Процессы, протекающие при электроискровом разряде

Энергия W _и импульса тока, распределяясь между анодом, катодом и столбом разряда, выделяется в течение весьма короткого времени при высоких плотностях электрического тока, что определяет специфику физических процессов [?]. В результате происходит удаление металла с обрабатываемой заготовки, изменение структуры и свойств поверхностного слоя, образование внутренних напряжений, изнашивание электрод-инструмента, разложение рабочей жидкости и другие физические явления.

В течение импульса металл анода и катода в основном удаляется в жидком и парообразном состояниях. При коротких импульсах доля испаренного металла доходит до 90 % и с ростом длительности импульса t _и постепенно уменьшается до 5 % при t _и = 1000 мкс. Рабочая жидкость, окружающая канал разряда, испаряется, образуя газовую полость. В начальный момент скорость движения границы газовой полости достигает 200 м/с, а давление в полости – сотен атмосфер. В результате обрабатываемый металл испытывает значительное механическое давление. После окончания импульса тока газовая полость продолжает по инерции расширяться, что наряду с конденсацией паров металла приводит к быстрому падению давления в ней вплоть до давления ниже атмосферного. В момент, когда размеры газовой полости приближаются к наибольшим, а давление в ней – к наименьшему, перегретый металл, который находится в образовавшейся лунке, вскипает и выбрасывается из нее. Реактивной струей паров металла оставшийся в лунке жидкий металл выдавливается из нее, и, застывая, образуется окаймляющий валик. Выброс этой дополнительной порции металла происходит через (3÷5) t _и после окончания импульса тока (рис. 2.2), и затем охлажденная поверхность лунки принимает окончательную форму. Физика рассмотренных явлений исследована Б.Н. Золотых.

Электроэрозионными называются такие методы обработки, когда разрушение или удаление материала, его перенос, формоизменение или структурные преобразования происходят под действием электрической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки без предварительных превращений в механическую, тепловую или другие виды энергии вне зоны обработки.

Электроэрозионная обработка основана на тепловом действии импульсных электрических разрядов, возбуждаемых междуэлектрод инструментом(ЭИ) и обрабатываемой заготовкой в жидкой диэлектрической среде. Электрические разряды формируются с помощью источника питания ЭЭ станок- генератора импульсов, нагрузкой которого является МЭП между заготовкой и ЭИ (см. рис. 2.1).

Рис. 2.2. Изменение силы тока I, давления p в газовой полости, ее диаметра D
и температуры T поверхности лунки в процессе электроэрозионной обработки

Электрический импульс возникает, когда диэлектрический слой становиться проводящим. Явление мгновенного превращения диэлектрической среды, заполняющей МЭП, называется пробоем МЭП.

При некотором значении U на электродах достигается такое состояние, когда электрон может передавать встречной молекуле энергию, достаточную для ее ионизации, с последующим лавинообразным нарастанием числа носителей зарядов (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Электрический пробой межэлектродного промежутка

Величина пробивного напряжения U _пр зависит от ряда случайных факторов: степени загрязненности рабочей жидкости продуктами ее распада и эрозии электродов, микрогеометрии поверхности, свойств и состояния поверхности электродов (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Циклограммы напряжения и тока
в межэлектродном промежутке – нижний рисунок

Время пробоя занимает 10^–8…10^–7c. После чего возникает столб разряда. В этой стадии напряжение на МЭП имеет величину 18…25 В, а ток, протекающий в МЭП, определяется параметрами источника питания и величиной противо-ЭДС.

В связи с этим источник питания ЭЭ станка должен удовлетворять двум условиям:

1) U_xx ≥ U _пр + Δ U.

Обеспечивать поступление энергии в МЭП в количествах, необходимых для развития процесса пробоя, а после образования столба разряда поддерживать в течение заданного времени необходимую величину тока через МЭП.

Энергия, выделяемая в МЭП подсчитывается по формуле (2.1)

, (2.1)

где i, U – ток и напряжение на промежутке,

t _и – длительность импульса.

Основные стадии процесса эрозии:

1) получение энергии электродами;

2) реализация этой энергии на фазовые превращения;

3) эвакуация части металла с электродов.

Канал электрического разряда, представляющего объемный тепловой источник высокой концентрации, можно разделить на три области: прикатодную, прианодную и столб разряда (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Падение напряжения по длине межэлектродного промежутка

В каждой из этих областей выделяемая энергия пропорциональна соответствующему падению напряжения. Не смотря на то, что суммарная протяженность приэлектродных участков в десятки и сотни раз меньше длины столба разряда

l _c >> l _a + l _к. (2.2)

Из-за большего удельного сопротивления более 2/3 всей электрической энергии выделяется в приэлектродных областях в канале разряда. Распределение потенциала

U = U _a+ U _к+ U _c. (2.3)

Области канала разряда различаются не только градиентом потенциала, но и родом и характером движения заряженных частиц.

В анодной области ток переносится электронами. В столбе разряда также, в основном, электронами; ионы медленно диффундируют к катоду.

В катодной области ионы движутся к катоду, а электроны, имитируемые с катода и образующиеся в канале разряда, движутся в противоположном направлении.

Электронный ток обеспечивается термоэмиссией, а также наблюдается холодная эмиссия под действием приложенного поля.

Баланс энергии в МЭП можно представить в виде

W _и= W _a+ W _к+ W _c, (2.4)

причем энергия, выделяющаяся на электродах

. (2.5)

Учитывая характер изменения потенциала в столбе разряда

U _c(t) = U – U _a – U _к = E (t) l _c≈ E (t) l _п, (2.6)

где E (t) – градиент потенциала в столбе разряда

. (2.7)

Это выражение определяет параметры, от которых зависит доля энергии, выделяемой на электродах (рис. 2.6).

При ЭЭО сумма (U _a + U _к) при разряде практически постоянна
~ 15…20 В. Однако градиент потенциала в столбе резко падает со временем и по мере развития разряда создаются более благоприятные условия для передачи энергии электродам.

С увеличением МЭП доля энергии, выделяющейся в канале разряда, увеличиваются. Отсюда следует, что для уменьшения энергоемкости процесса ЭЭО необходимо увеличивать длительность разряда и уменьшать МЭП.

Рис. 2.6. Зависимости выделения энергии и напряжения разряда от величины межэлектродного промежутка

Компоненты энергии, выделяющейся на электродах. Процесс выделения энергии на электродах определяется ионизацией и движением заряженных частиц в канале разряда и приэлектродных областях под действием электрического поля и теплового движения.

В соответствии с этим возможны следующие виды передачи энергии электродам:

1) бомбардировка заряженными частицами (на аноде – электронами; на катоде – ионами) и ;

2) термическая газокинетическая бомбардировка частицами, составляющими канал разряда ( и );

3) торможение факелов, поступающих на анод и катод с противоположных электродов ( и );

4) тепловые излучение ( и );

5) действие объемного источника тепла ( и ).

Суммарная энергия, поступающая на электроды, определяется

, (2.8)

, (2.9)

. (2.10)

Электронная компонента. Ток на аноде определяется числом электронов, поступающих за время действия импульса

, (2.11)

где φ – работа выхода электрона;

U _а – величина анодного падения потенциала.

Величина энергии электронов в столбе разряда близка к нулю из-за частых столкновений.

Ионная компонента. Ток на катоде имеет электронную и ионную составляющие

, (2.12)

где а_к – коэффициент аккомодации иона;

U _к – падение потенциала в прикатодной области;

U_i – среднее значение потенциала ионизации иона;

i_i, i_e – соответственно ионный и электронный ток на катоде.

Можно сказать, что первое слагаемое – кинетическая энергия, выделяющаяся при торможении ионов на катоде; второе – энергия их нейтрализации; третье – потери энергии при «испарении» электронов с катода.

Газокинетическая компонента. Энергия теплового движения газа в объеме столба разряда равна

, (2.13)

где P _эф – давление газа при температуре разряда;

P _o – начальное давление;

V _c– объем столба разряда;

ξ – число степеней свободы частиц.

Электроду передается часть этой энергии. На единицу поверхности электрода приходится

, 0 < b < 1, (2.14)

где b – коэффициент передачи энергии. Величина «b» зависит от типа соударений частиц c электродами.

Факельная компонента. Под действием энергии, выделяющейся на электродах, участок поверхности быстро в течение (10^–7…10^–6c) разогревается, из-за чего происходит выброс струи паров факелов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями.

При торможении факела с поверхностью противоположного электрода ему передается часть энергии. Удельный тепловой поток равен

, (2.15)

где α – коэффициент теплоотдачи;

T * – температура торможения;

T _п – температура поверхности электрода

, (2.16)

где T _г – температура газа факела;

М – число Маха;

– теплоемкости газа факела соответственно при постоянном давлении и объеме. Для турбулентного потока

, (2.17)

где ρ_г – плотность газа факела;

V _г– скорость газа;

k_f – коэффициент трения;

K – коэффициент, учитывающий размерность входящих величин.

Считая T _г постоянной, получим

, (2.18)

где – энергия, передаваемая катодным факелом аноду;

S_a – площадь поверхности торможения факела на аноде;

t _кф – время действия катодного факела.

Величина возрастает при коротких импульсах тока и большей крутизне переднего фронта тока.

Аналогично определяется значение для катода с параметрами факела, вылетающего с анода.

Лучистая компонента. Температура газа в искровом промежутке составляет 10⁴…10^{5 °}С. Поэтому часть энергии может быть передана в результате лучистого теплообмена между каналом разряда и электродами.

В соответствии с законом Стефана-Больцмана

W ^и= δεσ T _эф⁴ St _и, (2.19)

где δ – коэффициент поглощения света поверхностью металла при действительной температуре;

ε – коэффициент черноты плазмы разряда;

S – площадь излучателя;

t _и – время его действия;

σ – постояннаяСтефана Больцмана.

Объемная компонента. Это количество энергии, которое выделяется в объеме зоны растекания тока за счет эффекта Джоуля-Ленца вблизи анодного и катодного пятен.

, (2.20)

где R _эф – омическое сопротивление зоны растекания тока.

Характер распределения компонент энергии на электродах. Различные компоненты энергии при различных условиях имеют различный вклад в общую энергетическую картину на электродах.

Оценка лучистой, газокинетической и объемной компонент показала, что они на 1-2 порядка меньше, чем ионная и электронная компоненты.

Величина W _a≈ W _a^e –для одинаковых материалов анода и катода.

В случае использования тугоплавкого катода W _a≈ W _a^e+η_а W _a^ф, где η_а – весовой коэффициент (η_а<1).

Аналогично W _a≈ W _a ⁱ, а для более тугоплавкого анода

W _к≈ W _к ⁱ – η_к W _к^ф. (2.21)

Таким образом, основная доля энергии передается электродам при искровом разряде за счет бомбардировки заряженными частицами.

Электроны и ионы, теряя скорость, проникают в тело электродов на расстояния не больше межатомных и выделяют энергию. Действия факелов проявляются в нагреве противоположной поверхности.

То есть можно считать, что основная доля энергии электрических разрядов передается электродам в результате действия источников тепла, имеющих размеры не менее диаметра канала разряда и сосредоточенных в тонком поверхностном слое электрода. Источник тепла можно считать плоским или точечным.

Рассмотрим характеристики электрических импульсов:

1) Скважность , где t _и – длительность периода действия импульсов; t _п – длительность паузы между импульсами.

2) Энергия .

3) Средняя мощность импульса .

4) Форма: треугольные, синусоидальные, трапецеидальные, прямоугольные, гребенчатые (рис. 2.7).

5) Полярность: униполярные на прямой и обратной полярности, разнополярные.

Рис. 2.7. Изменение напряжения гребенчатого импульса:

1 – поджигающий импульс; 2 – рабочие импульсы;
3 – защитные импульсы; 4 – эвакуационный импульс

Характеристики импульсов представлены в табл.2.2.

Таблица 2.2

Характеристики импульсов

Параметры	Значения
W и,Дж	0,001….50
t и, c	10^–7…10^–1
f, Гц	50….10^6
q	1,5…..15
U max, В	50…300
I max, А	10…10000
U ср, В	20…150
I ср,А	0,01…600

ЭЭО можно выполнять при прямой или обратной полярности, многоэлектродным или многоконтурным способом (ГОСТ 25331-82). Режимы ЭЭО даны в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Характеристика режимов ЭЭО

Режим	Р, кВт	t и, мкс	f, Гц	Q, мм^3/мин	Rz, мкм
Черновой Чистовой Доводочный	3–30 0,3–5	10–10 000 20–500 > 20	50–3 000 1 000–10 000 < 3 000	100–30 000 30–200	80–320 20–40 0,63–2,5
Примечание. В этой таблице и других таблицах Р – установленная мощность генератора импульсов; t и – длительность импульсов; f – частота; Q – производительность; Rz – параметр шероховатости обработанной поверхности.

Сущность и взаимосвязь протекающих процессов при ЭЭО (рис. 2.8) может быть рассмотрена на основе ряда физических моделей [].

Рис. 2.8. Взаимосвязь основных физико-химических процессов при ЭЭО

Дата добавления: 2017-02-01