Взрывные методы обработки

Опубликовано admin Июн 3, 2012 в Резка металлов

Взрывные методы обработки в последние годы получают большое распространение: к ним относятся все способы изготовления деталей, основанные на использовании механических импульсов высокой энергии. Этот вид воздействия может применяться и для обработки резанием; в этом случае снятие материала срезаемого слоя происходит под воздействием механического импульса газовой или жидкой среды высокой энергии. В отличие от этого при сверхскоростном резании процесс стружкообразования протекает; под воздействием рабочих граней инструмента.

Методы обработки по способу получения импульса разделяются на взрывные обработки с использованием электрогидравлического эффекта (ВОЭГ), взрывных веществ (ВОВВ) и электромагнитного воздействия (ВОЭМ). Достоинствами метода ВОЭГ; по сравнению с ВОВВ являются простота включения в станки и автоматические линии, возможность использования в обычных цехах, полная безопасность работ и меньшее вспомогательное время. Вместе с тем метод ВОЭГ так же, как ВОЭМ, имеет по сравнению с ВОВВ ограниченную энергоемкость, требует изготовления более сложных установок.

Взрывная электрогидравлическая обработка использует для снятия металла сверхвысокие давления импульсного характера, возникающие в жидкости при прохождении через нее высоковольтного электрического разряда малой длительности с крутым фронтом. Мощность и длительность импульсов давления определяются параметрами электрической схемы. Фокусируя и направляя возникающие импульсы давления, можно производить разрезание и прошивку (сверление, долбление) хрупких материалов. Электрогидравлический процесс является механизмом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую и тепловую. Его протекание связано с ростом стриммера в зазоре, который происходит по многочисленным каналам с образованием многочисленных ответвлений. Стриммер представляет собой последовательное разряжение гидроксильных ионов (ОН) из всех новых и новых объемов жидкости, расположенных на пути его распространения и отдающих свои электроны в образующийся канал. Поэтому распространение стриммера происходит в виде ступенчатого прерывистого процесса. Таким образом, образовавшийся канал имеет нейтральные к росту стриммера ионы Н+, разрядившиеся ионы ОН и образующиеся в дальнейшем молекулы перекиси водорода Н2О2. Пузырьки газов, возникающие в жидкости на растущих усах стриммера, формируют в дальнейшем парогазовую рубашку канала искрового разряда. Наиболее интенсивный рост стриммера наступает после замыкания им электродов, т. е. когда образуется пробой; в этом случае разряд переходит в искровую форму. Это сопровождается резким повышением температуры и количества образующихся паров, что вызывает резкий скачок давления. Величина его будет тем больше, чем выше сопротивление окружающей среды расширению канала. Вещество в парогазовой рубашке по своему состоянию неоднородно — оно имеет состояние плазмы в центре канала, где температура достигает 40 000° С, и переходит в обычное состояние по мере удаления 4 от него.

Следует отметить, что образующаяся за один единичный импульс ударная волна не состоит из одной полуволны. Импульсный рост канала приводит к возникновению в жидкости, с одной стороны, ударной волны и, с другой, запаздывающего потока, который создается вследствие разрыва сплошности жидкости — кавитации. Поэтому ударная волна оказывает на обрабатываемый материал многократное воздействие.

Давление на фронте ударной волны достигает нескольких десятков тысяч атмосфер. Толщина фронта ударной волны определяется величиной свободного пробега молекул в жидкости и составляет примерно 10~6т10~7 мм. Величина давления непосредственно у центра канала разряда составляет .500—3000 кгс/см2 и по мере удаления падает по экспоненциальной зависимости. Таким образом, электрогидравлический эффект в целом являемся сложным комплексным явлением, складывающимся из механического действия ударных волн, обусловленных высокими и сверхвысокими гидравлическими давлениями, мощных кавитационных процессов, электромагнитных явлений, теплового, ультрафиолетового, рентгеновского излучений, разряда, ионизации элементов жидкости. Все это вызывает пластическую деформацию и разрушение материала удаляемого слоя заготовки.

Энергетический баланс электрогидравлической обработки складывается из энергии ударной волны, энергии кавитации и энергии эрозии электродов. Энергия ударной волны оказывает на заготовку разрушающее действие, энергия кавитации более статическая и обеспечивает деформацию заготовки. Соотношение между этими видами энергий определяется технологической задачей. Так, образование более длительных разрядов при той же энергии импульса увеличивает энергию кавитационного потока относительна энергии ударной волны. Такой режим применяется, например, для осуществления операции вытяжки при штамповке. Эрозия электродов при этом виде обработки — явление отрицательное, снижающее к. п. д. установки.

Основным элементом любой установки для электрогидравлической обработки является генератор импульсного тока с емкостным наполнителем энергии. Он имеет зарядную цепь (высоковольтный трансформатор и выпрямитель), накопительную емкость (конденсаторы), коммутирующее устройство (воздушный или газовый разрядник), £ также рабочий искровой промежуток, помещенный в жидкость и представляющий собой нагрузку генератора импульсов. Необходимая для электроискрового разряда энергия накапливается в конденсаторе, заряженном от высоковольтного выпрямителя; величина ее колеблется от нескольких джоулей (медицинские установки) до 10—30 кдж (установки для дробления).

Механический к. п. д. электрогидравлического удара составляет 60—70% от всей энергии, поступающей в разряд. Он зависит от многих факторов. С увеличением емкости контура возрастают энергия импульса, амплитуда тока, удлиняется искра, что увеличивает к. п. д. Однако вследствие роста длительности импульса это положительное влияние уменьшается и происходит смягчение электрогидравлического удара. Поэтому электрогидравлические режимы при емкостях до 0,1—0,2 мкф считается жесткими, при емкостях 0,541,0 мкф — средними и при 1,0—2,0 мкф — мягкими. Повышение напряжения приводит к резкому росту энергии импульса, амплитуды тока, длины искры, крутизны фронта. Все это повышает жесткость электрогидравлического удара, делая

его более коротким — бризантным. Обратное явление вызывает увеличение индуктивности и сопротивления разрядного контура. Таким образом, подбирая эти параметры, можно получить любые по технологическим задачам установки для электрогидравлической обработки. Так, установки для операций, подобных штамповке, осуществляют на относительно длинных и мягких импульсах. Помимо формообразования, резания, чеканки, полировки электрогидравлический процесс может быть использован для самых разнообразных целей, например создания вибраторов, получения эмульсий, вибросмазки для резания, пропитки трущихся поверхностей, упрочнения режущего инструмента.

Метод электрогидравлической обработки широко применяется для взрывной штамповки и опробован в лабораторных условиях при формообразовании различных отверстий и разрезании снятием материала импульсным механическим воздействием.

Обработка с использованием теплового взрыва подобна электрогидравлической, она заключается в том, что электроды замыкаются тонкой металлической проволокой (0,1— 1,0 мм), на которой нанесен толстый слой органического покрытия (церезин, полиэтилен). При подаче на электрод импульсного напряжения от конденсатора происходит электрический взрыв, т. е. образование в зоне разряда очень высоких давлений (104—105 атм) в результате мгновенного испарения проволоки и ее покрытия. Тонкая проволока играет роль искусственного стриммера; сгорая в начальный момент прохождения импульса, она создает канал проходимости. В этом случае отпадает необходимость в высоком напряжении (30—50 кв), так как не требуется ионизация начального канала проводимости — создание стриммера. Поэтому напряжение задается только 3—5 кв. Кроме того наличие проволоки качественно видоизменяет процесс — физика электрогидравлического эффекта дополняется явлением термического удара, представляющим собой ударный процесс мгновенного испарения материала проволоки. Изменением диаметра проволоки достигается регулирование соотношения между электрогидравлическим и термическим ударами. Кроме того, при обычном взрыве фронт ударной волны и запаздывающего потока вблизи канала разряда имеет цилиндрическую форму; по мере удаления она постепенно преобразуется в сферическую. Применение искусственного стриммера — тонкой проволоки — позволяет изменить траекторию электрического разряда и обеспечить тем самым фокусировку ударной волны в нужном для технологических целей направлении.

Электромагнитная импульсная обработка является методом взрывной обработки, при котором для деформации токопроводящего материала заготовки используется импульсное магнитное поле; оно получается в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого внешним источником, с током, индуктируемым этим полем в заготовке.