close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

7365.Практическое руководство к решению задач по технологии электрохимической обработки материалов.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Липецкий государственный технический университет»
Институт машиностроения
А.В. МАСЛОВ, В.Ю. ШИРЯЕВ
Практическое руководство к решению задач
по технологии электрохимической обработки материалов
Учебно-методическое пособие
Утверждаю к печати
Проректор по учебной работе
__________Ю.П.Качановский
«___»_______2013 г.
Объем 3,5 п.л.
Тираж 100 экз.
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Липецкий государственный технический университет»
Институт машиностроения
А.В. МАСЛОВ, В.Ю. ШИРЯЕВ
ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ
ПО ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методическое пособие
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.9.047
М316
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.В. Кузовкин;
кафедра технологии машиностроения Воронежского
государственного технического университета
Маслов, А.В.
М316 Практическое руководство к решению задач по технологии
электрохимической обработки материалов [Текст]: учебнометодическое пособие / А.В. Маслов, В.Ю. Ширяев. - Липецк: Изд-во
ЛГТУ, 2013. - 56 с.
ISBN 978-5-88247-623-5
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и
очно-заочной
форм
обучения
«Конструкторско-технологическое
направления
обеспечение
подготовки
151900.62
машиностроительных
производств» при подготовке по программе «Кадры для регионов».
Приведены примеры решения задач по дисциплине «Электрохимические
методы обработки». В приложении представлены справочные данные.
Табл. 17. Ил. 24. Библиогр.: 8 назв.
ISBN 978-5-88247-623-5
© ФГБОУ ВПО
«Липецкий государственный
технический университет», 2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение
3
Тема 1. Электрохимическое прошивание
5
1.1. Расчет линейной скорости растворения и длительности обработки
5
1.1.1. Потенциостатический режим обработки
5
1.1.2. Гальваностатический режим обработки
19
1.2. Расчет скорости течения раствора электролита
26
1.3. Особенности формообразования трубчатым электродом-инструментом
(трепанация)
29
Тема 2. Объемное копирование
33
2.1. Обработка полостей фасонным электродом-инструментом
33
2.1.1. Расчет скорости подачи инструмента при поддержании постоянной
величины тока
35
2.1.2. Расчет скорости подачи инструмента при поддержании постоянной
величины напряжения
37
2.1.3. Расчет размеров профильной части инструмента
37
2.1.4. Расчет конструктивных элементов инструмента
40
2.2. Обработка полостей электродом-инструментом простой геометрической
формы
40
2.2.1. Расчет величины межэлектродного зазора
41
2.2.2. Расчет величины уклона стенок полости
42
Тема 3. Электрохимическое калибрование
44
3.1. Определение длительности процесса калибрования при использовании
неподвижного электрода-инструмента
3.2. Определение
длительности
процесса
46
калибрования
движущимся
электродом-инструментом
3.3. Определение угла наклона образующей конуса инструмента
48
53
Библиографический список
51
Приложения
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Электрохимия зародилась на рубеже 18 и 19 столетий. Рождение этой
науки
связано
с
именами
итальянских
ученых
Луиджи
Гальвани
(реализовавшим электрохимическую цепь в 1771 г.) и Александро Вольта
(создавшим первый химический источник тока в 1800 г.).
Майкл Фарадей в 1834 году сформулировал фундаментальный закон,
связывающий процессы переноса заряда и вещества через границу раздела фаз
«металл - раствор электролита».
Идея и техническое оформление метода размерной анодной обработки
металлов (ЭХРО) принадлежит российскому ученому Владимиру Николаевичу
Гусеву. Им был предложен способ электрохимического формообразования
полостей на основе непрерывного обновления электролита в межэлектродном
промежутке, т.е. с прокачкой раствора электролита. В 1928 г. В.Н. Гусевым и
А.А. Рожковым было получено авторское свидетельство за №28374 на метод
электрохимической обработки, основанный на высокоскоростном локальном
анодном растворении металлов. Позднее (18.09.1930 г.) ими был получен
патент Британии за №335003 на метод и аппаратуру электролитической
обработки металлов.
В последующие годы были разработаны различные технологические
схемы и разновидности процесса электрохимической обработки. Общим для
всех разновидностей является одинаковый механизм съема металла путем
анодного растворения при концентрированном воздействии на материал
высокой плотности энергии (порядка 103 Вт/см2). В отличие от процессов
электрохимического
травления
и
полирования,
при
размерной
электрохимической обработке (ЭХРО) применяются более высокие плотности
тока (в 10 ÷ 100 раз большие), а локализация процесса растворения
обеспечивается конструкцией электрода-инструмента (ЭИ), составом раствора
электролита и проведением процесса на малых межэлектродных зазорах (МЭЗ).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТЕМА 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПРОШИВАНИЕ
Под электрохимическим прошиванием, в соответствии с принятыми
определениями ГОСТ 25330-82, понимают электрохимическую обработку, при
которой электрод-инструмент, углубляясь в заготовку, образует отверстие
постоянного сечения. Разновидностями электрохимического прошивания
являются трепанация (обработка трубчатым электродом-инструментом) и
струйное электрохимическое прошивание.
1.1. Расчет линейной скорости растворения и длительности обработки
Выбор
выражения для расчета линейной скорости растворения
определяется режимом и параметрами обработки, кинематикой движения
электрода-инструмента (ЭИ).
На рис. 1, 3, 4, 7, 9, 10 представлены циклограммы обработки,
характеризующие кинематику движения инструмента и характер подачи
технологического напряжения или тока.
1.1.1. Потенциостатический режим обработки
Электрод-инструмент неподвижен в процессе электрохимической
размерной обработки (циклограмма обработки представлена на рис.1).
Линейная скорость растворения определяется по выражению
, мм/мин,
(1)
где ЭV - объемный электрохимический эквивалент, см3/(А∙мин); U - рабочее
напряжение, В; χ - удельная электропроводность раствора электролита,
Ом-1·м-1; η - выход по току;
- текущий торцовый межэлектродный зазор, мм.
Объемный электрохимический эквивалент равен
,
(2)
где Э - электрохимический эквивалент, г/(А·мин); γ - плотность материала,
г/см3.
Электрохимический эквивалент рассчитывается по выражению
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
,
(3)
где F - число Фарадея (F=96487 Кл); хi - массовая (весовая) доля i-го компонента
сплава; n
i
- валентность i-го компонента металла; Ai - атомная масса i-го
компонента металла, г.
Рис. 1. Циклограмма положения (Y) электрода-инструмента и подачи
напряжения в процессе обработки: 1 – электрод-инструмент; 2 - заготовка
Плотность материала при отсутствии справочных данных определяется
по выражению
,
где
(4)
- плотность i-го компонента сплава.
Поскольку электрод-инструмент в процессе обработки неподвижен,
межэлектродный зазор (МЭЗ) увеличивается во времени. Следовательно,
линейная скорость обработки уменьшается с ростом МЭЗ. Конечный зазор
равен сумме начального зазора и глубины обработки:
,
(5)
где ан - начальный межэлектродный зазор, мм; z - глубина обработки
(удаляемый припуск), мм.
Задавшись несколькими значениями текущего зазора (аt) в интервале от
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
начального зазора (ан) до конечного зазора (ак), рассчитываем скорость
растворения по выражению (1). График зависимости линейной скорости
растворения от величины межэлектродного зазора будет иметь вид,
аналогичный представленному на рис. 2 в примере 1.
Длительность обработки (мин) рассчитывается по выражению
.
(6)
Пример 1
Исходные данные:
- обрабатываемый материал – сплав титановый ВТ8;
- рабочее напряжение U = 20 В;
- величина начального межэлектродного зазора ан = 0,075 мм;
- раствор электролита 30%-ный водный раствор KBr (Т = 25оС);
- удаляемый припуск z = 1,5 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными [1, 7], определяем состав
сплава и свойства его компонентов.
Таблица 1
Химический состав сплава и физико-химические свойства (атомная
масса, степень окисления и плотность) компонентов сплава ВТ8
Состав
Конц.,
%
А, г
n
γ, г/см3
C
до
0,1
2,25
Si
до
0,15-0,4
2,33
Fe
0,2-0,7
Mo
2-3
55,85
2(3)
7,87
95,94
4(6)
10,22
Zr
до
0,5
91,22
2
6,51
Cr
0,8-2,3
Al
5,5-7
Ti
основа
52,01
3(6)
7,19
26,98
3
2,70
47,87
4
4,54
* Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава, как углерод и кремний, поэтому атомная масса и валентность этих
компонентов не представлены.
2. Рассчитываем электрохимический эквивалент сплава по выражению 3,
принимая при этом максимальные значения валентностей входящих в состав
сплава компонентов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плотность
сплава
составляет
4,5
г/см3
[3],
тогда
объемный
электрохимический эквивалент по выражению 2:
ЭV =
∙10-3/4,5 = 1,33∙10-3 см3/(А∙мин).
3. Расчет линейной скорости растворения
Входящее в выражение (1) значение выхода металла по току (η = 0,78)
определяется по табл. П3. Удельная электропроводность раствора (χ = 29,23
Ом-1·м-1) (табл. П4).
Конечный межэлектродный зазор по выражению (5):
ак = 0,075 + 1,5 = 1,575 мм.
Задавшись значениями текущего зазора в цикле в интервале от ан = 0,075
мм до ак = 1,575 мм, находим соответствующие скорости растворения (табл. 2)
в соответствии с выражением (1) и строим график изменения скорости
обработки от величины межэлектродного зазора (рис. 2).
Таблица 2
Расчетные данные влияния текущего зазора
на линейную скорость растворения
at, мм
Vл, мм/мин
0,075
8,09
0,2
3,03
0,5
1,21
4. Расчет длительности процесса обработки
По выражению (6)
1,0
0,61
1,575
0,39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Зависимость линейной скорости растворения от величины
межэлектродного зазора
Электрод-инструмент движется непрерывно ( аТ – const) (рис. 3).
Линейная скорость растворения определяется по выражению
, мм/мин,
(7)
где аТ - величина торцового межэлектродного зазора, мм.
Рис. 3. Циклограмма перемещения (Y) электрода-инструмента и подачи
напряжения в процессе обработки: 1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка
Величина межэлектродного зазора поддерживается постоянной за счет
поступательного движения электрода-инструмента со скоростью, равной
линейной скорости растворения.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Длительность процесса обработки определятся по выражению
.
(8)
Пример 2
Исходные данные:
- обрабатываемый материал – сталь быстрорежущая Р18;
- рабочее напряжение U = 10 В;
- величина торцового межэлектродного зазора аТ = 0,15 мм;
- раствор электролита - 20%-ный водный раствор NaCl (Т = 25оС);
- удаляемый припуск z = 10 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными [7], находим состав сплава и
свойства его компонентов.
Таблица 3
Химический состав стали Р18 и физико-химические свойства
(атомная масса, степень окисления и плотность) компонентов
Состав Концентрация, %
А, г
n
γ, г/см3
С
0,73-0,83
2,25
S
до 0,03
2,07
P
до 0,03
1,82
Si
0,2-0,5
2,33
Co
до 0,5
58,93
2(3)
8,90
Cu
до 0,25
63,55
1(2)
8,92
Mo
до 1,0
95,94
4(6)
10,22
W
17-18,5
183,84
5(6)
19,25
Mn
0,5
54,94
2(4)
7,21
V
1,0-1,4
50,94
5
6,11
Cr
3,8-4,4
52,00
3(6)
7,19
Ni
до 0,6
58,69
2(3)
8,90
Fe
ост.
55,85
2(2)
7,87
*Углерод, кремний, сера и фосфор не подвергаются электрохимическому
воздействию, поэтому атомная масса и степень окисления в таблице не
представлены.
Содержание
железа
компонентов сплава 73%.
составляет
при
средних
значениях
других
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Рассчитываем электрохимический эквивалент сплава по выражению 3,
принимая при этом максимальные значения валентностей входящих в состав
сплава компонентов.
3. Рассчитываем объемный электрохимический эквивалент сплава по
выражению 2. Плотность сплава равна 8,8 г/см3 [6].
ЭV = 12,06∙10-3/8,8 = 1,37∙10-3 см3/(А∙мин).
4. Находим значения удельной электропроводности раствора электролита
(табл. П3) и выхода по току растворения металла (табл. П4).
χ =19,57 Ом-1·м-1; η = 0,775.
5. Линейная скорость растворения в соответствии с выражением (5):
6. Длительность процесса обработки в соответствии с выражением (8):
Циклическая схема обработки, электрод-инструмент неподвижен в
цикле (рис. 4).
Линейная скорость растворения в цикле определяется по выражению (1).
Величина конечного зазора в цикле определяется по выражению
,
(9)
где ан - начальный торцовый межэлектродный зазор, мм;
- длительность
цикла, мин.
Характер зависимости линейной скорости растворения от величины
межэлектродного
зазора
представленному на рис. 2.
в
цикле
будет
иметь
вид,
аналогичный
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Циклограмма положения инструмента и подачи напряжения в
процессе обработки: 1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка; tп – длительность
подвода инструмента к заготовке, tо – длительность отвода инструмента на
заданный межэлектродный зазор
Для определения длительности процесса обработки находим сначала
припуск, удаляемый в единичном цикле по выражению
.
(10)
Число циклов определяется по выражению
,
(11)
где z - общий припуск, мм; zц - припуск, удаляемый в единичном цикле, мм.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общая длительность процесса обработки для удаления заданного
припуска без учета вспомогательного времени на подвод и отвод инструмента
между циклами
, мин.
(12)
Пример 3
Исходные данные:
- обрабатываемый материал - сталь 7Х3;
- рабочее напряжение U = 13 В;
- длительность цикла tц = 15 с;
- начальный торцовый межэлектродный зазор
= 0,2 мм;
- раствор электролита – 10%-ный водный раствор NaCl (Т = 18оС);
- удаляемый припуск z = 10 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными, определяем состав сплава и
свойства его компонентов.
Таблица 4
Химический состав стали 7Х3 и физико-химические свойства
(атомная масса, степень окисления и плотность) компонентов сплава [2,3]
Состав
Mn
Cr
W
V
Mo
Ti
Cu
Ni
Fe
Конц.,
0,153,20,2
0,15 0,2
0,2
0,3
0,4
ост.
%
0,45
3,8
А, г
54,94 52,01 183,92 50,95 95,95 47,9 63,57
58,69
55,85
n
2(4)
3(6)
5(6)
5
4(6)
4
1(2)
2(3)
2(3)
3
γ, г/см
7,4
7,16
19,2
5,8
10,2 4,5
8,93
8,96
7,86
*Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава, как углерод, сера, фосфор, кремний, поэтому эти компоненты не
представлены в таблице.
При среднем содержании компонентов сплава концентрация железа в
сплаве составляет 93,9%.
2.
Рассчитываем
электрохимический
эквивалент
сплава,
воспользовавшись выражением (3), принимая при этом максимальные значения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
валентностей входящих в состав сплава компонентов.
Плотность
сплава
составляет
7,75
г/см3
[6],
тогда
объемный
электрохимический эквивалент по выражению 2:
ЭV = 11,34∙10-3 /7,75 = 1,46∙10-3см3/(А∙мин).
3. Расчет линейной скорости растворения в цикле.
Находим входящие в выражение (1) значения электропроводности
раствора (прил. П3) и выход металла по току (прил. П4). (η = 0,96,
χ = 12,11 Ом-1·м-1).
Величина конечного зазора в цикле определяется по выражению (9):
Задавшись несколькими значениями текущего зазора в цикле в интервале
от
= 0,2 мм до
= 0,4 мм, выполняем расчет линейной скорости (табл. 5) в
соответствии с выражением (1) и строим график изменения скорости обработки
от величины межэлектродного зазора (рис. 6).
4. Расчет длительности процесса обработки
Для определения длительности процесса обработки находим сначала
припуск, удаляемый в единичном цикле по выражению (10):
Число циклов по выражению (11):
Общая длительность процесса обработки без учета вспомогательного
времени на подвод и отвод инструмента между циклами по выражению (12):
мин.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5
Влияние межэлектродного зазора
на линейную скорость растворения сплава
at, мм
0,2
Vл, мм/мин 1,00
0,25
0,80
0,3
0,67
0,35
0,57
0,4
0,50
Рис. 6. Зависимость линейной скорости растворения от величины
межэлектродного зазора
Импульсно-циклическая схема обработки, электрод-инструмент
неподвижен в цикле (рис.7).
Линейная скорость растворения в цикле определяется по выражению (1).
Величина конечного зазора (мм) в цикле определяется по выражению
,
(13)
где q – скважность.
Скважность определяется по выражению
,
(14)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где
и
- соответственно длительность подачи импульса напряжения и
длительность паузы, мин.
Рис. 7. Циклограмма положения электрода-инструмента и подачи
напряжения в процессе обработки: tп - длительность паузы, tи - длительность
импульса, tц - длительность цикла
Характер зависимости линейной скорости растворения от величины МЭЗ
в цикле будет иметь вид, аналогичный представленному на рис. 6.
Припуск, удаляемый в единичном цикле, рассчитывается по выражению
(10). Число
циклов обработки определяется по выражению (11). Для
определения длительности процесса обработки пользуются выражением (12).
Пример 4
Исходные данные:
- обрабатываемый материал - сталь 5ХНМ;
- напряжение на электродах U = 12 В;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- длительность цикла tц = 21с;
- длительность импульса tи = 0,5 с;
- скважность q = 3;
- начальный торцовый межэлектродный зазор ан = 0,2 мм;
- раствор электролита – 15%-ный водный раствор KCl (Т = 30оС);
- удаляемый припуск z = 5 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными [2,3], определяем состав
сплава и свойства его компонентов.
Таблица 6
Химический состав стали 5ХНМ и физико-химические свойства
(атомная масса, степень окисления и плотность) компонентов сплава
Состав
Mn
Cr
Mo
Ni
Конц., %
0,5-0,8
0,5-0,8
0,15-0,3
1,4-1,8
А, г
54,94
52,01
95,95
58,69
n
2(4)
3(6)
4(6)
2(3)
3
γ, г/см
7,4
7,16
10,2
8,96
*Содержание железа составляет при средних значениях
компонентов сплава 96%.
Fe
ост.*
55,85
2(3)
7,86
других
2. Рассчитываем электрохимический эквивалент сплава, принимая при
этом максимальные значения валентностей входящих в состав сплава
компонентов.
Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава,
как углерод,
сера,
фосфор,
кремний,
поэтому при расчете
электрохимического эквивалента сплава не учитываются.
В соответствии с выражением (3):
=
=1,93·10-4 г/(А∙с) =11,59·10-3 г/(А∙мин).
Плотность
сплава
составляет
7,8
г/см3
[3],
тогда
электрохимический эквивалент по выражению (2)
ЭV =11,59∙10-3 /7,8 = 1,49∙10-3 см3/(А∙мин).
объемный
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Расчет линейной скорости растворения в цикле
Находим
входящие
в
выражение
(1)
значения
удельной
электропроводности раствора (прил. П3), выхода металла по току (прил.П 4) .
При χ = 25,7 Ом-1·м-1 и η = 0,98 величина конечного зазора в цикле по
выражению (7):
.
Задаемся несколькими значениями текущего зазора в цикле в интервале
от начального
= 0,2 мм до конечного межэлектродного зазора
= 0,38 мм,
выполняем расчет линейной скорости растворения (табл. 7) по выражению (1) и
строим график изменения скорости обработки в цикле (рис. 8).
Таблица 7
Влияние межэлектродного зазора на линейную скорость растворения
сплава
аt, мм
Vл, мм/мин
0,2
2,25
0,25
1,8
0,3
1,5
0,35
1,29
0,4
1,13
Рис. 8. Зависимость линейной скорости растворения от величины
межэлектродного зазора
4. Расчет длительности процесса обработки
Для определения длительности процесса обработки находим сначала
припуск, удаляемый в единичном цикле по выражению (10):
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
.
Число циклов в соответствии с выражением (11):
.
Общая длительность процесса обработки без учета вспомогательного
времени на подвод и отвод инструмента между циклами по выражению (12):
.
1.1.2. Гальваностатический режим обработки
При использовании гальваностатического режима обработки (I – const)
независимо от того, является ли электрод-инструмент неподвижным (рис. 9,а)
или движущимся (рис. 9,б), линейная скорость растворения будет оставаться
постоянной.
, мм/мин,
(15)
где I - cила тока, А; S - площадь обработки, см2; i - плотность тока (i = I/S),
А/см2.
Для
определения
длительности
процесса
обработки пользуются
выражением (8).
Рис. 9. Циклограмма положения электрода-инструмента и подачи тока в
процессе обработки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример 5
Исходные данные:
I – const, электрод-инструмент неподвижен в процессе обработки;
- обрабатываемый материал - сталь 3X2B8Ф;
- плотность тока i = 50 А/см2;
- величина начального межэлектродного зазора ан = 0,25 мм;
- раствор электролита – 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС);
- величина удаляемого припуска z = 20 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными, находим состав и свойства
компонентов сплава.
Таблица 8
Химический состав стали 3Х2В8Ф и физико-химические свойства
(атомная масса, степень окисления и плотность) его компонентов [1-3]
Состав С
Конц., 0,3%
0,4
А, г
n
γ,
г/см3
2,25
Si
0,150,4
2,33
S
До
0,03
P
До
0,03
Mn
0,150,4
Cr
2,22,7
W
7,58,5
V
0,20,5
Ni
до
0,35
2,07
54,94 52,01 183,92 50,95 58,69
2(4) 3(6)
5(6)
5
2(3)
1,82 7,4
7,16
19,2
5,8
8,96
Cu
до
0,03
Mo
до
0,5
Fe
ост.
63,57 95,95 55,85
1(2)
4(6)
2(3)
8,92 10,2 7,86
* Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава, как углерод, сера, фосфор, кремний, поэтому атомная масса и
валентность этих компонентов не представлена в таблице.
При среднем содержании компонентов сплава концентрация железа в
сплаве составляет 90,65%.
2. Расчет электрохимического эквивалента
В соответствии с выражением (3):
Плотность материала по выражению (4):
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Объемный электрохимический эквивалент по выражению (2):
ЭV = 11,87∙10-3 /8,72 = 1,35∙10-3 см3/(А∙мин).
3. Расчет линейной скорости растворения
Выход по току для закаленной стали η = 0,66 (прил. П4), тогда линейная
скорость растворения равна по выражению (15):
4. Расчет длительности процесса электрохимической обработки
В соответствии с выражением (8):
мин.
Циклическая схема обработки, электрод-инструмент неподвижен в
цикле (рис.10)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Циклограмма положения электрода-инструмента и подачи тока в
процессе обработки
Линейная скорость растворения металлов в цикле определяется по
выражению (15).
Для определения длительности процесса обработки рассчитывают
сначала припуск, удаляемый в единичном цикле, по выражению
, мм,
где
(16)
- длительность электрохимической обработки в цикле, мин.
Число циклов для удаления общего припуска определяют по выражению
(11). Длительность обработки для удаления общего припуска без учета
вспомогательного времени на подвод и отвод инструмента между циклами
рассчитывается по выражению (12).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример 6
Исходные данные:
- обрабатываемый материал - сталь ХН70ВМТЮФ;
- плотность тока i = 50 А/см2;
- длительность цикла tц =20 с;
- начальный межэлектродный зазор ан = 0,25 мм;
- раствор электролита – 30%-ный водный раствор (NН4)2SO4 (Т = 18оС);
- величина удаляемого припуска z = 10 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными, находим состав сплава и
свойства его компонентов.
Таблица 9
Химический состав сплава и физико-химические свойства (атомная
масса, степень окисления и плотность) компонентов сплава [2,3]
Состав
Со
Mn
Cr
Ti
Al
W
Mo
V
Fe
Ni
Конц., %
0,02
≤ 0,5
13-16
1,7-2,2
2,4-2,9
5,0-7,0
2,5-4,0
0,2-1,0
≤ 5,0
ост.
А, г
58,94
54,94
52,01
47,9
26,98
183,92
95,95
50,95
55,85
58,69
n
2(3)
2(4)
3(6)
4
3
5(6)
4(6)
5
2(3)
2(3)
γ, г/см3
8,65
7,4
7,16
4,5
2,7
19,2
10,2
5,8
7.86
8,96
*Содержание никеля
компонентов сплава 65,0%.
составляет при средних значениях других
2. Расчет электрохимического эквивалента
Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава, как углерод, сера, фосфор, кремний, поэтому в табл. 9 эти компоненты
не представлены.
Электрохимический эквивалент по выражению (3):
=1,667·10-4 г/(А∙с) = 10,005·10-3 г/(А∙мин) ;
Плотность
сплава
составляет
7,8
г/см3
[3],
тогда
объемный
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электрохимический эквивалент в соответствии с выражением (2):
ЭV =10,005∙10-3 /7,8 =1,283∙10-3 см3/(А∙мин).
3. Расчет линейной скорости растворения
Выход по току η = 0,86 (прил. П4), тогда линейная скорость растворения
по выражению (15):
.
4. Расчет длительности процесса обработки
Для определения длительности процесса обработки
рассчитывают
сначала припуск, удаляемый в единичном цикле по выражению (16):
.
Число циклов для удаления общего припуска по выражению (11):
Длительность обработки для удаления общего припуска без учета
вспомогательного времени на подвод и отвод инструмента между циклами
определяется по выражению (12):
Импульсно-циклическая схема обработки, электрод-инструмент
неподвижен в цикле (рис. 11).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 11. Циклограмма перемещения электрода-инструмента и подачи тока
в процессе обработки
Линейная скорость растворения определяется по выражению
, мм/мин.
(17)
Для определения длительности процесса обработки рассчитывают
сначала длительность электрохимической обработки в цикле по выражению
, мин.
(18)
Припуск, удаляемый в единичном цикле, определяют по выражению
, мм,
где
(19)
- длительность электрохимической обработки в цикле, мин.
Число циклов определяется по выражению (11).
Длительность обработки для удаления общего припуска без учета
вспомогательного времени на подвод и отвод инструмента между циклами
определяется по выражению (12).
Пример 7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Исходные данные:
- обрабатываемый материал - сплав цинковый ЦАМ 4-1;
- плотность тока i = 40 А/см2;
- длительность цикла tц =10 с;
- длительность импульса tи =0,3 с;
- скважность q = 2;
- величина начального межэлектродного зазора ан = 0,1 мм;
- раствор электролита – 20%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 40оС);
- величина удаляемого припуска z = 20 мм.
Последовательность решения:
1. Воспользовавшись справочными данными, находим состав сплава и
свойства его компонентов [2,3].
Таблица 10
Химический состав сплава ЦАМ 4-1и физико-химические свойства
(атомная масса, степень окисления и плотность) компонентов сплава
Состав
Al
Cu
Mg
Pb
Конц., % 3,9-4,3 0,75-1,25
0,03-0,05
0,01
А, г
26,98
63,57
24,32
207,21
n
3
1(2)
2
2(4)
3
γ, г/см
2,70
8,93
1,74
11,34
2. Расчет электрохимического эквивалента
Fe
0,05
55,85
2(3)
7,86
Sn
0,02
118,70
2(4)
7,31
Zn
ост.
65,38
2
7,14
Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава, как углерод, сера, фосфор, кремний, поэтому эти компоненты при
расчете электрохимического эквивалента сплава по выражению (3) не
учитываются.
=
=3,06·10-4 г/(А∙с)=18,33·10-3 г/(А∙мин).
3. Расчет линейной скорости растворения
Плотность
сплава
составляет
6,7
г/см3
[6],
тогда
объемный
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электрохимический эквивалент в соответствии с выражением (2):
ЭV = 18,33∙10-3 /6,7 = 2,74∙10-3 см3/(А∙мин).
Выход по току η = 1,46 (прил. П4), тогда линейная скорость растворения в
соответствии с выражением (17):
мм/мин.
4. Расчет длительности процесса обработки
Поскольку используется импульсно-циклическая схема обработки,
длительность обработки в цикле в соответствии с выражением (18):
.
Удаляемый за один цикл припуск определяется по выражению (19):
.
Число циклов по выражению (11):
Длительность обработки для удаления общего припуска без учета
вспомогательного времени на подвод и отвод инструмента между циклами
определяется по выражению (12):
1.2. Расчет скорости течения раствора электролита
Потенциостатический режим обработки
Скорость прокачки электролита определяется по выражению
, м/мин,
где
(20)
- объемный электрохимический эквивалент газа (водорода), м3/(А·мин);
U - рабочее напряжение, В; χ - удельная электропроводность электролита,
Ом-1·м-1;
- длина пути протекания электролита, мм;
межэлектродный зазор, мм;
- начальный торцовый
- критическая степень газонаполнения
межэлектродного промежутка водородом (принимается 0,5).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Объемный электрохимический эквивалент газа
,
где
(21)
Э - электрохимический эквивалент водорода, г/(А∙с); γ - плотность
водорода, кг/м3 (0,09 кг/м3 [3]).
Электрохимический эквивалент водорода определяется по выражению
(22)
где Аi - атомная масса водорода, г; F - число Фарадея (F=96487 Кл);
n i - валентность.
Гальваностатический режим обработки
Скорость прокачки электролита определяется по выражению
(23)
где - плотность тока, А/см2.
Длина пути течения электролита является составляющей длины участка
под торцем электрода и глубины получаемой полости.
Пример 8
Исходные данные:
- потенциостатический режима обработки (U – const), электрод-инструмент
движется непрерывно (аТ - const) (рис.3);
- обрабатываемый материал – сталь быстрорежущая Р18;
- напряжение на электродах U = 10 В;
- величина торцового межэлектродного зазора ан = 0,15 мм;
- раствор электролита - 20%-ный водный раствор NaCl (Т = 18оС );
- диаметр выполняемого отверстия (рис. 12) Ф = 10 мм;
- удаляемый припуск z = 10 мм.
Последовательность решения
1. Рассчитываем электрохимический эквивалент водорода по выражениям
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(20) и (21):
Э = 1,008/(1·96487) = 1,045·10-5 г/(А·с) = 1,045·10-8 кг/(А·с);
ЭV = 1,045·10-8/0,09 = 1,16·10-7 м3/(А·с).
Рис. 12. Продольный разрез выполняемого отверстия
2. Рассчитываем длину пути течения раствора электролита
Длина пути течения электролита является составляющей длины участка
под торцем электрода и глубины получаемой полости:
.
3. Рассчитываем скорость течения электролита
Для заданного раствора электролита (табл. П4) χ = 19,57 Ом-1·м-1, тогда по
выражению (20)
.
Пример 9
Исходные данные:
- гальваностатический режим обработки (I – const), электрод-инструмент
неподвижен в процессе обработки (рис.13);
- обрабатываемый материал - сталь 3X2B8Ф;
- плотность тока i = 50 А/см2;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- величина начального межэлектродного зазора ан = 0,25 мм;
- раствор электролита – 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС);
- величина удаляемого припуска z = 20 мм.
Выполнить глухую полость квадратного сечения со стороной 10 мм.
Рис. 13. Продольный разрез выполняемой полости.
Последовательность решения:
1. Находим электрохимический эквивалент водорода по выражениям (21)
и (22):
Э = 1,008/(1·96487) = 1,045·10-5 г/(А·с) = 1,045·10-8 кг/(А·с);
ЭV = 1,045·10-8/0,09 = 1,16· 10-7 м3/(А·с).
2. Рассчитываем длину пути течения электролита.
Поскольку поперечное сечение получаемой полости представляет собой
квадрат, то наибольший путь под торцем электрода соответствует половине
диагонали квадрата. Тогда максимальная длина пути течения электролита до
точки выхода из межэлектродного промежутка
, мм,
где а - сторона квадрата.
.
3. Скорость прокачки электролита определяется по выражению (23):
Vэл = 1,16·10-7·50·104·27,07/(0,1·0,25) = 62,8 м/с.
1.3. Особенности формообразования
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трубчатым электродом-инструментом (трепанация).
Трубчатый электрод-инструмент используется в случаях получения
глухих кольцевых и профильных полостей, а также при получении сквозных
отверстий.
Использование инструмента трубчатой формы вместо сплошного
электрода при получении сквозных отверстий в условиях гальваностатической
обработки позволяет значительно увеличить плотность тока, а значит и
скорость растворения. Причем эффективность обработки возрастает с ростом
диаметра получаемого отверстия и уменьшением толщины стенки электродаинструмента.
Применение трубчатого инструмента вместо сплошного при получении
сквозных отверстий позволяет также облегчить отвод продуктов электролиза из
зоны обработки, поскольку уменьшается длина пути течения электролита.
Пример 10
Исходные данные:
- обрабатываемый материал – сталь быстрорежущая Р18;
- рабочее напряжение U = 10 В;
- величина начального торцового межэлектродного зазора ан= 0,15мм;
- раствор электролита - 20%-ный водный раствор NaCl (Т = 25оС);
- удаляемый припуск z = 10 мм.
Выполнить сквозное отверстие диаметром Ф = 15 мм в заготовке
толщиной z = 10 мм.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 14. Продольный разрез выполняемого элемента
Рассмотрим
два
режима
обработки
–
потенциостатический
и
гальваностатический.
Для потенциостатического режима обработки с движущимся непрерывно
электродом-инструментом сплошного либо трубчатого сечения линейная
скорость растворения (см. пример 2) равна
1,21 мм/мин, а длительность
обработки составляет 8,26 мин.
Рассмотрим гальваностатический режим обработки с использованием как
сплошного, так и трубчатого электрода-инструмента.
Для сравнения двух режимов обработки величину тока примем равной
току,
протекающему
между
электродами
при
использовании
потенциостатического режима обработки.
В соответствии с законом Ома ток, протекающий между электродами,
при использовании потенциостатического режима обработки определяется по
выражению
.
Таким образом, средняя величина тока (без учета потерь напряжения на
межфазных границах) для сплошного электрода
Находим площадь активной (торцовой) части трубчатого электродаинструмента
где δ – толщина стенки электрода-инструмента.
При толщине стенки, например 1 мм, площадь торца инструмента
Воспользовавшись выражением (15) линейная скорость растворения при
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
использовании
гальваностатического
режима обработки и трубчатого
инструмента
Длительность обработки равна в соответствии с выражением (8):
.
Для электрода-инструмента сплошного поперечного сечения площадью
176,6 мм2 линейная скорость растворения
Длительность обработки равна в соответствии с выражением (8)
Таким
образом,
используя
трубчатый
электрод-инструмент
и
гальваностатический режим обработки, производительность возрастает более
чем в 4 раза по сравнению с потенциостатическим режимом или режимом
поддержания тока при использовании электрода сплошного сечения.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тема 2. Объемное копирование
2.1. Обработка полостей фасонным электродом-инструментом
При обработке полостей сложной продольной и поперечной формы
используются фасонные электроды-инструменты. Обработка таких полостей
должна сопровождаться поддержанием оптимальной скорости
подачи
инструмента. Скорость растворения по мере углубления инструмента в
обрабатываемую деталь изменяется, поскольку изменяются условия обработки.
2.1.1. Расчет скорости подачи инструмента при поддержании
постоянной величины тока
Плотность тока на любом участке межэлектродного промежутка зависит
не только от площади обработки, но и электропроводности раствора
электролита, потенциала точки поверхности, структурно-фазового состава
компонентов сплава и т.д. Электропроводность раствора электролита зависит, в
свою очередь, от температуры, степени газонаполнения, содержания шлама.
По мере углубления полости значения этих факторов изменяются, поскольку
изменяется площадь сечения, длина пути течения электролита, объем
электролита, находящегося в межэлектродном промежутке.
Линейная скорость растворения в соответствии с законом Фарадея
определяется по выражению (15):
где ЭV - объемный электрохимический эквивалент, см 3/(А∙мин); I - сила тока, А;
S - площадь обработки, см2; η - выход по току; i - плотность тока, А/см2.
Площадь
активной
части
поверхности
заготовки
(участок
обрабатываемой поверхности, где в данный момент времени наблюдается
минимальный межэлектродный зазор) по мере внедрения инструмента
увеличивается. Следовательно, плотность тока будет изменяться, что вызовет
изменение и линейной скорости растворения. Длина пути течения раствора
электролита также увеличивается, что приводит к
затруднению отвода
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
продуктов электролиза из межэлектродного промежутка. Скорость подачи
инструмента должна также изменяться в процессе обработки в соответствии с
характером изменения составляющих процесса.
При использовании потенциостатического режима и непрерывной
подачи электрода-инструмента скорость
растворения
определяется по
выражению (7):
.
В данное выражение площадь обработки не входит, а электропроводность
раствора электролита будет зависеть только от его температуры и степени
насыщения продуктами электролиза. При создании определенных условий
обработки (повышение скорости прокачки раствора электролита по мере
внедрения инструмента в заготовку с целью поддержания электропроводности)
скорость растворения, а значит, и скорость перемещения ЭИ, при
использовании такого режима в отличие от гальваностатического, будет
оставаться постоянной.
Рассмотрим примеры по определению скорости подачи ЭИ для обоих
режимов обработки.
Пример 11. Обработка полости сферической формы (рис.15)
Рис. 15. Продольный разрез выполняемой полости
Исходные данные:
- I (const) = 6000 A;
- материал заготовки – сталь 3Х2В8Ф;
- радиус сферы R = 50 мм;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- начальный торцовый межэлектродный зазор ан = 0,2 мм;
- раствор электролита - 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС).
Последовательность решения:
1. Расчет объемного электрохимического эквивалента (см. пример 5):
ЭV =1,35∙10-3 см3/(А∙мин)
2. Определение геометрических параметров полости
Площадь обработки (площадь сферы) определяется по известному
выражению
,
(24)
где R – радиус сферы; h – глубина внедрения инструмента в заготовку.
3. Расчет скорости растворения
Линейная скорость растворения определяется по выражению (15):
Учитывая первичный характер распределения силовых линий тока,
можно говорить о том, что скорость растворения, и соответственно скорость
внедрения инструмента в заготовку будет уменьшаться. Как видно из
выражения (24) площадь активной части поверхности обработки (участок
поверхности, где величина межэлектродного зазора равна начальному зазору)
увеличивается по мере внедрения электрода-инструмента в заготовку.
Так, в условиях первичного распределения тока, скорости растворения
участков в вершине сферы (при α = 0) и точке экватора различаются почти в
250 раз в соответствии с выражением
После внедрения инструмента в заготовку на глубину
скорости
растворения активной части поверхности и участка, находящегося в районе
экватора, будут различаться примерно в 100 раз:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, скорость перемещения электрода-инструмента будет
уменьшаться, пока его сферическая поверхность почти полностью не
погрузится в тело заготовки.
При расчете скорости подачи раствора электролита следует учитывать то,
что длина пути течения электролита изменяется. Для сферической поверхности
длина пути течения электролита равна длине дуги от точки входа электролита в
межэлектродный промежуток до точки выхода из него и определяется по
выражению
(25)
где α - угол между вектором скорости подачи инструмента и вектором скорости
растворения в направлении нормали к точке обрабатываемой поверхности; R –
радиус сферы; h - глубина внедрения инструмента в заготовку..
Рис. 16. Зависимость длины пути течения электролита от глубины
внедрения электрода-инструмента в заготовку.
Учитывая характер изменения длины пути течения электролита (рис. 16)
и площади обработки (выражение 24) можно заключить, что скорость течения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электролита и расход электролита должны изменяться (увеличиваться) в
процессе внедрения инструмента в заготовку.
2.1.2. Расчет скорости подачи электрода-инструмента при
поддержании постоянной величины напряжения
Пример 12. Обработка полости сферической формы (рис. 15)
Исходные данные:
- рабочее напряжение U = 12 В;
- материал заготовки - сталь 3Х2В8Ф;
- радиус сферы R = 50 мм;
- начальный торцовый межэлектродный зазор ан = 0,2 мм;
- раствор электролита - 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС).
Последовательность решения:
1. В соответствии с примером 5
ЭV = 1,35∙10-3 см3/(А∙мин).
2. Расчет линейной скорости перемещения инструмента
Выход по току для закаленной стали η = 0,66 (табл. П3), тогда линейная
скорость растворения в соответствии с выражением (7):
Для сферической поверхности длина пути течения раствора электролита
изменяется в соответствии с выражением (25) по зависимости, представленной
на рис. 16. Для поддержания электропроводности раствора электролита по мере
внедрения инструмента в тело заготовки и исключения погрешности
формообразования скорость подачи электролита необходимо увеличивать. Это
вызвано также тем, что по мере внедрения инструмента изменяется и объем
электролита, находящийся в межэлектродном промежутке.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.1.3. Расчет размеров профильной части инструмента
При
электрохимической
обработке
подвижным
электродом-
инструментом значения межэлектродного зазора на различных участках
обрабатываемой поверхности не одинаковы и зависят от угла α между вектором
VЭИ подачи инструмента (рис. 17) и нормалью N-N к рассматриваемому участку
рабочей поверхности. При α = 0 межэлектродный зазор будет торцовым (аТ), а
на участках, где α = 90о, зазор будет являться боковым (аб). На участках, где
α < 90о, межэлектродный зазор обозначен через аα.
Рис. 17. Профильный электрод-инструмент с элементами рабочей части,
расположенными под углом α к вектору его подачи VЭИ
Для определения размеров профильной части инструмента необходимо
определить величины зазоров в соответствующих точках поверхности.
Величина торцового зазора
в соответствии с выражением (7)
определяется по формуле
Поскольку
Но
, то
, следовательно:
(рис. 17).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(26)
При α = 90 о зазор будет являться боковым (аб). Его величина
определяется по выражению (26) в зависимости от высоты рабочего пояска
(буртика) на изолированной поверхности боковой части инструмента, который
принимается в интервале от 0,5 до 2,5 мм.
(27)
, при h = а Т , боковой зазор а б ≃ 1,3а Т .
При h = 0 боковой зазор
Пример 13. Выполнить расчет профильной части электрода-инструмента
для получения сферической полости (рис. 15).
Исходные данные:
- величина начального торцового межэлектродного зазора ан = 0,2 мм;
- радиус сферы R = 50 мм;
- высота рабочего пояска h = 2 мм.
Последовательность решения:
1. Поскольку получаемая поверхность является сферической, угол α
изменяется в пределах от 0 до 90о. Зададимся в этом интервале несколькими
значениями угла α и определим, используя выражение (26), значения зазора аα.
Таблица 11
Значения зазора при различных углах α
α
аα
5
0,201
10
0,203
15
0,207
20
0,213
30
0,231
45
0,283
60
0,4
75
0,773
2. Находим величину бокового зазора. Примем высоту рабочего пояска
h = 1 мм. Тогда в соответствии с выражением (27):
3. Выполняем чертеж рабочей части электрода-инструмента, откладывая
величины полученных зазоров по нормали к точке обрабатываемой
поверхности в зависимости от угла α (рис. 18).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 18. Эскиз рабочей части электрода-инструмента
2.1.4. Расчет конструктивных элементов инструмента
При расчете конструктивных элементов в электроде-инструменте для
подачи или отвода раствора электролита исходят из того, что на выходе из
межэлектродного промежутка должно создаваться противодавление. То есть
должно соблюдаться условие
(28)
Площадь выходного отверстия
- это площадь, ограниченная
боковыми стенками получаемой полости и боковой поверхностью электродаинструмента.
При выполнении в электроде-инструменте круглого отверстия для подачи
электролита (при прямой схеме его прокачки):
.
Тогда
(29)
Ширина паза (щели) на торцовой поверхности инструмента должна быть
более 2аТ, но не более 0,5÷2,0 мм. Высота паза принимается из расчета
прохождения определенного объема электролита. Паз (щель) не должен
доходить до боковой поверхности (до краев) на 1,5÷3,0 мм. Расположение пазов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(щелей) определяется формой получаемой полости. Чаще всего пазы (щели)
располагают по осям симметрии либо по диагоналям рабочей части
инструмента.
2.2. Обработка полостей электродом-инструментом
простой геометрической формы
При получении полостей со стенками, выполненными с определенным
уклоном, например при обработке полостей штампов для литья и пресс-форм,
возможно
применение не только
профильного
электрода-инструмента
(фасонный электрод-инструмент со стенками расположенными под некоторым
углом «α» к вектору скорости перемещения инструмента), но и электродаинструмента простой геометрической формы. В частности электрохимическую
обработку
вертикально
можно
проводить
расположенной
подвижным электродом-инструментом
боковой
поверхностью.
При
с
этом
электроизоляционное покрытие (ЭИП) на боковой поверхности полностью
отсутствует.
2.2.1. Расчет величины межэлектродного зазора
При выполнении полости на участке под торцем инструмента реализуется
схема с подвижным электродом-инструментом при поддержании постоянной
величины межэлектродного зазора, а на боковой поверхности реализуется
схема обработки неподвижным инструментом. Для определения торцового
зазора при получении полости с определенным уклоном в соответствии с [8]
используется выражение
,
где у - уклон стенки полости, мм; z - глубина полости, мм.
Пример 14. Рассчитать величину межэлектродного зазора, скорость
подачи электрода-инструмента и длительность обработки при получении
полости штампа (рис. 19).
(30)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 19. Продольный разрез выполняемой полости
Исходные данные:
- обрабатываемый материал - сталь 5ХНВ;
- потенциостатический режима обработки (U – const), электрод-инструмент
движется непрерывно (аТ - const) (рис.1);
- напряжение на электродах U = 12 В;
- раствор электролита - 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС);
- уклон стенок 8о;
- удаляемый припуск z = 25 мм.
Последовательность решения:
1. В соответствии со справочными данными (табл. П3 и П4) удельная
электропроводность данного раствора составляет 16,06 Ом -1∙м-1, выход по току
равен 0,68.
Объемный электрохимический эквивалент сплава (см. пример 4)
ЭV = 2,2∙10-3 см3/(А∙мин).
2. Определяем величину уклона стенки.
При глубине обработки 25 мм и угле уклона стенки 8о, величина уклона
мм.
3. Определяем величину торцового зазора
Воспользовавшись уравнением (30), получаем
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Скорость перемещения инструмента соответствующая линейной
скорости растворения определяется в соответствии с выражением (7):
5. Расчет длительности процесса обработки
Время обработки (основное время) в условиях непрерывной обработки
подвижным инструментом составит в соответствии с выражением (8):
2.2.2. Расчет величины уклона стенок полости
Задавшись определенными граничными условиями (например: аT = 0,05
…0,5 мм – применяемый в ЭХРО диапазон межэлектродных зазоров) можно
определить предельную величину уклона, когда целесообразно использование
электрода-инструмента с вертикальной боковой поверхностью.
Для определения величины уклона «у» стенки в соответствии с [8] или
угла уклона «α» пользуются выражениями
(31)
.
При
превышении
целесообразно
проводить
некоторой
обработку
критической
при
(32)
величины
использовании
уклона
фасонного
инструмента со стенками расположенными под некоторым углом «α» к вектору
скорости перемещения электрода-инструмента (тема 2).
На рис. 20 представлены данные по зависимости угла уклона от глубины
обработки при торцовых межэлектродных зазорах равных 0,05 и 0,5 мм.
Анализируя эти данные можно отметить, что увеличение торцового зазора
позволяет получать полости с большой величиной уклона. Однако при этом
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значительно падает скорость обработки и соответственно возрастает время
получения полости.
Рис. 20 Влияние глубины обработки z на угол уклона α стенки полости
для межэлектродного зазора 0,05 мм (1) и 0,5 мм (2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тема 3. Электрохимическое калибрование
Электрохимическое калибрование проводится с целью достижения
точности размеров и форм элементов поверхности и их относительного
расположения, качества поверхности. Калибрование может производиться как
неподвижным, так и движущимся непрерывно
электродом-инструментом.
Выбор кинематики движения наряду с выбором растворов электролитов,
гидродинамических и электрических режимов зависит от технологических
требований по точности обработки и качеству поверхностного слоя.
При электрохимической калибровке движущимся инструментом его
рабочая часть выполняется в виде конуса с определенным углом «α»
образующей (рис. 21).
Рис. 21. Обрабатываемое отверстие и рабочая часть электродаинструмента при калибровании
Скорость осевого перемещения инструмента при калибровании связана с
конусностью его рабочей части выражением
где α - угол между образующей конуса и осью электрода-инструмента, град;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vα - линейная скорость растворения (по нормали к обрабатываемой
поверхности), мм/мин.
Линейная скорость растворения определяется по выражению
где
- величина межэлектродного зазора, мм.
Общий путь перемещения инструмента при калибровании для получения
сквозного отверстия будет равен сумме толщины заготовки и длины конусной
(рабочей) части инструмента для выхода инструмента из зоны обработки.
В этом случае длительность обработки при калибровании будет
определяться по выражению
,
(33)
где L - длина конусной части инструмента, мм; A - толщина заготовки, мм.
Удаляемый припуск при калибровании «z» и длина конусной части
электрода-инструмента связаны между собой соотношением
.
Тогда
(34)
Но поскольку
или
(35)
Видно, что при определенной скорости растворения материала,
длительность калибрования будет зависеть от соотношения величины
удаляемого припуска «z», толщины заготовки «А» и угла наклона образующей
«α».
При угле образующей α = 0 составляющая
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
будет равна нулю, и тогда выполняются условия калибрования неподвижным
электродом-инструментом.
При этом для обеспечения постоянной скорости растворения и удобства
оценки удаляемого припуска желательно использование гальваностатического
режима обработки, поскольку величина межэлектродного зазора при
использовании неподвижного электрода-инструмента будет изменяться во
времени.
При α = 90о уже правая часть выражения равна нулю и тогда
выполняются условия прошивания отверстия.
3.1. Определение длительности процесса калибрования
при использовании неподвижного электрода-инструмента
Пример 15. Выполнить калибрование отверстия (рис. 22) неподвижным
электродом-инструментом.
Рис. 22. Эскиз изделия до и после обработки
Исходные данные:
- гальваностатический режим обработки (I – const), I = 1000 A;
- обрабатываемый материал - сталь 12ХН3А;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- раствор электролита - 15%-ный водный раствор NaCl (Т = 18оС).
Последовательность решения:
1. Определяем среднюю величину удаляемого припуска
Средний внутренний диаметр отверстия до обработки равен 21,25 мм,
после обработки 22,15 мм.
Тогда величина удаляемого припуска на сторону
z = (22,15 - 21,25)/2 = 0,45 мм.
2. Воспользовавшись справочными данными, находим состав и свойства
компонентов сплава
Таблица 12
Химический состав сплава 12ХН3А [1-3] и физико-химические
свойства (атомная масса, степень окисления и плотность) его компонентов
Состав
Содерж.,
%
А
n
γ, г/см3
С
0,090,16
2,25
Si
0,170,37
2,33
S
до
0,025
2,07
P
до
0,025
1,82
Mn
0,30,6
54,94
2(4)
7,4
Cr
0,60,9
52,01
3(6)
7,16
Cu
до 0,3
63,57
1(2)
8,93
Ni
2,753,15
58,69
2(3)
8,96
Fe
Ост.
55,85
2(3)
7,86
*При среднем содержании компонентов сплава концентрация железа в
сплаве составляет 95,7%.
3. Расчет электрохимического эквивалента
Электрохимическому воздействию не подвергаются такие компоненты
сплава,
как углерод,
сера, фосфор, кремний. Поэтому при расчете
электрохимического эквивалента по выражению (3) эти компоненты не
учитываем.
=
= 1,95·10-4 г/(А∙с) = 11,7∙10-3 г/(А∙мин).
Плотность сплава составляет 7,88 г/см 3 [3].
Объемный электрохимический эквивалент в соответствии с
выражением (2)
ЭV = 11,7∙10-3 /7,88 = 1,48∙10-3 см3/(А∙мин).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Расчет линейной скорости растворения
Выход по току для закаленной стали η = 0,96 (прил. П3).
Плотность тока определяется по выражению
где S - площадь обработки, см2.
,
где d - внутренний диаметр отверстия, мм; l - длина отверстия, мм.
Линейная скорость растворения в соответствии с выражением (15):
.
5. Расчет длительности процесса обработки
Поскольку линейная скорость растворения постоянна, то для определения
длительности процесса обработки пользуются выражением (8):
мин.
3.2. Определение длительности процесса калибрования
движущимся электродом-инструментом
Пример 16. Получить шестигранное отверстие методом калибрования
движущимся электродом-инструментом (рис.23).
Исходные данные:
- диаметр предварительно выполненного отверстия Ф = 10 мм;
- потенциостатический режим обработки (U – const), U = 12 В;
- обрабатываемый материал - сталь Р18;
- раствор электролита - 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС);
- межэлектродный зазор аα = 0,3 мм.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 23. Эскиз обрабатываемого изделия.
Последовательность решения:
1. Определяем диаметр описанной окружности получаемого отверстия
где R - радиус описанной окружности; S - размер «под ключ».
;
.
2. Определяем величину удаляемого припуска
где
- диаметр описанной окружности, мм;
- диаметр предварительно
выполненного отверстия, мм.
3. Воспользовавшись справочными данными, находим состав и свойства
компонентов сплава
Химический состав сплава Р18 и физико-химические свойства (атомная
масса, степень окисления и плотность) его компонентов представлены в
примере 2 темы 1.
4. Расчет электрохимического эквивалента
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Исходные данные для расчета электрохимического эквивалента данного
сплава представлены в примере 2 (тема 1):
ЭV = 12,06∙10-3 /8,8 = 1,37∙10-3 см3/(А∙мин).
5. Расчет линейной скорости растворения
Выход по току примем равным η = 0,5.
Удельная электропроводность данного раствора (табл. П4) составляет
16,06 Ом-1∙м-1;
Линейная скорость растворения в соответствии с выражением (7)
6. Расчет длительности процесса обработки
Исходными данными для расчета длительности обработки являются:
- линейная скорость растворения
;
- толщина заготовки А = 32 мм;
- величина удаляемого припуска z = 4,53 мм.
Воспользовавшись выражением (35), строим графическую зависимость
длительности обработки от конусности электрода-инструмента.
Рис. 24. Влияние угла наклона образующей конуса электродаинструмента на длительность электрохимического калибрования
Из графика (рис. 24) видно, что длительность обработки калиброванием
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
может быть существенно ниже, чем обработка прошиванием. Так при угле
наклона образующей конуса рабочей части электрода-инструмента равном 20о
длительность калибрования составляет 34 мин, то есть более чем в два раза
ниже, чем при прошивании.
7. Расчет скорости осевого перемещения электрода-инструмента
Скорость осевого перемещения инструмента при калибровании связана с
конусностью его рабочей части выражением
.
Тогда
.
3.3. Определение угла наклона образующей конуса
Пример 17. Выполнить калибрование отверстия (рис. 23) движущимся
электродом-инструментом. Определить угол образующей конуса рабочей части
инструмента.
Исходные данные:
- диаметр предварительно выполненного отверстия Ф = 10 мм;
- потенциостатический режим обработки (U - const) U = 12 В;
- обрабатываемый материал - сталь быстрорежущая Р18;
- раствор электролита - 30%-ный водный раствор NaNO3 (Т = 18оС);
- длительность обработки 50 мин;
- межэлектродный зазор, аα = 0,3 мм.
Последовательность решения:
1. Определяем диаметр описанной окружности получаемого отверстия
(см. пример 12)
.
2. Определяем величину удаляемого припуска (см. пример 15)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Воспользовавшись справочными данными, находим состав и свойства
компонентов сплава
Химический состав сплава Р18 и физико-химические свойства (атомная
масса, степень окисления и плотность) его компонентов представлены в
примере 2.
4. Расчет линейной скорости растворения (см. пример 16):
5. Расчет угла конусности электрода-инструмента
Первый способ. Угол наклона образующей конуса инструмента можно
найти, выполнив все расчеты по предыдущему примеру и воспользовавшись
графиком, представленным на рис.24. При длительности обработки равной 50
мин угол наклона образующей инструмента будет равен примерно 34о.
Второй способ.
Представим выражение (34) в виде
Поскольку
и
получаем выражение вида
.
После
соответствующих преобразований получаем
выражение
Решениями этого уравнения будут
окончательное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или
и
Действительным будет один корень
То есть угол наклона образующей конуса α
.
Библиографический список
1. Байсупов, И.А. Справочник молодого рабочего по электрохимической
обработке [Текст] / И.А. Байсупов, В.А. Волосатов. - М.: Высшая школа, 1990.
- 176 c.
2. Справочник по электрохимии [Текст] / под ред. А.М. Сухотина. - Л.:
Химия, 1981. - 488 с.
3. Справочник по электрофизическим и электрохимическим методам
обработки [Текст] / Г.Л. Амитан [и др.]; под общ. ред. В.А. Волосатова. - Л.:
Машиностроение, 1988. - 719 с.
4. Маслов, А.В. Электрохимические методы обработки материалов
[Текст]: методические рекомендации к выполнению расчетно-графического
задания /сост. А.В. Маслов. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2011. – 22 с.
5. Маслов, А.В. Методические указания к лабораторным работам по
дисиплине «Нетрадиционные методы обработки материалов» [Текст] / сост.
А.В. Маслов. - Липецк: ЛГТУ, 2005. - 25 с.
6. Колосков М.М. Марочник сталей и сплавов [Текст] / М.М. Колосков,
Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др.; под общ. ред. А.С. Зубченко. – М.:
Машиностроение, 2001. - 672 с.
7. Материал из Википедии – свободной энциклопедии. [Электронный
ресурс] Ru.wikipedia.org. 15/12/2013.
8. Маслов, А.В. Оценка возможности обработки полостей штампов и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пресс-форм электродом - инструментом простой геометрической формы
[Текст] / А.В. Маслов // Известия ОрелГТУ. Сер. Фундаментальные и
прикладные
проблемы
техники
и
технологии:
машиностроение
и
металлообработка. - 2009. - № 5/277(576). - с. 46-49.
Приложение
Таблица П1
Характеристика материалов (плотность, атомная масса,
валентность) [7]
Материал
Обозначение
γ, г/см3
А, г
n
Алюминий
(Al)
Ю (А*)
2,70
26,98
3
Ванадий
(V)
Ф
6,11
50,94
5
5
Вольфрам
(W)
В
19,25
183,84
6
2
Ж*
Железо
(Fe)
7,87
55,85
3
2
Кобальт
(Co)
К (K)*
8,90
58,93
3
Кадмий
(Cd)
Кд*
8,65
112,41
2
Магний
(Mg)
Мг*
1,74
24,31
2
2
Марганец
(Mn)
Г(Мц)*
7,21
54,94
4
1
Медь
(Cu)
Д (M*)
8,92
63,55
2
4
Молибден
(Mo)
М
10,22
95,94
6
2
Никель
(Ni)
Н
8,90
58,69
3
3
Ниобий
(Nb)
Б
8,57
92,91
5
2
О*
Олово
(Sn)
7,31
118,71
4
2
С*
Свинец
(Pb)
11,34
207,21
4
Тантал
(Ta)
16,65
108,95
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Титан
(Ti)
Т
4,54
47,87
Хром
(Cr)
Х
7,19
52,00
Цинк
Цирконий
(Zn)
(Zr)
Ц*
7,13
6,51
65,39
5
4
3
6
2
91,22
4
*Обозначение материала в цветных сплавах.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица П2
Плотности некоторых сталей и сплавов [1-3, 6, 7]
Сплав
γ, г/см3
Стали
Сталь 45
7,65
У10
7,81
Х18Н9Т
7,9
12Х18Н9Т
7,54
Х16Н6
7,8
2Х13
7,75
30Х10Г10
8,0
5ХНМ
7,8
12ХН3А
7,88
30ХГСА
7,85
30ХГСНА
7,77
38ХМЮА
7,71
ХМП14ВС
7,35
ШХ15
7,8
Хромоникелевые сплавы
ХН65ВМТЮ (ЭИ893)
8,8
ХН62ВМКЮ (ЭИ867) [3]
7,85
ХН70ВМТЮ (ЭИ617)
7,8
ХН70ВМТЮБ (ЭИ598)
7,8
ХН77ТЮР (ЭИ437Б)
7,85
Твердые сплавы
Т15К6
11,0
Т5К10
12,2
ВК8
14,35
Титановые сплавы
ВТ3-1
4,5
ОТ4
4,55
ВТ8
4,5
ВТ16
4,68
Цветные сплавы
ЦАМ 4-1
6,7
Д1
2,8
Д16Т
2,8
Л62
8,25
Бр06Ц6С3
8,6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица П3
Коэффициенты выхода металла по току при обработке различных
материалов в водных электролитах [1, 3]
Материал
Сталь 45
40Х (закал./ незакал.)
12ХГН3 (закал./ незакал.)
У10 (закал./незакал.)
12Х18Н9Т
Х18Н9Т
30Х10Г10
ШХ15 (закал.)
5ХНМ (закал./незакал.)
35ХГС (закаленная)
7Х3 (закал./незакал.)
3Х2В8 (закал./незакал.)
ХН70ВМТЮ (ЭИ617)
ХН62ВМКЮ (ЭИ867)
ХН65ВМТЮ (ЭИ893)
ХН55ВМТКЮ (ЭИ929)
ЭИ958 (закал./незакал.)
ЖС6КП
ХН65КМВЮТ (ЖС6К)
Медь М1
БрО6Ц6С3
Л62
АК4
АЛ4
АМц
ВД17
ЦАМ4
ВТ8
ВТ3-1
Коэффициент выхода металла по току, η
25% - NaCl
30% - NaNO3
15% - Na2 SO4
0,775
0,60
0,086
0,97/0,905
0,92/0,687
0,403/0,486
0,056/0,056
0,86/0,775
0,377/0,257
0,056/0,086
0,61
0,61
0,55
0,73
0,48
0,147
0,92
0,32
0,086
0,98/0,602
0,68/0,65
0,078/0,076
0,995/0,92
0,87/0,73
0,116/0,111
0,96/0,96
0,50/0,50
0,082/0,079
0,99/0,655
0,66/0,56
0,086/0,083
0,73
0,76
0,86
0,71
0,94
1,05
0,9
0,935
0,99/0,973
0,723/0,67
0,095/0,09
0,71
0,80
0,65
0,98
0,66
0,61
0,85
0,50
0,40
0,835
0,63
0,645
1,34
1,34
0,192
1,23
1,23
0,164
1,24
1,15
0,091
1,65
1,36
0,029
1,15
1,46
0,87
0,78
0,78
0,002
0,78
0,725
0,001
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица П4
Удельная электропроводность χ (Oм ∙м ) водных электролитов в
зависимости от концентрации компонентов при T=18 0 С [1, 3]
Концентрация компонентов, %
Электролит
5
10
15
20
30
40
NaOH
16,28 (4)
30,93
34,90
32,84
20,74
8,20
14,64
27,23
45,59
54,03
54,34
42,12
KOH
(4,2)
(8,4)
(16,8)
(25,2)
(29,4)
(42)
NaNO3
4,36
7,82
13,03
16,06
NH4NO3
5,90
11,17
28,41
36,33
16,25
KNO3
4,54
8,39
11,86
15,05
(22)
Na2SO4
4,09
6,87
8,86
(NH4)2SO4
5,52
10,10
17,79
22,92
21,35
NaCl
6,72
12,11
16,42
19,57
(25)
40,25
NH4Cl
9,18
17,76
25,86
33,65
(25)
28,10
KCl
6,90
13,59
20,20
26,77
(25)
KBr
4,65
9,28
19,07
29,23
35,07 (36)
В скобках указана температура, при которой приведены данные.
Таблица П5
-1
-1
Значения удельной электропроводности χ (Oм ∙м ) водных
электролитов в зависимости от их температуры и концентрации
компонентов [1, 3]
Концентрация компонентов, %
Электролит
T, оС
5
10
15
20
20
7,0
12,6
17,2
20,2
NaCl
30
8,6
15,4
20,9
24,9
40
10,1
18,1
24,5
29,1
20
4,5
8,1
11,2
13,5
NaNO3
30
5,5
9,95
13,7
16,5
40
6,5
11,5
16,0
19,3
20
4,6
7,3
8,8
Na2CO3
30
5,7
9,0
10,6
40
6,7
10,5
12,4
20
7,2
14,1
21,1
28,0
KCl
30
8,8
17,2
25,7
34,1
40
10,3
20,2
30,0
39,7
-1
-1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
54
Размер файла
1 733 Кб
Теги
руководство, решение, технология, электрохимической, практическая, материалы, задачи, 7365, обработка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа