Проектирование технологических процессов комбинированной обработки в реологических жидкостях

УДК 621. 9. 047

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ В РЕОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ

В.П. Смоленцев, А.А. Козлов, Н.В. Пишкова

Рассмотрен новый процесс электрохимической, эрозионной и комбинированной размерной обработки в реологических ферромагнитных средах, обладающих переменной проводимостью с возможностью изменения свойств при воздействии на нее внешнего магнитного поля

Ключевые слова: комбинированный технологический процесс; проектирование; реологические ферромагнитные жидкости

Введение

При электрических методах обработки в жидких рабочих средах приходится ограничивать их выбор с учетом получения высоких технологических показателей (что не всегда возможно), стоимости и доступности,

экологической безопасности. О свойствах реологических ферромагнитных жидкостей было известно многое [1], однако высокая стоимость такой среды (на порядки выше по сравнению с традиционными жидкостями) ограничивала интерес к изучению возможностей реологических сред при использовании их в электрохимической, а, позднее, и в электроэрозионной, комбинированной обработке.

Свойства магнитных жидкостей

По [1] магнитные жидкости являются двухфазными коллоидными системами твердых частиц ферромагнетиков в жидкой основе. Для улучшения стойкости этих сред в них добавляют поверхностно-активные вещества.

На частицу в жидкости действуют гравитационные силы, вызывающие ее выпадение в осадок. Чем мельче частицы, тем дольше магнитная жидкость не агрегатируется и сохраняет свои реологические качества.

Для того, чтобы среда не теряла работоспособность, нужно обеспечить стабильное положение частиц за счет теплового движения [1], т. е. должен выполнятся критерий устойчивости, учитывающий действие внешних магнитных сил.

т0 тН < кТ,

где т - магнитная проницаемость вакуума;

т - магнитный момент частицы; Н - напряженность магнитного поля; к - постоянная Больцмана; Т -температура среды (кТ - энергия теплового движения частиц).

При введении поверхностно-активных сред создается отталкивание сформировавшихся оболочек и расклинивание жидкости между

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д- р техн. наук, профессор, тел. 8 903 655 99 70

Козлов Андрей Александрович - ВГТУ, аспирант, тел.

8 904 218 85 44

Пишкова Наталья Владимировна - ВГТУ, аспирант, тел.

8 951 565 22 69

частицами. Из (1) следует, что с ростом диаметра частиц энергия их взаимодействия (левая часть формулы) возрастает, а с увеличением толщины слоя поверхностно-активного покрытия - снижается (рис. 1). При этом уменьшается проводимость

частиц и они приобретают свойства диэлектриков, что ухудшает их использование при комбинированной и, особенно, при

электрохимической обработке.

кт/и

Рис. 1. Изменение энергии теплового движения (кТ) относительно энергии взаимодействия частиц (и).

Толщина слоя поверхностно-активного вещества в % к диаметру частиц: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 40; 4 - 80; напряженность поля Н = 480 кА/м

Анализ рисунка 1 показывает, что диаметр частиц желательно иметь от 6 до 20 нм, хотя в [1] указывается на возможность ограниченного по времени использования жидкостей с частицами до 100 и более нм. Объемная концентрация частиц в жидкости без магнитного поля рекомендуется до 20%, а в магнитном поле с напряженностью 20 - 75 кА/м концентрация достигает 65 - 70%, после чего жидкость может потерять текучесть.

Сила (/т), возникающая в магнитном поле и перемещающая частицу, составляет:

/т =т • тАН ,

где АН - градиент напряженности магнитного поля при высоте (Ь) слоя магнитной жидкости. Проводимость магнитной жидкости (х) без

поверхностно активных веществ

Х = Х + Х2,

где х1 - проводимость основы (в нашем случае чаще всего воды); %2 - проводимость частиц (или их агрегатов).

Проводимость частиц

1

С = Хт •—

Кг

где Х1 ср - средняя проводимость основы;

Кг - коэффициент, учитывающий геометрию частиц и пространства между ними. По [1] при концентрации исходной жидкости более 10%

Кг =

где Су - объемная доля частиц; Кф -коэффициент, учитывающий форму частиц. Для сферических частиц Кф=1,5.

Если магнитное поле создается электромагнитами, то ток, подаваемый на них, составляет от 0,1 до 3 А при напряжении 8 - 12 В.

Область применения магнитных жидкостей в электрических методах обработки

Магнитные реологические жидкости могут применяться как проводники, диэлектрики и среды с ограниченной проводимостью. Введение частиц (например, магнетита) в диэлектрик делает их проводниками, что при комбинированной эрозионнохимической обработке дает возможность управлять перераспределением воздействий на объект обработки с помощью магнитного поля.

На рис. 2 приведено изменение без наложения магнитного поля проводимости жидкости, изготовленной на основе диэлектрика - керосина.

Рис. 2. Удельная проводимость магнитной жидкости на базе керосина от концентрации частиц

Анализ рис. 2 показывает, что

электропроводность жидкости возрастает по мере увеличения концентрации частиц (до 15% на рис. 2), далее она снижается по зависимости, близкой к линейной. Рост электропроводности объясняется

снижением расстояний между соседними токопроводящими частицами, а уменьшение -ограничением их подвижности. Для сравнения -проводимость водных электролитов на базе нейтральных солей при нормальной температуре и концентрации 10% составляет 8 - 12 Ом-1м-1, т.е. входит в область изменения такого же показателя для реологической жидкости. Наложение

магнитного поля способствует формированию каналов проводимости вдоль силовых линий и агрегатированию частиц, поэтому проводимость рабочей среды возрастает.

Приведенный на рис. 2 характер изменения проводимости открывает возможность применять новый принцип управления съемом при электрохимической размерной обработке путем регулирования величины проводимости в переменном магнитном поле, позволяющем уменьшить рассеивание тока на границах формируемых поверхностей и таким образом повысить точность обработки. Изменение

проводимости за счет управляемого перемещения в магнитном поле токопроводящих частиц способно интенсифицировать процесс размерной обработки и регулировать скорость анодного растворения пропорционально припуску, что приводит к

увеличению производительности, точности,

экономии энергии ввиду сокращения ее дополнительного потребления на участках

поверхности с меньшим припуском. Ранее это достигалось путем сложной, трудоемкой и слабоуправляемой доводки рабочего профиля

электрода или использованием секционных

инструментов, не обеспечивающих требуемой точности изготовления детали.

На рис. 3 показано изменение напряженности (е) электрического поля (кВ/мм), вызывающего пробой жидкой диэлектрической среды в зависимости от концентрации частиц (С„).

Рис. 3. Напряженность пробоя межэлектродного зазора (кВ/мм) в зависимости от концентрации ферромагнитных частиц в диэлектрической жидкости.

1 - внешнее магнитное поле отсутствует; 2 -напряженность магнитного поля 500 кА/м

Снижение напряженности электрического поля по мере возрастания Су (рис. 3) объясняется стеканием разрядов через токопроводящие частицы и увеличением проводимости (рис. 2) жидкости.

Наложение магнитного поля (кривая 2 на рис. 3) снижает электрическую прочность среды (кривая 1). Это позволяет применять реологическую жидкость при электроэрозионной обработке, когда импульсы короткие и магнитное поле не оказывает

значительного воздействия на напряженность электрического поля. Наложение магнитного поля при комбинированной электрохимической обработке (особенно импульсным током) позволяет достичь хорошего сочетания локализации процесса и возрастания его интенсивности на участках с повышенным припуском.

В [1] установлено, что добавка в

реологическую жидкость поверхностно активных

веществ снижает ее проводимость, что можно использовать для создания рабочих сред для комбинированной обработки. Кроме того, управлять процессами электрических методов обработки можно, изменяя частоту рабочего тока. В [1] указывается, что проводимость жидкости

монотонно снижается с ростом частоты импульсов. Это дает основания для создания способа комбинированной обработки, где доля съема припуска за счет эрозии и анодного растворения может регулироваться частотой тока, подаваемого в зону обработки.

Нанесение информации с применением магнитной жидкости Представляет интерес применение магнитной жидкости при нанесении информации на металлические детали и диэлектрические покрытия без их зачистки в месте образования знаков [2].

Получение на немагнитных металлах информационных массивов путем концентрации частиц в зоне магнитного воздействия [2] дает возможность выполнить выпуклые знаки без повреждения детали. Если материал заготовки имеет магнитные свойства, то можно нанести информацию на покрытие.

Маркирование тонких (до 0,2 - 0,3 мм) диэлектрических упругих покрытий возможно путем их прошивки реологической жидкостью под давлением до 40 МПа и последующей концентрацией частиц вдоль силовых линий магнитного поля по контуру знаков. В качестве источников магнитного поля могут использоваться постоянные или электрические магниты с напряженностью до 500 кА/м.

При большой толщине диэлектрических упругих покрытий требуется их прошивка колющим средством (например, металлической иглой, заточенной по способу [3]), позволяющей не повреждать наружный слой, который после удаления иглы полностью смыкается. Знак в этом случае формируется локальным внешним магнитным полем, перемещающим частицы до получения агрегатов по их контуру.

Проектирование технологического процесса обработки в магнитной жидкости Алгоритм проектирования технологического процесса проведен на рис. 4. В исходных данных требуется указать сведения о заготовке, детали

(погрешность, качество поверхностного слоя, производительность); характеристики

реологических жидкостей, имеются ли они в наличии или требуется их создать, приобрести; технологические показатели электрических методов обработки при работе с реологическими жидкостями. Для технико-экономического анализа необходимо получить информацию о размере партии обрабатываемых деталей; повторяемости выпуска деталей; наличии средств технологического оснащения; требуемой квалификации кадров. В частном случае (например, при нанесении информации на изделия с упругим покрытием) в исходных данных должны быть сведения о покрытии (вид, свойства, толщина), его свойствах, параметрах информационных знаков.

На подготовительном этапе построения техпроцесса выбирают предпочтительный метод обработки и проводят технико-экономическое обоснование целесообразности его применения (как правило сравнивают с традиционным методом, если он осуществим для рассматриваемого случая). При положительном результате обоснования проводят отработку технологичности детали (оценка доступности для подвода инструмента к месту обработки, возможность выполнения операции в сборке и др.). Для случая маркирования деталей с упругим покрытием обосновывают условия и место нанесения информации (можно ли частично нарушить покрытие; куда наносить знаки: на деталь или покрытие; можно ли маркировать изделие в сборке и др.). Следует обосновать способы (или способ) подачи реологической жидкости в зону обработки.

Далее выполняется выбор и получение средств технологического оснащения (оборудование, приспособления, инструмент). Для выбранного оборудования выполняют (или используют готовую) программу изготовления детали на станке, где учитывают расчетные технологические режимы (давление реологической жидкости, напряжение на электродах, напряженность магнитного поля и вид магнитов).

После настройки и отладки оборудования (алгоритм на рис. 4) выполняют первую деталь из партии и контролируют ее на соответствие требованиям чертежа. Если недопустимые отклонения отсутствуют, то выполняют операции для всей партии изделий и завершают

технологический процесс оформлением и передачей информации в места долговременного хранения.

Выводы

1. Технологический процесс любого из

электрических методов обработки в реологической жидкости ранее не изучался, поэтому требуется информация об особенностях изготовления деталей в новой рабочей среде, имеющей весомые преимущества по сравнению с традиционно

применяемыми жидкостями.

2. Рассмотрен пример использования

электрохимической размерной обработки при

нанесении информации на детали с упругим

Сведения об объекте обработки;

технические условия по

обработке;

сведения о

реологической

жидкости;

количество деталей в партии.

Да

Отработка на технологичность

Рис. 4. Алгоритм проектирования технологического процесса обработки в реологической жидкости

Рис. 4. Алгоритм проектирования технологического процесса обработки в реологической жидкости

покрытием без его разрушения, что ранее считалось не осуществимым.

3. Обоснована возможность применения реологической жидкости при электроэрозионной, электрохимической и комбинированной обработке.

При этом предложен новый метод управления процессом за счет изменения параметров магнитного поля, воздействующего на магнитную реологическую жидкость.

Литература

1. Магнитные жидкости в машиностроении / Под ред. Д.В. Орлова, В.В. Подгоркова. М: Машиностроение,

1993 - 272 с.

Воронежский государственный технический университет

2. Пат. 2229966 Российская Федерация, МПК В23

Н9/06. Электрод-инструмент для электрохимического маркирования и способ его изготовления / Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П., Левин А.В., Рабу Р.Х.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. № 2002120017; заявл.

22.07.2002; опубл. 20.02.2004, Бюл. № 6. 4 с.

3. Пат. 2237569 Российская Федерация, МПК7 В 24 В3/60. Способ заточки пустотелых колющих медицинских инструментов / Некрасов А.Н., Смоленцев В.П., Бондарь А.В., Агеев В.В., Авдюгин В.Г., Некрасов В.Ю.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Воронежский механический завод». № 2003112745/02; заявл. 29.04.2003; опубл. 10.10.2004, Бол. 5. № 4 с.

PROJECTING OF ENGINEERING PROCEDURES OF COMBINED TREATMENT IN

RHEOLOGICAL FLUIDS

V.P. Smolentsev, A.A. Kozlov, N.V. Pishkova

The article covers new process of electrochemical, erosion and combined dimensional treatment in rheological ferromagnetic mediums, which have alternate conductivity with ability to change characteristics during external magnetic field impact

Key words: combined engineering procedures; projecting; rheological ferromagnetic mediums