Условия возникновения микровзрывов в зоне резания при интенсификации процесса импульсами электрического тока

УДК 621.9

B. Г. Шадский, д-р техн. наук, проф.,

C. В. Сальников, д-р техн. наук, проф.,

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МИКРОВЗРЫВОВ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Показано, что при интенсификации процесса импульсами электрического тока в дефектной области зоны резания в перемычках между микротрещинами возникают источники тепловой энергии высокой интенсивности.

Установлено что в определенных условиях они могут привести к взрывному испарению перемычек, которое приводит к увеличению площади поверхности исходной трещины и дает старт лавинообразному её росту, заканчивающемуся направленным разрушением материала в зоне резания.

Ключевые слова: интенсификации процесса, импульсы электрического тока, зона резания, микротрещины, направленное разрушение, взрывное испарение.

При определенных длительностях импульсов электрического тока, подводимых к зоне резания, стадия теплового разогрева перемычек между трещинами может перейти в режим микровзрывного испарения.

Для оценки влияния параметров импульсов на возможность достижения такого режима необходимо учитывать параметры источника электрической энергии [1].

В качестве источника, генерирующего импульсы электрического тока, выбрана типовая схема с накопителем энергии - конденсатором. Она позволяет формировать импульсы тока заданной энергии, определяемой энергией, накопленной в конденсаторе. Его схема показана на рис.1.

Рис. 1. Схема источника, генерирующего импульсы электрического

тока

Нагрузкой для него является зона резания, электрические характеристики которой определяются условиями упругопластического деформирования, тепловыми и электродинамическими процессами.

Уравнение электрической цепи разряда емкости на нелинейное сопротивление может быть представлено в следующем виде [2]:

LI + (Rb + Rd)I + RdI + (1/C )I = 0;

t^ O R/л

R = Roexp

0 CQ m

R ^t Pr

R0 = і =,

VbrS0[1 “V(°kp, brS0,Vp )]/sm Ф sm P

где Rд - сопротивление зоны резания, изменяющееся под действием внешних и внутренних факторов (сопротивление проводника в твердой фазе); Rb - постоянное сопротивление внешней цепи, включающее в себя сопротивление контакта инструмента и стружки Rbn; L - индуктивность токо-подводов источника энергии; C- емкость накопителя энергии (конденсатора); R0- начальное значение изменяющейся составляющей переменного сопротивления; tu - время существования перемычки в твердом состоянии; at - среднее значение теплового коэффициента сопротивления перемычки; Cq - среднее значение теплоемкости материала перемычки; m - масса материала перемычки.

Поскольку длительности предлагаемых интенсифицирующих импульсов меньше времени образования элемента стружки, принято допущение: в течение их действия условия упругопластического деформирования в зоне предразрушения не изменяются, то есть y(So,Vp,br) = const.

Электрический микровзрыв перемычек между микротрещинами возможен только в том случае, когда тепловая энергия, выделившаяся в

перемычке, больше энергии сублимации ее массы: Q0 > Qc, где

Qc = QycpVc- энергия сублимации объема материала перемычки; Qyc, р-

удельное значение энергии сублимации и плотность обрабатываемого материала; Vc - объем материала, подвергающегося взрывному испарению; Q0 - тепловая энергия, выделившаяся в перемычке.

tu О О

Q0 = kQ j 12

0

где kQ - коэффициент, учитывающий преобразование электрической энергии в тепловую на перемычке; <Xq - доля энергии конденсатора, идущая

на микровзрыв перемычки.

Для определения объема материала, подвергающегося микровзрывному испарению, предложена следующая зависимость:

Vc «

Получено решение системы уравнений (1)-(2) для следующих условий: обрабатываемый материал-3 ОХРА (Qyc « 0,71  104 Дж / г,

Cq = 0,52 -103 Дж/(кг -° К), E « 2,1 • 101H/м2, р = 8.3 • 103кг/мЪ,

9 2

a¿ = 1,2 • 10 H /м ); режимы резания: br = 2,5мм, S0 = 0,2мм/об,

Vp = 2,0м/c; момент времени соответствует y(So,Vp,br) = 0,85; электрические параметры: CU0/2 = 12Дж, L = 0,94 • 10_6Гн, С = 50,0 • 10_3Ф, U0 = 20B . Результаты представлены на рис. 2.

1Л

Рис. 2. Динамика изменения тока вразрядной электрической цепи

при микровзрыве перемычки

Амплитудное значение плотности тока в перемычке достигает 5 2

JA = 2,2 • 10 A / мм , что согласуется с известными данными по электрическому взрыву тонких проводников [3]. Из приведенной зависимости видно разрыву перемычки и фазе образования плазмы соответствует некоторая стабилизация тока. Причем амплитуды импульсов тока имеют практически

тот же порядок, что и для случая определяющего влияние электродинамических сил.

Используя ряд упрощений, обусловленных реальными параметрами электрической цепи, методом итераций можно получить приближенное выражение для времени существования перемычки в твердом состоянии между трещинами:

IT0 - Kх 3

РLln

* 2 ; РL л п ; Qc п ,

QcRf) C2 VC cq

где PL - волновое сопротивление цепи; Rт - сопротивление перемычки при температуре плавления (для стали 1п(Rт / Ro) = 8,5); Kx- поправочный коэффициент (Kт «1,5___2,1).

Микровзрыв играет роль инициализатора разрушения, то есть определяет начало одной или нескольких трещин благодаря увеличению критического их размера из-за удаления перемычки, после которого происходит их самопроизвольный рост, носящий лавинообразный характер.

Список литературы

1. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.

2. Старков В. К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 159 с.

3. Степанов Ю. С., Зайцев А. И. Вибрационное резание с электрическим подогревом // Современная электротехнология. Нетрадиционное применение электроэнергии. С. 425-431.

V. Shadsky, S. Salnikov

CONDITIONS OF OCCURRENCE OF MICROEXPLOSIONS IN THE CUTTING ZONE AT THE INTENSIFICATION OF PROCESS BY ELECTRIC CURRENT IMPULSES

It is shown that at an intensification of process sources of thermal energy of high intensity arise impulses electric that in defective area of a zone of cutting in crosspieces between microcracks. It is established that in certain conditions they can lead to explosive evaporation of crosspieces which at-drives to increase in the area of a surface of an initial crack and starts to its avalanche growth which is coming to an end with directed destruction of a material in a zone of cutting.

Key words: process intensifications, electric current impulses, a zone of cutting, a microcrack, the directed destruction, explosive evaporation.

Получено 12.12.10