Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов

Выполнена классификация электроразрядных генераторов упругих колебаний, используемых в технологии электрогидроимпульсной обработки жидкого металла, расходуемым волноводом. Методами численного и физического экспериментов определены приемы повышения эффективности электрогидроимпульсного воздействия...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Процессы литья
Date:	2011
Main Authors:	Грабовый, В.М., Иванов, А.В., Мельник, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2011
Subjects:	Новые методы и прогрессивные технологии литья
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114176
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов / В.М. Грабовый, А.В. Иванов, А.В. Мельник // Процессы литья. — 2011. — № 1. — С. 36-46. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-114176
record_format	dspace
spelling	Грабовый, В.М. Иванов, А.В. Мельник, А.В. 2017-03-02T15:44:41Z 2017-03-02T15:44:41Z 2011 Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов / В.М. Грабовый, А.В. Иванов, А.В. Мельник // Процессы литья. — 2011. — № 1. — С. 36-46. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114176 621.745.56:621.7.044.4 Выполнена классификация электроразрядных генераторов упругих колебаний, используемых в технологии электрогидроимпульсной обработки жидкого металла, расходуемым волноводом. Методами численного и физического экспериментов определены приемы повышения эффективности электрогидроимпульсного воздействия на расплав без роста энергозатрат на обработку. Виконано класифікацію електророзрядних генераторів пружних коливань, які використовуються в технології електрогідроімпульсної обробки рідкого металу хвилеводом, що витрачається. Методами чисельного та фізичного експериментів визначені прийоми підвищення ефективності електрогідроімпульсної дії на розплав без зростання енерговитрат на обробку. Classification of elektrodischarge generators of elastic oscillations, used in technology of elektrohydropulse treatment of liquid metal by the expended waveguide is compiled. The methods to increase the efficiency of the elektrohydropulse effect on the melt without increased energy costs for the treatments are determined due to numerical and physical experiment. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Новые методы и прогрессивные технологии литья Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов
spellingShingle	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов Грабовый, В.М. Иванов, А.В. Мельник, А.В. Новые методы и прогрессивные технологии литья
title_short	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов
title_full	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов
title_fullStr	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов
title_full_unstemmed	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов
title_sort	использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов
author	Грабовый, В.М. Иванов, А.В. Мельник, А.В.
author_facet	Грабовый, В.М. Иванов, А.В. Мельник, А.В.
topic	Новые методы и прогрессивные технологии литья
topic_facet	Новые методы и прогрессивные технологии литья
publishDate	2011
language	Russian
container_title	Процессы литья
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
format	Article
description	Выполнена классификация электроразрядных генераторов упругих колебаний, используемых в технологии электрогидроимпульсной обработки жидкого металла, расходуемым волноводом. Методами численного и физического экспериментов определены приемы повышения эффективности электрогидроимпульсного воздействия на расплав без роста энергозатрат на обработку. Виконано класифікацію електророзрядних генераторів пружних коливань, які використовуються в технології електрогідроімпульсної обробки рідкого металу хвилеводом, що витрачається. Методами чисельного та фізичного експериментів визначені прийоми підвищення ефективності електрогідроімпульсної дії на розплав без зростання енерговитрат на обробку. Classification of elektrodischarge generators of elastic oscillations, used in technology of elektrohydropulse treatment of liquid metal by the expended waveguide is compiled. The methods to increase the efficiency of the elektrohydropulse effect on the melt without increased energy costs for the treatments are determined due to numerical and physical experiment.
issn	0235-5884
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114176
citation_txt	Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов / В.М. Грабовый, А.В. Иванов, А.В. Мельник // Процессы литья. — 2011. — № 1. — С. 36-46. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT grabovyivm ispolʹzovanieélektrorazrâdnogogeneratorauprugihkolebaniidlâobrabotkimetallovisplavov AT ivanovav ispolʹzovanieélektrorazrâdnogogeneratorauprugihkolebaniidlâobrabotkimetallovisplavov AT melʹnikav ispolʹzovanieélektrorazrâdnogogeneratorauprugihkolebaniidlâobrabotkimetallovisplavov
first_indexed	2025-11-27T09:22:31Z
last_indexed	2025-11-27T09:22:31Z
_version_	1850808988985196544
fulltext	36 SSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) Новые методы и прогрессивНые техНологии литья 621.745.56:621.7.044.4 в. м. грабовый, А. в. иванов, А. в. мельник Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, Николаев использовАНие ЭлектрорАзрядНого геНерАторА упругих колебАНий для обрАботки метАллов и сплАвов Выполнена классификация электроразрядных генераторов упругих колебаний, используемых в технологии электрогидроимпульсной обработки жидкого металла, расходуемым волново- дом. Методами численного и физического экспериментов определены приемы повышения эффективности электрогидроимпульсного воздействия на расплав без роста энергозатрат на обработку. Ключевые слова: электрогидроимпульсная обработка, жидкий металл, волновод, электро- разрядный генератор упругих колебаний. Виконано класифікацію електророзрядних генераторів пружних коливань, які викори- стовуються в технології електрогідроімпульсної обробки рідкого металу хвилеводом, що витрачається. Методами чисельного та фізичного експериментів визначені прийоми підвищення ефективності електрогідроімпульсної дії на розплав без зростання енерговитрат на обробку. Ключові слова: електрогідроімпульсна обробка, рідкий метал, хвилевод, електророзрядний генератор пружних коливань. Classification of elektrodischarge generators of elastic oscillations, used in technology of elektrohydropulse treatment of liquid metal by the expended waveguide is compiled. The methods to increase the efficiency of the elektrohydropulse effect on the melt without increased energy costs for the treatments are determined due to numerical and physical experiment. Keywords: elektrohydropulse treatment, liquid metal, waveguide, elektrodischarge generator of elastic oscillations. введение Сегодня ряд проблем качества литого металла решается путем активной электрогидроимпульсной обработки (ЭГИО) расплава металлов и сплавов [1- 3] при использовании электрогидравлических модульных установок. Важнейшим звеном таких установок является электроразрядный генератор упругих колебаний (ЭРГУК). Выделение нерешенной части проблемы. Ударно-волновое воздействие при ЭГИО – это эффективный способ создания экстремальных состояний исходного вещества, в результате которого существенно изменяются структура и свойства расплава. Это обеспечивает получение новых свойств материалов в литом или ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) 37 Новые методы и прогрессивные технологии литья термически обработанном изделии [4-8]. Конечный результат ЭГИО в значительной степени определяется условиями протекания высоковольтного разряда в ЭРГУК, которые зависят от его конструкции [9]. Вместе с тем, считая с момента публикации обобщающей монографии, то есть с 1985 г. и до настоящего времени, материалов, характеризующих современный уровень разработок ЭРГУК, опубликовано мало. Целью работы является систематизация и описание конструктивных особенностей ЭРГУК и их взаимосвязь с эффективностью воздействия. Общие положения. Принцип работы ЭРГУК основан на использовании эффек- тов, проявляющихся при высоковольтном электрическом разряде в воде. В общем случае ЭРГУК представляет собой разрядную камеру мембранного типа, запол- ненную рабочей жидкостью. Разрядная камера выполнена в виде толстостенного цилиндра с верхним жестким и нижним упругим основаниями. Между электродом, расположенным на оси камеры, и упругим основанием происходит электрический разряд. При этом в рабочей жидкости камеры возникает волна давления, которая деформирует нижнее основание. В свою очередь, нижнее основание передает энер- гию волноводу, погруженному в ковш с расплавом. Таким образом, возмущения от волновода генерируют в жидком металле нестационарное поле давлений, которое инициирует в расплаве физические процессы, оказывающие положительное воз- действие на качество структуры отливок. Результаты исследований и их об- суждение. Как показывает практиче- ский опыт применения ЭРГУК для об- работки расплава [2, 9-12], основными факторами, влияющими на внешние, формирующие структуру, параметры, являются геометрические размеры, форма элементов разрядной камеры; характеристики разрядного контура; свойства рабочей жидкости, запол- няющей разрядную камеру; система и режим прокачки жидкости в разрядной камере; наличие объема воздуха в верх- ней части разрядной камеры; наличие и конструкция упругой подвески. На рис. 1 представлен один из вариантов ЭРГУК. На рис. 2 приведена классификация конструкций ЭРГУК. В разработанных конструкциях основные геометрические размеры из- меняются в следующих пределах: высо- та ЭРГУК – от 0,1 до 1,5 м; объем ЭРГУК – от 5 до 120 л; толщина мембраны – от 3 до 30 мм; диаметр мембраны – от 0,1 до 1,0 м; диаметр волновода – от 0,005 до 0,5 м. В принятой классификации можно выделить множество более мелких признаков. Например, умеренная или интенсивная прокачка ЭРГУК может осуществляться и через положительный электрод. Исследованы конструкции с прокачкой через по- лый токовод электрода и с подачей воды через полость, образуемую тоководом и трубчатым элементом электрода. Такое конструктивное решение позволяет иниции- ровать пробой разрядного промежутка в ЭРГУК и снизить предпробивные потери. Достаточно часто электрод снабжается сменным полиэтиленовым наконечником, причем конфигурация внутренней полости существенно зависит от параметров разрядного контура. Это конструктивное решение позволяет продлить срок службы Рис. 1. Общий вид и классификация ЭРГУК: 1 – крышка; 2 – корпус; 3 – мембрана; 4 – вол- новод; 5 – кремальерное соединение; 6 – вода; 7 – токоподвод 38 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) Новые методы и прогрессивные технологии литья электродной системы. Материалом изоляции электрода ЭРГУК тоже можно варьи- ровать – полиэтилен высокого давления, вакуумная трубка, шнекованная резина и т. д. Эффективная реализация процесса ЭГИО с ЭРГУК зависит, кроме перечислен- ных выше характеристик, от параметров разрядного контура. На рис. 3 приведены варианты управления работой ЭРГУК. Рассмотрим их более детально. Влияние объема воздушной полости в верхней части ЭРГУК прямого действия (дополнительная информация приведена в работе [10]). Эксперименты проводили при напряжении U0 = 50 кВ; запасаемой энергии W0 = 1,25 кДж; частоте следования разрядов – 1 Гц. Время работы ЭРГУК – 30 с, относительный объем воздушной полости составлял 17 % от объема рабочей полости ЭРГУК. Установлено, что пластическая деформация крешерного датчика, нагружаемого вдоль его оси, со- ставила, в мм: • с воздушной полостью и прокачкой воды – ~ 2,5; • с воздушной полостью и без прокачки – ~ 2; • без воздушной полости и с прокачкой – ~ 1,5; • без воздушной полости и прокачки – ~ 1. по способу действия одностороннего типа двухстороннего типа по направлению действия относительно горизонтального уровня прямого обратного прямого, наклонного обратного, наклонного по геометрическим размерам Эргук малогабаритные средние крупногабаритные диаметр ≤ 0,3 м диаметр ≤ 0,6 м диаметр ≤ 1 м высота ≤ 0,3 м высота от 0,3 до 0,5 м высота от 0,6 до 1,5 м по используемой системе крепления Эргук жестко защемленный ЭРГУК упруго защемленный ЭРГУК ЭРГУК на траверсе крана по конструкции упруго-подвижного элемента – мембраны тонкая пластина мембрана с волноводом плунжер плунжер-мембрана пакет пластин по используемой системе прокачки Эргук без прокачки с умеренной прокачкой с интенсивной прокачкой с воздушной полостью в верхней части по конструкции волновода цилиндрический с насадкой с осевым отверстием с диаметром переменного сечения по конструкции крышки корпуса Эргук плоская массивная вогнутая массивная многослойная плоская тонкая Рис. 2. Классификация ЭРГУК по элементным признакам ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) 39 Новые методы и прогрессивные технологии литья Численным моделированием установлено, что наличие в верхней части ЭРГУК воздушной полости объемом от 1,5 до 6,0 % от объема разрядной камеры способ- ствует максимальному повышению размаха колебаний (А max – А min ) волновода ЭРГУК (от 1,0-1,5 до 2,0-2,5 мм), рис. 4, то есть очевидно, что наличие воздушной полости и прокачки жидкости положительно влияет на увеличение амплитуды перемещения торца волновода ЭРГУК. Установлены оптимальные значения этого параметра. Использование упругой подвески ЭРГУК и насадки на волновод (дополнительная Управление процессами в ЭРГУК И зм ен ен ие о бъ ем а во зд уш но й по ло ст и в ве рх не й ча ст и Э РГ У К п ря м ог о де йс тв ия И сп ол ьз ов ан ие у пр уг о за щ ем ле нн ой си ст ем ы кр еп ле ни я Э РГ У К и в ол но во да с н ас ад ко й О пр ед ел ен на я ам пл ит уд а пе ре м ещ ен ия во лн ов од а И зм ен ен ие д ин ам ик и пе ре м ещ ен ия во лн ов од а и ув ел ич ен ие е го с то йк ос ти И зм ен ен ие г ео м ет ри и м ем бр ан ы Э РГ У К И зм ен ен ие г ео м ет ри и на са до к и во лн ов од а Э РГ У К П ов ы ш ен ие д ав ле ни я в ра сп ла ве И зм ен ен ие а м пл ит уд но -ч ас то тн ы х ха ра кт ер ит ик КК оо лл ее бб аа тт ее лл ьь нн ыы йй ,, сс оо гг лл аа сс оо вв аа нн нн ыы йй ии аа пп ее рр ии оо дд ии чч ее сс кк ии йй хх аа рр аа кк тт ее рр пп рр оо тт ее кк аа нн ии яя тт оо кк аа нн аа рр аа зз рр яя дд нн оо мм пп рр оо мм ее жж уу тт кк ее И зм ен ен ие р еж им а вы де ле ни я эн ер ги и РР аа зз рр яя дд нн аа яя ии пп оо сс лл ее рр аа зз рр яя дд нн аа яя сс тт аа дд ии ии ээ нн ее рр гг оо вв ыы дд ее лл ее нн ии яя О пт им из ац ия э не рг оз ат ра т Варианты управления Получаемый результат Рис. 3. Варианты управления работой ЭРГУК 40 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) Новые методы и прогрессивные технологии литья информация в работах [13-14]). На рис. 5 приведены результаты из- менения амплитуды перемещения торца волновода ЭРГУК с упруго защемленной системой крепления (Ав – амплитуда перемещения торца волновода диаметром 20 мм; dн – на- ружный диаметр насадки, dн = 50 мм). В общем движение торца волновода представляет собой затухающие гармонические колебания, что объ- ясняется синусоидальным законом изменения возмущающей силы F (t). Наличие цилиндрических насадок на торце волновода способствует более интенсивному затуханию колебаний. Чем больше диаметр насадки, тем быстрее система возвращается в положение стати- ческого равновесия. Для расплава Al (при dн, равном 30 мм) колебания затухают практически после 200 мс. С увеличением dн до 70 мм колебания затухают после 40 мс, а амплитуда падает до нуля. Чем ближе значение отношения жесткости упругих элементов к жесткости мембраны, тем больше частота колебаний волновода, но величина амплитуды при этом значительно уменьшается. В этой связи рассмотрим роль диссипативных свойств колебательной системы – расплава алюминия и железа. В качестве ее характеристики используется логарифмический декремент колебаний, который равен натуральному логарифму отношения двух последовательных пиковых значений смещения, разделенных во времени одним периодом. С другой стороны, отношение рассеянной энергии за один цикл к средней энергии цикла характеризует быстроту затухания колебательного процесса и представляет собой коэффициент поглощения ψ, который при умеренном затухании вдвое больше логарифмического декремента [15]. Оценим значения ψ в предположении, что затухание колебаний волновода без насадки и с круговой насадкой при dн, равном 30 мм, умеренное, то есть ψ = const для всего процесса движения. Полученные результаты представлены в табл. 1. Рис. 5. Изменение амплитуды перемещения торца волновода ЭРГУК на упругих элемен- тах: а – при k1/k2 = 0,5; б – при k1/k2 = 1 (k1 – суммарный коэффициент жесткости пакетов упругих элементов, Н/м; k2 – коэффициент жесткости мембраны, Н/м) а б 0 5 10 15 20 0,6 0,8 1,0 (А max – А min), мм Vотн, % Рис. 4. Влияние относительного объема воздушной полости (V отн ) в верхней части ЭРГУК на размах ко- лебаний торца волновода (А max – А min ) (A max – A min ), мм V отн , % 0 19 15 20 1,0 0,8 0,6 5 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) 41 Новые методы и прогрессивные технологии литья Следует отметить, что увеличение коэффициента поглощения энергии за счет цилиндрических насадок для расплава алюминия и железа остается величиной постоянной – 2,85±0,05. Демпфирующие свойства расплава определяются его плотностью, поэтому с ее повышением заметно падает амплитуда. Так, если для расплава алюминия при колебаниях волновода без насадки амплитуда падает до 1 мм через 110 мс, то для расплава железа это значение амплитуды наблюдается при 38 мс. Влияние изменения геометрии волновода, насадок и мембраны ЭРГУК (до- полнительная информация в работах [14, 16]). Численный эксперимент показал, что с увеличением толщины мембраны (в 2 раза) и диаметра волновода амплитуда уменьшается почти на порядок, появляются высокочастотные составляющие, в основном перемещение мембраны, а частота затухающих колебаний увеличивается в 2,8 раза. С повышением запасаемой энергии амплитуда торца волновода и дли- тельность основного перемещения увеличиваются, частота затухающих колебаний практически не изменяется. При увеличении диаметра мембраны в 4 раза ампли- туда колебаний волновода повышается на два порядка, сокращается длительность основного перемещения и значительно (на 70 %) падает частота затухающих коле- баний. Увеличение диаметра волновода несколько снижает амплитуду основного перемещения и частоту затухающих колебаний. Увеличение диаметра волновода в 2 раза в 1,25 раза снижает амплитуду основного перемещения и в 1,5 раза – частоту затухающих колебаний. Воздействие на расплав происходит как на разрядной, так и послеразряд- ной стадиях обработки. Перемещение рабочего элемента ЭРГУК представляет собой результирующее движение от воздействия давления канала разряда и квазистатического давления парогазовой полости (ПГП). Численным модели- рованием установлено, что амплитуды первого полупериода колебаний торца волновода на разрядной и послеразрядной стадиях практически идентичны. На послеразрядной стадии в расплав вводятся достаточно высокие уровни дав- лений (до 33 МПа), но в более узком частотном диапазоне (до 600 Гц), чем на стадии энерговыделения (давление – до 1 МПа, частотный диапазон – от 0 до 100 кГц). Влияние колебательного, согласованного и апериодического разрядов на ха- рактер протекания тока на разрядном промежутке (дополнительная информация в работе [17]). Как известно [18], при ЭГИО в межэлектродном промежутке ЭРГУК происходит электровзрывное преобразование энергии, формируется парогазовая полость – источник силового воздействия на расплав. Динамика процесса претер- певает три последовательные стадии, рис. 6. Первая стадия – формирование токопроводящего канала, замыкающего межэлек- тродный промежуток. Вторая, канальная стадия, начинается с момента замыкания водного промежутка каналом высокой проводимости и характеризуется быстрым выделением в канале электрической энергии, резким раcширением разрядного промежутка, формированием и распространением импульсов сжатия, которые передаются в расплав через волноводную систему. Заключительная, послераз- рядная стадия, наступает после окончания выделения энергии в разрядном канале и характеризуется пульсацией послеразрядной парогазовой полости, которая является вторичным источником возмущений в расплаве. ψ для расплава Al ψ для расплава Fe без насадки с насадкой dн = 30 мм без насадки с насадкой dн = 30 мм 0,112 0,268 0,325 0,75 таблица 1. значения коэффициента поглощения (ψ) при Эгио 42 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) Новые методы и прогрессивные технологии литья Силовое воздействие на расплав непосредственно осуществляется на второй и третьей стадиях разряда, а процессы на первой стадии опреде- ляют степень потерь при формиро- вании токопроводящего канала. Для повышения эффективности на пер- вой стадии очень важно минимизиро- вать энергетические потери, напри- мер, путем инициирования разряда струей воды, прокачиваемой через электрод. Результаты исследований [9] дают более широкое представ- ление о проверенных на практике рекомендациях по конструктивному исполнению электродной системы, обеспечивающей минимизацию предпробивных потерь. Вторая, канальная стадия, является нели- нейным, неуправляемым элементом системы электровзрывного преоб- разования энергии в ЭРГУК. Третья, послеразрядная стадия, является наиболее сложной для анализа, так как здесь силовое воздействие на расплав определяется не только энергией пульсирующей парогазо- вой полости, но также геометрией разрядной камеры и мембраны. Кро- ме того, на характер нагружения рас- плава, как показано ранее в работах [10, 11], может существенно влиять воздушная полость в верхней части ЭРГУК. Анализ результатов по изменению сопротивления канала разряда во вре- мени позволил многообразие кривых тока i (t), зависящих от С (емкости), U0 (начального напряжения), L (индукдуктивности), lр (разрядного промежутка), R0 (начального радиуса канала) и скорости расширения канала, свести к семейству кривых, зависящих от трех комбинаций в безразмерном виде [19, 20] 2 p3 2 2 0 А П = / = � К l U LC × h p , (1) где А – искровая постоянная, равная 105 В2 · с/м2. Параметр η – доля энергии, выделившейся в течение первого полупериода разрядного тока, который равен нулю при коротком замыкании межэлектродно- го промежутка и единице при предельном апериодическом разряде. Выделение электрической энергии при η ≈ 0,8 соответствует так называемому согласованно- му режиму разряда, когда сопротивление канала становится равным волновому сопротивлению цепи [8]. Такой разряд является оптимальным по электрическому КПД и именно на его реализацию обычно направлено конструктивное исполнение ЭРГУК. Между тем расчеты, изложенные в работе [12], свидетельствуют, что более Рис. 6. Геометрическая модель процесса разряда: а – взаимообменный способ передачи (нет пря-– взаимообменный способ передачи (нет пря- взаимообменный способ передачи (нет пря- мого контакта), б – последовательный способ, в – параллельный способ; 1 – рабочая жидкость, 2 – оголенная часть электрода-анода, 3 – лидеры, 4 – волновод, 5 – канал разряда, 6 – пульсирую-– пульсирую- пульсирую- щая парогазовая полость а б в ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) 43 Новые методы и прогрессивные технологии литья предпочтительным для практического использования является колебательный режим разряда, соответствующий η<0,8. При колебательном разряде в расплаве обеспечиваются максимальные давления и ширина акустического спектра, которые оказывают наибольшее силовое воздействие на различные структурные уровни в металле. Изменение энергетических характеристик канала разряда приведено на рис. 7 [12, 17]. При увеличении рабочего промежутка в ЭРГУК от 20 до 50 мм пара- метр η увеличивается на величину от 0,55 до 0,75. Потери на пробой изменяются от 0,25 до 0,65 кДж. Авторами работы [12] получены соотношения давления на торце волновода Рв (t) при трех режимах выделения энергии (η0 = 1; η0 = 0,8; η0 = 0,37), соответствующих апериодическому, согласованному (оптимальному с точки зрения электрического КПД) и колебательному характеру протекания тока на межэлектродном промежутке (lр). Они показывают, что анализировать Рв (t) нужно не только в зависимости от U0, C, L (индуктивность), lр, но и от радиуса волновода (r). Причем, изменение давле- ния на торце волновода наиболее чувствительно к изменению r. Максимальные же значения max вP приобретаются при η 0 = 0,37, что указывает на то, что согласованный режим разряда не является оптимальным с точки зрения получения максимальных нагружающих факторов в расплаве. Исходя из этого можно выстроить входные параметры ЭРГУК в порядке их влияния на параметры нагружения расплава от большего к меньшему: r, U0, C, L независимо от lр. Результаты экспериментов. В качестве объекта обработки использовался литейный алюминиевый сплав АК5М2 группы “алюминий - кремний - медь”. В соответствии с ДСТУ 2839-94 он содержит, в %: от 0,2 до 0,8 Mg, от 4 до 6 Si, от 0,2 до 0,8 Mn, от 1,5 до 3,5 Cu, от 0,05 до 0,2 % Ti, не более 0,5 Ni, не более 1,5 Zn. Упрочняющей фазой являются дисперсные вторичные выделе- ния CuAl2. Приготовление сплава осуществлялось в несколько этапов. Серти- фикатная шихта переплавлялась в лабораторной термической печи модели СНОЛ-1,6.2,5 1/9-45 1Р20 № 00177, (ТУ16-681051-84, 3,0 кВт, до 1100 оС). Заготовка помещалась в ковш (2 кг металла), который устанавливался в печь, нагретую до 780 °С. После расплавления металл переливался в два ковша – № 1 и 2 (уровень заполнения – 10 мм от верхней грани ковша). Ковши № 1 и 2 помещались в лабораторную термическую печь и выстаивались в ней до достижения температуры 780 °С и устранения неравномерности нагрева. Использовалась печь марки СНОЛ – 1,6.2,5 1/11-45, заводской № 001177, а б Рис. 7. Энергетические характеристики канала разряда: а – доля энергии, выделившейся в первом полупериоде разрядного тока; б – потери на пробой (— – эксперимент, --- – расчет по [21]) lp, мм lp, мм 44 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) Новые методы и прогрессивные технологии литья снабженная регулятором температуры Ш4541 гр. ХА с диапазоном измерений температуры от 0 до 1100 оС. Неравномерность температуры по сечению печи (± 10 оС) устранялась путем выдержки металла в печи после срабатывания авто- матического регулятора температуры (диапазон ожидаемых температур – от 600 до 800 оС). Затем ковши №1 и 2 извлекались из печи. Ковш с исходным металлом (№ 1) устанавливался на эстакаду, в него погружалась хромель-алюмелевая термопара и с помощью термоэлектрического преобразователя марки М890G производился замер температуры расплава. Ковш № 2 после замера и достижения температуры разливки подавался к лабораторному ЭРГУК и расплав в нем обрабатывался в тече- ние 60 с методом погружения волновода лабораторного ЭРГУК на глубину, равную 1/3 от уровня металла в ковше. Металл из ковшей №1 и 2 разливался в кокили. Затем из отливок изготавливались технологические пробы. В табл. 2 приведены значения η 0 и l p для используемых режимов ЭГИО. Индук- тивность разрядного контура L 0 = 10 мкГн. Варьируя величиной Uо от 20 до 50 кВ и емкостью C от 6 до 1 мкФ при по- стоянной Wо = 1,25 кДж, прямым экспериментом установлено, что при U о = = 30 кВ потери могут достигать 84 % от запасаемой энергии, время разряда возрас- тает до 400 мкс, а предпробойная стадия – до 300 мкс, что делает разряд неэффек- тивным с энергетической точки зрения. Начиная с 35 кВ, наблюдается стабильный разряд и потери на пробой существенно сокращаются. При использовании режима с Uо ≥ 50 кВ предпробойные потери сводятся к минимуму. Это обеспечивает наи- большее удельное значение тока и максимальное силовое воздействие на расплав. Кроме того, установлено изменение темпа охлаждения для исходного и опытного металла (при Uо, равном 20, 35 и 50 кВ соответственно) на стадии, предшествующей температуре ликвидуса. Приведенные данные свидетельствуют о существенном изменении состояния расплава после его ЭГИО. Эти изменения проявляются и в литом металле. Макрозерно в опытном литом металле существенно мельче, чем в образце из исходного металла. Следует отметить уменьшение размеров пор от 0,15 до 0,10 мм и объема пористости от 3,5 (исходный металл) до 2,3 %. Зона столбчатых кристаллитов во всех опытных образцах уже, чем в исходном. Величина микро- η0 lp, м Uо = 50 кВ; С = 1 мкФ; Uо = 35 кВ; С = 2 мкФ; Uо = 20 кВ; С = 6 мкФ; 0 0 0 0 0,1 0,004 0,004 0,003 0,2 0,012 0,01 0,008 0,3 0,022 0,018 0,014 0,4 0,034 0,028 0,021 0,5 0,047 0,039 0,03 0,6 0,062 0,052 0,039 0,7 0,078 0,065 0,049 0,8 0,095 0,08 0,06 0,9 0,114 0,095 0,072 1 0,133 0,112 0,084 таблица 2. зависимость доли выделившейся энергии η0 от разрядного промежутка lp при W0 = 1,25 кдж ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) 45 Новые методы и прогрессивные технологии литья зерна уменьшается от 104 (в исходном металле) до 98 мкм – в опытном, Uо = 50 кВ, С = 1 мкФ. Прочность увеличивается от 180 до 188 МПа соответственно. Лучшее сочетание параметров структуры и механических характеристик достигается при емкости 1 мкФ и запасаемом напряжении 50 кВ. Причем, в этом случае присутствуют два механизма упрочнения литого металла – зернограничное и внутризеренное. При варьировании величины разрядного промежутка lp от 10 до 30 мм (при постоянной энергии W о = 1,25 кДж, t ЭГИО = 60 с и С = 1 мкФ) было подтверж- дено существенное влияние доли, выделившейся в первый полупериод раз- рядного тока энергии – η. Максимальный эффект измельчения на макроуровне получен при lр = 30 мм (η 0 = 0,55). По величине макрозерна он составил 75 % от уровня исходного литого металла (измельчение от 4,4 до 1,7 мм). Прочность металла увеличилась от 180 до 215 МПа при неизменной пластичности. В металле, полученном при ЭГИО расплава с колебательным режимом разряда при lр = 20 мм (η о = 0,4), прочность возросла на 4 %, а пластичность – в 2,5 раза. Изменяя lр при постоянной запасаемой энергии, можно получить различные механизмы форми- рования структуры литого металла, например, только зернограничное упрочнение (lр = 30 мм, η 0 = 0,55) в сплаве АК5М2, или его сочетание с внутризеренным (lр = 20 мм). Микрозерно уменьшилось от 104 (исходный металл) до 98 мкм (опытный, lр = 20 мм). Фотографии микроструктуры образцов исследованного сплава приведены на рис. 8. Следует отметить, что при этом режиме достигнуто одновременное увеличение прочности до 188 МПа и пластичности до 2,5 %. Таким образом, экспериментально подтвержден тезис, выдвинутый ранее, о ведущей роли колебательного характера протекания тока. Энергосиловой фактор внешнего воздействия характеризуется влиянием энергетических параметров – запасаемой энергии 2 0 0(0,5 )W C U× ×= и интенсивностью воздействия, регулируе- мой частотой посылок импульсов давления (f) за время обработки (t ЭГИО ), а также геометрическим параметром – величиной разрядного промежутка (lр), от которой зависит доля энергии, выделившейся в первый полупериод тока. выводы На основе результатов численного моделирования и прямого эксперимента вы- полнены систематизация и описание конструктивных особенностей ЭРГУК, а также определена их взаимосвязь с эффективностью воздействия. Получены рекомен- дации по оптимизации параметров воздействия и геометрических характеристик элементов ЭРГУК, определяющие эффективность действия ЭГИО расплава на структуру и свойства литого металла. Исследован диапазон колебательного разряда от η = 0,3 до η =0,55, определяемый величиной разрядного промежутка в ЭРГУК, и установлены варианты управления работой ЭРГУК. Рис. 8 . Микроструктура образцов исследуемого сплава, ×250 исходный опытный lp = 50 мм опытный lp = 20 мм 46 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 1 (85) Новые методы и прогрессивные технологии литья 1. Волков Г. В., Грабовый В. М., Синчук А. В. Обработка чугуна концентрированными потоками энергии // Литейн. пр-во. – 1998. – № 1. – С.12-14. 2. Грабовий В. М. Наукові і технологічні основи електрогідроімпульсної дії на структуру і власти- вості виливків із сплавів на основі заліза і алюмінію: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. – Київ, 2007. – 42 с. 3. Волков Г. В. Особенности морфологии интерметаллидных включений в жидком алюминие- вом сплаве при обработке акустическим полем // Процессы литья. – 2006. – № 3. – С. 8-12. 4. Волков Г. В., Синчук А. В. Получение немагнитных чугунов с использованием акустической обработки // Металлургия машиностроения. – 2003. – № 2. – С. 4-6. 5. Волков Г. В. Модифікуючий ефект ЕГІО розплаву. Спеціальні сплави систем Fe-Cr-C, Fe-Ni-C, Fe-Si-C. Повідомлення 2 // МОМ. – 2003. – № 3. – С. 48-55. 6. Цуркін В. М., Волков Г. В., Синчук А. В. Вплив електрогідроімпульсної обробки розплаву на елементи різних структурних рівнів в металі // МОМ. – 2004. – № 4. – C. 10-14. 7. Электрогидроимпульсная обработка судостроительных сталей 25Л и 08ГДНФЛ / В. Н. Цуркин, В. М. Грабовый, А. В. Синчук, Н. А. Федченко // Материалы и механизмы морского транспорта. Методы исследования и упрочнения. Технология производства. – Севастополь: УМИ, 2008. – С. 92-99. 8. Грабовый В. М. Выбор технологии электрогидроимпульсной подготовки расплава к заливке // Металлургия машиностроения. – 2009. – № 1. – С. 29-34. 9. Электроразрядные генераторы упругих колебаний / В. А. Поздеев, П. И. Царенко, Б.И. Бутаков, П. П. Малюшевский. – Киев: Наук. думка, 1985. – 176 с. 10. Цуркин В. Н., Мельник А. В. Влияние объема воздушной полости на закон перемещения передающего элемента электроразрядного генератора упругих колебаний // Импульс- ные процессы в механике сплошных сред: Материалы Х1 Международной научной школы- семинара (август 2003). – Николаев: Атолл, 2003. – С. 30-31. 11. Цуркин В.Н., Мельник А. В. Исследование амплитуды перемещения передающего эле- мента электроразрядного генератора упругих колебаний // Электронная обработка мате- риалов. – 2003. – № 6 (224). – С. 63–69. 12. Цуркин В. Н., Синчук А. В., Иванов А. В. Расчетная методика для определения влияния параметров разряда на характеристики акустического поля в расплаве при электроги- дроимпульсной обработке // ЭОМ. – 2004. – №1. – С. 82-87. 13. Цуркин В. Н., Мельник А. В. Процессы и характер нагружения расплава электроразрядным генератором колебаний на упругих элементах // Электронная обработка материалов. – 2009. – № 5 (259). – С. 91–96. 14. Мельник А. В. Гидродинамические процессы в расплаве, подвергнутом электрогидро- импульсной обработке с применением волноводных насадок // Науковий потенціал вищої школи: Тез. докл. – Миколаїв: КП Миколаївська обласна друкарня, 2009.– С. 22-25. 15. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. – Л.: Машиностроение, 1976. – 320 с. 16. Цуркин В. Н., Мельник А. В Влияние характеристик ЭРГУК на стабилизацию параметров нагружения расплава при электрогидроимпульсной обработке // Импульсные процес- сы в механике сплошных сред. – Николаев: КП Миколаївська обласна друкарня, 2007. – С.138-140. 17. О выборе режима электрического разряда для ЭГИО расплава / В. Н. Цуркин, А. В. Синчук, А. В. Иванов, Ю. Н. Дегтев // ЭОМ. – 2007. – № 5. – С. 61-66. 18. Гулый Г. А. Научные основы разрядноимпульсных технологий. – Киев: Наук. думка, 1990. – 208 с. 19. Кривицкий Е. В., Шамко В. В. Переходные процессы при высоковольтном разряде в воде. – Киев: Наук. думка, 1979. – 207 с. 20. Кривицкий Е. В., Петриченко В. Н., Бондарец Л. М. Исследование энергетических харак- теристик предпробойной стадии подводного искрового разряда // ЖТФ. – 1977. – Т. 47, Вып. 2. – С. 319-325. 21. Окунь И. З. Исследование электрических характеристик импульсного разряда в жидкости. // Там же. – 1969. – Т. 39, Вып. 5. – С. 837-845. Поступила 16.06.2010

Использование электроразрядного генератора упругих колебаний для обработки металлов и сплавов

Institution

Similar Items