Введение к работе
Актуальность темы.
Энергия сверхвысоких частот (СВЧ) уже десятки лет используется в самых различных областях, как в быту – это всем известные микроволновые печи, так и в промышленности – это сушка древесины под воздействием СВЧ излучения, в разработках будущего – двигатели космических аппаратов на основе СВЧ плазмы и т.д.
Излучение СВЧ-диапазона, являясь промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами, фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. В то же время СВЧ-излучение генерируется аналогичными методами, сходными с радиоизлучением вещательных диапазонов.
Одним из перспективных применений энергии СВЧ, имеющих большую практическую направленность, является формирование разрядов при СВЧ-излучении.
По сравнению с другими типами, СВЧ-разряды обладают рядом существенных преимуществ, такими как: возможность изготовления электродов из непроводящих материалов, возможность создания плазмы в электродных и безэлектродных системах, простота получения плазмы с высоким и, наоборот, с малым удельным энерговкладом, широкая область рабочих давлений, возможность создания плазмы в малых и больших объемах. Перечисленные преимущества позволяют успешно применять СВЧ-разряды для обработки материалов.
В настоящее время в промышленности наиболее широко применяются плазмохимические методы (травление, осаждение, конденсация) обработки материалов, направленные на формообразование, получение порошков, а также синтез различных наноструктур. Данная группа методов обладает рядом недостатков, таких как: использование опасных для человека газов, применение дорогостоящего оборудования для создания и поддержания низких давлений.
В месте с тем малоисследованной остается область применения СВЧ-разрядов для размерной электрофизической обработки материалов, а именно для формирования отверстий, пазов и других геометрических элементов за счет механизмов плавления и взрывного испарения.
Поэтому проведение исследований электроэрозионной обработки с применением СВЧ-разрядов является актуальной задачей.
Цель работы.
Выбор и обоснование условий электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования с применением СВЧ-разрядов с заданными технологическими показателями.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Теоретическое обоснование условий формирования СВЧ-разрядов для процессов формообразования и модифицирования поверхностей при атмосферном давлении;
-
Выбор и обоснование на основе теоретических расчетов областей расположения в камере (резонаторе) технологической ячейки при формообразовании СВЧ-разрядами с оптимальными параметрами производительности, точности и качества полученных элементов.
-
Разработка комплексной методики проведения экспериментальных исследований с целью выбора и обоснования технологических режимов электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования СВЧ-разрядами.
-
Проведение экспериментальных исследований влияния параметров электродных СВЧ-разрядов при атмосферном давлении на технологические показатели процесса.
-
Проведение экспериментальных исследований по выявлению закономерностей влияния технологических параметров на формообразование и модифицирование поверхностей с применением СВЧ-разрядов на производительность, точность и качество полученных геометрических элементов.
Объект исследования.
Процессы электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования с применением СВЧ-разрядов.
Предмет исследования.
Механизмы и математические модели формирования СВЧ-разрядов и их связи с параметрами воздействия на объект исследования.
Методы исследования.
Теоретические исследования, а именно решение электродинамической задачи распределения электрического поля основано на решении уравнений Максвелла, сформулированных для частотной области, методом конечных элементов и методом моментов (Method of Moments). При экспериментировании использованы методы математической статистики.
Для измерения результатов экспериментальных исследований применялось современное оборудование: атомно-силовая микроскопия, спектроскопия.
Положения, выносимые на защиту:
-
Установленные закономерности влияния технологических параметров СВЧ обработки на точность, производительность и качество полученных элементов.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров формообразования СВЧ-разрядами (расположение технологической ячейки в камере (резонаторе), объем согласующей нагрузки, время обработки) на точность, производительность и качество полученных элементов.
-
Условия формообразования, с применением электродных СВЧ-разрядов в среде диэлектрической жидкости при атмосферном давлении.
-
Условия модифицирования поверхности с применением электродных СВЧ-разрядов в воздухе при атмосферном давлении.
Научная новизна.
Установлена взаимосвязь параметров СВЧ-поля с координатами расположения технологической ячейки (без токоподводов к электродам), в камере (резонаторе).
Обусловлены рациональные условия электроэрозионного формообразования с применением СВЧ-разрядов при атмосферном давлении.
Отличием результатов работы от работ других авторов являются выполненные исследования по электроэрозионному формообразованию с применением СВЧ-разрядов.
Практическая ценность работы.
Заключается в разработке рекомендаций по назначению технологических режимов электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования различных металлов и сплавов.
Реализация работы.
Разработаны технологические методы и лабораторное оборудование для электроэрозионного формообразования, модифицирования и диспергирования поверхностей с применением СВЧ-разрядов. Рекомендованы межэлектродные зазоры для размерной обработки и модифицирования материалов электродными СВЧ-разрядами.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются в курсах лекций по дисциплинам: «Технология электрофизикохимических систем», «Теоретические основы обработки концентрированными потоками энергии», «Нанотехнологии».
Апробация работы.
Результаты исследований были представлены на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2008, 2009 гг.), конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2008, 2009 гг), международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (2007, 2008, 2009 гг).
Публикации.
Основные результаты проведенных исследований отражены в 8 статьях в отраслевых журналах, «Известиях ТулГУ», в материалах Всероссийских и региональных конференций, в том числе 4 работы опубликовано в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения и 4 глав, заключения, списка используемых источников из 104 наименования, 1 приложение и включает 124 страницы машинописного текста, содержит 78 рисунков и 3 таблицы. Общий объем - 124 страницы.
