Методика расчета инструментов для электрохимических и комбинированных методов обработки

УДК 621.9.047

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ И КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

А.И. Болдырев, С.В. Усов, А.А. Болдырев, В.А. Нилов

В статье рассматривается расчет элементов электродов-инструментов для обеспечения требуемого гидродинамического режима течения электролита при электрохимической и комбинированной обработке. Предложенная методика позволяет определить скорость потока электролита, гидравлические потери при движении электролита от насоса до рабочей зоны и в рабочей зоне

Ключевые слова: электрод-инструмент, канал, гидродинамика электролита

Эффективность электрохимических и комбинированных методов в повышении долговечности деталей машин и улучшении параметров качества поверхностного слоя (макро- и микрогеометрия поверхности, распределение твердости и остаточных напряжений и др.) широко доказана [1, 2, 3, 4, 5]. При этом как для электрохимических, так и для комбинированных формообразующих методов большую роль играют конфигурация и геометрические параметры электродов-инструментов и материалы, из которых изготовлены электроды-инструменты и которые придают поверхностям последних определенные диэлектрические и физико-механические свойства.

Неправильный выбор материалов и конструкций изолирующих элементов электродов-инструментов могут вызвать большие нарушения процесса электрохимического формообразования. В качестве диэлектрических материалов используют фторопласт, стеклотекстолит, резину. Наиболее перспективным материалами являются капролон и полиамид, обладающие достаточной прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами. Из них выполняют направляющие элементы, упоры и др.

Большое внимание при проектировании таких элементов электродов-инструментов необходимо уделять условиям ламинарного течения электролита. Для этого приходится предусматривать входные устройства для плавного течения жидкости, избегать резких поворотов потока, не превышать требуемой скорости электролита и давления насоса.

Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: aiboldyrev@mail.ru Усов Сергей Вадимович - ООО «Технологические системы защитных покрытий», д-р техн. наук, профессор, тел. (926) 2103986

Болдырев Александр Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, ассистент, e-mail: alexboldyrev@yandex.ru Нилов Владимир Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (915) 5807653

В связи с этим рассмотрим особенности методики расчета инструментов для электрохимической обработки и алмазно-электрохимического хонингования. При расчетах были использованы результаты проектирования методов, определяющих диапазоны режимов.

Предлагаемая методика включает расчеты гидравлических потерь при движении электролита от насоса до рабочей зоны и в рабочей зоне. В первом расчете рассматриваются различные конструктивные варианты гидравлических каналов с круговым, кольцевым, прямоугольным сечением (это - конфузоры, диффузоры, детали с каналами, обеспечивающими слияние и разделение потоков). Во втором расчете рассматривается только прямой канал прямоугольного сечения.

Искомыми величинами являются скорость потока электролита (д , падение давления Ар и давление в конце канала р .

При проведении расчетов предполагается:

- поток жидкости в 1 канале направлен от 1 сечения к сечению 1 +1;

- параметры потока д 1 , р1 в 1 сечении известны;

- в сечении 1 +1 неизвестными являются скорость (+1 и гидростатическое давление

Р1 +1.

Потери давления определяются по известным геометрическим размерам в обоих сечениях, расстоянию между сечениями, скорости потока и шероховатости поверхности стенок канала. При этом рассматриваются следующие этапы движения потока: вход потока в отверстие; выход потока из отверстия; слияние потоков; разделение потока; плавное и внезапное расширение и сужение канала; движение потока в цилиндрическом канале. Расчет инструментов включает определение общей потери гидростатического давления и скоростного

напора вследствие изменения ряда конструктивных элементов; а корректность методики оценивается по результатам экспериментальных исследований.

Методика расчета электродов-

инструментов следующая:

1. Вводятся исходные данные: р - плотность жидкости; V - кинематическая вязкость жидкости; р 0 - давление на выходе насоса; Q 0 - расход на выходе насоса; I- - длина магистральных труб (от насоса до инструмента);

Э - - внутренний диаметр магистральных

труб;

А. - шероховатость внутренних стенок

магистральных труб;

п - число расчётных сечений, в которых происходит изменение геометрических размеров и формы потока (нумерация сечений на параллельных каналах выполняется последовательно вдоль канала).

Для каждого I сечения (I = 1, 2,..., п ) вводятся:

- диаметр круглого поперечного сечения

или Э ш и Э т - внутренний и наружный диаметры кольцевого поперечного сечения

или й1 и - ширина и толщина прямоугольного поперечного сечения;

т <хЛ - число каналов, подводящих поток к I сечению;

т вьш - число каналов, отводящих поток от I сечения.

Возможны комбинации: т вх = т вых = 1;

т х > 1 т вых = 1; т х = 1 т вых > 1; т х = 1

т вых =

Для каждого / канала (/ = 1, 2,..., п ) вводятся:

1. - длина канала;

Яа/ - среднее арифметическое отклонение профиля, определяющее величину абсолютной шероховатости А / ;

2. Определяются параметры потока:

ю 1 - скорость потока после прохождения I сечения,

Ар - потери давления от сопротивления

движению потока в I сечении; здесь

- пол-

ное давление в потоке после прохождения I сечения.

3. Для каждого сечения по геометрическим размерам канала определяются схема расчета и параметры ю 1 , АрА , р . Для каналов в рабочей

зоне учитываются изменения геометрии в процессе обработки.

Варьируя геометрическими размерами инструмента, получают расчетным путем оптимальную комбинацию этих размеров, которую затем экспериментально уточняют в зависимости от конфигурации инструмента, обеспечивая необходимые параметры качества поверхности (шероховатость) при рассчитанных

(конечных) ю , А

рк

. По экспериментально

уточненным результатам расчета строят соответствующие зависимости, характеризующие определенные размеры поверхностей макро- и микрогеометрических отклонений. В качестве иллюстрации на рис 1 представлены некоторые полученные результаты, точность которых находится в пределах инженерной ошибки.

!?п мкм

3,0

2а

1,8

1,2

0,6

12

4 5

8 7

о

5

10

15 20 25 30 а.

Рис. 1. Зависимость параметра Яа шероховатости поверхности от угла а выхода электрона

при скорости потока а> и давлении: 1 - 59 м/с и 2,4 МПа; 2 - 59,6 м/с и 3 МПа; 3 - 61,7 м/с и 4,1 МПа; 4 - 59 м/с и 0,6 МПа; 5 - 60,1 м/с и 1,9 МПа; 6 - 59 м/с и 0,5 МПа; 7 - 61,7 м/с и 4,1 МПа; 8 - 60,7 м/с и 1,6 МПа

Реализация этой методики осуществляется по следующему алгоритму (рис. 2):

Б н , т

Рис. 2. Схема алгоритма расчета инструмента

блок 1 - ввод исходных данных: п 1 , Б1

тыш , 1,,я*-, п, р , б0, Ро;

блок 2 - печать исходных данных; блок 3 - вычисление скорости потока ( - , гидравлического диаметра Б г , числа Рейноль-

дса Яе, относительной шероховатости А, коэффициента сопротивления трения 1 , коэффициента потери давления от сопротивления дви-

жению потока

А„

и давления

в маги-

стральных трубах;

блок 4 - включение счетчика для реализации расчета каналов инструмента;

блок 5 - выбор расчетной схемы: по значениям т ш1 и т выш1 - прямой канал, слияние

потоков, разделение потока, выход из канала; по значениям диаметров в канале и конце 1 канала - прямой канал, диффузор, конфузор;

блок 6 - вычисление согласно выбранной в блоке 5 расчетной схеме коэффициента сопротивления, а затем определение скорости потока ( , падения давления Ар 1, давления р 1;

блок 7 - печать результатов, полученных в блоке 6;

блок 8 - переход к следующему каналу с помощью счетчика;

блок 9 - сравнение номера 1 с числом всех сечений: при ¡к = п — 1 происходит возврат

к блоку 5, при ¡к = п - переход к блоку 10;

блок 10 — печать конечных результатов расчета, соответствующих введенным исходным данным.

Представленный алгоритм позволяет по исходным геометрическим размерам каналов и начальным параметрам потока на выходе насоса определить скорость потока, потерю давления и давление на выходе из рабочей зоны инструмента. Применение в расчете широкого спектра эмпирических зависимостей позволяет рассматривать на стадии проектирования инструменты с различной комбинацией каналов.

В результате проведенных расчётов может быть выбрана оптимальная конструкция, электродов-инструментов для методов электрохимического формообразования как с неподвижными электродами, так и при получении канавок сложного профиля в условиях реализации электрохимического протягивания.

Также может быть оценена работоспособность покрытия хонинговальной головки для метода комбинированного алмазно-электрохимического хонингования. В результате проведенных экспериментов уточнена конфигурация выходного отверстия. Определено, что наименьший параметр шероховатости Ка сформированной поверхности (0,6-1,2 мкм) можно получить при а = 20~30°. Кроме того, экспериментально оценена термостойкость рассчитанного профиля инструмента для электрохимического протягивания. Полученные данные показывают, что наибольшей термостойкостью (т = 80°С) обладает конструкция направляющих элементов инструмента для электрохимического протягивания, выполненных из полиамида 610.

Создаваемый гидродинамический подпор в зоне растворения профильных отверстий обеспечивает избирательное растворение поверхности впадин, что позволяет получить прочное последующее гальваническое хромовое покрытие. Методическое введение конструкционных особенностей в хонинговальную головку для алмазно-электрохимического хо-нингования позволило определить наиболее оптимальную конструкцию последней, а также выбрать после проведения комплекса триболо-гических испытаний материал направляющих -Синтек-2.

Теоретико-экспериментальные исследования позволили создать оригинальные конструкции инструментов для электрических методов: электрохимического и электрохимико-механического формообразования, алмазно-электрохимического хонингования, гальванического хромирования и др. [6]. Применение этих конструкций дает возможность исключать отступления от требований по макро- и микрогеометрии поверхностей деталей при промышленном применении сочетаний методов.

Литература

1. Смоленцев В.П., Болдырев А.И., Смоленцев Г.П. Технология электроэрозионной и электрохимической обработки. Воронеж: ВГТУ, 2005. 180 с.

2. Комбинированные методы обработки / В.П. Смоленцев, А. И. Болдырев, А. В. Кузовкин и др. Воронеж: ВГТУ, 1996. 168 с.

3. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и комбинированными методами / В. П. Смоленцев, А. И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 2. 136 с.

4. Болдырев А.И. Электрохимикомеханическая обработка. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2012, 243 с.

5. Болдырев, А. И. Экспериментальные исследования состояния поверхностного слоя после электрохими-комеханической обработки [Текст] / А. И. Болдырев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 10. - С. 15-20.

6. Болдырев А. И. Технологические схемы и инструменты для комбинированной обработки внутренних поверхностей / А.И. Болдырев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2/3 (292). С. 16-21.

Воронежский государственный технический университет

ООО «Технологические системы защитных покрытий», Московская обл., г. Щербинка

TOOLS DESIGN PROCEDURES FOR ELECTROCHEMICAL AND COMBINED METHODS

A.I. Boldyrev, S.V. Usov, A.A. Boldyrev, V.A. Nilov

The article considers the calculation of elements electrodes tools to achieve the desired hydrodynamic flow regime electrolyte in electrochemical and combined treatment. The proposed methodology allows to determine the flow rate of electrolyte loss in hydraulic movement of the electrolyte from the pump to the work area and work area

Key words: tool electrode, channel, electrolytes hydrodynamic