УДК 621.03 Физические основы машиностроения. Техническая физика
Данная работа посвящена выявлению электрофизических закономерностей процесса струйной электролитно-плазменной обработки материалов. Проведены электростатические исследования в программе COMSOL Multiphysics. Оценено влияние напряжения между электродами, геометрическими параметрами трубки полого катода, формы капли и высоты межэлектродного промежутка на напряженность и распределение электрического поля. Уточнены данные по величине и расположению максимальной напряженности электрического поля. Показано, что исследуемые параметры существенно влияют на морфологию поверхности в зоне формирования электрического разряда, что подтверждается результатами проведенных экспериментов. Выполнено моделирование зоны обработки струей электролитной плазмы при разных параметрах. Показано, наличие конкурирующих механизмов съема материала. Проведено моделирование поверхности для разных видов механической обработки и рассчитаны параметры слоя подлежащего удалению. Результаты исследований могут быть применены для разработки технологических процессов для струйной электролитно-плазменной обработки турбинных лопаток.
СТРУЯ, ЭЛЕКТРОЛИТ, ЭЛЕКТРОСТАТИКА, МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ, ТОКОПОДВОД, ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Возрождение технологического суверенитета России возможно, как за счет снижения доли импорта готовых технологических решений, так и за счет применения отечественных наукоемких технологий позволяющих снизить затраты на производство и получить более качественную продукцию [1-5].
Одной из таких технологий является технология струйной электролитно-плазменной обработки поверхности и объема металлических изделий. На сегодня существует две основных разновидности данной технологии. Первой и основной технологией является обработка изделий в электролитической ванне погружением изделия [6-12]. Второй на сегодня еще довольно редко применяемой технологией является обработка поверхности и объема направленной (фокусированной) струей электролита или областью электролитной плазмы, сформированной электромагнитным полем [13-22]. Высокая скорость обработки в электролитной ванне и простота обработки позволяет обрабатывать сложные криволинейные изделия и неглубокие полости за технологический цикл 5-10 мин. При этом площадь изделий может составлять 1-2 м². К недостаткам метода можно отнести округление тонких кромок на ребрах и вершинах, наличие дефектов в виде эрозионных лунок в середине поверхности, значительную мощность источников питания, увеличивающих стоимость обработки и наличие большого объема паров от зеркала электролитической ванны, что снижает экологическую безопасность работ. Струйная электролитно-плазменная обработка является альтернативой обработки в электролитической ванне. Струйная обработка характеризуется локальным воздействием области электролитной плазмы на поверхность изделия, что позволяет проводить обработку изделия только в технологически обоснованных областях. Струйная обработка обладает определенными преимуществами, такими как возможность создания в заданной области электролитной плазмы с более высокими показателями напряженности электрического поля между катодом и анодом (изделием), более высокой скоростью удаления поверхностных слоев [8-17], более высокой скоростью достижения заданных параметров шероховатости, меньшими параметрами шероховатости при обработке, большей глубиной съема материала анода [18], более высокой экологичностью процесса и на несколько порядков меньшей мощностью затрачиваемой на процесс обработки. Однако применение струйных методов сдерживается за счет необходимости автоматизации процесса, а также недостатка знаний для разработки промышленно готовой технологии. Цель работы – установить связь между электрофизическими закономерности и изменениями морфологии поверхности после струйной электролитно-плазменной обработки.
2 Материалы и методы
Работа состояла из двух частей, экспериментальной и расчетной. Расчетная часть работы выполнялась с использованием программ COMSOL Multiphysics, Wolfram Mathematica, SolidWorks.
В программе COMSOL Multiphysics использовался расчетный модуль «Электростатика» для стационарной 2D-модели процесса струйной электролитно-плазменной обработки поверхности. Моделирование проводили с целью оценки влияния основных параметров процесса, напряжения между электродами, геометрическими параметрами трубки полого катода, формы капли и высоты межэлектродного промежутка на напряженность и геометрию электрического поля.
Экспериментальную часть работы проводили на установке струйной электролитно-плазменной обработки, созданной в Высшей школе машиностроения СПбПУ [18-22]. Назначение данного оборудования – формирование струйного электрического разряда (ЭР) в межэлектродном зазоре между поверхностью обрабатываемой детали и токоподводом (рис.1.). Объем электролита Q замеряли мерным химическим стаканом 2 класса точности с ценой деления 0,02 мл. Напряжение измеряли цифровым мультиметром UT61B с точностью измерения ± (0,5 %+1). В качестве электролита использовали хлорид натрия. Концентрацию электролита k меняли в диапазоне от 22,5-100 мг/л
Морфологию поверхности изучали сшиванием изображений на автоматическом микротвердомере FM-300 (Япония) с помощью программы Thixomet Pro (Россия).
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
а) – формирование электролитической капли; б) – касание электролитической капли поверхности анода; б) – формирование электролитической струи (моделирование в графическом редакторе Cinema 4D)
Рисунок 1 – Основные этапы развития струйного электролитно-плазменного разряда
- Электрофизическое моделирование зоны обработки в программном продукте COMSOL Multiphysics
Оценку потенциала для среды с разными электрофизическими свойствами проводили в соответствии с уравнением:
(1)
где U – потенциал электростатического поля; ɛ – диэлектрическая проницаемость; ρ – плотность объемных свободных зарядов.
При этом заряды расположены только на металлическом катоде и металлическом аноде. В этом случае плотность объемного заряда соответствует выражению:
1. Степанова, Т. Д. Технологический суверенитет России как элемент экономической безопасности Экономический журнал Экономика: вчера, сегодня, завтра Том 12, № 9A, 2022. с. 567-575.
2. Институциональные аспекты инновационной экономики: монография / Т. И. Безденежных, В. В. Шапкин, О. В. Угольникова [и др.]; Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики, 2012. - 131 с. - ISBN 978-5-228-00590-7. - EDN TLVEJZ.
3. Попова, А. И. Северо-Западный регион в системе мирохозяйственных связей / А. И. Попова // Интеграция экономики в систему мирохозяйственных связей: Сборник научных трудов XVII Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 23-25 октября 2012 года. - Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2012. - С. 100-102. - EDN WDWGQF.
4. Роль университета в интеграции образования, науки и бизнеса / С. И. Головкина, А. И. Попова, С. А. Черногорский, Н. В. Валебникова // Университет как фактор модернизации России: история и перспективы (к 55-летию ЧГУ им. И.Н. Ульянова): Материалы Международной научно-практической конференции, Чебоксары, 18 октября 2022 года / Редколлегия: А.Ю. Александров [и др.]. - Чебоксары: Общество с ограниченной ответственностью «Издательский дом «Среда», 2022. - С. 138-140. - EDN NERYTD
5. Обеспечение этапов жизненного цикла лопаток паровых турбин применением ультразвукового контроля / А. И. Попова, А. И. Попов, В. С. Медко, М. И. Тюхтяев // Металлообработка. - 2013. - № 5-6(77-78). - С. 43-47. - EDN SBOFBP.
6. Алексеев Ю. Г., Королев А.Ю., Паршуто А.Э., Нисс В.С. Электролитно-плазменная обработка при нестационарных режимах в условиях высокоградиентного электрического поля. Наука и Техника. 2017;16(5):391-399. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-391-399
7. Импульсная электролитно-плазменная технология размерной и финишной обработки металлических материалов / А. Ю. Королев, В. С. Нисс, Ю. Г. Алексеев [и др.] // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: Сборник докладов 12-го Международного симпозиума. В 2-х частях, Минск, 07-09 апреля 2021 года / Редколлегия: А.Ф. Ильющенко (гл. ред.) [и др.]. - Минск: Республиканское унитарное предприятие "Издательский дом "Белорусская наука", 2021. - С. 87-93. - EDN QQBOVV.
8. Danilov, I.; Hackert-Oschätzchen, M.; Zinecker, M.; Meichsner, G.; Edelmann, J.; Schubert, A. Process Understanding of Plasma Electrolytic Polishing through Multiphysics Simulation and Inline Metrology. Micromachines 2019,10, 214. https://doi.org/10.3390/mi10030214.
9. Захаров, С. В. Ионизационная модель электролитно-плазменного полирования / С. В. Захаров, М. Т. Коротких, Е. В. Гонибесова // Неделя науки СПбПУ : Материалы научной конференции с международным участием. В 2-х частях, Санкт-Петербург, 18-23 ноября 2019 года. - Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2020. - С. 255-258. - EDN PNORZK.
10. P. Gupta, G. Tenhundfeld, E.O. Daigle, D. Ryabkov, Electrolytic plasma technology: Science and engineering-An overview, Surface and Coatings Technology, Volume 201, Issue 21, 2007, Pages 8746-8760, ISSN 0257-8972, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.11.023.
11. Danilov, I.; Hackert-Oschätzchen, M.; Schaarschmidt, I.; Zinecker, M.; Schubert, A. Transient Simulation of the Removal Process in Plasma Electrolytic Polishing of Stainless Steel. In Proceedings of the COMSOL Conference 2018, Lausanne, Switzerland, 22-24 October 2018; Available online: https://www.comsol.com/paper/download/573171/danilov_paper.pdf (accessed on 10 December 2018).
12. Захаров, С. В. Сравнительный анализ электролитно - плазменных технологий / С. В. Захаров, А. И. Попов // Электрофизические методы обработки в современной промышленности. Специальный выпуск: аддитивные технологии: Материалы III Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, Пермь, 11-12 декабря 2019 года. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2020. - С. 64-67. - EDN KVBMJZ.
13. Quitzke, Susanne & Kröning, Oliver & Safranchik, Daniel & Zeidler, Henning & Danilov, Igor & Martin, André & Böttger-Hiller, Falko & Essel, Shai & Schubert, Andreas. (2022). Design and setup of a jet-based technology for localized small scale Plasma electrolytic Polishing. Journal of Manufacturing Processes. 75. 1123-1133.https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.064.
14. Krishna Kumar Saxena, Jun Qian, Dominiek Reynaerts, A tool-based hybrid laser-electrochemical micromachining process: Experimental investigations and synergistic effects, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 155, 2020,103569, ISSN 0890-6955, https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103569.
15. Quitzke, S., Martin, A., Schubert, A.: Influence of ignition and polishing phase on jet shape and electric current in jet-plasma electrolytic polishing. In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, EUSPEN 2021, pp. 165-168 (2021)
16. Popov, A.I., Fumin, A.S., Novikov, V.I., Teplukhin, V.G., Veselovsky, A.P. (2023). Peculiarities of Contact Interaction of an Electrolytic Plasma with a Surface in Jet Machining of Materials of Turbine Blades. In: Radionov, A.A., Gasiyarov, V.R. (eds) Proceedings of the 8th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2022. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-14125-6_71
17. Wu, Y., Wang, L., Zhao, J. et al. Spray electrolyte plasma polishing of GH3536 superalloy manufactured by selective laser melting. Int J Adv Manuf Technol 123, 2669-2678 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-10283-3
18. High-Speed Dimensional Processing of Metallic Materials with an Environmentally Friendly Jet Electrolyte-Plasma Method / A. Popov, A. Popova, A. Fumin [et al.] // Mechanisms and Machine Science (book series). - 2022. - Vol. 108 MMS. - P. 481-489. - DOIhttps://doi.org/10.1007/978-3-030-87383-7_52. - EDN SEEEPN.
19. Патент № 2623555 C1 Российская Федерация, МПК C25F 7/00. Установка для электролитно-плазменной обработки турбинных лопаток: № 2016120180: заявл. 24.05.2016: опубл. 27.06.2017 / А. И. Попов, М. М. Радкевич, В. Н. Кудрявцев [и др.]; заявитель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ"). - EDN USJMHW.
20. Патент № 2656318 C1 Российская Федерация, МПК C23C 14/35. Магнетронная распылительная головка: № 2017111428: заявл. 04.04.2017: опубл. 04.06.2018 / А. И. Попов, М. М. Радкевич, В. С. Медко [и др.]; заявитель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ"). - EDN UQSEXB.
21. Попов, А. И. Особенности электролитно-плазменного полирования стентов / А. И. Попов, М. М. Радкевич, М. В. Новоселов // Технология металлов. - 2019. - № 5. - С. 24-29. - DOIhttps://doi.org/10.31044/1684-2499-2019-5-0-24-29. - EDN UIJGJG.
22. Popov, A.I., Radkevich, M.M., Teplukhin, V.G.: Thinnest finishing treatment with a focused jet of electrolytic plasma. In: Evgrafov, A.N. (ed.) Advances in Mechanical Engineering. LNME, pp. 139-149. Springer, Cham (2020). https://doi.org/10.1007/978-3-030-39500-1_15
