employee
Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
employee
Komsomolsk-upon-Amur, Khabarovsk, Russian Federation
VAC 05.02.2013 Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)
UDK 53 Физика
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 20.15 Организация информационной деятельности
GRNTI 20.17 Документальные источники информации
GRNTI 20.19 Аналитико-синтетическая переработка документальных источников информации
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.15 Литейное производство
GRNTI 55.16 Кузнечно-штамповочное производство
GRNTI 55.18 Сборочное производство
GRNTI 55.19 Резание материалов
GRNTI 55.20 Электрофизикохимическая обработка
GRNTI 55.21 Термическая и упрочняющая обработка
GRNTI 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
GRNTI 55.23 Производство изделий из порошковых материалов
GRNTI 55.24 Производство неметаллических изделий
GRNTI 55.29 Станкостроение
GRNTI 55.30 Робототехника
GRNTI 55.31 Инструментальное производство
GRNTI 55.33 Горное машиностроение
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
GRNTI 55.37 Турбостроение
GRNTI 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.43 Автомобилестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 55.47 Авиастроение
GRNTI 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
GRNTI 55.53 Строительное и дорожное машиностроение
GRNTI 55.55 Коммунальное машиностроение
GRNTI 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
GRNTI 55.69 Прочие отрасли машиностроения
GRNTI 73.01 Общие вопросы транспорта
GRNTI 73.29 Железнодорожный транспорт
GRNTI 73.31 Автомобильный транспорт
GRNTI 73.39 Трубопроводный транспорт
GRNTI 73.41 Промышленный транспорт
The work is dedicated to the simulation of the processes of erosion and electrode metal transfer at coating formation by an electrospark alloying method. Anode is a cylindrical rod, and cathode – a disk. During discharge pulses the erosion takes place both in anode material, and in cathode material. The anode moves in a spiral along a cathode surface. There are calculated the coefficients of precipitation equal to the probability of metal emitted from the surface of one electrode and falling onto the surface of the opposite electrode. They are constant close to the central cathode axis, but at the anode approach to the cathode end a coefficient of anode metal precipitation on a cathode decreases, a coefficient of cathode metal precipitation on an anode increases. The rates of anode erosion and cathode weight increase when the mass ratio of eroded substance of anode and cathode increases in the course of one discharge. When this ratio is equal to 5, a coefficient of mass transfer achieves 0.8-0.9 it tells of small substance loss during its transfer between electrodes. The model developed is useful for the parameter estimate of mass transfer between cylindrical electrodes at electrospark processing taking into ac-count their dimensions and paths of anode motion.
electric discharge, electrospark alloying, electrodes, precipitation, coefficient of mass transfer
Введение
Электроискровое легирование - это метод улучшения физико-механических свойств поверхностей металлов и сплавов за счет воздействия коротких разрядных импульсов [1]. Быстрый ввод энергии во время разряда сопровождается электрической эрозией - разрушением поверхности электродов. Металл испаряется в поверхностных областях, близко расположенных к плазменному каналу, а нижележащие слои расплавляются. Жидкий металл выбрасывается под действием давления пара и плазмы разряда в форме шарообразных частиц. Помимо этого, из-за возникающих термомеханических напряжений в материалах электродов часто образуются трещины [2-4]. В результате многократных циклов нагрева и охлаждения металлов от их поверхности откалываются твердофазные микрочастицы. Таким образом, материал электродов может эродировать в парообразном, жидком и твёрдом состояниях.
Расстояние между электродами небольшое - менее
Эффективность электроискрового легирования оценивают по величине привеса катода DMк по сравнению с эрозией анода DMа [8]. Для этого вычисляют коэффициент массопереноса KM = DMк / ½DMа½. Чем меньше потери вещества при массопереносе с анода на катод, тем лучше. Коэффициент массопереноса зависит от многих факторов: теплофизических свойств материалов электродов, мощности и длительности разрядных импульсов, частоты их повторения, состава и давления газа [9]. Кроме того, он может изменяться в зависимости от размеров электродов, скорости и траектории движения анода. Поскольку этот вопрос слабо изучен, требовалось оценить влияние геометрических параметров электродов на процесс осаждения электроискровых покрытий. В нашей предыдущей работе [10] определены характеристики массопереноса между электродами с квадратными сечениями. Целью данной работы являлось моделирование процессов переноса вещества между электродами цилиндрической формы для установления кинетических зависимостей изменения масс электродов и расчета коэффициента массопереноса.
Математическая модель
Предлагаемая модель описывает эрозию вещества под действием искровых разрядов и перенос его с одного электрода на другой. При воздействии разрядов необходимо учитывать, что анод движется вдоль поверхности катода по спирали от центра катода.
Расстояние от центра анода до места разряда rра и расстояние между центрами анода и катода rс связаны между собой выражением . При этом
.
Для расчета коэффициента осаждения, равного вероятности попадания металла, эродированного с поверхности одного электрода во время разряда, на противоположный электрод, определялось отношение площади тени, создаваемой близлежащей плоскостью противоположного электрода на полусфере радиусом R, к площади этой полусферы при условии, что источник света находится в месте возникновения разряда и удален на расстояния rрк и rра от центров катода и анода соответственно. Длина межэлектродного промежутка равна L. Площадь тени от анода при расположении источника света на поверхности катода рассчитывается как
, (1)
где - радиальная координата точек пересечения полусферы с конусом, охватывающим границу нижней плоскости анода, с вершиной в месте расположения светового источника. Интегрирование (1) по первой переменной приводит к следующему виду:
В итоге коэффициент осаждения материала катода на анод во время одного разряда можно найти из выражения
.
Вероятность попадания материала анода на катод во время одного разряда определяется аналогично:
Вероятности осаждения металлов определяются длиной межэлектродного промежутка, радиусами электродов и расстояниями от места возникновения разряда до осей анода и катода. Следует также учитывать, что разряды могут быть инициированы только на участках, где перекрываются поверхности анода и катода (показаны темно-серым цветом на рис. 1). Площадь перекрытия электродов уменьшается по мере приближения анода к краю катода, когда rc < Rк – Ra.
При электроискровом легировании невозможно контролировать точное место возникновения разряда и трудно предсказать, какие микровыступы соприкоснутся при последующем приближении анода к катоду [5]. Поэтому следует учитывать средние значения коэффициентов осаждения на площади перекрытия электродов Sov:
Рис. 1. Определение расстояний от центров
катода и анода до точки разряда
.
Масса катода во время каждого разряда уменьшается из-за электрической эрозии (-mкi) и возрастает за счет поступления материала с противоположного электрода - анода ( ). Аналогичные явления происходят на аноде: масса анода во время каждого разряда уменьшается на величину -mаi и возрастает за счет поступления материала с катода (
).
Если энергия, длительность и частота разрядов в процессе ЭИЛ не изменяются, то можно предположить, что величины mai и mкi постоянны. Используя отношение масс эродированного вещества анода и катода за один разряд, , выражение для коэффициента массопереноса Km можно записать следующим образом:
.
Результаты расчетов
Расчеты проведены при различных соотношениях между радиусами анода и катода: Ra/Rк = 1/5; 1/15; 3/5; 3/15 мм/мм. Длина межэлектродного промежутка L =
В результате расчетов было установлено, что коэффициенты осаждения вещества анода на катод больше коэффициентов осаждения с катода на анод (рис. 2). Когда анод находится в центральной области катода, коэффициенты и
постоянны в разных участках этой области, но по мере приближения к краю катода
уменьшается, а
возрастает. В том случае, когда катод имеет радиус
= 0,9, а когда Rк =
= 0,98, при этом значение
для обоих случаев практически одинаково и равно 0,42.
Рис. 2. Средние значения коэффициентов осаждения металлов электродов за один проход анода по
спирали вдоль поверхности катода: а - радиус катода 5 мм; б - радиус катода 15 мм; 1 - , Ra =
2 - , Ra =
, Ra =
, Ra = 3 мм
Кинетические кривые изменения масс анода и катода для разных соотношений Ra/Rк и a показаны на рис. 3. При увеличении времени электроискрового легирования масса анода уменьшается, а масса катода увеличивается. Графики временных зависимостей Dm(t) имеют вид практически прямых линий, исходящих из нулевого значения. Небольшие перегибы линий при времени t = 10 c (рис. 3а, в) и t = 100 c (рис. 3б, г) вызваны изменением коэффициентов осаждения и
. Когда a повышается с 1,5 до 5, скорости эрозии анода и привеса катода повышаются: при осаждении покрытий на катод радиусом
Зависимости коэффициента массопереноса от продолжительности электроискрового легирования представлены на рис. 4. Они имеют спадающий вид с впадинами в конце первого и третьего проходов анода вдоль поверхности катода. С увеличением числа проходов высота ступенек снижается, зависимость КМ принимает вид, близкий к линейному. Коэффициент массопереноса растет с увеличением отношения a и достигает 0,8-0,9, что говорит о малых потерях вещества в процессе его переноса между электродами при a = 5. Рассматривая осаждение покрытия на один и тот же катод, установили, что коэффициент массопереноса будет выше, если радиус анода больше. Параметр КМ увеличивается также с ростом площади поверхности катода. При повышении площади катода с 79 до 708 мм2 коэффициент массопереноса растет на 60 % для a = 1,5 и на 14 % для a = 5.
Рис. 3. Изменение масс катода (выше оси абсцисс) и анода (ниже оси абсцисс) за время, равное трем проходам анода вдоль поверхности катода. Отношение Ra/Rк: а - 1/5; б - 3/5; в - 1/15; г - 3/15. Отношение масс эродированного вещества анода и катода за один разряд: 1 - a = 1,5; 2 - a = 2; 3 - a = 3; 4 - a = 5
Рис. 4. Коэффициент массопереноса за три прохода анода вдоль поверхности катода. Отношение Ra/Rк: а - 1/5 (сплошная линия) и 3/5 (прерывистая линия); б - 1/15 (сплошная линия)
и 3/15 (прерывистая линия). Отношение масс эродированного вещества анода и катода
за один разряд: 1 - a = 1,5; 2 - a = 2; 3 - a = 3; 4 - a = 5
Заключение
Результаты вычислений показали, что размеры электродов оказывают влияние как на кинетические зависимости изменения масс электродов, так и на коэффициент массопереноса металлов при электроискровом легировании. Чем больше площадь катода, тем больше вероятность осаждения на его поверхность эродированного во время разряда вещества анода. Это приводит к росту привеса катода и увеличению толщины наносимого слоя. Коэффициент массопереноса можно также повысить, если анод при движении не будет выходить за границы поверхности катода, на которую наносится покрытие. Тем не менее наибольшего эффекта в массопереносе вещества анода на катод можно добиться, если эрозия материала анода во время единичного разрядного акта будет во много раз превышать эрозию материала катода. В этом случае коэффициент массопереноса может достигать значений, близких к 100 %. На практике это можно осуществить выбором энергетических параметров разрядных импульсов и предотвращением разрушения покрытия, осаждаемого на катод.
Полученные выражения могут быть полезны при создании автоматизированных установок для электрофизической обработки материалов и выборе оптимального режима нанесения электроискровых покрытий.
1. Verhoturov, A.D. Formirovanie poverhnostnogo sloya metallov pri elektroiskrovom legirovanii / A.D. Verhoturov. - Vladivostok: Dal'-nauka, 1995. - 282 s.
2. Wang, B.-J. Spark erosion behavior of silver-based particulate composites / B.-J. Wang, N. Saka // Wear. - 1996. - V. 195. - R. 133-147.
3. Ekmekci, B. White layer composition, heat treatment and crack formation in electric discharge machining process / B. Ekmekci // Metal. Mater, Trans. B. - 2009. - V. 40. - R. 70-81.
4. Chen, Z. Surface modiication of resistance welding electrode by electro-spark deposited composite coatings. Part I. Coating characterization / Z. Chen, Y. Zhou // Surf. Coat. Technol. - 2006. - V. 201. - R. 1503-1510.
5. Namitokov, K.K. Elektroerozionnye yavleniya / K.K. Namitokov. - M.: Energiya, 1978. - 456 s.
6. Galinov, I.V. Mass transfer trends during electrospark alloying / I.V. Galinov, R.B. Luban // Surf. Coat. Technol. - 1996. - V. 79. - R. 9-18.
7. Frangini, S. A study on the efect of a dy-k-l-h -h-k-Z-namic contact force control for improving electrospark coating properties / S. Frangini, A. Masci // Surf. Coat. Technol. - 2009. - V. 204. - Is. 16-17. - R. 2613-2623.
8. Pyachin, S.A. O zavisimosti izmeneniya massy elektrodov ot vremeni pri elektroiskrovom legirovanii / S.A. Pyachin, N.E. Ablesimov, D.L. Yagodzinskiy // Elektronnaya obrabotka materialov. - 2003. - № 1. - S. 19-26.
9. Sharakhovsky, L. Model of workpiece erosion for electrical discharge machining process / L. Sharakhovsky, A. Marotta, A.M. Essiptchouk // Appl. Surf. Sci. - 2006. - V. 253. - R. 797-804.
10. Pyachin, S.A. Vliyanie razmerov i raspolozheniya elektrodov na perenos metallov pri elektroiskrovom legirovanii / S.A. Pyachin // Fizika i himiya obrabotki materialov. - 2017. - № 1. - S. 17-28.
