книги из ГПНТБ / Де Барр, А. Е
.pdfКожухи для вспомогательного оборудования, например фильтров,, можно делать из жестких пластмасс, в зависимости от требуемого размера и прочности, хотя можно использовать и металлы при усло вии, что они защищены таким же образом, как и части станка,
3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Операторы должны быть хорошо подготовлены и знакомы с определенными особенностями электрохимического процесса, которые могут оказаться опасными при несоблюдении мер пред осторожности. Во-первых, большинство электролитов, солевых или кислотных, агрессивны, и поэтому обращаться с ними нужно осторожно во избежание попадания их на лицо, руки и т. д. Станки следует устанавливать на кислотостойкий пол, например из пли ток или поливиниловых листов; операторы должны носить резино вую обувь и перчатки, а части станка или пол, которые были за брызганы растворами электролита, должны быть вымыты холодной водой.
Некоторые электролиты, в частности те, которые содержат ни траты или хлораты, могут вызвать пожар. Если растворы, содер жащие нитраты или хлораты, высыхают на одежде, материалы становятся воспламеняющимися. Сера в контакте с хлоратами может самопроизвольно взрываться, и наблюдались случаи вне запного воспламенения, когда люди в обуви на резиновой подошве (которая содержит серу) ходили по кристаллам хлората. Поэтому важно, чтобы любое разбрызгивание электролита смывалось до того, как он высохнет. В цехах, где используют эти электролиты, должны быть установлены аварийные устройства, срабатывающиепри возгорании одежды.
Когда электрохимическую обработку используют в серийном производстве, где выделяются большие количества водорода, и если водород не удаляют из рабочей камеры, то он собирается в верхних: ее зонах. Возможность взрыва, возникающая в результате искре ния между инструментом и деталью или по какой-либо другой причине, является реальной и представляет серьезную опасность. Все электрохимические станки должны быть обеспечены приточновытяжной вентиляцией, обеспечивающей смешение воздуха с водо родом и выброс разбавленной смеси в окружающую среду. Неко торые станки снабжают блокирующими устройствами, отключаю щими технологический ток в случае выхода из строя вентилятора.. Но питание током двигателя вентилятора не является достаточным, показателем того, что происходит отсос газов. Например, лопатки вентилятора могут быть разъедены коррозией под действием капе лек электролита, которые вытягиваются вместе с водородно-воз- душной смесью. И, наоборот, какое-нибудь препятствие может мешать вращению вентилятора или вызвать засорение вытяжной трубы.
Ясно, что нужно найти более надежное устройство, которое гарантировало бы достаточное поступление воздуха в рабочую'
камеру с целью снижения концентрации водорода до уровня, ко торый был бы меньше нижнего предела взрываемости. Датчик рас хода в вытяжной трубе может стать менее чувствительным в резуль тате осаждения на него кристаллов соли. Датчик расхода лучше •ставить не в вытяжной, а во всасывающей части системы, так как •оно не загрязняется капельками электролита, доступно для регу лирования и обслуживания, контролируется потоком воздуха, поступающего в рабочую камеру, и станок не сможет работать, если рабочая камера не будет закрыта. Существуют разнообразные устройства для определения воздушного напора; в одном из них используют подвижную лопатку и фотоэлемент, размещенные в прозрачной оболочке. Устройство размещено на уровне глаз •оператора, поэтому можно легко проверить его правильное функ ционирование.
4. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ
Следует установить разницу между двумя понятиями точности обработки. Во-первых, существует точность изготовления зара нее заданной формы и, во-вторых, точность воспроизведения разме ров. Первый вид точности зависит от искусства оператора, изго товляющего катод, в то время как другой является функцией параметров процесса.
Основы конструирования инструмента рассмотрены в гл. 9. Если основные правила применяют разумно и в дальнейшем ин струмент корректируют, то в пределах основных возможностей электрохимической обработки можно получать формы инструмен тов, которые точно соответствуют заданным размерам. Но как до рого должен стоить инструмент для этого процесса. Конструкторы детали и инструмента должны достичь необходимого компромисса на ранней стадии создания оснастки. Конструкция деталей, обра батываемых обычным методом, должна быть тщательно изучена, так как некоторые элементы детали, которые не важны для кон струкции, могут быть трудны для изготовления электрохимиче ским методом. Детали часто имеют вогнутые и выпуклые поверх ности, которые легко получить обычно механической обработкой, поэтому во многих случаях могут быть допущены небольшие изме нения, и естественно, что в этих случаях излишне пытаться полу чить точный радиус электрохимическим способом.
После электрохимической обработки каждый раз нужно вос производить первоначальную форму инструмента. Однако точ ность воспроизведения будет зависеть: 1) от деформации электрода или детали вследствие давления электролита; 2) от точности фикси рования конца обработки; 3) от изменения величины зазора в конце обработки. В большинстве выпускаемых промышленностью стан ков инструмент может быть остановлен с точностью 0,0125 мм. Величина зазора между инструментом и деталью зависит от усло вий обработки и скорости подачи (см. гл. 4). Проводимость злек-
тролита должна поддерживаться постоянной, для чего необходим контроль температуры, которая легко поддерживается с точностью
± 1 ° С;.кроме того, должен поддерживаться постоянным и состав электролита. Можно применять большие резервуары, содержащие свежий электролит, и от них через определенные интервалы вре мени подавать соответствующие количества электролита в систему снабжения станка. Уменьшение количества воды в результате испарения и наличие большого количества гидроокиси в электро лите также влияют на проводимость. Как деформацию станка, так и скорость подачи можно контролировать с большой точностью счетчиками, которые должны быть довольно точными.
Существуют два фактора, которые могут влиять на воспроизво димость размеров. Во-первых, при прохождении больших токов через деталь могут возникнуть «места перегрева», вызывающие де формацию, если площадь электрического контакта между деталью и приспособлением недостаточна. Выбор соответствующей контакт ной поверхности будет сокращать степень этой опасности из-за уменьшения плотности тока на поверхности контакта, которая не должна превышать 80 А - с м - 2 . Во-вторых, при удалении поверх ностных слоев металла в результате перераспределения внутрен них напряжений также появляется деформация детали. Это явле ние характерно для всех операций обработки, но при электрохими ческой обработке оно особенно очевидно, так как сам процесс не оставляет механических напряжений на поверхности.
Если учитываются изложенные выше факторы и принимаются необходимые меры предосторожности, можно достигнуть воспроиз ведения размеров с точностью ±0,025 мм на поверхностях, пер пендикулярных направлению подачи и с точностью ±0,05 мм на поверхностях, наклоненных к ней под углом.
Г л а в а |
11 |
и с т о ч н и к и |
ПИТАНИЯ |
Так как для электрохимических станков требуется постоянный ток низкого напряжения, а в сети обычно бывает переменный ток высокого напряжения, то необходим понижающий трансформатор и выпрямитель. Кроме этого, нужно обеспечить соответствующие защитные устройства для трансформатора, выпрямителя и самого
Вход трехфазной
сети |
|
|
|
|
Основной |
\Ыетектор |
\МаштныйУ^М^ |
Трансфор |
|
контактор |
перегрузки |
исилитель |
пЬльсоЗ нап |
матор |
|
|
|
ряжения |
|
Стабипиза тор нопря
Регулятор
напряжения
Шетектор
короткого
замыкания
[Детектор
переходно го тока
Рис. 11.1. Блок-схема источника питания для электрохимического станкз
станка от перегрузок и коротких замыканий. Последние могут возникнуть случайно по различным причинам — незнанию правил эксплуатации, из-за плохой подгонки электродов или деталей, скопления электропроводных частиц в рабочем зазоре или вслед ствие неправильной работы системы контроля зазора. Необходимы также соответствующие приборы для измерения тока и напряже ния, и в отдельных случаях могут быть использованы счетчики ам пер-часов и записывающие устройства.
Источник питания желательно располагать как можно ближе к станку, чтобы уменьшить потери энергии в соединительных ши нах, помня при этом, что вокруг станка необходимо оставить до статочное пространство для удобства обслуживания. Контрольные приборы должны фиксировать выходные параметры станка и со-
144
стоять из вольтметра, амперметра, счетчика ампер-часов и сигналь ных устройств.
Напряжение источника питания зависит от используемого электролита. При кислотных электролитах вследствие их повышен ной проводимости по сравнению с проводимостью обычных солевых растворов используют более низкие напряжения. На ток влияют тип, мощность и назначение станка. Таким образом, диапазон напряжения может быть в пределах 0—35 В, а тока — от несколь ких десятков до 10 ООО А.
При конструировании электрохимических станков важно не завышать мощность источника питания, так как последнее чрез мерно увеличивает его стоимость. Как правило, для источника питания средней мощности на 2000—3000 А типична стоимость 0,5—0,6 р. на ампер. Это подчеркивает отсутствие необходимости приводить в технической характеристике большие токи, чем нужно. Для источника мощностью 5000 А увеличение общего тока на 10% может стоить 1600 р. Блок-схема источника питания для электрохимического станка представлена на рис. 11.1.
1. СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Многие системы контроля, сконструированные для того, чтобы поддерживать постоянный зазор между электродом и деталью, работают в функции напряжения источника питания, которое мо жет быть постоянным или поддерживаться автоматически.
Существует несколько методов для получения постоянного или стабилизированного выходного напряжения. Одним из распро страненных методов является использование трансформатора с переключателем под нагрузкой, когда входное напряжение пони жающего трансформатора изменяется таким образом, чтобы под держивать постоянный ток при неизменном заранее установлен ном напряжении. Недостатком этого метода является прежде всего то, что скорость регулирования сравнительно низка, осо бенно при больших изменениях входного напряжения; диапазон регулирования может составлять 15% для изменений в сети или 10% для внутренней регулировки источника питания. Система регулирования включает подвижные части, т. е. двигатель и по движные контакты на клеммах трансформатора, которые подвер гаются износу и имеют ограниченный срок службы. Кроме того, разрешающая способность этого метода ограничена тем, что напря жение можно регулировать только на первичных витках транс форматора.
Указанные недостатки можно устранить, если для контроля выходного напряжения использовать управляемое постоянным током устройство. В этом случае трехфазное устройство, управляе мое постоянным током, размещают последовательно с первичными обмотками понижающего трансформатора и токи в управляемых обмотках изменяются таким образом, что выходное напряжение
постоянного тока остается на определенной, заранее установленной величине. Управляемое постоянным током устройство эквива лентно трансформатору с переменным коэффициентом трансфор мации, но у него есть недостаток, который заключается в том, что ток, идущий из сети, будет более реактивным, чем ток в трансфор маторе с переменным коэффициентом трансформации. Это, в свою очередь, потребует дополнительного оборудования для повышения коэффициента мощности, если нужно избежать дополнительной платы за стоимость электроэнергии.
За последние несколько лет стоимость кремниевых вентилей снизилась, и они стали экономически выгодными для подобных систем регулирования. Кремниевые вентили или тиристоры яв ляются фактически полупроводниковыми тиратронами и обладают способностью очень быстро регулировать выходное напряжение источников питания. Максимальное время для регулирования выхода с полной до нулевой нагрузки или наоборот составляет только V 2 периода частоты питающего тока, т. е. 10 мсек, в проти воположность 100 мсек для управляемого постоянным током реак тора и 1 сек или более для трансформатора, регулируемого пере ключением. Кроме того, они компактны и легки даже тогда, когда применяют необходимые охлаждающие приспособления. Форма выходного импульса от источников, регулируемых таким образом,
однако, неблагоприятна даже по сравнению с |
регулированием |
при помощи реактора, управляемого постоянным |
током. |
Степень стабилизации, необходимая для обработки, несколько неопределенна на данном уровне развития. Можно создать обору дование, которое будет стабилизировать выходное напряжение с точностью ±0,1 % от любого заранее установленного напряжения по сравнению с обычными колебаниями в сети и изменениями в на грузке. Но это еще не означает, что действительно необходима та кая высокая степень стабилизации; однако, когда применяют элек трохимическую обработку, при которой имеется большое количе ство переменных параметров, влияющих на эффективность и каче ство обработки, нужно исключать любые влияния, которые мо гут изменить питающее напряжение. Стоимость обеспечения этой высокой степени стабилизации незначительна.
2. СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА
Для определенных типов станков необходимо обеспечить ста билизацию тока вместо стабилизации напряжения. Например, в станках, которые снабжены электродами с неизменной площадью поперечного сечения для выполнения таких операций, как сверле ние или прошивка, часто желательна подача тока постоянной вели чины. На практике, однако, установили, что для отверстий диа метром более 5 мм стабилизация тока не дает хороших результатов, и следовательно, может быть так, что стабилизацию тока следует ограничить до нескольких сот ампер. Для сверления большого
146
количества отверстий требуется стабилизация тока для каждого электрода, что технически трудно осуществимо и приводит к не стабильному процессу обработки.
Методы стабилизации тока почти такие же, как и стабилизации напряжения, с соответственно реконструированными цепями об ратной связи. Для защиты от коротких замыканий между деталью и электродом должна быть предохранительная цепь низкого напря жения. Возможна подача энергии при стабилизации тока порядка
± 0 , 2 % при номинальных изменениях сети и при токах до несколь ких тысяч ампер.
Источники питания со стабилизацией тока надежнее, чем источники питания со стабилизацией напряжения, когда учиты вают, например, повреждения выпрямителей и трансформаторов.
3. ВЫПРЯМИТЕЛИ
Типы выпрямителей. Рассмотрим три основных типа выпрями телей, применяемых в источниках питания для электрохимической обработки.
Селеновые выпрямители существуют много лет и представляют самый экономичный прибор, особенно для станков небольшой мощ ности. Селеновые выпрямители, однако, имеют недостаток •— огра ниченный срок службы.
Германиевые выпрямители имеют падение напряжения в про водящем направлении не более 0,5—0,6 В при номинальном токе. Более того, можно легко изготовить единичные элементы, выдер живающие необходимое максимальное обратное напряжение. Основным недостатком германиевых выпрямителей является то,, что их редко рекомендуют для использования при температуре,, превышающей окружающую температуру на 40—50° С вследствие быстрого увеличения обратного тока или тока утечки.
Кремниевые выпрямители можно использовать при температуре выше максимальной окружающей температуры, рекомендуемой для германиевых выпрямителей, хотя падение напряжения в проводя щем направлении 1,1—1,2 В при номинальном токе делает крем ниевые выпрямители менее эффективными по сравнению с герма ниевыми. Вследствие легкости управления кремниевые вентили возможно станут основными в источниках для электрохимических станков.
Охлаждение. Способ охлаждения выпрямителя определяется частично окружающей средой, в которой он будет работать, и частично типом выпрямителя. Трудно, например, осуществить, водяное охлаждение селенового выпрямителя вследствие его кон струкции, и в этом случае чаще всего используют масляное охла ждение и воздушное (естественное или принудительное). Водяное охлаждение можно применять для германиевых или кремниевых выпрямителей; элементы выпрямителей закрепляют на сборных шинах, которые имеют каналы для охлаждения.
10* |
147- |
В условиях цеха и при отсутствии затруднений с производ ственными площадями самым простым методом является естествен ное охлаждение, но этот метод может привести к быстрой коррозии элементов выпрямителя и арматуры, если окружающая среда со держит пары используемого электролита.
Падение напряжения. Без стабилизации напряжения или тока падение напряжения для различных типов выпрямителей одина ково и составляет 10%. Может показаться, что это противоречит изложенному выше, но при больших токах, при которых германие вые и кремниевые выпрямители более экономичны, необходимо иметь трансформаторы с относительно высокой реактивностью, чтобы ограничить токи короткого замыкания, что влияет на паде ние напряжения.
Защита выпрямителей от сверхтоков и перенапряжений важна во всех случаях. У селеновых выпрямителей, для которых харак терна высокая теплостойкость, защита обычно достигается путем использования плавких предохранителей и коммутационной аппа ратуры. При использовании кремниевых или германиевых выпря мителей защитные элементы от сверхтоков должны быть более чувствительными вследствие низкой теплостойкости этих выпрями телей; поэтому для защиты германиевых и кремниевых выпрями телей были разработаны специальные плавкие предохранители с известной токовременной характеристикой. При выборе такого плавкого предохранителя важно, чтобы он имел токовременную характеристику, которая обеспечивала разрыв цепи до поврежде ния присоединенных выпрямителей. Для выбора плавких предо хранителей изготовители обычно рекомендуют максимальные ве личины тока в различные периоды премени. Все элементы парал лельного выпрямительного устройства должны иметь свои быстро действующие плавкие предохранители, обычно разрывающие цепь в том случае, когда происходит повреждение выпрямителя, с кото рым он соединен. Это устройство должно предотвращать поврежде ние других выпрямителей. Потребность в таком устройстве стано вится очевидной для мощных источников питания с большим коли чеством выпрямительных элементов, каждый из которых имеет быстродействующую плавкую вставку.
Необходима дополнительная защита всего выпрямителя на случай несрабатывания индивидуальных предохранителей. Следо вательно, желательно иметь систему индикации разрыва цепи в эле ментах выпрямителя, так как в противном случае на остальные элементы налагается перегрузка при отборе от источника питания полного тока нагрузки. Специальные быстродействующие плавкие предохранители для полупроводниковых диодов могут быть снаб жены устройствами, приводящими в действие микровыключатель или другое независимое устройство, имеющее звуковую или све товую сигнализацию срабатывания плавкого предохранителя. Применение реле перегрузки или длительных перегрузок, линейных плавких предохранителей в комбинации с авто148
матическими выключателями приведет к значительным повреж дениям.
Импульсные перенапряжения, далее при незначительной дли тельности, являются серьезной опасностью, особенно когда исполь зуются германиевые и кремниевые выпрямители, хотя вновь разра ботанные выпрямители типа лавинных, имеют гораздо лучшую перегрузочную способность вследствие особенностей их производ ства и характеристик. В обычных условиях импульсы перенапря жения могут поддерживаться на удовлетворительных уровнях с помощью цепочек сопротивления RC или цепочек LC.
4. НАПРЯЖЕНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ
Большинство источников питания, которые используют для электрохимической обработки, имеют небольшую пульсацию вы ходного напряжения, но эту пульсацию по экономическим причи нам нецелесообразно сглаживать вследствие весьма низкого вну треннего сопротивления выпрямителя. Величина пульсаций зави сит от формы соединений в выпрямительном блоке; самой обычной формой соединения является трехфазный мост, иногда называемый шестифазным выпрямлением. Иногда на мощных источниках пита ния (превышающих 2000 А, где многие выпрямительные элементы расположены параллельно) более экономично использовать двенадцатифазное выпрямление, для которого характерно более низкое напряжение пульсации по сравнению с шестифазным выпрямле нием.
Хотя существуют определенные теоретические суждения, пола гающие, что любая пульсация может плохо влиять на производи тельность обработки и шероховатость поверхности, практические доказательства этого отсутствуют.
5.ОБНАРУЖЕНИЕ ИСКРЫ
Вхорошо контролируемой операции электрохимической обра ботки искрения между инструментом и деталью не происходит. Существуют, однако, случаи, когда вследствие отсутствия или не
достаточного контроля, особенно во время настройки станка, а иногда и во время процесса обработки может наступить искрение. Для предотвращения искрового повреждения важно выявить условия, предшествующие искрению. Прежде всего нужно устра нить причину искрения. Устройства для защиты от искрения сле дует рассматривать как дополнительные меры предосторожности, а не как основной фактор в процессе обработки.
Повреждение, вызванное искрой, возрастает с ее длитель ностью, и обнаружение искры может быть полезным только на ран ней стадии ее появления. С целью предотвращения или ограниче ния повреждения электрический ток может быть отключен.
Переходные явления в электрических параметрах процесса, появляющиеся в начале искры, обеспечивают необходимые сред ства для обнаружения искры. Изучение характера этих переходных явлений поможет определить электронную схему, необходимую для их обнаружения. Например, когда проводящие частицы в электро лите или острые выступы на поверхности детали вызывают искре ние, переходный процесс проявляется в виде импульса на основной форме волны напряжения постоянного тока. Если этому не препят ствовать, то искры продолжают образовываться с частотой не сколько сот раз в секунду.
Искровой датчик, с успехом использовавшийся в течение неко торого времени, состоит из регистрирующего устройства, настроен ного на частоту колебаний искрового разряда, который не реаги рует на низкочастотную пульсацию сети. Сигнал усиливается и используется для отключения основного источника питания. Хотя эта система обнаруживает искры на очень ранней стадии, в на стоящее время применяют электронную схему, которая обнаружи вает первый «пиковый» импульс искрения. Обе системы регистри руют изменения напряжения в рабочем зазоре и для максимальной чувствительности провода от электронного устройства подсоеди няют к инструменту и детали.
В процессе обработки возможны случаи частичного или пол ного прекращения анодного растворения. Причиной этого может быть грязная или окисленная поверхность детали, неметалличе ские включения в материале, неэлектропроводные частицы в по токе электролита или пассивация поверхности детали вследствие нестабильного потока электролита. На этих участках детали искре ния не будет даже при контакте с электродом.
В некоторых случаях, особенно там, где произошла пассивация поверхности детали, сопротивление изоляционной пленки на необ работанной поверхности уменьшается, так как давление в точке контакта увеличивается с подачей инструмента. Таким образом, на этой поверхности происходит равномерное накапливание энер гии до такой степени, что деталь плавится, прежде чем появится искра. В этих условиях инструмент и деталь сильно повреждаются даже при использовании устройства защиты от искрения. В это время происходит незначительное, но быстрое падение рабочего тока до того как необработанная площадь детали коснется инструмента.
Обычно это падение тока обнаруживается с помощью контура, размещенного на токоведущих линиях. Сигналы, получаемые в контуре в результате изменений магнитных силовых линий, уси ливаются и используются для отключения источника питания от сети.
Использование этих двух типов электронных устройств для регистрации переходных процессов позволяет обнаруживать боль шинство возмущений, которые могут произойти в рабочем зазоре. Существует, однако, много неисследованных факторов, так что необходимость дальнейшего развития систем защиты остается.
150