МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА МЕТАЛЛОВ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ
ВАК 05.02.2007 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки ВАК 05.02.2013 Машины, агрегаты и процессы (по отраслям) УДК 53 Физика ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики ГРНТИ 20.15 Организация информационной деятельности ГРНТИ 20.17 Документальные источники информации ГРНТИ 20.19 Аналитико-синтетическая переработка документальных источников информации ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения ГРНТИ 55.15 Литейное производство ГРНТИ 55.16 Кузнечно-штамповочное производство ГРНТИ 55.18 Сборочное производство ГРНТИ 55.19 Резание материалов ГРНТИ 55.20 Электрофизикохимическая обработка ГРНТИ 55.21 Термическая и упрочняющая обработка ГРНТИ 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий ГРНТИ 55.23 Производство изделий из порошковых материалов ГРНТИ 55.24 Производство неметаллических изделий ГРНТИ 55.29 Станкостроение ГРНТИ 55.30 Робототехника ГРНТИ 55.31 Инструментальное производство ГРНТИ 55.33 Горное машиностроение ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение ГРНТИ 55.37 Турбостроение ГРНТИ 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение ГРНТИ 55.42 Двигателестроение ГРНТИ 55.43 Автомобилестроение ГРНТИ 55.45 Судостроение ГРНТИ 55.47 Авиастроение ГРНТИ 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение ГРНТИ 55.53 Строительное и дорожное машиностроение ГРНТИ 55.55 Коммунальное машиностроение ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение ГРНТИ 55.69 Прочие отрасли машиностроения ГРНТИ 73.01 Общие вопросы транспорта ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт ГРНТИ 73.31 Автомобильный транспорт ГРНТИ 73.39 Трубопроводный транспорт ГРНТИ 73.41 Промышленный транспорт
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Разработана модель переноса металлов между анодом и катодом, имеющими форму цилиндра, при электроискровом легировании. Установлено влияние размеров электродов, соотношения между эрозией анода и катода на коэффициент осаждения металлов, кинетику изменения масс электродов и коэффициент массопереноса.

Ключевые слова:
электрический разряд, электроискровое легирование, электроды, осаждение, коэффициент массопереноса
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

 

Введение

 

Электроискровое легирование - это метод улучшения физико-механических свойств поверхностей металлов и сплавов за счет воздействия коротких разрядных импульсов [1]. Быстрый ввод энергии во время разряда сопровождается электрической эрозией - разрушением поверхности электродов. Металл испаряется в поверхностных областях, близко расположенных к плазменному каналу, а нижележащие слои расплавляются. Жидкий металл выбрасывается под действием давления пара и плазмы разряда в форме шарообразных частиц. Помимо этого, из-за возникающих термомеханических напряжений в материалах электродов часто образуются трещины [2-4]. В результате многократных циклов нагрева и охлаждения металлов от их поверхности откалываются твердофазные микрочастицы. Таким образом, материал электродов может эродировать в парообразном, жидком и твёрдом состояниях.

Расстояние между электродами небольшое - менее 1 мм, поэтому часть материала, эродированного во время разряда, осаждается на поверхность противоположного электрода, а другая часть улетает. Величина электрической эрозии анода, как правило, превышает эрозию катода, поэтому количество вещества, переносимого с анода на катод, больше, чем в обратном направлении [5-7]. При многократно повторяющемся разрядном воздействии на поверхности катода в результате формируется модифицированный поверхностный слой - электроискровое покрытие, которое состоит преимущественно из анодного материала.

Эффективность электроискрового легирования оценивают по величине привеса катода DMк по сравнению с эрозией анода DMа [8]. Для этого вычисляют коэффициент массопереноса KM = DMк / ½DMа½. Чем меньше потери вещества при массопереносе с анода на катод, тем лучше. Коэффициент массопереноса зависит от многих факторов: теплофизических свойств материалов электродов, мощности и длительности разрядных импульсов, частоты их повторения, состава и давления газа [9]. Кроме того, он может изменяться в зависимости от размеров электродов, скорости и траектории движения анода. Поскольку этот вопрос слабо изучен, требовалось оценить влияние геометрических параметров электродов на процесс осаждения электроискровых покрытий. В нашей предыдущей работе [10] определены характеристики массопереноса между электродами с квадратными сечениями. Целью данной работы являлось моделирование процессов переноса вещества между электродами цилиндрической формы для установления кинетических зависимостей изменения масс электродов и расчета коэффициента массопереноса.

 

 

 

Математическая модель

 

 

Предлагаемая модель описывает эрозию вещества под действием искровых разрядов и перенос его с одного электрода на другой.  При воздействии разрядов необходимо учитывать, что анод движется вдоль поверхности катода по спирали от центра катода.
Расстояние от центра анода до места разряда rра и расстояние между центрами анода и катода rс связаны между собой выражением . При этом .

Для расчета коэффициента осаждения, равного вероятности попадания металла, эродированного с поверхности одного электрода во время разряда, на противоположный электрод, определялось отношение площади тени, создаваемой близлежащей плоскостью противоположного электрода на полусфере радиусом R, к площади этой полусферы при условии, что источник света находится в месте возникновения разряда и удален на расстояния rрк и rра от центров катода и анода соответственно. Длина межэлектродного промежутка равна L. Площадь тени от анода при расположении источника света на поверхности катода рассчитывается как

 

 

 

,                                                (1)

где  - радиальная координата точек пересечения полусферы с конусом, охватывающим границу нижней плоскости анода, с вершиной в месте расположения светового источника. Интегрирование (1) по первой переменной приводит к следующему виду:

В итоге коэффициент осаждения материала катода на анод во время одного разряда можно найти из выражения

.

Вероятность попадания материала анода на катод во время одного разряда определяется аналогично:

 

 

Вероятности осаждения металлов определяются длиной межэлектродного промежутка, радиусами электродов и расстояниями от места возникновения разряда до осей анода и катода. Следует также учитывать, что разряды могут быть инициированы только на участках, где перекрываются поверхности анода и катода (показаны темно-серым цветом на рис. 1). Площадь перекрытия электродов уменьшается по мере приближения анода к краю катода, когда rc < RкRa.

При электроискровом легировании невозможно контролировать точное место возникновения разряда и трудно предсказать, какие микровыступы соприкоснутся при последующем приближении анода к катоду [5]. Поэтому следует учитывать средние значения коэффициентов осаждения на площади перекрытия электродов Sov:

 

 

 

 

Рис. 1. Определение расстояний от центров

катода и анода до точки разряда

 

 

 

.

 

 

Масса катода во время каждого разряда уменьшается из-за электрической эрозии (-mкi) и возрастает за счет поступления материала с противоположного электрода - анода ( ). Аналогичные явления происходят на аноде: масса анода во время каждого разряда уменьшается на величину -mаi и возрастает за счет поступления материала с катода ( ).

Если энергия, длительность и частота разрядов в процессе ЭИЛ не изменяются, то можно предположить, что величины mai и mкi постоянны. Используя отношение масс эродированного вещества анода и катода за один разряд, , выражение для коэффициента массопереноса Km можно записать следующим образом:

.

 

 

 

Результаты расчетов

 

 

Расчеты проведены при различных соотношениях между радиусами анода и катода: Ra/Rк = 1/5; 1/15; 3/5; 3/15 мм/мм. Длина межэлектродного промежутка L = 0,5 мм. Частота разрядов - 10 Гц. Константу α задавали равной 1,5, 2, 3, 5, сохраняя постоянным значение mк = 0,001 мг. Цилиндрический анод движется вдоль поверхности катода по траектории в форме спирали, начиная от центра до края катода. Расстояние между витками спирали - 1 мм. При этом линейная скорость передвижения анода v = 10 мм/с. Для вычислений согласно вышеописанной модели была создана программа на языке Си++.

В результате расчетов было установлено, что коэффициенты осаждения вещества анода на катод больше коэффициентов осаждения с катода на анод (рис. 2). Когда анод находится в центральной области катода, коэффициенты  и  постоянны в разных участках этой области, но по мере приближения к краю катода  уменьшается, а  возрастает. В том случае, когда катод имеет радиус 5 мм, максимальное значение  = 0,9, а когда Rк = 15 мм,  = 0,98, при этом значение  для обоих случаев практически одинаково и равно 0,42.

 

 

 

Рис. 2. Средние значения коэффициентов осаждения металлов электродов за один проход анода по

спирали вдоль поверхности катода: а - радиус катода 5 мм; б - радиус катода 15 мм; 1 - , Ra = 1 мм;

2 - , Ra = 1 мм; 3 - , Ra = 3 мм; 4 - , Ra = 3 мм

 

 

 

Кинетические кривые изменения масс анода и катода для разных соотношений Ra/Rк и a показаны на рис. 3. При увеличении времени электроискрового легирования масса анода уменьшается, а масса катода увеличивается. Графики временных зависимостей Dm(t) имеют вид практически прямых линий, исходящих из нулевого значения. Небольшие перегибы линий при времени t = 10 c (рис. 3а, в) и t = 100 c (рис. 3б, г) вызваны изменением коэффициентов осаждения  и . Когда a повышается с 1,5 до 5, скорости эрозии анода и привеса катода повышаются: при осаждении покрытий на катод радиусом 5 мм в течение 3 проходов за 23 секунды рост Dmа составляет 4,3 раза (для Ra = 1 мм) и 5,5 раза (для Ra = 3 мм), а Dmк – 12,5 раза (для Ra = 1 мм) и 13 раз (для Ra = 3 мм); при осаждении покрытий на катод с Rк = 15 мм в течение 3 проходов за 220 секунд рост Dmа составляет 4,8 раза (для Ra = 1 мм) и 5,4 раза (для Ra = 3 мм), а Dmк – 89 раз (для Ra = 1 мм) и 90 раз (для Ra = 3 мм). Также следует отметить, что увеличение радиуса анода приводит к повышению привеса катода и уменьшению скорости эрозии анода, но эти изменения незначительны (менее 10 %).

Зависимости коэффициента массопереноса от продолжительности электроискрового легирования представлены на рис. 4. Они имеют спадающий вид с впадинами в конце первого и третьего проходов анода вдоль поверхности катода. С увеличением числа проходов высота ступенек снижается, зависимость КМ принимает вид, близкий к линейному. Коэффициент массопереноса растет с увеличением отношения a и достигает 0,8-0,9, что говорит о малых потерях вещества в процессе его переноса между электродами при a = 5. Рассматривая осаждение покрытия на один и тот же катод, установили, что коэффициент массопереноса будет выше, если радиус анода больше. Параметр КМ увеличивается также с ростом площади поверхности катода. При повышении площади катода с 79 до 708 мм2 коэффициент массопереноса растет на 60 % для a = 1,5 и на 14 % для a = 5.

 

 

Рис. 3. Изменение масс катода (выше оси абсцисс) и анода (ниже оси абсцисс) за время, равное трем проходам анода вдоль поверхности катода. Отношение Ra/Rк: а - 1/5; б - 3/5; в - 1/15; г - 3/15. Отношение масс эродированного вещества анода и катода за один разряд: 1 - a = 1,5; 2 - a = 2; 3 - a = 3; 4 - a = 5

 

Рис. 4. Коэффициент массопереноса за три прохода анода вдоль поверхности катода. Отношение Ra/Rк: а - 1/5 (сплошная линия) и 3/5 (прерывистая линия); б - 1/15 (сплошная линия)

и 3/15 (прерывистая линия). Отношение масс эродированного вещества анода и катода

за один разряд: 1 - a = 1,5; 2 - a = 2; 3 - a = 3; 4 - a = 5

 

Заключение

 

 

Результаты вычислений показали, что размеры электродов оказывают влияние как на кинетические зависимости изменения масс электродов, так и на коэффициент массопереноса металлов при электроискровом легировании. Чем больше площадь катода, тем больше вероятность осаждения на его поверхность эродированного во время разряда вещества анода. Это приводит к росту привеса катода и увеличению толщины наносимого слоя. Коэффициент массопереноса можно также повысить, если анод при движении не будет выходить за границы поверхности катода, на которую наносится покрытие. Тем не менее наибольшего эффекта в массопереносе вещества анода на катод можно добиться, если эрозия материала анода во время единичного разрядного акта будет во много раз превышать эрозию материала катода. В этом случае коэффициент массопереноса может достигать значений, близких к 100 %. На практике это можно осуществить выбором энергетических параметров разрядных импульсов и предотвращением разрушения покрытия, осаждаемого на катод.

Полученные выражения могут быть полезны при создании автоматизированных установок для электрофизической обработки материалов и выборе оптимального режима нанесения электроискровых покрытий.


 

 

Список литературы

1. Верхотуров, А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании / А.Д. Верхотуров. - Владивосток: Даль-наука, 1995. - 282 с.

2. Wang, B.-J. Spark erosion behavior of silver-based particulate composites / B.-J. Wang, N. Saka // Wear. - 1996. - V. 195. - Р. 133-147.

3. Ekmekci, B. White layer composition, heat treatment and crack formation in electric discharge machining process / B. Ekmekci // Metal. Mater, Trans. B. - 2009. - V. 40. - Р. 70-81.

4. Chen, Z. Surface modiication of resistance welding electrode by electro-spark deposited composite coatings. Part I. Coating characterization / Z. Chen, Y. Zhou // Surf. Coat. Technol. - 2006. - V. 201. - Р. 1503-1510.

5. Намитоков, К.К. Электроэрозионные явления / К.К. Намитоков. - М.: Энергия, 1978. - 456 с.

6. Galinov, I.V. Mass transfer trends during electrospark alloying / I.V. Galinov, R.B. Luban // Surf. Coat. Technol. - 1996. - V. 79. - Р. 9-18.

7. Frangini, S. A study on the efect of a dy-k-l-h -h-k-Z-namic contact force control for improving electrospark coating properties / S. Frangini, A. Masci // Surf. Coat. Technol. - 2009. - V. 204. - Is. 16-17. - Р. 2613-2623.

8. Пячин, С.А. О зависимости изменения массы электродов от времени при электроискровом легировании / С.А. Пячин, Н.Е. Аблесимов, Д.Л. Ягодзинский // Электронная обработка материалов. - 2003. - № 1. - С. 19-26.

9. Sharakhovsky, L. Model of workpiece erosion for electrical discharge machining process / L. Sharakhovsky, A. Marotta, A.M. Essiptchouk // Appl. Surf. Sci. - 2006. - V. 253. - Р. 797-804.

10. Пячин, С.А. Влияние размеров и расположения электродов на перенос металлов при электроискровом легировании / С.А. Пячин // Физика и химия обработки материалов. - 2017. - № 1. - С. 17-28.

Войти или Создать
* Забыли пароль?