тока.

Расход тепла (Q_расх ) состоит из следующих статей:

Q_к - количество тепла, поступающего в катод;

Q_а - количество тепла, поступающего в анод;

Q_э - количество тепла, поступившего в электролит и при парообразования электролита.

Поскольку при таком расчете теплового баланса в МЭЗ, текущей теплоотдачей через все сопрягаемые поверхности, в том числе и через электроды-инструменты, можно пренебречь ввиду малой длительности импульса тока (не более 6,7 мс), максимальную мгновенную температуру в МЭЗ можно определить из нижеследующих зависимостей.

При электрохимической обработке приход тепла можно представлять как закона Джоуля-Ленца,

Q_прих = U_э jSt = I²Rt [дж]. (2)

Где U_э - напряжение на электродах [в]; j - плотность электрического тока [a/см²]; S - площадь обработки [см²]; t - время обработки [сек]; I - сила электрического тока [a]и R - сопротивление тока в МЭЗ [Ом].

Тепло, переносимое в результате теплопередачи от электролита к электроду и заготовке, может быть довольно велико, особенно при МЭЗ большой длины. Таким образом, количество тепла, поступающего в катод,

[ дж]. (3)

И количество тепла, поступающего в анод,

[ дж]. (4)

Где, б - коэффициент теплоотдачи электролита [Вт/м².град]; S - площадь анода или катода [м²]; t - время обработки [сек]; T_эл - температура газожидкостной смести и T_э - температура на поверхности электродах[град].

Количество тепла поступившего при нагреве электролита и при парообразования электролита,

Q_эл = m_эл c_эл (T_эл -T_о) + m_элг_эл [ дж]. (5)

где m_эл - масса электролита [кг]; c_эл - средняя удельная теплоемкость электролита [дж/кг.град]; T_эл и T_о - температура газожидкостной смести при данном давлении и начальная температура электролита; г_эл - удельная теплота парообразования [дж/кг].

Таким образом, уравнение теплового баланса(1) можно представить в следующем виде;

[дж]. (6)

Или

[град]. (7)

Для обработки колесных пар, расчетные данные показали, что температура газожидкостной смести в МЭЗ при напряжении 12 В и плотности тока 20 а/см² может достигать до ~ 160 - 180 ?С. При дальнейшем повышении плотности теплового потока интенсивность кипения повышается, и пузырьки газа образуют у поверхности нагрева пленку пара. Малая теплопроводность пара снижает теплоотдачу во много раз, электролит оттесняется газом от электродов, и процесс ЭХО прекращается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Зависимость температуры электролита (газожидкостной смеси в МЭЗ) от времени обработки при различных параметров технологического процесса, 1 - МЭЗ - 0,02 мм; 2 - МЭЗ - 0,04 мм; 3 - МЭЗ - 0,06 мм; 4 - МЭЗ - 0,08 мм и 5 - МЭЗ - 0,1 мм

Анализ особенностей гидродинамического режима ЭХО в ряде работ показал, что характер течения электролита в зазорах менее 0,1 мм качественно отличается от течения жидкости в больших объемах. Затухание процесса ЭХО наблюдается только при чрезмерной интенсификации технологического процесса и носит явные признаки кризисного явления. Выявление зависимостей момента наступления кризиса процесса от основных технологических параметров обработки позволит определить рациональные области применения ЭХО на постоянном токе, как наиболее экономичного процесса.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование вопросов стабильности процесса анодного растворения при ЭХО с повышенной плотностью импульсов постоянного тока.

Полученные в результате теоретических исследований данные, приведенные в главе 2, показывают, что чрезмерное уменьшение высоты МЭЗ при ЭХО на постоянном токе приводит к нестабильности процесса анодного растворения, что в свою очередь отрицательно сказывается на качественные показатели обработки. Вместе с тем предложенное решение задач теплообмена и их влияние на точностные характеристики электрохимического оборудования требует необходимости экспериментальной проверки теории и выявления некоторых эмпирических постоянных для решения частных задач ЭХО. Таким образом, возникает задача экспериментальной проверки влияния воздействия отдельных единичных импульсов технологического тока на качественные показатели ЭХО.

Поскольку в исследованиях предполагается выявить зависимость формы импульса технологического тока на качество обработки без искажающего влияния гидродинамики процесса ЭХО, точность обработки («уширение контура отпечатка») определялась по принятому в полиграфии понятию «Относительное уширение соединительного штриха», что позволило оценить искажающее влияния величины МЭЗ на точность и производительность обработки, как отклонение от заданного контура детали.

В результате экспериментальных исследований проверялись также количественные зависимости параметров импульсов технологического тока на основные характеристики качества обработки. Такой регламент исследований позволил перейти к практическим рекомендациям оптимизации параметров технологического процесса и конструкций технологического оборудования для реализации ЭХО на постоянном токе.

Используя разработанную д.т.н. профессором Седыкиным Ф. В. методику феноменологического описания процесса формообразования электрическим способом можно считать, что одним из основных условий повышения точности ЭХО является снижение влияния малых плотностей тока на обрабатываемую поверхность. В этом случае предлагается применять короткие импульсы «с малой длительностью переднего фронта». Тем более, представляется целесообразным проанализировать эффективность использования импульсов с крутыми как передним, так и задним фронтами.

Экспериментальные исследования этой серии проводились по методу однофакторного эксперимента, что позволило в условиях установившегося процесса ЭХО выявить непосредственное влияние формы электрических импульсов на точность обработки без дополнительного искажающего влияния гидродинамики ЭХО.

Для исследования влияния импульсов любой длительности на точность обработки разработана экспериментальная установка, позволяющая также ограничивать передние и задние фронты синусоиды любой длительностью.

Любая из этих схем позволяет также изменять длительность каждого единичного импульса технологического тока. Специализированные источники питания обеспечивают подачу импульсов постоянного технологического тока при рабочем напряжении 3, 6, 8 или 12 В пакетами различной длительности, что позволяет исследовать влияние отдельных импульсов на качество обработанной поверхности.

Результаты эксперимента подтвердили высказанные в гл.2 предположения о существовании зон нестабильности технологического процесса при определенных условиях. Так, например, как видно на рис.1, погрешность обработки снижается при уменьшении МЭЗ с 0,2 до 0,1 мм, а затем при дальнейшем уменьшении МЭЗ становится непредсказуемой.

Рис. 2 Зависимость точности обработки от величины МЭЗ

В общем случае повышение до определенных пределов местной плотности тока повышает производительность процесса, приводит к выделению большого количества джоулева тепла, что в свою очередь поднимает газосодержание в МЭЗ. Дальнейший рост плотности тока приводит к кризисным явлениям термодинамического характера в МЭЗ и затуханию процесса анодного растворения. Другими словами, вступают в противоречие технологические требования снижения величины МЭЗ для повышения точности и производительности процесса с возникновением в МЭЗ условий, приводящих к термодинамическому кризису в рабочей зоне. Причем, критическая плотность теплового потока через МЭЗ имеет для каждой частной задачи различное значение и зависит от конкретных параметров процесса, а также от состава и состояния рабочей среды, в которой происходит обработка.

В четвертой главе приведены анализы результатов технологических экспериментов по выбору рациональных режимов обработки и сформулированы основные принципы построения специализированного оборудования для ЭХО крупногабаритных тел вращения. Наиболее высокая точность ЭХО может быть достигнута при обработке по циклической схеме на малых МЭЗ. Однако, применение этой схемы в ряде случаев оказывается экономически нецелесообразно из-за существенного падения производительности обработки. При большом съеме металла выгоднее вести традиционную ЭХО с повышенной плотностью импульсов постоянного тока, учитывая, однако, процессы кризисного закипания электролита в МЭЗ со значительным увеличением давления образовавшейся парожидкостной смеси в рабочей зоне.

Во время работы станка станина находится под действием сложной системы переменных сил. Электрохимическая обработка предполагает наличие силы, разжимающей инструмент и деталь. В случае электрохимической обработки деталей больших площадей гидродинамические силы между инструментом и деталью могут быть достаточно большими. Более того, давление по поверхности детали будет переменным, и если инструмент и деталь не установлены жестко, необходимая точность обработки может быть нарушена.

Действующие давление электролита во время вскипания электролита при ЭХО можно определить как уравнение Клаузиуса-Клапейрона для процесса парообразования

. (8)

Где, х', х" [м³/кг] - удельные объемы жидкости и сухого насыщенного пара электролита; r [дж/кг] - теплота парообразования (скрытая) электролита.

При достаточном удалении от критического состояния возможно пренебречь объёмом жидкости электролита, что даёт

. (9)

Если при тех же условиях допустить, что пар подчиняется уравнению

, (10)

где, R - универсальная газовая постоянная.

. (11)

Из уравнения (8),

, (12)

. (13)

Считая для узких пределов температур r не зависящей от температуры, имеем

. (14)

Или,

. (15)

Где, Т₀ - начальная температура электролита в МЭЗ; Р₀ - начальное давление электролита; Т_эл - температура газожидкостной смести и Р_эл - давление насыщенного пара электролита.

Таким образом, усилие в электрохимической ячейке под действием давления вскипания электролита можно определить

F = P_элS. (16)

Практически мгновенное закипание электролита при высоких плотностях тока приводит к возникновению значительных усилий в МЭЗ, которые для конкретного железнодорожного колеса может достигать ~ 30 кН.

Под действием усилия, развиваемого приводом, происходит деформация элементов технологической системы, что неминуемо приводит к увеличению МЭЗ и снижению точности обработки. Таким образом, прогнозирование качества обработанной поверхности возможно только при одновременном учете влияния как режимов обработки, так и конструктивных особенностей конкретного станка.

Следовательно, конструкции электрохимических станков должны быть достаточно жесткими, если нужно поддерживать необходимую точность обработки и класс чистоты поверхности.

На жесткость станка влияют упругие свойства материала, следовательно, при изгибе - кривизна оси балки, изогнутой моментом М выражается формулой

. (17)

Где, Е - модуль упругости и J_х - момент инерции сечения относительно главной центральной оси. При этом определяет жесткость балки.

Таким образом, наибольший прогиб двухопорного стержня длиной l имеем место в точке приложения силы F,

(18)

Для балки квадратного сечения b=h=0,15 м, момент инерции м⁴ и Нм^-2 для стальных материалов.

Таким образом, появление в технологической системе увеличенного межэлектродного зазора приводит к погрешности обработки за счет температурного фактора, а именно появление дополнительных упругих деформации станка, величина которые определяется как функции,

y = f (j,S,J).

Где j - плотность рабочего тока; S - площадь обработки и J - жесткость технологической системы.

Зависимость прогиба этой балки от плотности технологического тока и длины балки при ЭХО представлена на рисунке (3).

Рис. 3 Зависимость упругой деформации от плотности технологического тока и параметров балки

Таким образом, при проектировании технологического процесса ЭХО крупногабаритных тел вращения целесообразно использовать приведенный ниже алгоритм.

Алгоритм составлен, исходя из условий оптимизации несущих элементов конструкции и вспомогательного оборудования станка (источников тока, силовых гидросистем, систем очистки и т. п.) по результатам оптимизации режимов технологического процесса, применительно к требованиям конкретного производства (рис. 4). Проектирование технологического процесса (символ 1) начинается с ввода в символе 2 исходных данных. Их обработка по зависимостям требований к заготовке выявляется допустимое увеличение МЭЗ без снижения точности обработки (символ 3). Время закипания электролита в установившемся МЭЗ определяется по зависимостям температуры электролита (символ 4). Расчет деформации станка, исходя из результатов расчета в символе 4, производится по зависимостям действующих усилии (символ 5). Затем, зная динамику изменения величины МЭЗ (символ 6) и проверив целесообразность выбора величины МЭЗ (символ 7), задают скорость подачи электрода-инструмента (символ 8). В процессе обработки, учитывая относительную стабильность площади обработки тел вращения, отслеживается изменение рабочего тока во времени (символ 9). Изменение величины тока осуществляется уменьшением или увеличением величины МЭЗ (символ 10). При этом новая его величина контролируется по зависимостям критических значений МЭЗ (символ 11) и если при этом конечная точность обработки устраивает, расчет продолжается в символе 3. Если же точность обработки недопустимо меняется, изменение величины тока проводится изменением угла открытия силовых тиристоров источника тока (символ 12). При этом контролируется допустимая амплитуда синусоиды (символ 13) и если плотность тока допустима, дальнейшие расчеты ведутся по символам 9. В противном случае выдается сигнал, что процесс в данном варианте ЭХО неосуществим (символ 14). В этом случае целесообразно рассмотреть возможность пересмотра технических требований к обрабатываемой детали, вернувшись к символу 2, либо переходить на циклическую схему ЭХО, теряя при этом в производительности не менее 50-70%.

В случае неизменности тока (символ 9) отслеживается возможность короткого замыкания (символ 15) и при его отсутствии (символ 16) процесс продолжается до требуемой глубины обработки (символ 17).

При этом контролируется текущая (достигнутая) величина глубины обработки (символ 18) и если требуемая глубина обработки достигнута, процесс ЭХО прекращается (символ 19). В противном случае процесс продолжается (символ 20). В дальнейшем идет постоянный контроль, за ходом технологического процесса.

Таким образом, проведенные исследования позволяют решать вопросы проектирования и оптимизации технологического процесса для обработки крупногабаритных тел вращения, типичным представителем которых являются колесные пары любого рельсового транспорта, в т. ч. и для скоростных железнодорожных поездов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Типовой алгоритм оптимизации технологического процесса

Заключение и общие выводы

1. Для формообразования сложнопрофильных поверхностей крупногабаритных тел вращения типа бандажей железнодорожных колес, наиболее рациональной является электрохимическая обработка, позволяющая получить оптимальное соотношение технологических параметров обработки: точность, производительность, качество поверхности.

2. При обработке крупногабаритных тел вращения с повышенными требованиями к точности и производительности обработки целесообразно применение комбинированной ЭХО с различными формами импульсов технологического тока.

3. С использованием теории кризисных явлений при кипении газожидкостных смесей разработана математическая модель состояния газожидкостного клина с выявлением критических сечений МЭЗ, позволяющая проектировать рациональный технологический процесс без аномальных явлений при кипении электролита.

4. Исследовано влияние тепло- и газообмена в МЭЗ на точность формообразования сложнопрофильных поверхностей. Получены математические зависимости, позволяющие прогнозировать возникновение зон нестабильности технологического процесса.

5. Установлены условия возникновения эффекта выкипания электролита в МЭЗ при ЭХО. Причем, в этом случае максимальная плотность тока в МЭЗ, а, следовательно, и точность обработки, ограничивается временем выкипания электролита и практически не зависит от формы заднего фронта импульса технологического тока.

6. Разработаны машиноориентированные методы проектирования рационального технологического процесса и управления автоматизированным оборудованием для ЭХО крупногабаритных тел вращения повышенной точности.

7. Разработан алгоритм автоматизированного управления технологическим процессом с учетом оптимизации несущих элементов конструкции станка и вспомогательного оборудования при конкретных изменениях условий обработки.

8. Предложена методика разработки автоматизированного привода для реализации технологического процесса, гарантирующего от возможной нестабильности технологического процесса.

9. Дальнейшее повышение точности формообразования возможно применением комбинированной ЭХО с непрерывной и циклической подачей электрода - инструмента. При этом, за счет использования установленных закономерностей между этими взаимодействиями обеспечивается рациональное управление технологическим процессом в автоматизированном режиме.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах

1. Заставный Е. А., Кравченко И. И., Нэй Мьо Тун. Реновация колеса железнодорожного транспорта // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2006. № 3. С. 26 -28.

2. Заставный Е. А., Нэй Мьо Тун. Тепловой баланс в межэлектродном зазоре при электрохимической обработке // Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий: Сборник научных докладов VI Международной конференции. М., 2006. Часть ІІ. С. 74 - 80.

3. Заставный Е. А., Нэй Мьо Тун. Экспериментальное исследование для повышения точности ЭХО // Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения: Сборник научных докладов VII Международной научно-практической конференции. М., 2007. Часть ІІ. С. 84 - 91.

4. Заставный Е. А., Нэй Мьо Тун. Реновация железнодорожных колес электрохимической обработкой // Машиностроительные технологии: Сборник тезисов научных докладов Всероссийской научно-технической конференции. М., 2008.

Размещено на Allbest.ru