Конспект лекций Бордусов

40

Основная часть электрохимических станков работает в полуавтоматическом цикле. У этих станков автоматизирован цикл ЭХО, а операции установки, проверки, закрепления заготовки и съема обработанной детали выполняет оператор. Он же запускает станок и вспомогательные агрегаты в работу. Отключение станка и агрегатов происходит автоматически при достижении заданного параметрам детали или глубины обработки.

3.4. Конструктивные особенности станка для электрохимической обработки

Рассмотрим конструктивные особенности станков для ЭХО на примере оборудования копировально-прошивочной группы.

Отличительной особенностью этих станков является поступательное движение ЭИ. В зависимости от направления подачи ЭИ можно выделить станки вертикальной и горизонтальной компоновок.

Преимуществом станков вертикального типа является компактность, для их размещения требуется меньшая площадь. Горизонтальная компоновка имеет преимущества при обработке крупногабаритных заготовок (массой

100…500 кг).

Стол станка устанавливается внутри камеры, защищающей рабочего от брызг электролита. Крепление стола может быть выполнено жестким или иметь наладочные перемещения в продольном и поперечном положениях. Рабочая поверхность камеры, стол и другие элементы оснастки и станка, соприкасающиеся с электролитом, должны быть выполнены из антикоррозионного материала.

Для закрепления технологической оснастки на столе станка в конструкции стола предусматриваются Т-образные пазы. Защита стола от растравливания осуществляется протекторной защитой, для чего по внешнему контуру стола закрепляют цинковые пластины.

Перемещение ЭИ осуществляется приводом. Широкое распространение получили 2 типа приводов: электромеханический и гидравлический.

Электромеханический механизм подачи включает: электродвигатель с регулируемой частотой вращения, редуктор, шариковую винтовую пару, имеющую предварительный натяг.

Гидравлический механизм подачи включает гидроцилиндр, управление подачей осуществляется следящим гидроприводом.

Движение инструмента может быть непрерывным или циклическим. Подача ЭИ осуществляется со скоростью 0,1…10 мм/мин. В режиме наладки вспомогательный ход осуществляется со скоростью 200…500 мм/мин.

Специфической особенностью процесса размерной электрохимической обработки является отсутствие механического контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью, однако на инструмент и заготовку действуют значительные силы. Силы, возникающие в зоне обработки, в основном определяются гидродинамическими параметрами электролита в МЭЗ. При примене-

41

нии импульсного технологического тока, пульсирующего потока электролита и вибрации ЭИ в МЭЗ появляется дополнительная переменная сила, под действием которой узлы станка испытывают переменные во времени деформации, приводящие в конечном итоге к изменению МЭЗ. Потому для станков ЭХО важной характеристикой, обеспечивающей заданные технологические показатели обработки, является жесткость станка.

В нижней части камеры располагаются патрубки слива электролита, соединенные с промежуточным или основным баком. Для удаления из камеры водорода она соединяется воздуховодами с вытяжной вентиляцией.

Передняя к оператору стенка (или дверца) поднимается по вертикальным направляющим или открывается на петлях.

3.5. Источники технологического тока

Функцией источника питания является подача технологического тока в электрохимическую систему. Сила тока, используемая при электрохимической обработке, может составлять 10…40000 А.

Напряжение источника регулируется в пределах 6…25 В.

По технической характеристике источники питания делятся на источники постоянного тока (однополярные и с изменяющейся полярностью), импульсные и универсальные, позволяющие работать как с постоянным, так и с импульсным током.

Формы напряжений, вырабатываемые источниками питания для ЭХО, имеют вид, представленный на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Формы напряжений на выходе источников электрохимической обработки:

а) однополярное постоянное напряжение с небольшими колебаниями; б) постоянное напряжение с изменяющейся по определенному закону по-

лярностью (т.н. реверсивный режим работы); в) однополярное импульсное напряжение.

В составе установок ЭХО могут использоваться два вида источников питания:

1)электромеханические (машинные);

2)статические.

42

Электромеханические ИП имеют механические связанные между собой электродвигатель и генератор. Последний вырабатывает ток нужного напряжения. Такие ИП имеют низкий КПД, создают шум и вибрацию, поэтому используются редко.

Указанных недостатков лишены статические ИП, выпрямляющие сетевое переменное напряжение с помощью полупроводниковых приборов.

Источники постоянного тока различаются:

1)вольт-амперной характеристикой (жесткая, крутопадающая, или плав-

ная);

2)системой регулирования напряжения (ступенчатая или плавная);

3)системой защиты от коротких замыканий.

Импульсные источники тока различаются: а) вольт-амперной характеристикой; б) формой и параметрами импульсов;

в) системами регулирования и защиты от коротких замыканий.

Источники питания постоянного тока на выходе вырабатывают выпрямленный пульсирующий ток. Уровень пульсации зависит от схемы выпрямления

иможет составлять 5…30 .

Вкачестве источников питания для электрохимических станков широко применяются тиристорные управляемые выпрямители серии ВАК, ВАКР, ИПТУ, управляемые тиристорные выпрямительные агрегаты серий ТЕ, ТВ, ТЕР, ТВР и т.д.

Расшифровка: ВАК-100—У4 (выпрямительный агрегат кремниевый, I=100 А, Up до 36 В, У4 — категория исполнения).

Вобщем виде требования к управляющим ИП для ЭХО можно сформулировать следующим образом:

1) ИП импульсный режим, так и режим постоянного тока, а также обеспечивать различные ВАХ;

2) ИП должен иметь высокие энергетические и технико-экономические показатели, к которым относятся коэффициенты мощности и сдвига cos , высокий КПД, малые габариты и масса, низкая стоимость;

3) ИП должен иметь высокое быстродействие и эффективную защиту от коротких замыканий, как на постоянном, так и на импульсном токе.

Тип источника питания можно выбрать, приняв за базисную величину плотность тока около 1 МА/м2 и зная максимальную площадь обработки детали.

3.6.Токоподводы установок электрохимической обработки

Различают токоподводы, соединяющие ИП со станком и подводящие ток непосредственно к электродам.

Основные требования к токоподводам:

1)минимальные потери электрической энергии;

2)коррозионная стойкость к воздействию электролитов;

3)надежность в работе;

43

4) безопасность обслуживающего персонала.

Конструктивно токоподводы выполняют неподвижными и подвижными. Первые подразделяются на неразъемные и разъемные. Неразъемные обычно соединяют токоведущие шины от ИП со столом и электродвигателем станка, а разъемные — стол и электродержатель с заготовкой и ЭИ.

Вкачестве материалов для токоподводов наиболее часто применяют медь, латунь, алюминий, сталь.

Вкачестве токоведущих шин при силе тока до 100 А используются отдельные провода большого сечения или их наборы. Если сила тока не превышает 1000…1200 А, то применяют наборы гибких медных оплеток или пакеты медной фольги. При большей силе тока используют шины в виде полос из меди, алюминия или их сплавов. Иногда токоподводы делают охлаждаемыми водой или воздухом.

Площадь сечения токоподвода находят из условия прохождения по нему тока с предельной плотностью Jn

Sт = Iт/Jn

(3.1)

Для медных токоподводов без охлаждения Jn = 1…2 А/мм2, для алюминие-

вых Jn = 0,8…1,5 А/мм2.

Для надежной передачи тока следует правильно выбрать силу прижима и размеры контактных площадок.

Плотность прижима S в контактных соединениях для меди (60..100)∙105 Па, для алюминия — 250∙105 Па.

Площади контакта Sк в местах соединений шин и закрепления детали и ЭИ в базовых элементах механической части станка рассчитываются по формуле

Sт = Iт/Jк,

(3.2)

где Jк — предельная плотность тока через контакт (без охлаждения Jк ≤ 1 А/мм2, с охлаждением Jк ≤ 8 А/мм2).

3.7. Системы управления оборудованием ЭХО

Управление процессами ЭХО осуществляется специальными автоматическими системами, которые могут выполнять следующие задачи:

1)управлять работой узлов и механизмов станка;

2)регулировать параметры электролита;

3)регулировать МЭЗ;

4)предотвращать возникновение коротких замыканий.

Такие системы управления процессами ЭХО в большинстве случаев являются неотъемлемой частью электрохимических станков и органически связаны с ними.

44

3.7.1. Система управления механизмами станка

Система управления механизмами станка обеспечивает включение и выключение в определенной последовательности насоса подачи электролита, источника питания, привода подачи ЭИ, вентиляционного устройства и других механизмов, которыми оснащен данный станок.

Управление может осуществляться в ручном, автоматическом и полуавтоматическом режимах.

3.7.2. Система регулирования межэлектродного зазора

Регулирование МЭЗ при электрохимической обработке происходит автоматически. Для этого используют различные технологические параметры обработки:

—силу рабочего тока;

—напряжение между электродами;

—давление электролита;

—межэлектродный зазор и т.д.

Наибольшее распространение получили два типа систем регулирования МЭЗ:

Всистемах первого типа зазор поддерживается постоянной скоростью подачи инструмента, которая равна скорости анодного растворения. Постоянная подача электрода-катода осуществляется с помощью гидродвигателей, двигателей постоянного тока, шаговых двигателей. Такие системы сравнительно просты в исполнении, но надежны лишь при достаточно больших зазорах и обработке поверхностей с постоянной площадью обработки. Недостатки таких систем:

1) при малых зазорах и обработке полостей переменных сечений нарушается принцип саморегуляции зазора и возникает КЗ на электродах;

2) недостаточно быстро срабатывает защита от КЗ, что приводит к местным прожогам.

Всистемах второго типа МЭЗ регулируется с помощью следящих устройств. За регулирующий параметр можно принять напряжение, рабочий ток, давление электролита, плотность тока и т.д.

Рассмотрим для примера структурную схему гидравлической следящей системы (рис. 3.5).

45

Рис. 3.5. Структурная схема гидравлической следящей системы станка ЭХО: 1 – датчик регистрируемого параметра; 2 – гидропривод системы перемещения катода; 3 – промежуточный механизм системы перемещения катода;

4 – катод-инструмент; 5 – обрабатываемая заготовка

Регулирующим параметром в данном случае принято изменение давления в гидросистеме электрохимической установки. При подаче постоянного объема электролита в зону обработки давление в гидросистеме зависит от гидравлического сопротивления в МЭЗ, а следовательно, и от величины этого зазора. Изменение его, а значит и давления, регистрируется датчиком 1, который управляет гидроприводом 2. Последний через промежуточный механизм 3 перемещает катод 4 относительно обрабатываемой детали 5. С помощью гидравлической следящей системы МЭЗ поддерживаются в пределах 0,1…0,5 мм при рабочем давлении в гидросистеме 0,8…2 МПа.

Широко используется следящие системы основанные на принципе дискретной подачи электродов. В этом случае размер торцевого МЭЗ поддерживается за счет периодического сближения электродов при выключении напряжения.

Схема такой системы регулирования имеет вид, представленный на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Система регулирования межэлектродного зазора с использованием принципа дискретной подачи электродов

ЭИ 5 перемещается системой подачи 6 к заготовке 4. Через некоторое время прерывателем 1 отключается ИП 2 и сближаются электроды 4 и 5 до касания. Момент касания улавливается системой 3 автоматического регулирования.

46

От блока 3 поступает сигнал двигателю 7 системы подачи 6. По этому сигналу ЭИ 5 отводится на заданный размер МЭЗ промежутка, после чего от блока 3 поступает сигнал прерывателю 1 на включение ИП.

Чем чаще происходит регулирование зазора, тем выше точность формообразования детали, но при этом снижается производительность процесса, т.к. растворение металла происходит только при протекании рабочего тока. На практике зазор регулируют через 3…5 секунд.

Существуют и другие технические решения следящих систем.

3.7.3. Системы защиты электрохимических станков от токов короткого замыкания

Эти системы выполняют две задачи.

Первая — это защита станков от токов, превышающих максимально допустимые для данного ИП значения. Такие токи могут возникнуть в результате:

а) КЗ во внутренней цепи ИП из-за снижения электрического сопротивления МЭЗ;

б) повышении температуры электролита; в) превышении площади обработки, допустимой для данного станка.

Вторая задача — это защита заготовки и ЭИ от теплового воздействия (сплавления), возникающего в результате пробоя МЭЗ.

Рис. 3.7. Структурная схема системы защиты от коротких замыканий установки ЭХО: 1 – источник питания; 2 – блок защиты от КЗ; 3 – система управле-

ния работой станка; 4 – прерыватель.

Системы защиты от КЗ построены на принципе выделения и анализа высокочастотных составляющих напряжениях обработки, предшествующих КЗ, в случае неустойчивого протекания процесса обработки. Причем в одной системе может быть скомпоновано несколько датчиков, реагирующих на изменение турбулентности потока электролита в МЭЗ, начало интенсивного газовыделения, начало искрообразования, изменение скорости нарастания напряжения или тока и т.д.

47

Эти системы конструктивно представляют собой отдельный блок, встраиваемый в ИП или шкаф управления станком.

Такой блок 2 включают параллельно с ИП 1. При КЗ в какой-то момент времени происходит быстрое падение рабочего тока до того, как деталь коснется инструмента. Это объясняется кавитацией потока электролита за зоной препятствия. Это изменение рабочего тока принимается системой и в результате ее срабатывания вырабатывается сигнал на выключение ИП и привода рабочей подачи. Затем МЭЗ корректируется системой регулирования МЭЗ.

3.7.4. Системы циркуляции электролита

При осуществлении процесса размерной электрохимической обработки электролит непрерывно циркулирует в замкнутой системе. Системы подачи электролита в МЭП должны обеспечивать стабильность следующих заданных характеристик рабочей среды:

1)расход;

2)шлакосодержание;

3)показатель рН;

4)химический состав;

6)концентрацию;

7)температуру.

Эти системы в современных электрохимических установках включают в

себя следующие основные узлы и устройства:

1)резервуары для хранения электролита (баки, ванны);

2)трубопроводы с вентилями, предохранительными клапанами, маномет-

рами;

3)устройства и системы очистки: статические — фильтры (трубчатые, сетчатые) и динамические — центрифуги;

4)насосы для подачи свежего электролита в межэлектродный зазор и загрязненного — на фильтры;

5)устройства автоматического регулирования и поддержания параметров рабочей системы на заданном уровне (рабочая температура, показатель рН

ит.д.)

Все элементы системы выполняются из коррозионно-стойких материалов. Объем бака для хранения электролита выбирают из условия; 800 л. элек-

тролита на 1000 А технологического тока.

В качестве насоса для подачи электролита широко применяют центробежные насосы. Насос выбирают из условия, чтобы на каждые 1000 А технологического тока приходилось электролита 60 л/мин.

При выполнении операций формообразования неподвижным электро- дом-инструментом время обработки не превышает 2…3 мин, а давление электролита 0,1…0,2 МПа. В этом случае целесообразно применять систему подачи электролита периодического действия. Подачу электролита в зону обработки можно осуществлять сжатым воздухом.

48

При электрохимической обработке в процессе электролиза происходит выделение газообразного водорода. Поэтому к камере станка и баку для хранения электролита должна подводиться вентиляция. Для обеспечения безопасной концентрации водорода производительность вентиляционной системы определяется как:

			T
W 50...60 1			c			0,007 I		,	(3.3)
							T
B			273

где Wв — л/мин;

Tc — температура окружающей среды, К;

0,007 — объемный электрохимический эквивалент водорода, л/А∙мин; IT — величина технологического тока в А.

Очистка электролита от шлака может производиться следующими методами: осаждением, фильтрацией, отстаиванием, центрифугированием. Выбор метода очистки зависит от условий, в которых работает электрохимическое оборудование.

Поддержание температуры электролита в заданных пределах осуществляется теплообменными аппаратами, управляемыми контрольно-регулирующей аппаратурой. Система автоматического регулирования рабочей температуры включает в себя электроконтактный термометр, в котором есть контакты минимально и максимально допустимой температуры, реле, управляющие затворными вентилями, через которые в теплообменник подается холодная и горячая вода.

По такому же принципу регулирования построена работа и других устройств автоматического регулирования параметров рабочей среды.

3.8. Виды и компоновка станков для ЭХО

Станки для ЭХО подразделяются по назначению на универсальные, специальные, и специализированные.

Универсальные и специальные станки выпускаются промышленностью серийно. Специализированные электрохимические станки создаются, как правило, на производстве из имеющихся станков различного назначения (например металлорежущих), прошедших модернизацию.

Специальные станки предназначены для выполнения какой-то одной операции применительно к определенному изделию (например обработка профильной части турбинных лопаток, тел вращения, плоского и профильного шлифования и т.д.)

По компоновке различают консольные и портальные станки.

По устройству рабочих органов различают станки с горизонтальным и вертикальным перемещением электрода-инструмента.

Станки и оборудование классифицируются также по функциональному назначению и т.д.

49

Наиболее простую конструкцию имеют станки, работающие по схеме с неподвижным электродом. Обычно они предназначаются для обработки деталей небольших габаритов, поэтому оснащены маломощными источниками питания. Все узлы таких станков могут быть размещены в общем корпусе.

Имеются также конструкции, содержащие две стойки, в одной из которых размещен источник питания и блоки управления режимом (система адаптивного управления), в другой — устройства для хранения, очистки и прокачки электролита.

Наиболее широкое распространение получили универсальные копироваль- но-прошивочные электрохимические станки. Они выпускаются и поставляются в комплекте с источником питания, баком для электролита и насосной станцией, пультом управления регулирующими устройствами. Для работы используются обычно постоянный ток низкого напряжения. Наиболее употребительные значения постоянного тока 50…200 А/см2. При этом достигается скорость подачи ЭИ 0,2…3 мм/мин, а иногда и до 6 мм/мин.

Величина МЭЗ поддерживается 0,05…0,5 мм. Особое внимание уделяется очистке электролита с помощью специальных устройств. Прокачка его через рабочий промежуток ведется под давлением 0,5…2 МПа. Точность обработки достигает 0,05…0,2 мм.

Все универсальные копировально-прошивочные станки обычно комплектуются набором приспособлений для закрепления на столе обрабатываемых заготовок, приспособлениями для закрепления ЭИ и инструментами необходимыми для обслуживания станка.