Применение плазменного канала оптического пробоя в качестве катода в электроэрозионной обработке

УДК 621.9.044

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ В КАЧЕСТВЕ КАТОДА В ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКЕ

Д.В. Козырь

В статье описаны экспериментальные исследования электроэрозионной обработки с использованием плазменных каналов, полученных с помощью оптического пробоя воздуха лазерным излучением. Описана схема лабораторной установки. Приведены параметры обработанных образцов.

Ключевые слова: импульсный плазменный канал, электроэрозионная обработка плазменный катод-инструмент.

Электрофизические и электрохимические методы обработки в классическом представлении имеют ряд недостатков, обусловленных необходимостью уменьшения межэлектродных зазоров, наличием определенного предела по электрической нагрузке, ограничениями, накладываемыми на электрод-инструмент в связи с его механическими свойствами. Используя в качестве инструмента нетвердотельный проводник, обладающий основными свойствами классического электрода-инструмента для электрофизико-химической обработки, можно исключить негативные последствия от воздействия на инструмент различных факторов, сопутствующих процессу обработки.

Одним из способов получения нетвердотельного проводника для использования его в электрофизических и электрохимических методах обработке является способ, основанный на получении импульсного плазменного канала вследствие оптического пробоя различных сред лазерным излучением.

Как известно при превышении определенного порога интенсивности лазерного излучения в среде происходит оптический пробой и на фокальном отрезке аксикона или в перетяжке каустики сферической линзы образуется протяженный плазменный канал. На начальном этапе канал имеет размеры лазерного луча с протяженностью порядка длины фокального отрезка аксикона или перетяжки каустики сферической линзы. В условиях устойчивого пробоя плазменный канал становится сплошным за наносекунды. Импульсные плазменные каналы обладают значительной проводимостью в начальный период времени. Токопроводящий канал образуется практически мгновенно за время, меньшее длительности лазерного импульса. При этом в соответствии с направлением приложенного электрического поля ток может протекать как вдоль, так и поперек плазменного канала. На начальной стадии протекания тока удельная электропроводность может достигать величин порядка 106 (Ом*м)-1 [1]. Это величина сравнима с удельной электропроводностью графита [2]. Таким образом,

плазменный канал является нетвердотельным проводником который позволяет подводить электроэнергию в область обработки минуя твердотельные электроды

Ввиду того, что формирование плазменных каналов сопровождается наличием ряда физических явлений, в зоне обработки имеют место различные виды энергетических воздействий. Поэтому обработка с использованием протяженных плазменных каналов представляет собой электрофизикохимический процесс с применением плазменных катодов-инструментов.

В зависимости от электрических параметров и технологических схем обработки, воздействие на обрабатываемый материал может осуществляться следующим образом:

1. Анодное растворение материала заготовки;

2. Комбинированный электрохимическо-электроэрозионный процесс;

3. Электроэрозионный механизм удаления материала.

В работе приведены экспериментальные исследования электроэро-зионной обработки материалов.

Экспериментальная установка. Для проведения исследований была создана экспериментальная установка (рис. 1).

3_ 2 1_ і 5 7_ 6_

Рис. 1. Схема установки для электроэрозионной обработки с применением импульсного плазменного канала:

1 - излучатель; 2 - источник питания лазера; 3 - пульт управления лазером; 4- оптическая система; 5 - электроэрозионная ячейка;

6 - координатный стол; 7 - подъемное устройство; 8 - контроллер координатного стола; 9 - управляющий компьютер координатного стола; 10 - измерительный компьютер; 11 - источник питания

Для формирования плазменного канала использовался импульсный Кё:УЛО лазер, состоящий из излучателя 1, источника питания лазера 2 и пульта управления 3. Лазер позволяет производить генерацию лазерного излучения с длиной волны X = 1064 нм, длительностью импульса т = 9 нс, энергией импульса Е = 1,5 Дж, частотой следования импульсов / = 10 Гц.

Фокусировка лазерного излучения производилась оптической системой 4, состоящей из сферической линзы с фокусом 118 мм. Импульсный плазменный канал формировался в электроэрозионной ячейке 5, установленной на координатном столе 6 с подъемным устройством 7.

В процессе обработки электроэрозионная ячейка перемещалась с помощью координатного стола 6, управление которым осуществлялось с управляющего компьютера 9 через контроллер 8. Наличие импульсного тока в процессе обработки фиксировалось с помощью измерительного компьютера 10, работающего на основе АЦП.

Источник питания представляет собой ЯС - генератор, состоящий из конденсатора емкостью 50 мкФ и предельным напряжением 1000 В, который заряжается от мощного трансформатора с передаточным отношением по напряжению 10 и предельным напряжением вторичной обмотки 2200 В. Регулировать величину напряжения первичной обмотки трансформатора позволяет лабораторный автотрансформатор, включенный между сетью 220В и трансформатором.

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены образцы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титанового сплава ВТ-14 и алюминиевого сплава АК4, представляющие собой пластины квадратного сечения, толщиной 3 мм. Для достижения необходимой величины шероховатости поверхности и удаления измененного слоя после предыдущего вида обработки, образцы шлифовались наждачной бумагой, с постепенным уменьшением размера абразивных частиц. Затем образцы подвергались очистке и обезжириванию.

Результаты и обсуждение. На рисунке 2 представлены фотографии образцов после обработки с использованием плазменного электрода-инструмента. Из анализа фотографий можно сделать вывод о электроэро-зионном характере удаления материала образца. Причем, видны различия в морфологии поверхности и размерах полученных пазов для разных материалов. Форма полученного паза повторяет форму плазменного электрода-инструмента. Однако ширина паза возрастает при обработке металлов с более высокой электроэрозионной обрабатываемостью.

Наиболее ярко выраженные электроэрозионные лунки наблюдаются на титановом сплаве ВТ-14. Предположительно, это связано теплофизическими свойствами титана, в частности с высокой температурой плавления. Из-за чего расславленный металл не растекается по поверхности образца, как это происходит на поверхностях образцов из стали 12Х18Н10Т и алюминиевого сплав АК4 [5].

в

Рис. 2. Фотографии образцов после обработки: а - алюминиевый сплав АК4; б - сталь 12Х18Н10Т; в - титановый сплав ВТ-14

Величина микротвердости поверхностей образцов до и после обработки и величина шероховатости обработанных поверхностей образцов приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1.

Величина микротвердости поверхностей образцов____________

Материал образца Микротвердость до обработки Ну, МПа Микротвердость после обработки Ну, МПа

Алюминиевый сплав АК4 267,78 307,54

Сталь 12Х18Н10Т 379,20 661,98

Титановый сплав ВТ-14 590,73 742,72

Таблица 2.

Величина шероховатости обработанных поверхностей образцов

Материал образца Ra, мкм

Алюминиевый сплав АК4 6, 814

Сталь 12Х18Н10Т 5,2

Титановый сплав ВТ-14 4,3

Из таблиц видно, что поверхность образцов упрочнилась на всех используемых материалах. Величина микротвердости возросла в 1,15 раз для алюминиевого сплава АК4, в 1,75 раз для стали 12Х18Н10Т и в 1,25 для титановый сплав ВТ-14. Увеличение микротвердости поверхностей образцов происходит в результате локального кратковременного нагрева поверхностей током электрического разряда и плазменным электродом-инструментом [2]. Наибольшая величина шероховатости обработанных поверхностей зафиксирована для алюминиевого сплава АК4, наименьшая для титанового сплав ВТ-14. Это объясняется величиной отдельных элек-троэрозионных лунок и их совместным наложением. В соответствии с [2,3,4] наибольшая глубина лунок при идентичных остальных параметрах обработки зависит от теплофизических свойств и наблюдается для материалов с более высокой электроэрозионной обрабатываемостью. Таким образом, характер обработанных поверхностей соответствует традиционным представлениям о электроэрозионной обработке.

Выводы. Приведены результаты экспериментальных исследований процесса электроэрозионного формообразования образцов из алюминиевого сплав АК4, стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ-14 с применением плазменного электрода-инструмента. Выполнен анализ некоторых аспектов качества обработанных поверхностей.

Список литературы

1. Любимов В.В., Сабинин Е.А. Расширение технологических возможностей и обоснование новых технологических схем электрофизикохимических методов обработки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010.

2. Фотеев Н. К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 183 с.

3. D.D. DiBitonto, P.T. Eubank, M.R. Patel, M.A. Barrufet, Theoretical models of the electrical discharge machining process-I: a simple cathode erosion model, Journal of Applied Physics 66 (9) (1989). P. 4095-4103.

4. Ahsan Ali Khan, Role of Heat Transfer on Process Characteristics during Electrical Discharge Machining, Developments in Heat Transfer, Editor M. A. Santos Bernardes, (2011).

5. D. Shuvra, K. Mathias, F. Klocke, EDM simulation: finite element-based calculation of deformation, microstructure and residual stresses. Journal of Materials Processing Technology, Vol.142. 2003. P. 434-451.

Денис Владимирович Козырь, аспирант, Kozyr.D. V@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

USE OF PLASMA CHANNEL OPTICAL BREAKDOWN AS A CATHODE IN ELECTRICAL

DISCHARGE MACHINING

D. V. Kozyr

Experimental investigations of electrical discharge machining using plasma channels obtained with the optical breakdown of the air by laser radiation were describes. The scheme of the laboratory installation was given. Parameters of processed samples were performed.

Key words: pulsed plasma channel, electro-discharge machining, plasma cathode-

tool.

Denis Vladimirovich Kozyr, postgraduate, Kozyr.D. V@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University.

УДК 621.9. 047

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ПЛАКИРОВАНИЯ ПОРОШКОВ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОСФЕР В УСЛОВИЯХ КОМБИНИРОВАННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЧАСТИЦ

М. С. Саломатников

Описаны преимущества использования металлизированных стеклянных микросфер в качестве наполнителей различных материалов. Приводится анализ современных устройств для плакирования порошков стеклянных микросфер в вакууме. Представлено описание конструкции устройства для плакирования порошков полых стеклянных микросфер в условиях комбинированного перемешивания частиц. Приведены схемы, описывающие принцип работы устройства.

Ключевые слова: устройство, плакирование, металлизация, порошки, стеклянные микросферы, вакуум, покрытие, активация, потенциал смещения, перемешивание.

Продукты порошковой металлургии, в частности, порошки полых стеклянных микросфер правильной сферической формы (рис. 1), представляющие собой легкий сыпучий порошок, размер частиц которого (П) со-