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固定陰極電化學(xué)射孔的成形規(guī)律研究

摘 要根據(jù)電場理論,提出了一種研究固定陰極電化學(xué)射孔成形規(guī)律的新的處理方法,分析了該加工方式下陰極表面電荷密度及加工區(qū)的電場強(qiáng)度、電流密度、加工速度等在加工過程中的變化規(guī)律,為這種簡易加工方式的合理應(yīng)用提供了嚴(yán)密的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞電化學(xué)射孔 成形規(guī)律 固定陰極 電場abstractin the paper a kind of new idea based on electric field theory is advanced,which is used in research of forming law of electrochmeical perforation with fixed cathode.according to it,the changing law of electric intensity,current density,velocity of perforation in ecm on the machined surface are presented.
電化學(xué)固定陰極的加工方式較簡單,至今仍不失其應(yīng)用范圍,在某些特定的條件下,它還可能是*的加工方式,如石油領(lǐng)域在開發(fā)水平井時(shí)需對置于地下數(shù)百米乃至數(shù)千米的水平生產(chǎn)管射孔,固定陰極式的電化學(xué)射孔即為優(yōu)選的加工方法。對于小孔的固定陰極電解加工,在研究其成形規(guī)律時(shí),為方便起見,通常將其陰極簡化為點(diǎn)電荷考慮。然而,當(dāng)陰極加工面大小與加工間隙尺寸的比值不容忽視時(shí),加工區(qū)的電場就不能簡單地視為點(diǎn)電荷電場。否則,將引起較大的誤差。因此,有必要對其成形規(guī)律進(jìn)行更接近實(shí)際狀態(tài)的分析和研究。
1 固定陰極電化學(xué)射孔的成形規(guī)律分析
在固定陰極電化學(xué)射孔過程中,加工區(qū)的電場強(qiáng)度是不斷變化的,因而其電場應(yīng)為時(shí)變電場。取固定陰極電化學(xué)射孔過程中的某一時(shí)刻進(jìn)行分析,為使研究簡化,將該時(shí)刻外接穩(wěn)壓直流電源的兩電極間的電場近似地看作穩(wěn)恒電場。根據(jù)電磁場理論,均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中的穩(wěn)恒電場與均勻電介質(zhì)中的靜電場的電位分布均滿足拉普拉斯方程,表明這兩種場具有相同的特性[1]。在相同邊界條件下,如果通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得到了一種場的解,相應(yīng)地就能得到另一種場的解[2]。因此,通過分析均勻電介質(zhì)中靜電場的電位分布,可知相同邊界條件下固定陰極射孔中某一時(shí)刻的極間電位分布。另外,均勻電介質(zhì)中靜電場的電場強(qiáng)度 e 滿足關(guān)系式:e=e0/εr,式中εr為該電介質(zhì)對真空的相對介電常數(shù),e0為真空中靜電場的場強(qiáng)[3]。固定陰極射孔在某一
時(shí)刻的極間電位分布問題,則可進(jìn)一步簡化為相同條件下真空中靜電場的電位分布。
由電磁場理論可知,穩(wěn)恒電場的邊界條件應(yīng)分別滿足以下關(guān)系(見圖1):在分界面上電流密度 j 的法向分量是連續(xù)的:j1n=j2n;分界面上電場強(qiáng)度 e 的切向分量是連續(xù)的:e1t=e2t;分界面上的電位φ是連續(xù)的:φ1=φ2。另外,靜電場電位φ的邊界條件也滿足:φ1=φ2。
圖1 邊界條件示意圖
由于電化學(xué)反應(yīng)引起的電極界面上的過電位對電極間的電位分布影響很小,故近似地處理為電極/溶液界面上有一固定電壓降或忽略不計(jì),因而可假設(shè)陰極加工面及對應(yīng)陽極加工面為等勢面[4]。
為了防止電流分布的邊緣效應(yīng),在進(jìn)行固定陰極射孔的陰極設(shè)計(jì)時(shí),對陰極加工面的四周邊緣處采取了良好的絕緣措施(見圖2),因此對加工過程中的某一時(shí)刻進(jìn)行研究時(shí),可近似地將陰極加工面上的電荷密度視為均布。
圖2 固定陰極射孔示意圖
基于上述思想,分析一固定陰極射孔的電場分布及其成形規(guī)律。圖2為其示意圖。該加工的供液采用側(cè)流方式。外接穩(wěn)壓電源(電壓為δu),其中陽極接地,電位為0,陰極電位則為-δu。根據(jù)穩(wěn)恒電場和靜電場電位的邊界條件及陰極、陽極分別為等勢面的假設(shè)可知,在這兩種電場中陰極、陽極分界面上的電位分別為:φo1=φo2=-δu,φp1=φp2=0。此外,陰極加工面的半徑為ro加工初始,工件內(nèi)孔半徑為rg,極間初始間隙為 h,則圖 2 中 p 點(diǎn)在加工初始的三維坐標(biāo)為 (h,0,0)。加工中任一時(shí)刻p的坐標(biāo)為(x(t),0,0)。不妨取加工的某一時(shí)刻分析,p在該時(shí)刻的坐標(biāo)為(x,0,0)。需說明,p 為電解液與陽極工件分界面上的一點(diǎn),在陽極加工面上為 p1,在電解質(zhì)界面上則為 p2。
2 在所假設(shè)的靜電場中 p 點(diǎn)的場強(qiáng)
不考慮極間電解液的影響,即真空條件下,將極間電場作為靜電場考慮時(shí),根據(jù)任何連續(xù)帶電體都可分割成無限多個(gè)電荷元的思想及電場強(qiáng)度迭加原理,可求陰極加工面上的面電荷此刻在點(diǎn)p2(x,0,0) 產(chǎn)生的沿 x 軸方向的電場強(qiáng)度 e2x0:
 (1)式中 x——所研究的那一刻,p 點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離,mm
 r——陰極加工面的半徑,mm
 σ——面電荷密度,c/m2
 ε0——真空中的介電常數(shù),8.85×10-12c2/n.m2
將極間電解液換成相對介電常數(shù)為εr的均勻電介質(zhì),并保持其他條件不變,則根據(jù)均勻電介質(zhì)中靜電場與真空中靜電場的電場強(qiáng)度關(guān)系式,可知電介質(zhì)中 p2 點(diǎn)處沿 x 軸方向的電場強(qiáng)度 e2x:
?。?)陽極加工面為一等勢面,不妨取 o 點(diǎn)研究。相應(yīng)于該點(diǎn),在電介質(zhì)界面上則為 o2 點(diǎn)。由介質(zhì)中靜電場的邊界條件:φo2=φo1=-δu,并根據(jù)靜電場的電場強(qiáng)度與電位的關(guān)系式,可求電介質(zhì)中 o2 點(diǎn)與 p2 點(diǎn)之間的電位差u:
 (3)由 (3) 式可求此刻陰極加工表面的電荷密度σ:
?。?)將面電荷密度σ的表達(dá)式代入 (2) 式,可求靜電場中電介質(zhì)界面上的 p2 點(diǎn)沿 x 軸方向的電場強(qiáng)度 e2x:
?。?)3 在所假設(shè)的穩(wěn)恒電場中p點(diǎn)處的電場
根據(jù)相同邊界條件下,導(dǎo)電媒質(zhì)中穩(wěn)恒電場與電介質(zhì)中的靜電場的物理量的對應(yīng)關(guān)系,可知穩(wěn)恒電場中電解質(zhì)界面上 p2 點(diǎn)處電場強(qiáng)度在 x 軸上分量的大小同式(5)。
根據(jù)電磁場理論,此刻電解質(zhì)界面上 p2 點(diǎn)處的電流密度 j 在 x 軸上的分量 j2x為:
 (6)根據(jù)穩(wěn)恒電場的邊界條件可知,分界面上電流密度的法向分量是連續(xù)的。此處法向?yàn)?x 的方向(見圖2),則相應(yīng)于 p2 點(diǎn),在陽極被加工面上 p1點(diǎn)處電流密度的法向分量j1x的表達(dá)式同式(6)。
式(6)中所帶的負(fù)號表示 p1 點(diǎn)處電流密度 j1 在 x 方向上的分量為沿 x 軸的負(fù)方向,研究其大小與半徑 r 的關(guān)系:
?。?)由式 (7) 可知,隨陰極半徑 r 的增加,被加工面 p1 點(diǎn)的電流密度 j1x呈遞增趨勢,但當(dāng) r 增大到一定值時(shí),該趨勢將減緩?,F(xiàn)根據(jù)式(6)并以一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),分析在所研究的時(shí)刻,p1 點(diǎn)處的電流密度j1x與所選用的陰極加工面半徑 r 的關(guān)系(見圖3)。從圖3可看出,陰極半徑在r<5mm范圍內(nèi),隨 r 增加,j1x(r)明顯增加;當(dāng)陰極半徑增加到r>5mm時(shí),j1x(r)增加的趨勢開始放慢;隨著 r 的進(jìn)一步增加,j1x(r)的遞增更趨緩慢。
圖3 相同加工電壓下,分界面上p(x,0,0)處電流密度j1x與陰極半徑 r 的關(guān)系
條件:δu=50v,x=2.5mm,20%kcl電解液
由式(6)可知加工中某一時(shí)刻陽極被加工面上點(diǎn) p1(x,0,0)處電流密度的法向分量,則可推知加工中任一時(shí)刻在該處 p1(x(t),0,0)的法向電流密度j1x:
?。?)根據(jù)式(8),可知采用一定的加工電壓和陰極半徑,加工電流密度的變化規(guī)律。圖4為j1x與x(t)的關(guān)系曲線。從圖4可看出,在確定的加工電壓δu和陰極半徑r下,即在加工過程中,隨 x(t)增加,j1x逐漸變小,而且加工初的電流密度j1x的遞減速度較快。因此從加工效率考慮,被加工工件的壁厚不宜過大。
圖4 電流密度j1x(x(t))與x(t)的關(guān)系
δu=50v,20%kcl電解液
由以上j1x(r)——r 和j1x(x(t))——x(t)曲線的變化規(guī)律可知:①在其它參數(shù)不變的條件下,隨 r 增加,j1x將會(huì)增加,去除速度則隨之增加;②其它條件不變時(shí),隨加工時(shí)間 t 增加,也即x(t)增加,相應(yīng)電流密度j1x則會(huì)減小,從而使加工面p(x(t),0,0)處的加工速度隨時(shí)間增加而減小。
根據(jù)式 (8) 可求加工中任一時(shí)刻在陽極加工面上 p1處的深度加工速度 v1:
?。?)式中 η——電流效率
 ω——體積電化當(dāng)量,mm3/a.min
又因,則由式(9)可積分求解:
?。?0)式中h——加工區(qū)的初始間隙,mm
式(10)表明了在x方向上固定陰極射孔的深度及其所需時(shí)間t的關(guān)系。根據(jù)式(10)對一固定陰極射孔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測,考慮到線路及接觸電阻,實(shí)際加到陰、陽電極間的電壓不到 50v。在預(yù)測計(jì)算時(shí)對此作了修正,其結(jié)果見下表。預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值略有誤差,原因是:工藝試驗(yàn)過程不可避免地會(huì)存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差和檢測誤差。
對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測及其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
陰極半徑(mm) 試驗(yàn)時(shí)間
預(yù)測時(shí)間
2.0 11′36′ 12′29′
注:外接電源電壓均為 50v,均采用20%的 kcl 電解液,且均為30℃液溫和1.12的比重 4 結(jié)論
(1)同等加工條件下,陰極半徑愈大,電解液界面上 p 點(diǎn)處電場強(qiáng)度的法向分量將愈大,相應(yīng)地此處電流密度的法向分量也將增大,與其對應(yīng)的被加工面上的射孔速度則愈快。但陰極半徑增大到一定值后,對射孔速度的影響將會(huì)變小。
(2)只有當(dāng)陰極半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加工間隙時(shí),才能將陰極作為點(diǎn)電荷考慮。
(3)在固定陰極的射孔過程中,加工面上電流密度及其相應(yīng)的射孔速度隨加工進(jìn)行而逐漸減小,且起始階段遞減速度較快。為提高射孔效率,應(yīng)合理選擇電解液及加工電壓、陰極半徑、初始間隙等參數(shù)。
另外,本文雖以圓型陰極為模型推導(dǎo)電化學(xué)固定陰極射孔的成形規(guī)律,但其處理方法和解決問題的思路卻具一般性,可用于各種形式的固定陰極電化學(xué)加工的成形規(guī)律分析。

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