Электрохимическая установка

Полезная модель относится к области технологии обработки металлов и др. электропроводных материалов, конкретно - к электрохимическим установкам (ЭХУ).
Электрохимическая размерная обработка (ЭХО) основана на явлении анодного растворения металла, осуществляемого при прохождении тока через электролит, который подается под давлением в межэлектродный зазор (МЭЗ).
Ведущими мировыми производителями станков ЭХО являются фирмы JAPAX (Япония), CHARMILLES (Швейцария), BOSH (Германия), CHEMTOOL (США).
В России ведущим производителем является фирма ООО «ЕСМ».
Выпускаемые ими станки требует создания специализированных участков со значительными площадями и энергетическими затратами и является недоступной для предприятий малого и среднего бизнеса.
Учитывая, что 40-60% общей трудоемкости машиностроительного производства приходится на отделочные операции, а выпускаемые станки для ЭХО не обладают мобильностью и быстротой перестройки на новый вид технологической операции, представляется целесообразным создание легко перестраиваемых станков технологического оснащения (СТО) для целей ЭХО.
Большинство отделочных операций может быть осуществлено по схеме с неподвижным электродом при увеличенных МЭЗ, а именно:
- очистка от грязи (в том числе после литья);
- очистка от ржавчины и окалины;
- обезжиривание (под сварку; под лакокрасочные покрытия; под гальванические покрытия; под клеевые соединения);
- удаление нанесенных покрытий;
- оксидирование (стойкость к образованию ржавчины);
- улучшение шероховатости поверхности;
- нанесение рельефа на поверхность;
- удаление заусенцев;
- трафаретная электрохимическая обработка, включая изготовление печатных плат.
Отечественные установки достаточно разнообразны - есть из чего выбирать [1. Станки электрохимические для размерной обработки. - URL: http://volga.prom-rus.com/cat-tehnologicheskoe-oborydovanie/stanki-specialnie/12760/ (дата обращения: 02.03.2020)].
Однако каждый из них наряду с привлекательными характеристиками имеет ряд недостатков, сдерживающих потенциального покупателя-потребителя.
Известна электроэрозионная супердрель JOEMARS TR-100 в настольном исполнении, «стандартная комплектация» которой предполагает наличие генератора и установки с зажимным патроном, латунными стержневыми электродами промывочным соплом и герметиком [2. Электроэрозионная супердрель JOEMARS TR-100. - URL: http://www.joemars.ru/tap.htm (дата обращения 02.03.2020)].
Однако он недостаточно компактен, транспортабелен и относительно ограничен в выполнении различных технологических операций.
В патентном массиве близких аналогов заявляемого устройства не обнаружено. Примером запатентованной в России установки близкого назначения может служить «Установка для электрохимической обработки отверстий в крупногабаритных деталях» Уральского электромеханического завода [3. RU 2014112589 А, C25F 3/14, 10/10/2015]. Она содержит стол для закрепления деталей, стойку с держателем для крепления электрода в зажимном устройстве с возможностью линейного перемещения электрода по меньшей мере по одной горизонтальной направляющей, и отличается тем, что стол, представляющий из себя вертикально расположенную металлическую плиту, включает в себя горизонтально расположенные Т-образные пазы и имеет возможность крепления к корпусу установки; приспособление для обрабатываемых деталей имеет возможность крепления к столу за Т-образные пазы, а также перемещения вдоль этих пазов, электрод на стойке имеет возможность перемещения по вертикальной оси, кроме того, боковая поверхность его рабочей части повторяет форму обрабатываемого отверстия.
Однако такая конструкция далека от решения комплекса проблем, стоящих перед авторами заявляемой полезной модели (см. далее по тексту).
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом (прототипом) по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является серийно выпускаемая в России электрохимическая установка СНЭ-20МК [4. Станок СНЭ-20МК. - URL: https://www.aieco.ru/ machines_sne20mk.html (дата обращения 02.03.2020)].
В ней реализована одна из шести схем (принципов) ЭХУ, а именно - с неподвижным электродом при увеличенных МЭЗ. Схема обработки заготовки представлена, например, в др. источнике информации - [5. Станок электрохимический СНЭ-20МК. - URL: https://studopedia.org/2-56121.html, рис. 26, 28 (дата обращения 02.03.2020)].
Установка-прототип включает в себя электродный блок с держателем обрабатываемой детали и с возможностью его размещения в емкости для электролита, устройство подготовки электролита с насосом и фильтром, блок питания с возможностью подключения к источнику переменного тока, и блок управления со средствами отображения информации о технологическом процессе.
Она выполнена переносной частям (не менее семи единиц), устанавливаемой на столе и полу (см. илл. в источнике [4]), блок питания выполнен с возможностью подключения к источнику переменного тока с напряжением 380 В через преобразователь тока, имеется система управления на базе контроллера с отображением информации на малогабаритном жидкокристаллическом индикаторе (осциллографе), а также система слежения за МЭЗ.
Однако, при всех своих положительных качествах, устройство-прототип еще недостаточно совершенно, ограничено в своих технико-эксплуатационных возможностях: недостаточно компактно и мобильно, пригодно для относительно узкого спектра технологических операций, плохо приспособлено для проведения поисковых работах и при отработке новых технологий и режимов в области электрохимических процессов в лабораториях и на малых предприятиях. В составе станка отсутствуют технические средства подготовки электролита, замера и установки расхода электролита, нагревания электролита до принудительно устанавливаемой температуры и измерения его электропроводности и рН; дублирования сетевого электропитания автономным питанием, а также установки продолжительности технологического процесса. Кроме того, большинство из вышеприведенных операций с использованием ЭХО осуществляется в химически агрессивных средах, исключение которых из технологических циклов актуально.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель (устройство), - разработать малогабаритную, переносную ЭХУ многофункционального назначения с возможностью применения как на машиностроительных предприятиях, так и в поисковых работах и при отработке новых технологий и режимов в области электрохимических процессов в лабораториях и на малых предприятиях.
Технический результат - расширение технико-эксплуатационных возможностей и характеристик ЭХУ за счет уменьшения массогабаритных показателей, повышения производительности обработки на увеличенных межэлектродных зазорах (МЭЗ) и расширения функционального назначения.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что электрохимическая установка для обработки детали из электропроводного материала содержит связанные электродный блок с держателем обрабатываемой детали и с возможностью размещения в емкости для электролита, блок подготовки электролита с насосом и фильтром, блок питания с возможностью подключения к источнику переменного тока, и блок управления и контроля со средствами отображения информации о технологическом процессе, при этом она выполнена переносной, скомпонованной в герметичном кейсе с крышкой, держатель обрабатываемой детали выполнен магнитным с возможностью выноса продуктов реакции из зоны обработки, блок подготовки электролита выполнен в герметичном отсеке кейса, включает в себя расходомер электролита, нагревательный элемент и датчик электропроводности электролита, блок питания выполнен с возможностью подключения к источнику переменного тока с напряжением 220 В через преобразователь тока, размещенный в крышке кейса, и включает в себя дублирующий источник постоянного тока в виде накопителя электроэнергии для автономного питания, а блок управления и контроля выполнен с возможностью установки и контроля расхода электролита, установки температуры электролита, контроля электропроводности и рН электролита, установки продолжительности процесса,  измерения и контроля напряжения и тока на выходе установки, а также параметров разряда упомянутого накопителя электроэнергии.
На решение поставленной задачи направлены и частные совокупности существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле полезной модели, а именно:
- упомянутый преобразователь в составе блока питания может быть размещен в крышке кейса, с исключением возможности электрического контакта высоковольтной части установки с низковольтной и устройством (блоком) подготовки электролита (это кардинально, наиболее эффективным образом решает проблему компактности, мобильности и удобства использования установки, особенно для нужд научных организаций или подразделений, малых предприятий);
- в блоке питания преобразователь тока может быть развязан с накопителем электроэнергии диодами, с возможностью защиты преобразователя в режиме работы от накопителя (это достаточно просто и надежно обеспечивает желаемый уровень безопасности работы установки);
- устройство подготовки электролита может быть выполнено в отдельном герметичном отсеке - блоке подготовки электролита, с возможностью извлечения его из кейса (это также дополнительно способствует удобству и безопасности установки в режимах работы, хранения и транспортировки);
2
- при основной или предыдущей дополнительной совокупности конструктивных признаков, датчик электропроводности электролита, используемый для измерения электропроводности электролита, может быть выполнен в виде двух параллельных пластин площадью 1 см, установленных на расстоянии в 1 см, при этом в его состав входит стабилизированный источник 3,3 В его питания постоянным током (это рациональные конструктивные и конкретные геометрические и размерные признаки, полученные авторами при проектировании установки);
3
- в качестве электролита в установке может использоваться водный раствор азотнокислого натрия - NaNO (это позволяет отказаться от современных химических составов, характеризующихся химической агрессивностью и не универсальностью в широком спектре технологических операций);
- упомянутые средства отображения информации, входящие в состав блока управления, могут включать в себя цифровой мультиметр, с возможностью измерения и контроля как напряжения и тока на выходе установки, так и параметров разряда упомянутого накопителя электроэнергии (это в наибольшей степени, на современном уровне развития метрологического обеспечения, отвечает задачам оперативного контроля технологического процесса и управления им в широком спектре операций).
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства квалификационного признака «мировой уровень новизны».
Второй квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из наличия успешно испытанного экспериментального образца устройства (см. фиг. 2) и приведенного далее по тексту перечня покупных основных комплектующих устройства, производство которых промышленно освоено.
Подробнее сущность полезной модели раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-3:
на фиг. 1 изображена укрупненная принципиальная блок-схема электрохимической установки (на примере варианта с промежуточной емкостью для электролита (формально не входит в заявляемый комплект), где позициями обозначены: 1 - кейс; 2 - электродный блок; 3 - электрод; 4 - линейный привод электрода; 5 - корпус электрохимического электрод-инструмента; 6 - держатель обрабатываемой детали (магнитный или вакуумный); 7 - обрабатываемая деталь; 8 - емкость для электролита; 9 - устройство (блок) подготовки электролита; 10 - промежуточная емкость для электролита; 11 - фильтр очистки электролита; 12 - насос (для электролита); 13 - расходомер (для электролита); 14 - нагревательный элемент (для электролита); 15 - датчик электропроводности электролита; 16 - блок питания; 17 - устройство подключения к сети переменного тока напряжением 220 В; 18 - электрический плавкий предохранитель (Пр); 19 - преобразователь тока; 20 - накопитель электроэнергии (электрический аккумулятор); 21 - блок управления и контроля (параметров технологического процесса) со средствами отображения информации о техпроцессе; 22 - цифровой мультиметр (с цифровыми вольтметром «V» и амперметром «A»); 23 - реле времени (Рв); 24 - рН-метр; К1 - кнопка «СТОП»;
на фиг. 2 - 3D-изображение компьютерной модели заявляемой ЭХУ, вид спереди-сверху в раскрытом (рабочем) виде, где номера позиций - см. при фиг. 1;
на фиг. 3 - фото экспериментального образца заявляемой ЭХУ, вид спереди-сверху в раскрытом (рабочем) виде.
Электрохимическая установка содержит электродный блок 2 с держателем 6 обрабатываемой детали 7 и с возможностью его (2) размещения в емкости 8 для электролита, устройство (блок) 9 подготовки электролита с насосом 12 и фильтром 11, блок питания 16 с возможностью подключения к источнику переменного тока, и блок управления и контроля 21 со средствами отображения информации о технологическом процессе.
Она выполнена переносной, скомпонованной в специализированном герметичном кейсе 1. Держатель 6 обрабатываемой детали 7 выполнен магнитным или вакуумным, с возможностью выноса продуктов реакции из зоны обработки. Устройство (блок) 9 подготовки электролита дополнительно включает в себя расходомер 13 электролита, нагревательный элемент 14 и датчик 15 электропроводности электролита. Блок питания 16 выполнен с возможностью подключения (посредством устройства 17) к источнику переменного тока с напряжением 220 В через преобразователь 19 тока и дополнительно включает в себя дублирующий источник 20 постоянного тока в виде накопителя электроэнергии для автономного питания. Блок 21 управления и контроля выполнен с возможностью установки и контроля расхода электролита, установки температуры электролита, контроля электропроводности и рН электролита, а также установки продолжительности (времени) процесса.
Дальнейшие признаки заявляемого устройства относятся к частным, рациональным, а значит приоритетно рекомендуемым к реализации.
Преобразователь 19 в составе блока питания 16 размещен в крышке кейса 1 (см. фиг. 2, 3), с исключением возможности электрического контакта высоковольтной части установки с низковольтной и устройством (блоком) 9 подготовки электролита.
В блоке питания 16 преобразователь 19 тока развязан с накопителем 20 электроэнергии диодами (не показаны), с возможностью защиты преобразователя 19 в режиме работы от накопителя.
Устройство 9 подготовки электролита выполнено(ен) в отдельном герметичном отсеке - блоке (9) подготовки электролита, с возможностью извлечения его из кейса 1.
2
При этом датчик 15 электропроводности, используемый для измерения электропроводности электролита, может быть выполнен в виде двух параллельных пластин площадью 1 см, установленных на расстоянии в 1 см, а в его состав входит стабилизированный источник 3,3 В его питания постоянным током (не показан).
3
В качестве электролита используется водный раствор азотнокислого натрия (NaNO), что обосновано:
1) его неагрессивностью;
2) возможностью обработки широкого спектра марок сплавов (железо армко, чугун легированный, алюминий, латунь, цинк, олово, свинец, кобальт, вольфрам, молибден, закаленные стали, нержавейки, углеродистые стали, никель) [6. Полилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки. - Л.: Машиностроение, 1974];
3) возможностью реализации биполярного токоподвода при нерастворимом электроде. При этом токоподвод к сложной поверхности осуществляется при выходе по току (доля электрической энергии, идущая на растворение металла детали при низких плотностях тока, больших поверхностях), что позволяет работать в режиме полностью нерастворимого электрод-инструмента.
3
Для NaNO значение тока (см. предыдущий абзац) составляет при 20°С 60 мА.
Средства отображения информации, входящие в состав блока 21 управления, включают в себя цифровой мультиметр 22, с возможностью измерения и контроля как напряжения (V) и тока {А) на выходе установки, так и параметров разряда накопителя 20 электроэнергии.
Пример реализации заявляемой ЭХУ (см. экспериментальный образец на фото фиг. 3) использует конкретные, освоенные промышленностью современные комплектующие (что дополнительно убеждает в выполнении патентоведческого критерия полезной модели «промышленная применимость»), в частности:
- Базовый кейс Калибр 350 с пыле-влагозащищенностью кл. IP67;
- Преобразователи тока RS-350;
- Диоды Д132-50-12 50А 1200В;
- Накопитель электроэнергии (аккумулятор) литий-полимерный 7080180;
- Силовой контактор KLIVAC EV200 1000А;
- Мультиметр цифровой DMS-20LCD-0-5-C;
- Реле температуры ТР-MO2/24В с датчиком температуры TD-2;
- Реле времени ESB40-40 40А;
- Насос регулируемый FLO-2403 (2,6 лит/мин);
- Датчик расхода USN-HS06PA-4 с индикатором US202M;
- Фильтр Аурус мини (4 степени очистки, для бытового использования);
-рН-метр ЕС/рН/ТЕМП;
- Переключатель сетевой 250/15А;
- Плавкий предохранитель AGV150.
Заявляемая ЭХУ работает следующим образом.
2
Установка работает как от сети 220 В (при подключении устройства 17), так и автономно от накопителя энергии (аккумулятора) 20, поскольку в состав блока 16 питания входят две литий-полимерные батареи 6S емкостью 10 А⋅ч, обеспечивающие работу установки без сети на нагрузку в 100 А в течении 6 мин, что для большинства операций является достаточным. Контроль напряжения и тока осуществляется мультиметром 22 (встроенными цифровыми амперметром А и вольтметром V). Пуск и остановка подачи напряжения (V) в рабочую зону происходит по времени, установленному реле 23 времени. Экстренное отключение питания осуществляется нажатием кнопки «стоп» (К1). Контакты реле времени (Рв) 23 выдерживают на разрыв цепи токи в 150 А. Защиту блока 16 питания от больших токов на силовом проводе плюсовой шины выполняет предохранитель Пр на 150 А. Емкость (ванна) 8 для электролита, входящая в комплект установки, емкостью 5 литров, достаточна для обработки поверхностей площадью до 200 см. В случае необходимости в проведение операций в емкости (ванне) больших размеров может быть выбрана емкость (ванна) 8 необходимого объема (в дополнение к заявляемому комплекту в кейсе).
Перед началом процесса ЭХО осуществляется установка и контроль параметров электролита. Подогрев электролита устанавливается посредством реле температуры с датчиком температуры, позволяющее с точностью в 1 градуса устанавливать температуру электролита. При достижении установленной температуры реле отключается. Качество электролита, что необходимо при выполнении операций, требующих особой точности, определяется по показаниям с использованием датчика 15 электропроводности и рН-метром 24. В случае отклонения значений от технологических, электролит корректируется до требуемых параметров. Требуемый расход устанавливается потенциометром и контролируется расходомером (датчиком расхода) 13. Значения расхода отображаются на индикаторе мультиметра 22.
Перед началом процесса ЭХО осуществляется также установка продолжительности операции, для чего на реле времени (Рв) 23 устанавливается требуемое расчетное время. После нажатия соответствующей кнопки происходит запуск реле времени (Рв) 23. Включается силовой контактор и напряжение подается на анод. По истечении времени процесса обработки реле времени (Рв) выключается. Аварийная остановка ЭХО обеспечивается нажатием другой соответствующей кнопки. Силовое реле выбрано таким образом, чтобы обеспечивать разрыв цепи при токах до 200 А.
Установкой могут быть выполнены как классические прошивные операции в технологической оснастке, так и операции в универсальной оснастке, не требующие защитного корпуса. Электрохимический электрод-инструмент, представляющий из себя цилиндрический корпус, закрепляемый на детали с помощью магнитов и(или) вакуумной присоски, обеспечивает удержание инструмента на детали. Прокачка электролита осуществляется под небольшим давлением порядка 1 атм или менее. Подача электрода 3 в зону обработки осуществляется либо пружинным линейным приводом 4, либо микродвигателем с линейной передачей.
Вынос продуктов реакции из зоны обработки обеспечивается магнитной активацией. Поскольку величина зазора при увеличенных (как в данном случае) МЭЗ измеряется миллиметрами (1-5 мм), то удаление продуктов растворения не требует больших давлений, что позволяет избежать струйности и может быть организовано даже в стоячем электролите. Увеличение зазора позволяет реализовать управление интенсивностью в МЭЗ путем диэлектрического экранирования, а также уменьшать экранируемость процесса ЭХО и увеличивать площадь обрабатываемой поверхности по мере увеличения протяженности обработки. Уменьшение громоздкости оборудования позволяет увеличить мобильность малогабаритной электрохимической установки при обработке крупногабаритных деталей (например, листообразных). Увеличение зазора принципиально исключает опасность короткого замыкания и делает оборудование простым и доступным в эксплуатации. С применением увеличенных МЭЗ представляется возможным осуществить активный контроль за изменяющимся размером обрабатываемой детали, а также осуществлять дополнительное управление с помощью внешних магнитных, лазерных средств воздействия и ультразвукового поля [7. Корчагин А.А. Развитие электрохимических методов обработки (обзор по отечественным и зарубежным материалам за 1928-1980 гг). Серия XIII №156 - Центр научно-технической информации «Поиск». - 1981].
В сравнении с импульсно-циклическим методами обработки, где удаление продуктов ЭХО осуществляется раздвижением МЭЗ и процессами струйной очистки поверхности анода, работа на больших МЭЗ позволяет использовать внешнее магнитное поле, которое при скрещивании с собственным электрическим полем создает магнитогидродинамическое действие [8. Гак Е. Магнитные поля и водные электролиты - в природе, научных исследованиях, технологиях. СПб.: Элмор, 2013.] и удаляет продукты анодного растворения без необходимости перехода на импульсный режим подачи напряжения. Это позволяет повысить производительность обработки на увеличенных МЭЗ за счет исключения потери времени анодного травления обрабатываемой детали 7 за счет исключения потери времени анодного травления обрабатываемой детали 7 за счет исключения многостадийности обработки.
Магнитно-электрохимический процесс можно назвать магнитной активацией процесса ЭХО.
Основные функции и возможности электрохимической установки (технологические операции):
- очистка от грязи (в том числе после литья);
- очистка от ржавчины и окалины;
- обезжиривание (под сварку; под лакокрасочные покрытия; под гальванические покрытия; под клеевые соединения);
- удаление нанесенных покрытий;
- оксидирование (стойкость к образованию ржавчины);
- улучшение шероховатости поверхности;
- нанесение рельефа на поверхность;
- удаление заусенцев;
- трафаретная электрохимическая обработка, включая изготовление печатных плат.
Установка позволяет:
1) получать токи до 150 А;
2) поддерживать стабильными параметры электролита в течение длительного времени:
- Постоянство температуры в диапазоне от 30 до 50°С;
- Расход электролита от 0,5 до 1,5 л/мин;
- Фильтрацию электролита;
- рН электролита;
3) устанавливать длительность обработки с точностью до долей секунды.
Таким образом, предложена малогабаритная, переносная ЭХУ многофункционального назначения с возможностью применения как на машиностроительных предприятиях, так и в поисковых работах и при отработке новых технологий и режимов в области электрохимических процессов в лабораториях и на малых предприятиях. Использование такой ЭХУ позволит расширить технико-эксплуатационные возможности и характеристики установки за счет уменьшения ее массогабаритных показателей, повышения производительности обработки на увеличенных МЭЗ, расширения функционального назначения и снятия остроты проблемы химической агрессивности электролита.