Электрохимические и электрофизические установки,электроэрозионные установки

Общая характеристика и физические основы процесса

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) — это непосредственное использование теплового эффекта электрической энергии для размерной обработки металлов с высокими механическими свойствами.
Она основана на эффекте расплавления и испарения микрочастиц материала под действием импульсов электрической энергии, выделяемой между электродом-инструментом и деталью, погруженными в жидкую непроводящую среду.
Таким способом можно обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости и получать изделия сложных форм, выполнять операции, ие выполняемые другими методами.
При ЭЭО в межэлектродном пространстве (МЭП) поэтапно происходят следующие физические процессы (рис. 1.3-9).

— При достижении пробивного напряжения (U_пр) между электродом-деталью (1) и электродом-инструментом (2) происходит пробой. В результате этого (длительность этой фазы 10 -9 . 10 -7 с) образуется канал сквозной проводимости, и сопротивление МЭП снижается от нескольких МОм до долей Ом.
— Через канал проводимости (3) в виде импульса выделяется электрическая энергия, накопленная в источнике питания. При этом происходит электрический разряд (длительность этой фазы 10 -6 .. 10 -4 с), который проходит искровую и дуговую стадии. Высокая концентрация энергии в зоне разряда и приэлектродных областях создает высокие температуры, что приводит к образованию парогазовой полости (5). В приэлектродных областях на поверхности их плавится и испаряется металл.
— В результате повышения давления капли жидкого металла (4) выбрасываются из зоны разряда и застывают в окружающей электроды жидкости в виде мелких сферических частиц (6).
После пробоя электрическая прочность МЭП восстанавливается. Следующий разряд возникает в другом месте между неровностями поверхностей электродов. Электрод-инструмент получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь.
В процессе ЭЭО материалов могут изнашиваться оба электрода. Для сохранения электрода-инструмента подбирают пару металлов таким образом, чтобы инструмент не разрушался. Подбирается режим работы источника питания и его параметры, чтобы инструмент оставался целым.
Эффект ЭЭО во многом определяется параметрами импульсов (рис. 1.3-10).

Так как МЭП имеет малое сопротивление, то амплитуда тока в импульсе достигает нескольких миллионов «А», скорость нарастания тока—до 10 8 А/с.
При этом плотность тока составляет 10 10 А/см 2 , а давление в зоне разряда достигает 10 8 Н/м 2 .
В составе импульса различают две стадии:

Прямой полярностью импульса считается та его часть, которая вызывает наибольшее разрушение обрабатываемой детали. Она изображается над осью абсцисс независимо от истинной полярности.
Часть импульса, вызывающая разрушение электрода-инструмента, называется обратной полярностью импульса и изображается под осью абсцисс.
Униполярные импульсы — это импульсы, разрушающие только изделие.

Генераторы импульсов

Для нормального хода процесса размерной ЭЭО необходимо, чтобы через МЭП проходил стабильно поддерживаемый импульсный ток и исключался переход импульсного разряда в непрерывный дуговой разряд.
Формирование импульсов тока осуществляется с помощью специальных генераторов импульсов (ГИ).
Наиболее типичные ГИ применяются трех видов: релаксационные, машинные и статические (на транзисторах или тиристорах).

Релаксационные ГИ (рис. 1.3-11). Такие ГИ содержат накопители энергии. Электрическая энергия в накопителе может запасаться в виде электрического поля конденсатора или электромагнитного поля индуктивной катушки.

RC-генератор состоит из последовательно соединенных источника питания (G), коммутатора (К), токоограничивающего сопротивления (R) и накопительного конденсатора (С), подключенного к МЭП.
Емкостный накопитель (С) заряжается через токоограничивающее сопротивление (R), благодаря чему I_зар меньше I_имп. К концу заряда напряжения на емкости (U_п) и на источнике питания (U_ип) будут равны. Разрядка происходит в течение времени.

LC-генератор. Такой ГИ содержит обмотку вибратора (L) и якорь (Я), механически связанный с электродом-инструментом.
В начале заряда якорь (Я) электромагнитного вибратора притягивается, электрод-инструмент поднимается, а МЭП увеличивается.
К концу заряда конденсатора (С) ток через обмотку вибратора постепенно уменьшается, удерживающая якорь вибратора электромагнитная сила ослабевает и электроды начинают сближаться, сокращая МЭП.
После пробоя МЭП и прохождения импульса тока цикл работы ГИ повторяется. Частота импульсов определяется соотношением L и С в цепи генератора.
ГИ, выполненные по такой схеме, имеют высокие КПД и производительность.

RLC-генератор. Введение в зарядную цепь индуктивности (L) снижает величину токоограничивающего сопротивления (R) и увеличивает КПД.
Такие ГИ работают при более низком напряжении, чем RC-генераторы, так как при наличии резонанса между индуктивностью и емкостью напряжение на конденсаторе-накопителе оказывается больше напряжения источника питания
Заряд конденсатора (С) может осуществляться как по экспоиенциальному, так и по колебательному закону.
Колебательный процесс возникает при условии:

СС-генератор. В схеме такого ГИ токоограничивающим элементом является конденсатор (С1).
Частотные свойства СС-генераторов определяются, в основном, частотными характеристиками диодов выпрямителя (В).
КПД таких ГИ выше по сравнению с LC-генераторами.
Основной недостаток всех раяаксационных генераторов — это связь частоты импульсов тока с физическим состоянием МЭП. Он может быть устранен, если в разрядную цепь ввести управляемый переключатель, который в заданный момент времени будет подключать к МЭП накопительный конденсатор.
Основные их достоинства — простота и надежность.

Статические генераторы импульсов (СГИ)
В настоящее время для ЭЭО получили распространение статические ГИ с широким диапазоном регулирования временных и энергетических параметров при отсутствии накопительных элементов.
В них легко формируются прямоугольные и униполярные импульсы.
Конструктивно они выполнены на транзисторах или тиристорах. Структурная схема широкодиапазонного СГИ (рис. 1.3-12) включает в себя:

— БП — блок питания, обычно выпрямитель с напряжением 50. 60 В;
— СБ1. СБ6 — силовые блоки, в состав которых включены силовые
транзисторы, работающие в ключевом режиме и переключающиеся синхронно от задающего генератора; значение импульса тока определяется количеством включенных параллельно СБ;
— ПБ — поджигающий блок, для подачи короткого импульса напряжением 150. 300 В к МЭП; он способствует пробою МЭП, открытию разделительного диода и формированию низковольтного разряда при напряжении 40. 25 В;
— ДР — диод разделительный. До пробоя он заперт, а после открывается и через МЭП проходит импульс тока заданной формы, амплитуды и длительности;
— ЗГ — задающий генератор, для задания частоты импульсов;
— ПУМ — предварительный усилитель мощности, для отпирания СБ усиленными по мощности импульсами;
— БЗК — блок защиты от коротких замыканий, для отключения всех транзисторов СБ (блокировка ЗГ) при КЗ МЭП.
Широкодиапазонные генераторы импульсов (ШГИ) обеспечивают на выходе среднюю мощность 4 кВт при частотах от 0,1 до 440 кГц при любой требуемой скважности импульсов.

Машинные генераторы импульсов (МГИ) предназначены для получения импульсов энергии длительностью до миллисекунд которые подаются на промежуток электрод — деталь через токоограничивающее активное сопротивление.
МГИ создают мощные импульсы (десятки кВт) частотой до 400 Гц и более.
Область применения — режимы черновой обработки.
По принципу действия МГИ делятся на коммутаторные и индукторные.

Коммутаторный МГИ представляет собой электрическую машину с переменно-полюсной магнитной системой на статоре и обмоткой ия якоре.
Обмотка расположена не раяномерно, а узкими частями по окружности якора под полюсами, которых больше, чем у обычных машин, что повышает частоту тока.
При вращении якоря генератора в его обмотке (узкий участок напротив полюсов) возникает импульсная ЭДС, симметричная.
Униполярность импульсов создается коллектором (коммутатором) на валу якоря.
Индукторный МГИ представляет собой электрическую машину бесколлекторного типа, вырабатывающую переменное напряжение повышенной частоты.
Вращающаяся полюсная система в ней заменена зубчатым индуктором. Обмотки якоря и возбуждения располагаются на статоре генератора.
Переменный магнитный поток возникает за счет изменения сопротивления магнитной цепи, обусловленного зубчатостью вращающегося индуктора.
Полуволны напряжения получаются несимметричными по амплитуде. Униполярность импульсов тока достигается достижением малой амплитуды обратной полуволны за счет зубцов индуктора.

Функциональная схема электроэрозионного станка (рис. 1.3-13) представляет собой автоматическую систему с обратной свазью по выходной величине (Xвых)поступающей от датчика выходной величины (ДВВ) в блок сравнения (БС).

В БС «Xвых» сравнивается с заданной величиной «Xзад», разность которых в виде результирующего сигнала поступает в усилитель сигнала (УС), а затем через преобразователь (ПМ) и усилитель (УМ) мощности на исполнительный орган (ИО).
Объектом управления (ОУ) является межэлектродный промежуток (МЭП), который постоянно меняется в процессе обработки.
Регулируемым параметром является ток разряда, падение напряжения на МЭП или их комбинация, так как измерение заряда затруднительно.
В таких станках наибольшее распространение получили регуляторы жесткого типа. Подвижная система перемещается электродвигателем (ЭД) вверх или вниз. ЭД связан с электродом-инструментом механической передачей (рейка, винтовая, эксцентриковая или роликовая).

Принципиальная электрическая схема управления электроэрозионным станком (рис. 1.3-16)

Источник

RC-генератор

Устройство RC-генератора, принцип работы

В статье LC генератор мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле

То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.
Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы
принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.
С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной «Н»!!). Вот так он выглядит:

Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,( но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:

Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.

Источник