Электрогидравлическая обработка материалов
1. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
1.1. Теория электрогидравлического эффекта
Возникновение высокого давления в результате действия высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами называется электрогидравлическим эффектом (ЭГЭ). Результатом энергии импульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, является давление до 300 МН /м2.
Электрический разряд в жидкости - это способ преобразования электрической энергии в механическую, которое совершается без промежуточных звеньев и с высоким КПД. Электрическая схема электрогидравлического эффекта показана на рис. 1.1. Элементами схемы являются повышающий трансформатор Т, выпрямитель В, накопитель энергии С, формирующий промежуток ФП и разрядный промежуток РП.
Высоковольтный искровой разряд в жидкости характеризуется очень быстрым преобразованием запасенной в накопителе электрической энергии в тепловую, световую, механическую и т. д. В момент пробоя практически несжимаемая жидкость вызывает электрогидравлический удар, что еще больше усиливает действие электрического взрыва. В процессе образования и развития искрового канала в жидкости выделяют следующие три стадии.
1. При появлении высокого напряжения в разрядном промежутке жидкости в течение некоторого времени t1 напряжение на нем остается практически постоянным. Затем в зависимости от параметров контура и начального напряжения оно резко падает.
Рис. 1.1. Электрическая схема электрогидравлической обработки
Рис. 1.2. Зависимости напряжения (а), тока (б), мощности (в) и сопротивления (г) канала разряда от времени
Образование канала разряда при высоких напряжениях на рабочих электродах обусловлено появлением лидеров, которые вызывают потоки электронных лавин, срывающихся с отрицательного и устремляющихся к положительному электроду. В начале пробоя образуется несколько лидерных каналов, которые затем сливаются в один общий канал.
Промежуток времени t1 характеризует лидерную стадию разряда и определяется электрохимическими свойствами жидкости, напряжением, формой и размерами электродов. Чем больше уровень напряжения, меньше длина рабочего промежутка и площадь положительного электрода, тем меньше t1. На рис. 1.2 представлены зависимости тока, напряжения, мощности и сопротивления канала разряда от времени.
Лидерная, или стримерная, стадия продолжается от момента приложения напряжения к разрядному промежутку до образования токопроводящего канала между электродами.
2. Яркая вспышка - результат пробоя межэлектродного промежутка. Во время вспышки выделяется большая часть запасенной в конденсаторе энергии. Эта стадия ограничивается малым временем протекания и значительным световым излучением. После пробоя межэлектродного промежутка его сопротивление резко падает, а ток при этом резко возрастает. Плотность тока в канале разряда доходит до 106 А/см2 и выше. Плотность выделяющейся в канале энергии очень велика, это приводит к разогреву окружающей среды, ее диссоциации и ионизации. В результате вспышки в канале разряда образуется плазма температурой 15 000-20 000 К.
Спонтанный нагрев плазмы разрядным током вызывает повышение давления в канале и его расширение. Мгновенное расширение канала в прилегающей жидкости вызывает ударную волну, распространяющуюся от канала разряда в виде зоны сжатия с крутым передним фронтом. Фронт ударной волны, сначала неотделимый от стенки канала, через некоторое время отделяется от нее, так как скорость распространения ударной волны в среде существенно выше скорости расширения канала разряда. При удалении фронта волны от канала скорость ее распространения приближается к звуковой, а давление на фронте волны падает из-за рассеивания энергии.
3. При снижении тока в разрядном контуре и достаточной мощности источника искровой разряд может перейти в стадию дугового разряда. Это приводит к уменьшению плотности тока в канале и температуры плазмы в нем. При дуговом разряде ток поддерживается за счет термоэлектронов катода. В канале образуется пар за счет превращения остывающей плазмы в пар и испарения части жидкости из окружающих канал разряда слоев. Канал разряда превращается в парогазовую сферу. По мере увеличения газовой сферы давление в ней понижается и становится меньше гидростатического. Окружающие газовую сферу слои воды продолжают двигаться по инерции. По достижении максимального размера сфера начинает сжиматься. Таких циклов «расширение - сжатие» может быть несколько.
Первоначальная форма канала разряда, возникшего в результате высоковольтного пробоя жидкости, зависит от формы лидера, замыкающего электроды. Поэтому такой канал почти всегда искривлен. Возникающий разряд с помощью взрывающейся проволочки образует канал, который имеет форму прямого цилиндра со сферическими торцами.
Стартовый диаметр канала при высоковольтном пробое воды составляет несколько десятых долей миллиметра. При возбуждении же разряда проволочкой начальный диаметр канала разряда зависит от диаметра проволочки. Материал используемых проволочек и их размеры заметно влияют как на значение, так и на характер выделяемой энергии при высоковольтном разряде в жидкости.
При увеличении диаметра проволочки максимум мощности электрического разряда растет до определенного значения, а затем убывает.
Исходный материал и размеры технологических проволочек влияют на гидродинамические параметры разряда, на давление и скорость образующейся при разряде ударной волны.
Размер проволочек обусловлен оптимальными параметрами разряда, как по электрическим, так и по гидродинамическим показателям процесса.
1.2. Практическое использование электрического разряда в жидкости
Очистка литья от формовочной земли с использованием электрогидравлического эффекта производится в воде и исключает пылеобразование. Очищаемые отливки помещают в бак. После установки электродов относительно деталей очистку от формовочной земли производят серией импульсов. Применение многоэлектродных трехфазных установок обеспечивает обработку одновременно нескольких отливок.
Формообразование представляет собой процесс получения фасонных изделий из тонколистового материала с использованием направленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих в жидкости при импульсном электрическом разряде. Главными факторами формообразования методом электрогидравлического разряда (ЭГР) являются сверхвысокие ударные гидравлические давления, мощные кавитационные процессы и ультразвуковое излучение.
С целью получения заданных по форме изделий создаются определенные формы волн: с острым фронтом, сферические и др. Это достигается различным расположением электродов, а также различными формами проволочек, закорачивающих межэлектродный промежуток. Форму фронта ударной волны приводят в соответствие с формой рабочей полости матрицы. Для этого проволоку, закорачивающую концы электродов, изгибают так, чтобы разряд следовал по возникшему плазменному каналу проводимости.
Тонкое измельчение. При использовании этого способа материал диспергируется или разрушается волной, возникающей при электрогидравлическом ударе в жидкости. Эффективная способность волны зависит от параметров разрядного контура, а энергия импульса - от напряжения и емкости накопителя энергии.
Для измельчения различных минеральных сред применяются специальные электрогидравлические вибраторы (ЭГ-вибраторы). Они просты и надежны в работе, их конструкция представляет собой систему «цилиндр - поршень». Корпус вибратора заполнен водой. От источника питания на электроды вибратора подается высоковольтный импульс, вызывающий искровой разряд между ними, благодаря чему в жидкости возникает импульс давления, заставляющий поршень перемещаться вдоль своей оси. В результате движения поршня в полости цилиндра возникает разрежение, и под действием атмосферного давления поршень возвращается в исходное положение. Так осуществляется возвратно-поступательное движение поршня, которое характеризуется механическим импульсом, направленным на обрабатываемое изделие. Частота движения поршня задается частотой электрических разрядов.
Итак, электрический разряд в жидкости - это способ преобразования электрической энергии в механическую, которое совершается без промежуточных звеньев и с высоким КПД. Искровой высоковольтный разряд в жидкости мгновенно преобразует накопленную энергию в тепловую, световую, механическую и др. Несжимаемость жидкости приводит к электрогидравлическому удару, который многократно усиливает действие электрического разряда. Электрогидравлический удар широко применяется для очистки литых заготовок от земли, при изготовлении фасонных изделий из тонколистового материала, для дробления минеральных сред и др.
Наряду с названными методами преобразования электрической энергии в механическую в промышленности широко используется ультразвук. С этим методом обработки познакомимся в следующей главе.