Эффективность резания горных пород электроразрядным способом перемещающейся электродной системой

расходящегося сканирования фазового пространства. Этот алгоритм обеспечивает и наибольшее быстродействие перехвата объекта в пространстве

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бакут П.А., Троицкий И.Н., Демин А.А., Сафронов А.Н. Современное состояние фазовой проблемы в оптике // Зарубежная радиоэлектроника. —1978. —№ 11. —С. 3—40.

2. Устинов Н.Д., Матвеев И.Н., Протопопов В.В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. — М.: Наука, 1983. —272 с.

3. Слободян С.М. Диссекторные гетеродинные системы // Зарубежная радиоэлектроника. —1986. — № 6. — С. 62—72.

4. Пустынский И.Н., Слободян С.М. Диссекторные следящие системы. — М.: Радио и связь, 1984. —136 с.

5. Слободян С.М., Цупин А.А. Лазерные навигационные системы автономных транспортных средств // Зарубежная радиоэлектроника. - 1988. — № 6. - С. 13-20.

6. Слободян С.М. Предельная и контрастная чувствительности сканирующих оптических измерительных систем с обратной связью // Измерительная техника. Метрология. —2004. — № 5. — С. 12-22.

наблюдения. Для сканирования и анализа фазового

пространства наблюдения также могут быть использованы методы стохастической геометрии [12].

7. Слободян С.М. Следящий оптический фазометр // Известия Томского политехнического университета. — 2003. — Т. 306. — № 6. —С. 101-106.

8. Слободян С.М. Метод фазового слежения в гетеродинном интерферометре контроля перемещений // Измерительная техника. Метрология. —2004. — № 2. — С. 14-27.

9. Слободян С.М. Многомернокоординатный привод микроуправления // Известия Томского политехнического университета. —2003. —Т 306. — № 5. — С. 92-95.

10. Слободян М.С., Слободян С.М. Консольный пьезопривод // Датчики и системы. —2003. — № 3. — С. 47-48.

11. Леньков С.В. Приводы микроперемещений с актюаторами на основе магнитоупругого эффекта Видемана // Известия вузов. Приборостроение. —2004. — Т. 47. — № 2. — С. 49-52.

12. Федотов Н.Г. Анализ биологических микрообъектов с помощью методов стохастической геометрии // Измерительная техника. — 2004. — № 4. — С. 62—64.

УДК 622.243.94

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫМ СПОСОБОМ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМОЙ

В.Ф. Важов, М.Ю. Журков, В.М. Муратов*

Томский политехнический университет E-mail: zhurkov@hvd.tpu.ru *ГНУ "НИИ высоких напряжений" при ТПУ

Рассматривается электроразрядный способ резания горных пород перемещающейся электродной системой. Получены зависимости ширины щели разреза как от энергии в разряде, так и от скорости перемещения электродной системы. Показана возможность снижения энергии, запасаемой накопителем энергии в 10...16 раз. Проведено сравнение полученных результатов с литературными данными.

В настоящее время существует множество различных способов резания материалов. Среди них механические, термические, гидродинамические, химические и др. В НИИ высоких напряжений при ТПУ и на кафедре ТЭВН ТПУ разрабатывается принципиально новый способ резания — электроразрядный. Электроразрядный способ резания диэлектрических и полупроводящих материалов основан на внедрении канала пробоя в твердое тело при расположении электродов на одной его поверхности в среде диэлектрической жидкости и даже воды. Длительность воздействия импульса напряжения до пробоя — не более ед. мкс. При пробое происходит микроэлектровзрыв в твердом теле с образованием откольной воронки. Разрушение твердого тела осуществляется за счет суммарного действия напряжений, создаваемых вокруг канала электрического пробоя вследствие высокого давления, развиваемо-

го в нем, и напряжений, возникающих в среде при распространении ударных и акустических волн. Инструментом, разрушающим твердое тело, является расширяющаяся плазма канала пробоя. Поэтому износ электродов, изготовленных из обычных сталей, чрезвычайно мал и составляет 15,3-10-6 г/имп.

Различными авторами [1, 2] были проведены исследования, показавшие принципиальную возможность электроразрядного резания горных пород и диэлектрических материалов. Эти исследования выявивили ряд недостатков: а) необходимы большие энергии для проведения единичного акта разрушения, и, как следствие, мощные крупногабаритные генераторы импульсных напряжений (ГИН); б) изоляция электроимпульсных режущих устройств малонадежна; в) имеет место значительное снижение амплитуды напряжения при резании в воде из-за несовершенств предлагаемых многоэ-

лектродных систем. Из рис. 1, а, б видно, что толщина изоляции между разнополярными электродами определяется межэлектродным расстоянием. При напряжении, равном пробивному напряжению горной породы изоляция быстро выходит из строя за счет интенсивного старения и кумулятивного эффекта. Кроме этого, гидроудары и абразивное воздействие шлама механически разрушают изоляцию. Для уменьшения влияния этих явлений была предложена идея двухстержневого электродного рабочего инструмента (резака) с непрерывным его перемещением вдоль траектории реза. Фотография электродной системы, используемой нами, показана на рис. 2. Как видно из рис. 2, у предлагаемой электродной системы отсутствуют недостатки, характерные для многоэлектродных систем (рис. 1).

Использование идеи непрерывно перемещающейся электродной системы для прорезания длинных щелей привело к необходимости проведения целого комплекса исследований ввиду отсутствия подобных результатов в литературе. Априори анализ процесса резания при непрерывно перемещающейся по траектории реза электродной системе показал, что существует возможность значительного снижения энергии, запасаемой ГИН, и, как следствие, соответственного уменьшения его массогабаритных характеристик. В связи с высказанными предположениями были проведены исследования процесса электрораз-рядного разрушения горных пород под слоем воды при значительном снижении энергии в разряде и непрерывно перемещающейся электродной системе.

а) б)

Рис. 1. Фотографии многоэлектродных стержневых резаков: а) исходный, б) подобный, с разрушенной изоляцией

Рис. 2. Фотография двухстержневого резака и разрезанного им образца песчаника

Процесс резания характеризуется такими параметрами, как производительность, энергозатраты, шероховатость и ширина получаемой щели, количество отходов при резании. Ранее нами было показано, что производительность и энергозатраты при электроразрядном способе резания зависят от энергии генератора в разряде, от количества импульсов на единицу вновь образуемой поверхности, от величины межэлектродного промежутка, от крепости обрабатываемого материала [2, 3]. От этих же параметров зависит и ширина прорезаемой щели. Ширина щели определяет расход энергии на ее образование, потери обрабатываемого материала, скорость резания и др.

Ширина щели в первую очередь определяется глубиной внедряющегося канала разряда. Максимальная глубина внедрения канала разряда в дно и стенки щели к зависит от межэлектродного расстояния и для рассматриваемых нами расстояний S = 20...28 мм может быть аппроксимирована выражением

к < (0,25...0,3)£, мм.

Тогда ширина щели Ь для неподвижных электродов должна быть

Ь > 2к + й = (0,5...0,6)£ + й, мм где й — толщина (диаметр) электродов.

Ширина щели зависит также от энергии, запасаемой высоковольтным генератором (ГИН) Жгин, и количества импульсов. В проведенных нами экспериментах по резанию гранита и песчаника в воде энергия, запасенная ГИН, изменялась от 28 до 125 Дж, что в 10...16 раз меньше, чем рекомендуется в [1]. На рис. 3 приведена осциллограмма импульса напряжения, где длительность фронта импульса тф«0,15 мкс, длительность импульса ти«14 мкс. Пробой осуществлялся на фронте импульса (песчаник) или его амплитуде (гранит).

Рис. 3. Осциллограмма импульса напряжения ГИН на холостом ходу, амплитуда импульса 240 кВ

Геометрические размеры образцов (гранит, песчаник ...) в среднем составляли 400x300x200 мм. Нами получены зависимости изменения ширины щели от энергии, запасаемой ГИН, при одном и том же шаге перемещения и от шага перемещения электродной системы при одной и той же энергии, запа-

саемой ГИН (рис. 4). Расстояние между электродами резака для песчаника составляло £ = 28 мм и 23 мм для гранита. Как видно из графиков, ширина щели с увеличением шага перемещения электродной системы уменьшается (кривая 2). Это очевидно, т.к. при этом уменьшается число импульсов, которые воздействуют на горную породу на длине межэ-лектродного промежутка, и, следовательно, объем горной породы, откалываемый от стенок щели, уменьшается. При увеличении энергии генератора ширина щели увеличивается (кривая 1), т.к. увеличивается производительность единичного импульса вследствие увеличения длины образующихся трещин и зоны разрушения вокруг канала разряда [1], т.е. ширина щели определяется не только глубиной внедрения канала разряда, но и пластичностью разрушаемого материала, и при одинаковых £ ширина щели для гранита будет больше, чем для песчаника вследствие большей хрупкости гранита.

При выборе оптимального режима резания с точки зрения эффективности можно исходить из различных критериев - производительность, энергозатраты, геометрические параметры получаемой щели, первичные капиталовложения и др.

Увеличение энергии в разряде вызывает повышение производительности разрушения единичного импульса, и, как следствие, ширины щели, а также значительное возрастание массогабаритных параметров всего высоковольтного оборудования и, в первую очередь, генератора импульсов. Переход на режим резания с повышенной частотой срабатывания для подобных ГИН приводит к ряду негативных последствий (срок службы уменьшается, затруднительно создание длительно работающих разрядников на большие токи, высокие энергозатраты, экологические проблемы и ряд других). Поэтому необходимо стараться минимизировать энергию генератора в разряде.

0 1 2 3 4 т, мм/имп

Рис. 4. Зависимость ширины щели от энергии, запасаемой ГИН, и шага перемещения для гранита и песчаника: 1) Ь = f

Наши исследования показали, что при оптимизации процесса резания по минимуму энергозатрат для всех исследуемых материалов наблюдается оптимум энергии, затраченной на длине межэлектродного промежутка (МЭП) ЩЦЩ, при котором удельные энергозатраты минимальны Щдш. Так, для перемеща-

ющихся электродов при S = 20 мм оптимальное значение энергии, затраченной на длине межэлектрод-ного промежутка для песчаника Щ@П ~ 190 Дж; для гранита - WS ~ 900 Дж [4]. При этом значения Щдш при перемещении электродов в 1,4 раза больше, чем при неподвижных электродах. Увеличение удельных энергозатрат при перемещении электродов, главным образом, связано с уменьшением глубины разрушения прорезаемой щели при равном числе импульсов. Шаг перемещения электродной системы определяется из выражения

т = S/(WU3n/WmH).

Для достижения минимума ширины щели необходимо максимально снизить энергию ГИН в разряде. Пусть WrilH = 30 Дж, тогда шаг перемещения электродов должен быть 3,16 мм/имп. - для песчаника, а для гранита - 0,67 мм/имп.

При таком шаге перемещения т ширина щели b оказывается больше минимально возможной (рис. 4).

Для достижения минимума ширины получаемой щели шаг перемещения электродной системы за один импульс необходимо увеличивать. Так, исходя из рис. 4, максимальный шаг перемещения составляет 4,2 мм/имп. для песчаника и гранита. Дальнейшее увеличение шага приводит к большой шероховатости стенок щели и затруднениям при перемещении электродной системы.

При заданном шаге т = 4,2 мм/имп. число импульсов на промежуток S составит

n = S/m = 20/4,2 « 5 имп., а энергия на межэлектродный промежуток при запасаемой генератором энергии WmH = 30 Дж составит

WM3n = n'WTEH = 5'30 = 150 Дж.

С точки зрения минимума энергозатрат при выбранном шаге перемещения электродной системы энергозатраты будут больше оптимальных, но при этом получаются минимальные ширина щели и расход обрабатываемого материала.

Сравнение результатов, полученных нами, с уже известными результатами по резанию горных пород многоэлектродными резаками показало, что удельные энергозатраты при одинаковой длине разрядных промежутков для двухстержневой электродной системы значительно (в 4,7...5,7 раза) меньше. При этом снижение энергии в разряде составило 10...16 раз. Лучшие показатели резания двухэлектродной системой резания обусловлены уменьшением ширины щели в 2,5...2,7 раза, отсутствием "зависаний" электродной системы на стенках щелей, увеличением вероятности внедрения канала разряда в горную породу, а также значительным уменьшением потерь энергии в предпробивной стадии, особенно в воде, что определяется конструктивными особенностями двух- и многоэлектродных систем.

Из рассмотренного выше следует, что оптимизация процесса резания - это задача, которая зависит от множества различных факторов. Необходимо рассчитывать различные режимы резания и из сравнительного анализа выбирать наиболее подходящий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульс-ного разрушения материалов. — СПб.: Наука, 1993. — 276 с.

2. Важов В.Ф., Журков М.Ю. Оптимизация энергии в разряде при резании горных пород электроимпульсным способом // Современные техника и технологии: Труды XI Междунар. на-учно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск, 2003. —С. 92-93.

3. Jgun D., Jurkov M., Lopatin V., Muratov V., Vajov V., Gubsch I., Kunze G., Neubert M.. Application of pulsed discharges for materi-

als cutting // Digest of Paper of 1st European Pulsed Power Symposium. 22—24 October, 2002. — French-German Research Institute of Saint-Louis (ISL), France. — P. 22/1—22/4.

4. Важов В.Ф., Журков М.Ю., Муратов В.М. Резание горных пород электрическими импульсными разрядами подвижной электродной системой в воде // Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение: Труды V Междунар. конф., МКЭЭЭ-2003 (ICEEE-2003). — М.: ИЭ МЭИ, 2003. —

Ч. II. —С. 122-125.

УДК 621.785:669.14.08.29

МОДИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО СПЛАВА ЭЛЕКТРОННО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ ЕГО ПОВЕРХНОСТИ

В.Е. Овчаренко, С.Г. Псахье, О.В. Лапшин, Е.Г. Колобова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. г. Томск E-mail: ove45@mail.ru

Экспериментально исследовано влияние электронного облучения в импульсном режиме поверхности инструментальной металлокерамики на основе карбида титана с никель-хромовой связкой на микроструктуру ее поверхности и приповерхностного слоя, а также на стойкость металлокерамики при резании металла. Экспериментально исследована микроструктура приповерхностного слоя после прошедших в нем структурных превращений. Проведен анализ этих превращений под влиянием электронного облучения как высокоэнергетического воздействия на композиционный материал дисперсного строения с металлической связкой. Показано, что в основе превращений лежат закономерности взаимодействия расплава металлической связки с частицами карбида в условиях высокоскоростного нагрева и охлаждения.

Введение

Высокоэнергетические лазерная и электроннолучевая импульсные обработки являются эффективным способом модифицирования структуры приповерхностного слоя изделий из различных материалов (стали [1, 2], твердых сплавов [3], напыленных покрытий [4]) с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Сверхвысокие скорости нагрева (до 106 град/с) тонкого приповерхностного слоя материала (10- мм для лазерного и 10Л..10-3 мм для электронного пучков) до закрити-ческих температур и формирование предельных градиентов температуры (до 107...108 град/м), обеспечивающих охлаждение приповерхностного слоя за счет теплоотвода в основной объем материала со скоростью 104...109 град/с, определяют необходимые условия образования в приповерхностном слое неравновесных структурно-фазовых состояний. Последние характеризуются более высокими значениями плотности и дисперсности внутренней структуры по сравнению с исходным состоянием материала, значительным градиентом концентраций легирующих элементов в приповерхностном слое материала и т.п. Наиболее яркий эффект от такой обработки проявляется на порошковых (спеченных) материалах и на порошковых покрытиях, которые характеризуются общими особенностями - остаточной пористостью (от 0,1 до нескольких %), достаточно большим разбросом в дисперсности элементов внутренней структуры, неравно-

осностью формы отдельных компонентов порошковой композиции, неравномерностью распределения разнородных компонентов в объеме материала и т.п. Для металлокерамических сплавов инструментального назначения, работающих в режиме резания (твердые сплавы) или в режиме высокоскоростного трения (износостойкие материалы и покрытия) указанные дефекты строения являются концентраторами напряжения, инициирующими преждевременное разрушение рабочей кромки режущего инструмента или поверхности трения. Поэтому достижение неравновесных структурно-фазовых состояний в приповерхностном слое порошкового материала, при его высокоэнергетической обработке, должно позволить повысить его эксплуатационные характеристики.

Как при лазерной, так и при электронной обработке поверхности формирование неравновесных структурно-фазовых состояний в приповерхностном слое материалов во многом обусловлено импульсным характером высокоэнергетического воздействия в микросекундном диапазоне. При этом электроннолучевая технология, обладая большими возможностями более точного контроля количества подводимой энергии, отличается и большей локальностью распределения энергии в приповерхностном слое обрабатываемого материала.

В настоящей работе приведены результаты исследования влияния импульсного облучения электронным пучком поверхности металлокерамическо-