Выпускная квалификационная работа Двухфазное течение в узком канале с источниками на границе (стр. 2 )

Электролит может иметь ламинарный или турбулентный характер течения. Вынос продуктов при турбулентном течении - быстрее. Однако расчет ламинарного потока значительно проще, поэтому в технологических расчетах принимают течение ламинарным. Если электролит протекает со скоростью ниже некоторого критического значения (менее 1-2 м/с), то он не успевает вынести из зазора все продукты обработки, и скорость анодного растворения через некоторое время после начала процесса снижается.

Средняя скорость электролита может изменяться в широких пределах (V=5-40 м/c). При таких скоростях число Рейнольдса Re может быть больше критического значения . Тогда поток жидкости будет турбулентным, и рассчитанные скорости течения будут несколько завышенными.

Ещё одним из важнейших условий правильного ведения процесса является поддержание заданной плотности тока. Скорость растворения находится в прямой зависимости от плотности тока. Большинство материалов хорошо обрабатываются на установках, питаемых постоянным током.

При ЭХО и прохождении рабочего тока через деталь и катод - инструмент в межэлектродном промежутке возникает магнитное поле (МП). Взаимодействие МП с током приводит к появлению электромагнитных сил, действующих на поток электролита, обрабатываемую деталь и оснастку. Движение электропроводящей жидкости в магнитном поле индуцирует ЭДС, приводящую к неравномерности распределения плотности тока в электролите и ряду других эффектов.

С увеличением плотности тока потенциал анода возрастает таким образом, что становится возможным выделение кислорода. Часть тока, протекающего через ячейку, расходуется на выделение кислорода на аноде, и выход по току для реакции растворения металла не составит 100%. Фактически перенапряжение выделения кислорода с ростом плотности тока увеличивается так быстро, что достигается потенциал разряда хлорид - ионов с образованием хлора. Таким образом, скорость съёма металла увеличивается с возрастанием плотности тока так.

Очевидно, что во время электрохимической обработки неизбежен нагрев электролита. Хотя необходимо охлаждение электролита, существуют, тем не менее, преимущества использования электролита с повышенной температурой.

С повышением температуры возрастает не только удельная электропроводность электролита, но ускоряются электродные реакции, и снижается перенапряжение, напряжение и, следовательно, энергия, необходимые для поддержания данной плотности тока, уменьшаются с повышением температуры.

С повышением температуры увеличивается растворимость продуктов реакции, а давление, нужное для прокачки электролита через зазор с желаемой скоростью, уменьшается. Последнее является следствием понижения вязкости электролита с повышением температуры и также объясняет повышенную электропроводность. С повышением температуры электролита проводимость будет возрастать при повышении температуры на каждый градус Цельсия. Однако эффективная проводимость электролита будет уменьшаться вследствие выделения на катоде пузырьков водорода. На величину и распределение пузырьков влияют условия протекания электролита, а также давление и температура в зазоре. Увеличение давления электролита сверх атмосферного повышает температуру кипения электролита, уменьшает перенапряжение водорода на катоде и, сжимая выделяющийся водород, уменьшает его объем. При повышенных давлениях пузырьки водорода, следовательно, занимают меньший объем в зазоре и вытесняют меньше электролита, следовательно, могут поддерживаться большие плотности тока.

Другие факторы, например образование осадков, обычно меньше влияют на проводимость электролита. Все это приводит к тому, что зазор будет конусным, становясь шире или уже в зависимости от того, что преобладает - влияние температуры или пузырьков. Прокачивание электролита препятствует увеличению концентрации ионов у анода и дает возможность достичь больших плотностей тока.

Существует и другой фактор, который следует учитывать. Когда ток проходит через металлический или электролитический проводник, последний нагревается. Нагрев может привести к закипанию электролита, что вызовет неравномерное распределение тока и, следовательно, неравномерный съём металла. Поэтому скорость потока электролита должна быть достаточной для предотвращения повышения температуры электролита в зазоре до точки кипения.

Вся теплота при анодном растворении заготовки переходит в раствор, а нагрев за счет гидравлических потерь пренебрежимо мал.

Таким образом, физические и химические свойства электролитов, важнейшими среди которых являются электропроводность и вязкость, оказывают влияние на характер протекания и результаты процесса. От состава электролита зависят его электропроводность и скорость растворения металла. Для получения высоких технологических показателей процесса необходимо, чтобы:

а) в электролите не протекали вовсе или протекали в минимальном количестве побочные реакции, снижающие выход по току;

б) растворение заготовки происходило только в зоне обработки;

в) на всех участках обрабатываемой поверхности протекал расчетный ток.

Таких универсальных электролитов не существует, поэтому при подборе состава электролита приходится в первую очередь учитывать те требования, которые являются определяющими для выполнения операции.

При обработке состав электролита меняется. Потеря водорода может привести к понижению электропроводности электролита. Уменьшение количества воды, как в результате испарения, так и с выделяющимся водородом вызывает повышение концентрации раствора и влияет на его электропроводность и вязкость. Образование осадка может увеличить эффективную вязкость электролита и снизить скорость анодного растворения.

Поглощение соли осадком снижает концентрацию раствора и может повлиять на его электропроводность. Ионы металла с анода переходят в раствор и могут осаждаться на катоде. Эти изменения означают, что электролит имеет определенный срок службы, который может быть ограничен вследствие необходимости:

1) поддерживать постоянную электропроводность для ускорения процесса и обеспечения точности обработки;

2) предотвращать осаждение на инструменте для обеспечения точности обработки;

3) избегать чрезмерных осадков.

Нейтральные растворы, свободные от добавления примесей, меньше подвергаются загрязнению тяжелыми металлами, чем кислотные или электролиты нейтрального типа, состоящие из нескольких компонентов.

Очистка электролитов необходима для удаления частиц, попавших в них случайно или образовавшихся в процессе обработки. К таким частицам относятся интерметаллические соединения, находящиеся в металле анода и переходящие в электролит при его растворении, а также гидроокиси металла. Эти частицы могут задерживаться в зазоре и даже перекрывать его. Если частицы электропроводные, то возможны замыкания между анодом и катодом, следовательно, необходимо защитить зазор от попадания в него твердых частиц.

На форму детали влияет величина этого зазора. Величина зазора между инструментом и деталью зависит от скоростей движения инструмента и растворения материала детали, т. е. от величины тока. Поэтому способ контроля рабочего зазора является одной из важных особенностей электрохимического процесса. Форма детали определяется формой используемого катода-инструмента и относительными движениями инструмента и детали во время обработки, когда ток пропускают через электролитическую ячейку между фасонным катодом и плоской деталью, распределение плотности тока на поверхности детали определяется формой катода. Плотность тока будет самой большой там, где будет наименьшее расстояние между инструментом и деталью, так, что и скорость съёма металла с детали в этом месте будет максимальной. Если в процессе обработки катод подается по направлению к детали, плотность тока по всей поверхности детали выравнивается и ее поверхность формируется по форме катода.

Таким образом, под действием электрического тока происходит растворение материала электрода-заготовки, который в итоге приобретает форму, соответствующую профилю ЭИ (электрода-инструмента). В результате реакции, на обрабатываемой поверхности заготовки образуются продукты обработки, в том числе нерастворимые гидроксилы. Их концентрация в районе протекания анодного растворения в начальный момент превышает концентрацию в электролите. Количество продуктов будет зависеть от скорости анодного растворения. Образовавшиеся продукты анодного растворения уносятся потоком электролита.

ГЛАВА 1

1.1        МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В процессе ЭХО типичное значение ширины МЭП порядка а=0.1 мм, тогда как радиус кривизны поверхности типичных деталей, например, пера лопатки турбины или компрессора, обычно превышает R=100 мм. Таким образом, типичные значения отношения a/R менее 0.01. Поэтому с достаточной степенью точности можно считать обрабатываемую поверхность плоской. Рассмотрим сечение рабочей зоны плоскостью xoy, ось xнаправим по поверхности детали в направлении течения электролита. Пусть h=h(x) – ширина рабочего промежутка, то есть расстояние от поверхности катода до поверхности анода в направлении, нормальному к поверхности анода.

Будем считать, что поверхность детали меняется со временем только за счет съема металла, тогда как поверхность катода может меняться по заданному закону. Съем металла за малый промежуток времени :

,                                                (1.1)

где - выход по току анодной реакции(заданная функция локальной плотности тока j), - электрохимический эквивалент обрабатываемого металла, - плотность обрабатываемого металла. Плотность тока на границе jопределяется выражением: