О механизме электрической эрозии металлов в жидкой диэлектрической среде

Для исследования механизма электрической эрозии металла в жидкой диэлектрической среде была разработана методика, позволяющая проследить динамику образования и схлопывания газового пузыря, а также процессов, происходящих внутри него и на электродах.

Картина развития процессов, происходящих в разрядном промежутке, фиксировалась при помощи фотокамеры СФР.
Была применена съемка со скоростью от 25 тыс. до 500 тыс. кадров в секунду.

В качестве диэлектрической жидкости использовался керосин. Величина зазора между электродами лежала в пределах 10 -4- 100 мк.

При съемке использовались два варианта расположения электродов.

Для устранения значительного влияния электродов больших размеров на форму газового пузыря в первом варианте использовались проволочные электроды диаметром от 0,5 до 1 мм.

В этом случае фиксировался внешний вид газового пузыря, но процессы на электродах оставались невидимыми.

Для обеспечения одновременной регистрации как динамики развития газового пузыря, так и картины процессов, происходящих внутри него, применялось другое расположение электродов.

схема расположения электродов
Фиг 1.

На фиг. 1 приведена схема расположения электродов во втором варианте.

Анод 2 — полоска тонкой медной фольги толщиной 0,05-0,1 мм, плотно прижатая к прозрачной пластинке 1 (силикатное или органическое стекло). Катод 3 — медная проволока с диаметром 1 мм, расположенная под углом 90 градусов к плоскости анода.

Съемка производилась со стороны прозрачной пластинки, так что анод 2 занимал половину кадра и закрывал большую часть катода.

Съемки (объекта) производились с расстояния 200—300 мм, для чего использовался дополнительный короткофокусный объектив.

Общая электрическая схема всей установки приведена на фиг. 2. Для согласования момента начала съемки с исследуемым процессом в схеме установки предусмотрен блок поджига (II, фиг. 2). 

Блок поджига запускается инициирующим импульсом с пульта управления камеры СФР, которым одновременно возбуждается разряд в лампе подсвета. Импульсом запуска, сформированным в блоке поджига, инициируется разряд на воздушном промежутке.
В опытах применялись импульсные лампы типа ИПФ-1500 или ИПФ-4000 в соответствии с условиями и скоростью съемки. В качестве фотоматериала использовалась 35 мм пленка типа РФ-3, чувствительностью 900—1200 ед. ГОСТ. В связи с тем, что максимальная интенсивность свечения лампы подсвета достигается через определенное время, в блоке поджига была предусмотрена задержка инициирующего импульса, поступающего с пульта камеры СФР.

Общая электрическая схема всей установки
Фиг 2. Общая электрическая схема установки
I — пульт управления скоростной камеры СФР; II — блок поджига воздушного промежутка; III — блок питания импульсной лампы; IV — блок питания рабочей схемы; С — емкость рабочего контура-, С1, С2 — емкости делителя напряжения; — основной (жидкостный) промежуток; — вспомогательный (воздушный) промежуток; 1 — импульсная лампа подсвета; 2 — ванна с керосином; 3 — токовый шунт; 4, 5, 6, 7 — отводы к осциллографу для записи тока и напряжения

Осциллографирование тока и напряжения на промежутке производилось двухлучевым осциллографом ОК-17 одновременно со съемкой.

Интересно отметить, что при больших скоростях съемки импульсного разряда в жидкой диэлектрической среде наблюдалась характерная темная область в середине зоны свечения паров. Очевидно, это объясняется тем, что возбужденные и сильно нагретые пары непрозрачны для широкого диапазона частот излучения, испускаемого внутренними областями разрядной зоны. 

Как мы показали, первый вариант расположения электродов позволяет фиксировать только внешнюю картину. Для устранения этих недостатков с целью изучения внутренних областей разрядной зоны была осуществлена съемка при втором варианте расположения электродов.

Кадры, полученные при расположении электродов по второму варианту при условиях: скорость съемки 62 500 кадр/сек; длительность импульса тока 180 мксек; энергия в импульсе 2,5 дж; анод — медная пластина толщиной 0,05 мм катод — медная проволока 0,6 мм.

Первый кадр на снимке соответствует 80 мксек после начала импульса тока. Время между кадрами 16 мксек.
Результаты съемки позволили получить более подробные сведения о характере выброса металла с электродов.

Как легко видеть, во время протекания импульса тока (кадры 1—7; I = 80—176 мксек) происходит выброс паров.
В начальной стадии облако паров имеет диффузный характер испарения (80—128 мксек после начала тока, кадры 1—4).

В последующие моменты характер испарения резко меняется. Вместо диффузного облака паров формируются «факелы» или струи (кадры 5—12; I = 144—256 мксек). К исходу 272—290 мксек (кадры 12—13) интенсивность выброса резко снижается и выброшенное облако начинает остывать. В начальные моменты скорость расширения облака паров имеет порядок 200— 300 м/сек. К моменту формирования факелов скорость перемещения их переднего фронта может быть оценена, величиной 50 м/сек.

Примерно с 144-й мксек становится ясно видной граница газового пузыря.

К моменту окончания импульса тока количество паров, выделяющихся с электрода, заметно уменьшается и становится отчетливо видной граница прогретого металла.

Очевидно, что жидкий металл, находящийся в лунке, нагрет почти до температуры кипения, так как скорость подвода энергии в течение импульса выше скорости теплоотвода в тело электрода.

Однако практически весь расплавленный металл (85—90% объема) остается в лунке некоторое время после окончания импульса тока, что также подтверждается рентгеноимпульсной съемкой. Затем к исходу 400 мксек (кадр 20) появляется ясно очерченный фронт летящих частиц металла, имеющий форму конуса, который двигается со скоростью 30 м/сек.

К исходу 450—500 мксек (кадры 23—27) вся лунка очищается, и этим заканчивается весь цикл выброса металла из лунки.

Результаты скоростной съемки показывают, что гидро- и газодинамические процессы играют существенную роль в выбросе металла.

Характер процесса можно истолковать следующим образом. По мере развития импульса тока скорость испарения металла с поверхности электродов растет и давление в зоне, окружающей канал, увеличивается. Затем, когда ток начинает убывать, скорость испарения уменьшается, начинается конденсация паров металла на границе газового пузыря. Давление внутри газового пузыря несколько снижается (о чем можно судить по уменьшению скорости его расширения). Вследствие этого наблюдается дополнительный выброс паров в конце импульса тока. Поверхность электродов при этом несколько охлаждается (так как энергия
более не поступает на электроды). Продолжающееся расширение газового пузыря приводит к резкому падению давления (ниже атмосферного) внутри него. Это, в свою очередь, вызывает выделение растворенного в металле газа, вскипание металла во всем объеме прогретой лунки. Это приводит к выбросу паров и капель металла из лунки. Очевидно, что максимальную скорость выбрасываемые частицы и пары имеют в центре лунки и, в соответствии с этим, формируется фронт летящих частиц.

Достоверность изложенной газодинамической модели выброса может быть подтверждена следующими соображениями.

Газовый пузырь, образующийся в межэлектродном пространстве, можно рассматривать как поршень, расширяющийся по произвольному закону R = R(t), где R(t) — радиус газового пузыря.

Пользуясь известным решением гидродинамической задачи о расширяющемся по произвольному закону поршне, можно оценить давление на границе газового пузыря. Решение задачи известно для случая несжимаемой жидкости, т. е. для случая, когда скорость много меньше скорости звука. Для нашего случая это неравенство выполняется Решение указанной задачи имеет вид

P(t) = P0 + ρ/2 [3(∂R/∂t)2 + 2R ∂2R/∂t2]

Значения R(t), dR/dt, ∂2R/∂t2могут быть получены из данных скоростной съемки.

Зависимость радиуса и скорости расширения газового пузыря от времени
Фиг. 3. Зависимость радиуса и скорости расширения газового пузыря от времени при W = 2,5 дж

Расчет показывает, что давление на границе газового пузыря спустя 80 мксек после его образования достигает величин порядка 10 ата и более в зависимости от запаса энергии в импульсе и его длительности.

Вероятно, судя по ходу кривой на более ранних стадиях развития тока, давление может достигать величины —100 ата и более.

Зависимость давления на границе газового пузыря от времени
Фиг. 4. Зависимость давления на границе газового пузыря от времени

Со временем давление падает и примерно к 350 мксек после начала импульса тока достигает минимума. Ясно, что приведенные на фиг. 4 данные относительно Р(t) являются лишь оценкой порядка величины давления и характеризуют его качественный ход во времени, так как точность расчетов в этом случае не превосходит 25%.

Если сопоставить описанную картину выброса металла из лунки с изменением давления во времени, то становится ясным, что сделанные нами качественные выводы справедливы. Легко видеть, что начало формирования фронта выбрасываемых частиц практически совпадает с падением давления ниже атмосферного. Резкий выброс паров в виде факела после окончания импульса также соответствует моменту, когда давление заметно снижается.

Естественно, что в реальных условиях электроискровой обработки металлов процессы в промежутке протекают по более сложному циклу чем в рассмотренном нами опыте (например, имеет место взаимодействие факелов паров анода и катода). Однако гидродинамическая природа сил, вызывающих выброс металла из лунки, нам представляется доказанной и для случая реальных условий электроискровой обработки металлов.

Выводы
а) Выброс металла для рассмотренного диапазона длительностей импульсов осуществляется главным образом в жидкой и лишь частично в газообразной фазе.
б) Удаление металла в газообразной фазе происходит в течение импульса тока.
в) Выброс основной части подвергшегося эрозии металла происходит в жидкой фазе после окончания импульса тока.
г) Гидро- и газодинамические процессы играют существенную роль в механизме эрозии металла.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru