
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文檔簡介
1、電液束加工理論基礎(chǔ)電液束加工原理如圖2.1所示,在陰極和陽極之間施加高電壓,一般為100VIOOOV,電解液由高壓隔膜泵壓入毛細管噴嘴,當流過陰極時被充電形成*陰扱優(yōu)”的電液束高速射向陽極工件*使工件發(fā)生電化學(xué)溶解并實現(xiàn)加工.加工過程中*由于高電壓的作用,在陰極和工件之間會產(chǎn)生火花放電和輝光放電現(xiàn)象.目前電液束加工機理還不完全清楚,一般認為其材料去除是在奇電位梯度和加工區(qū)域局部高溫條件下電解作用、化學(xué)腐蝕和放電等多種因素復(fù)合作用的結(jié)果.工件圖瓷I電液礙加工原理圉FigJSchematicdiagramofEJM電液束加工機理較為復(fù)雜.但材料的去除主要是基于電解加工原理的陽極溶解作用,因此分析電
2、解加工及其工藝參數(shù)對研究電液束加工有一定指導(dǎo)童另外.電解液射流是電液束加工系統(tǒng)中的重要組成,研究出口射流的特性有助于分析電液束加工流場、確定試驗參數(shù)和分析加工結(jié)果。本章將重點介紹電解加工基本原理、工藝穆數(shù)與射流基礎(chǔ)理論.2.1電解加工及其工藝參數(shù)電解是在外加電壓作用下,兩個電極上分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)的過程.基于電解原理,利用工具陰極將陽極金屬按照一定形狀和尺寸加工成型的工藝方法稱為電解加工.電解加工的加工間隙內(nèi)存在互相影響的電場.流場和14除速度場.本節(jié)重點介紹了電解加工中的法拉第定律、雙電層理論、電極極化理論、加工間隙內(nèi)的電場分布理論,以及電淤密度對加工過程的影響.法拉第定律法拉第定律是描
3、述電解加工工藝規(guī)律的基本定律,不僅能定性地分析電解加工過程,也能定量地給出電解加工中的電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)轉(zhuǎn)化二者之間的關(guān)系卜均.法拉第定律包括以下兩個方面:(】)法拉第第一定律:電流通過電解液時,因?qū)щ姺绞接呻姌O電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤弘x子導(dǎo)電(或者相反而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),在電極溶液界面間發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)的量與通過的電蜀成比例。如果反應(yīng)中只有確定原f價的陽極金屬溶解,則法拉第第一定律可用公式(2.1)表示:M=kQ=kIt(2.1)式中M一電極上發(fā)生反應(yīng)的金屬質(zhì)最(g);k元素的質(zhì)量電化當§g/(AS);Q兩相界面通過的電量(As);/電流強度(A);I加工時間(s)(2)法拉第第二定律:當相同
4、的電量通過不同的電解液時,各電解液中發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)B的物質(zhì)的量相同??捎霉奖硎荆篞nnF(2.2)式中Q兩相界血通過的電量;”b發(fā)生反應(yīng)物質(zhì)B的物質(zhì)的雖;|n物質(zhì)反應(yīng)時的得失電荷數(shù):F法拉第常數(shù)(F96500As/mol).法拉第定律不受溫度、壓力和電極材料等因素的影響,對于電化學(xué)加工有重要的指導(dǎo)意義.在實際生產(chǎn)中,實際消耗電量往往比理論值大,這是由于我們設(shè)想的電極仗應(yīng)與實際發(fā)生的有些不同.為了表征電量的有效利用率,明確理論與實際的差別,引入電流效率概念。定義電流效率可為:金屬/溶液界面雙電層將金屬電極浸入含該金屬離子的溶液中,金屬離子可能會發(fā)生兩種情況,溶解到溶液中或沉積在金屬表面,這兩種
5、情況均會在兩相界面間形成一個雙電層。典型的雙電層結(jié)構(gòu)如圖2.2所示.金屬晶格內(nèi)存在的金屬離子和自由電子,由于胖電吸引而產(chǎn)生的結(jié)合力稱為金屬鍵力.金屬鍵力既能吸引界面附件的金屬離子使其脫離溶液沉枳到金屬表面,又能阻礙金屬表面離子脫離晶格進入溶液。溶液的“水化作用”表現(xiàn)為溶液中的極性水分子吸引金屬表面的金屬離子進入溶液,同時又陰止界面附近的金屬離子沉積到金屬表面.對于活潑金屬,“水化作用”強于金屬鍵力,極性水分子吸引金風(fēng)離子導(dǎo)致金屬離子扌$列在界面溶液側(cè),而Fl由電子則聚集在界面金屬側(cè),這樣就形成了如圖2.2(a)所示的電位分布。類似的,對于活潑性差的金屬金屬鍵力強于“水化作用”,則金屬表面一側(cè)聚
6、集更多的金屬離子,溶液一側(cè)排列著帶負電的離子,這樣形成的雙電層結(jié)構(gòu)如圖2.2(b)所示.雙電層的形成導(dǎo)致金屬和溶液間產(chǎn)生電位差,此電位差分為兩個部分:緊密層電位和分敬層電位.圖2.2金屬/溶液界面雙電層示總圖陽極極化曲線電化學(xué)加工過程中,電流通過電極使電極電位與可逆狀態(tài)下產(chǎn)生了偏差,此現(xiàn)象稱為電極的極化。描述電流密度和陽極電位關(guān)系的曲線為陽極極化曲線卩忙圖2.3所示的曲線為三種典型的陽極極化曲線.(a)活化溶翹(b)存在鈍化區(qū)(c用莊不完全鈍化區(qū)圖2.3典型的陽極極化曲線圖2.3(a)所示的曲線,遵個區(qū)域都處于活化溶解狀態(tài)。陽極電位增大時,電流密度和陽極溶解速度均隨之增大,金屬表血在全過程中處
7、于活化狀態(tài)。圖2.3(b)中,AB段所表示的狀態(tài)為活化溶解,B點之后的曲線為鈍化階段,其中電流密度隨陽極電位的增大而劇烈減小的BC段為過渡鈍化區(qū),曲線平緩的CD段為穩(wěn)定鈍化區(qū),DE段中電流密度又開始隨著陽極電位的提高而增大,稱為超鈍化階段°圖2.3(c)中,AB段為活化階段,DE段為趙鈍化階段,與詢兩種曲線最大的不同在于(c)曲線中存在一個不完全鈍化階段BD(或是BD)段,該階段又稱拋光階段,在該階段中陽極溶解一宣進行,而電流密度和溶解速度變化很小.加工間隙內(nèi)的電場分布加工間隙是陰陽極之間的距離,合適的加工間隙可以使足雖的電解液順利流暢皿通過,并能更新電解液以便排除電解加工的產(chǎn)物,實
8、現(xiàn)電解加工,同時獲得需要的蝕除速度和加工精度。加工間隙大小應(yīng)適中,間隙過大,陰極復(fù)制精度低,能耗偏大;間隙過小,電解液更新困難容易發(fā)生堵塞均。在外加電場的作用下,流經(jīng)加工何隙的電解液中形成了電流場,其電場特性直接影響加工速度和成型精度。電液束加工中,射流束起到了陰極的作用,可根據(jù)成型陰極電解加工中加工間隙電位分布推導(dǎo)法,類似地推導(dǎo)出電液束加工間隙內(nèi)的電位分布,得出工件表面各點的蝕除速度,戰(zhàn)后可由初始狀態(tài)的工件型而得到給定時刻時的工件型面叭為研究方便,作以下幾點假設(shè):電解加工中的間隙電場為無源穩(wěn)恒電流場:電解液各向同性,電流效率和電導(dǎo)率保持不變;陰極和陽極表咖為不同電勢的等位面;歐姆定律和法拉第
9、定律在加工間隙內(nèi)始終保持成立電液束加工的電場簡化模型如圖2.4所示,圖中z.為電液束小孔二維輪廉曲線函數(shù).為曲線函數(shù)變量。其中.由幾何關(guān)系可知:Va=V2COS(2.4)(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)根據(jù)電場理論,加工間隙內(nèi)的電場分布滿足Laplace方程:V2=0或表示為:獸+窮+第=。當電化學(xué)反應(yīng)達到平衡時,工件表面的法向溶解速度可表示為:I式中7為電流效率,血為體積電化當mm/(Amin),i為電流密度(A/mn?).如圖2.4所示,垂直加工速度叫與法向溶解速度巾的關(guān)系式為:不考虎電流密度i和電場強度E的方向,電流密度滿足式:/=r£=rdn式中/r為電解液
10、電導(dǎo)率.刀為工件表面點的法向坐標。歸納式(2.4)式(2.9)可建立加工間隙內(nèi)各處電位分布的方程:陰板表面邊界條件為:(2.10)(2.11)陽板表面邊界條件為:-Kr)a)dt電流密度電流密度f是電解加工中重要的加工參數(shù),直接影響材料去除率、表面粗糙度,間接影響加工精度,在使用鈍性電解液時影響尤為明顯。采用線性電解液時,加工速度與電流密度成正比,而采用非線性電解液時,在鈍化與超鈍化之間的過渡區(qū)域,加工速度與電流密度近似成二次方的規(guī)律。實際加工中的電流密度是由加工電壓、加丄間隙和電解液電導(dǎo)率共同決定的.一般情況下,加工效果隨著電流密度f的增大而變好,但存在一定上限:f過大會使加工中的極化現(xiàn)彖更
11、嚴禾,雙電層的反電動勢增大,限制了i的繼續(xù)增大;同時會造成陰極析氫和極間電解產(chǎn)物增多,極間發(fā)熱量增大,帶走熱童和移除產(chǎn)物的能力因電解液流量下降而降低。當加工中的平衡被破壞時,有可能產(chǎn)生沸騰、氣化、空穴等異?,F(xiàn)象,引起加工區(qū)域的結(jié)疤、短路等故障。因此,電流密度在不同加工條件下有相應(yīng)的匕限值。2.2射流基礎(chǔ)理論射流是一種特殊的流動,流體從不同結(jié)構(gòu)的噴嘴射入其他流體中形成射流。射流的狀態(tài)可用需諾數(shù)來衡量.雷諾數(shù)大,則表示流體中慣性力占主導(dǎo)地位,射流呈現(xiàn)的是素流疣動狀態(tài),實際工程技術(shù)領(lǐng)域中的射流多數(shù)為素流狀杰.自由紊動射流流體在無任何限制的條件下流入那止流體中,靜止流體中會因此產(chǎn)生一股帶邊界的流動,這
12、種射流稱之為自由射流卩切。射流自噴嘴射出后,與周圍靜止流體之間產(chǎn)生了切向間斷面,間斷面處射流和周圍流體因摻混產(chǎn)生渦旋,渦旋在射流兩側(cè)交普產(chǎn)生,二者之間除了存在動量交換外,還存在熱量和質(zhì)雖交換,導(dǎo)致靜止流體被卷吸到射流中,稱之為卷吸現(xiàn)象,電液束加工中涉及到的卷吸現(xiàn)象是空氣被卷吸到電解液射流中產(chǎn)生的。隨著射流的繼續(xù)流動,周圍流體和射流之間的摻混也繼續(xù)發(fā)展,導(dǎo)致射流束的貢徑逐漸增大,即射流的擴散現(xiàn)彖。根據(jù)自由射流的上述現(xiàn)獄,可建立如圖2.5所示的力學(xué)模型網(wǎng)。假定出口AF處的流速均值為仗,0為射流的點源,ABDE和FGHI為射流的外邊界.AC和FC包圍的射流中心部分未受射流和周圍流體摻混的影響,此區(qū)域
13、內(nèi)的流速與出口流速如保持一致,其流動屬于勢流范疇,稱之為射流的勢流核。ABC和FGC兩個區(qū)域為射流的邊界層混合區(qū),該區(qū)域隨著射流與周圉流體摻混的發(fā)展而逐漸擴大.混合區(qū)和勢流核兩個區(qū)域統(tǒng)稱為初始段。初始段之后,形成了充分發(fā)展的紊流射流區(qū)域,稱為射流的主體段。在初始段和主體段之間有一過渡段,長度很短,工程上為簡化計算,一般將其忽略。根據(jù)Albertson等人的研究表明,自由紊動射流具有如下特性卩刃:(1) 斷面流速的分布具有相似性,軸線上流速呆大,距軸越遠流速越?。?2) 射流混合層厚度隨著距離的增大而呈線性增長:(3) 射流動量通量守恒.2.2.2圓形紊動射流流體從圓孔中射出,若且其流動狀態(tài)為紊
14、流,則稱這股流體為圓形紊動射流。圓形紊動対流的軸線流速和斷面流量均沿程發(fā)生變化,推導(dǎo)流速和流量變化規(guī)律,可得岀射流初始段長度.(1) 流速沿軸線的衰減規(guī)律射流任意截面的動雖可農(nóng)示為:=(piTlnrdr射流的初始動鳳為:(2.14)認為射流內(nèi)部壓力和外圍壓力相等,則有射流沿水平軸向動量守恒,即:(2.15)pulnrr=punr式中“0,“分別為出口射流的流速,半徑,如圖2.5所示:射流主體段載面流速的分布具有自模性,采用高斯分布形式.即:設(shè)人為特征半厚度.當"人時.刊加代入式(2.15)可得:£u2*2nrdr=y2bJ射流耳度沿X方向線性增大.可衣示為:代入式(2.17)可得:(2.16)(2.17)(2.18)(2.19)根據(jù)AlbertsonDai和Jescn等(1950)的試驗數(shù)據(jù),c=014則上式為:紐=6.2卩(2.20)ux從式(2.20)可知,圓形紊動射流中,軸線流速沿程衰減即隨x的增大而減小。(2) 流量沿程變化射流任意截面處的流量可用式(2.21)表示:ru
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