отчет. Самостоятельная работа направление подготовки 13. 03. 02 Электроэнергетика и электротехника Дисциплина Основы электротехнологий
 Скачать 112.58 Kb.
|
   Министерство науки и образования Российской Федерации Орский гуманитарно-технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» Механико-технологический факультет Кафедра электроэнергетики и теплоэнергетики САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТАНаправление подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника Дисциплина: Основы электротехнологийРасчёт параметров электрооборудования для создания возможностей электроимпульсной обработки материалов Параметры приборов и устройств для получения разных видов плазмы Отчёт ОГУ 13.03.02 Руководитель канд. техн. наук, доцент ___________ О.С. Ануфриенко подпись « » 2020 г. Студент группы 19ЭЭ(б)Э ___________ Д.Р. Аликбаев подпись « » 2020 г. Орск 2020 Содержание Обработка электроимпульсная. Физические условия осуществления размерной электроэрозионной обработки. Разновидности электроэрозионной обработки металлов. Электротехнологические характеристики. Характеристики и облати применения размерной электроэрозионной обработки. Электроимпульсные станки. Плазма. Свойства и применение. Особенности. Свойства плазмы. Применение плазмы. Обработка электроимпульсная Электроэрозионные методы обработки основаны на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. К этим методам относят электроискровую, электроимпульсную, высокочастотные электроискровую и электроимпульсную и электро-контактную обработку. В зависимости от того, каким способом производится обработка или упрочнение, можно говорить об электроискровой, электроимпульсной, электроконтактной или анодно-механической размерной обработке или упрочнении. Приведенные определения и классификация позволяют рассматривать электрическую обработку металлов как самостоятельную отрасль электротехнологии. С появлением электрических способов обработки оказалось в принципе возможным осуществление методами электротехнологии всего комплекса операций, необходимых для превращения заготовки в готовую деталь, включая и ее термическую обработку. Электроэрозионные способы не исключают механическую обработку, а дополняют ее, занимая свое определенное место, соответствующее их особенностям, а именно: возможности обработки токопроводящих материалов с любыми физико-механическими свойствами и отображения формы инструмента в изделии. Следовательно, использование электроэрозионных способов обработки будет развиваться с повышением твердости и вязкости обрабатываемых материалов, с усложнением формы детали и обрабатываемых поверхностей (полости сложной конфигурации, отверстия с криволинейной осью, отверстия весьма малого диаметра, тонкие и глубокие щели простой и сложной формы и т.п.), наконец, с улучшением технико-экономических показателей электроэрозионных способов обработки - повышением производительности, чистоты поверхности, точности, стойкости инструмента и снижением энергоемкости процесса. Особо перспективным является использование электрических способов для обработки деталей из твердых сплавов, жаропрочных сталей и специальных трудно обрабатываемых сплавов, получающих все большее применение в связи с повышением давлений, температур и скоростей в машинах и аппаратах. Отдельные элементы разновидностей и частные применения электроэрозионной обработки металлов были известны давно. Например, резка металлов с наложением электрического тока (так называемая, электрофрикционная резка, близкая по схеме и параметрам к электроконтактной обработке) применялась около 70 лет тому назад; поверхностное упрочнение угольным электродом с помощью электрического тока по методу Д. Н. Дульчевского предложено в 1928 г. и др. Однако быстрое развитие способов электроэрозионной обработки металлов и превращение их в самостоятельную отрасль электротехнологии началось вскоре после изобретения в 1943 г. Б. Р. и Н. И. Лазаренко электроискрового способа и В. Н. Гусевым - анодно-механического способа. Эти способы были дополнены в 1948 г. новым применением электроконтактной обработки (заточка по методу инж. М. Е. Перлина), получившим дальнейшее развитие в работах Харьковского электротехнического института, Харьковского подшипникового завода (обработка шаров по методу инж. Б. П. Гофмана), ХТЗ имени Орджоникидзе (обработка траков), научно-исследовательского института Минсудпрома (обработка гребных винтов) и др. Развитие электроискрового и анодно-механического способов шло по линии создания многочисленных опытных конструкций приспособленных и специальных электроэрозионных станков, автоматических регуляторов и освоения новых технологических операций. Технические характеристики этих способов - производительность, стойкость инструмента, энергоемкость, удобство в эксплуатации - за этот период не получили сколько-нибудь существенного изменения в лучшую сторону. В электроискровом способе, основанном на применении зависимых (конденсаторных) релаксационных генераторов импульсов, практически исчерпаны возможности дальнейшего повышения производительности, снижения износа инструмента и энергоемкости. Оказались необходимыми принципиально новые технические решения и отказ от конденсаторных схем. Первые шаги в этом направлении были сделаны в 1950 г. в Конструкторском Бюро Министерства Станкостроительной и Инструментальной Промышленности (КБ МСиИП) в области создания новых источников питания импульсным током (независимых генераторов импульсов) для прошивочно-копировальных работ и Одесским политехническим институтом в области разработки источников импульсного тока для обработки вращающимся инструментом на мягких режимах (для изготовления надфилей). Новый способ обработки, основанный на применении независимых генераторов импульсов напряжения и тока, получил название электроимпульсного. С 1951 г. электроимпульсный способ разрабатывался в тесном содружестве тремя организациями: Конструкторским бюро МСиИП, Лабораторией электрических методов обработки Экспериментального научно- исследовательского института металлорежущих станков и кафедрой электрических машин Харьковского политехнического института имени В. И. Ленина. Электроимпульсный способ обработки при осуществлении прошивочно- копировальных работ позволил по сравнению с электроискровым способом повысить скорость съема металла на жестких режимах в 5-10 раз при наличии возможности ее дальнейшего увеличения, снизить износ инструмента в 5-20 раз и энергоемкость в 2-3 раза. Приводимые в данной работе сведения характеризуют в целом современное состояние техники, технологии и производственного использования электроэрозионной обработки металлов. Наибольшее внимание уделяется при этом электроимпульсному способу обработки, обладающему лучшими технико-экономическими показателями и более широкой областью применения, чем электроискровой. Из различных применений электроимпульсной обработки излагаются, в основном, более исследованные прошивочно-копировальные работы, представляющие наибольшую трудность для осуществления и более универсальные по технологическим возможностям. Электрическая обработка металлов и ее разновидность - электроэрозионная обработка - представляют самостоятельную отрасль электротехнологии, находящуюся на начальной ступени развития. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РАЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ Для обеспечения качественной размерной обработки металлов за счет использования теплового действия электрического тока необходимо соблюдение следующих трех основных условий: 1. Энергия электрического тока должна подводиться к обрабатываемому участку в виде импульса достаточно малой продолжительности (локализация элементарного съема металла во времени). При непрерывном подводе энергии теряется точность обработки, появляется дефектный оплавленный подслой, ухудшается чистота поверхности и теряется одно из основных технологических качеств электрических способов обработки - свойство отображения (копирования) формы инструмента в детали. Примером обработки при непрерывном подводе энергии может служить разрезка или выжигание отверстий электрической дугой; в этом случае точность и чистота поверхности в месте реза неприемлема для размерной обработки. 2. Участок детали, к которому подводится импульс энергии, должен быть достаточно мал (локализация элементарного съема металла в пространстве). Для того, чтобы произвести при подводе импульса энергии к большому участку съем металла, необходимо соответственно увеличить энергию импульса, что приведет к увеличению элементарного съема. Чем больше элементарный съем металла, тем хуже, естественно, чистота поверхности и ниже точность обработки. Если сохранить при увеличенном элементарном участке импульс энергии неизменным, то съем металла может вообще не произойти, так как подведенной энергии будет недостаточно для расплавления элементарного съема. 3. Импульсы энергии должны подводиться к элементарным участкам объема металла, подлежащего удалению, непрерывно и с достаточной частотой (локализация процесса обработки во времени). Это условие обеспечивает непрерывность процесса и получение требуемой производительности. РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ Электрическую обработку металлов можно разделить на три группы. К первой группе, основанной на чисто контактном подводе энергии, относится электромеханическая обработка. Так как чисто контактный подвод энергии не удовлетворяет трем условиям размерной обработки, вследствие чего съем металла не достигается, при электромеханическом способе съем металла осуществляется резцом, режущая кромка которого является в то же время контактирующей поверхностью. К резцу и обрабатываемой детали подводится переменный ток, производящий в месте контакта нагрев детали. Электрический контактный нагрев служит лишь целям уменьшения усилий резания и может быть заменен другими источниками тепла - дугой, пламенем ацетиленовой горелки, высокочастотным нагревом и т. п. Как показывает расчет и опыт, с энергетической точки зрения введение электрического тока через резец в общем случае является нецелесообразным и не дает повышения производительности и увеличения стойкости инструмента. Последнее объясняется тем, что ввиду малых падений напряжения в месте контакта, для создания сколько-нибудь существенного нагрева необходимо вводить весьма большие токи; при этом резец оказывается, с точки зрения отвода тепла, в значительно более тяжелых условиях, чем обрабатываемая деталь. При малых же токах нагрев изделия настолько ничтожен, что практически не оказывает влияния на величину усилия механического резания. Вторая группа включает способы обработки, применяющие подвод энергии через канал разряда. К этой группе относится электроискровой и электроимпульсный способы и промежуточные разновидности, например, такие, как обработка апериодическими импульсами на релаксационном генераторе, включающая в себя элементы обоих способов. Третья группа, объединяющая диодно-механический и электроконтактный способы со всеми разновидностями, основана на применении комбинированного контактно-дугового подвода энергии. Рассмотрим принципиальные отличия разновидностей размерной электроэрозионной обработки внутри второй и третьей групп. Электроискровой и электроимпульсный способы отличаются, как ниже будет показано подробнее, устройством для генерирования импульсов, параметрами и формой импульса, а также полярностью электродов. Диодно-механический и электроконтактный способы отличаются по роду применяемого тока (в первом случае - постоянный, во втором - переменный, и, реже - постоянный) и по виду рабочей среды (в первом случае - жидкое стекло, во втором - воздух, вода, масло и др.) Следствием этих отличий является, в общем, ухудшение технических характеристик электроконтактного способа по сравнению с анодно-механическим (меньшая производительность при одинаковой чистоте поверхности, больший износ инструмента, ограниченная номенклатура обрабатываемых материалов), при более благоприятных условиях эксплуатации и большей простоте установки в целом. Это обусловливает и различные области их применения. Как следует из изложенного, независимо от способа подвода энергии, известные электроэрозионные способы размерной обработки металлов имеют в основе единую физическую природу - металл удаляется в результате термического действия электрического тока. Отличия заключаются в механизме удаления снятого металла и в технических средствах, обеспечивающих выполнение трех условий размерной электрообработки. Сравнение удельных расходов энергии на съем металла различными способами показывает, что наибольший расход энергии имеет место при электрохимическом растворении (3,85 квт-ч/кг), затем при плавлении (0,35 квт-ч/кг). При механической обработке удельный расход энергии в значительной степени зависит от вида обработки. Так, при шлифовании он составляет, в среднем, 2 квт-ч/кг, строгании, сверлении и фрезеровании 0,20-0,25 квт- ч/кг, точении 0,045 квт-ч/кг. При сопоставлении этих данных следует иметь в виду, что удельный расход энергии для электрохимического растворения и плавления практически не зависит от механических свойств обрабатываемых материалов, в то время, как при механической обработке увеличение, например, твердости обрабатываемого материала резко повышает удельный расход энергии. Необходимо, однако, отметить, что фактические удельные расходы в электроэрозионных и электрохимических установках значительно выше приведенных данных вследствие неизбежных потерь энергии при ее преобразовании и передаче. Эти данные определяют с энергетической точки зрения целесообразность применения электрических методов для обработки токопроводящих материалов, трудно поддающихся механической обработке. Рассмотрение методов подвода энергии электрического тока к инструменту и детали показывает, что для осуществления требуемого физического процесса съема металла необходимо специальное оборудование - станок или установка, включающие в себя следующие специфические элементы: 1) генератор импульсов; 2) автоматический регулятор; 3) систему снабжения рабочей жидкостью (ванна, устройство для работы с поливом, насосная станция и т. п., в зависимости от типа и назначения станка). ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Электоротехнологические характеристики электроэрозионных способов обработки позволяют определить по заданным площади, конфигурации и материалу обрабатываемой детали, какие электрические режимы и в какой последовательности их необходимо применить для того, чтобы получить деталь с заданными размерами и чистотой поверхности и каково будет при этом машинное время обработки. Электротехнологические характеристики в электрической обработке аналогичны режимам резания в механической обработке металлов. Мы остановимся здесь только на основных принципиальных электротехнологических характеристиках и методах их определения. Во избежание повторения известных из литературы сведении, изложим только новые направления в этом вопросе применительно к электроимпульсной обработке, хотя методика и качественная сторона являются справедливыми для других разновидностей электроэрозионной обработки. Методика подхода к решению технологической задачи обработки детали электрическим способом весьма важна, так как в промышленности еще не накоплен достаточный опыт в создании электротехнологии. Для того же, чтобы этот опыт мог быть широко использован, необходим единый методический подxод. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ Рассмотрим основные технологические характеристики и области преимущественного применения разновидностей электроэрозионной обработки металлов. Приводимые данные по производительности, чистоте поверхности и энергоемкости относятся к обработке различных по величине площадей на режимах, обусловливающих отсутствие участков оплавления и покрытия, т. е. при оптимальных плотностях токов. Электроискровой способ. Скорость съема металла на максимальных режимах при обработке стали составляет в среднем 600 мм3/мин и близка к предельно возможной для этого способа обработки металлов. Удельный расход энергии на жестких режимах составляет 20-50 квт-ч/кг Диспергированного металла. Износ инструмента по отношению к объему снятого металла достигает 25-120 и более процентов. Чистота поверхности на мягких режимах достигает 4-го класса (Нср = 25-30 мк) при скорости съема 10-15 мм3/мин. Дальнейшее повышение чистоты поверхности сопровождается резким уменьшением скорости съема. Так, при получении 5-го класса чистоты поверхности (Нср = 16-19 мк), производительность электроискрового способа обработки меньше 5 мм3/мин. Удельный расход энергии на мягких режимах в десятки и сотни раз выше, чем на жестких. При обработке твердого сплава производительность процесса на мягких режимах, примерно, в два-три раза меньше, чем при обработке стали, однако при этом получается несколько лучшая чистота поверхности. Применение более жестких режимов при обработке твердых сплавов лимитируется образованием на них трещин. Электроискровой способ преимущественно применяется в настоящее время для прошивочных работ, изготовления полостей сложной конфигурации и т. п. операций, а также для шлифования тел вращения. Электроимпульсный способ. Ряд характеристик этого способа изложен выше. Электроимпульсная обработка имеет значительные преимущества по сравнению с электроискровой. Улучшение технологических характеристик нового способа обработки обусловлено применением специальных независимых генераторов импульсов. Сообщаемые ниже технологические характеристики способа отражают итоги первых работ и далеко не полностью характеризуют возможности электроимпульсного способа. Производительность на жестких режимах электроимпульсного прошивочно- копировального станка КБ МСиИП с ламповым генератором импульсов превышает 5000 мм3/ мин при получении чистоты поверхности вне класса.Указанная производительность может быть повышена на соответствующей площади до нескольких десятков кубических сантиметров в минуту при увеличении импульсной мощности. Энергоемкость на жестких режимах составляет 8-12 квт-ч/кг диспергированного металла, относительный износ инструмента достигает 0,2 - 20%. Чистота поверхности, получаемая на указанном станке на мягких режимах, соответствует 4-му классу (Нср = 25-30 мк) при производительности: по стали 6-8 мм3/мин, по твердому сплаву, примерно, в 2-3 раза меньше. Дальнейшее снижение режима обработки для получения большей чистоты поверхности приводит к еще большему падению производительности и увеличивает энергоемкость. Приведенные технологические характеристики мягких режимов в настоящее время значительно улучшены путем применения новых моделей машинных генераторов импульсов, разработанных Харьковским политехническим институтом имени Ленина, ЭНИМС и КБ МСиИП, но все же проблему резкого повышения производительности процесса обработки на мягких режимах нельзя считать еще решенной, хотя принципиальные пути решения этой задачи намечены. Область преимущественного применения электроимпульсного способа та же, что и электроискрового, но, учитывая более высокие технико- экономические показатели, возможно более широкое его применение. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЕ СТАНКИ Универсальный прошивочно-копировальный станок. Станок предназначен для изготовления и восстановления электроимпульсным способом ручьев штампов, прессформ, прошивания отверстий любой формы, обработки деталей из специальных трудно обрабатываемых токопроводящих материалов, изготовления небольших партий сеток в листовой нержавеющей стали и других подобных операций. Электроимпульсный переносной станок для извлечения сломанного инструмента. Станок предназначен для извлечения сломанных инструментов и крепежа из крупных корпусных деталей, таких как станины, картеры двигателей, рамы и т. п., а также из небольших деталей, которые могут быть установлены на столе станка. В ряде случаев возможно использование переносного станка для исправления брака в термически обработанных деталях и выполнения несложных копировальных работ. Станок рассчитан на широкий диапазон применения. Диаметр прошиваемых отверстий лежит в пределах 2-30 мм, т. е. охватывает практически почти весь диапазон резьб и отверстий, встречающихся в среднем и крупном машиностроении. Специальный прошивочно-копировальный станок. Станок предназначен для изготовления большого количества ступенчатых щелей в ситах угольных центрифуг. Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ. Физическое объяснение плазмы и способы ее получения Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой. Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы. Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева. Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов. Свойства плазмы Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа. Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами. Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида: Низкотемпературная; Высокотемпературная. Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе. Применение плазмы В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне. Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок. Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов. Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом. Применение плазмы в научном проекте Токамак. Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня. Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры. Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.  |