ЭЛЕКТРОСПЕЦ
ЭЛЕКТРОСПЕЦ

Электрохимические и электрофизические установки,электроэрозионные установки

1.Общая характеристика и физические основы процесса

2.Генераторы импульсов

3.Функциональная схема электроэрозионного станка

4.Принципиальная электрическая схема управления электроэрозионным станком

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 (Uпр) 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 108 А/с.
При этом плотность тока составляет 1010 А/см2, а давление в зоне разряда достигает 108 Н/м2.
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 Iзар меньше Iимп. К концу заряда напряжения на емкости (Uп) и на источнике питания (Uип) 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)