УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для упрочнения поверхности и восстановления деталей машин, режущего инструмента и штамповой оснастки.
Известно, выбранное в качестве ближайшего аналога, устройство генерирования импульсов для электроискровой обработки поверхности, содержащее источник питания, накопительные конденсаторы с зарядно-разрядной цепью, содержащей зарядный транзисторный ключ и разрядный тиристорный ключ, узлы управления ключами, причем узел управления разрядным тиристорным ключом содержит датчик касания поверхности электродом, включающий в себя управляющий транзистор с двумя резисторами, при этом база управляющего транзистора через один из резисторов связана с электродом-инструментом, коллектор управляющего транзистора через другой резистор связан с управляющим электродом разрядного тиристорного ключа, а эмиттер управляющего транзистора связан с источником питания (см. патент РФ на полезную модель №76270, кл. В23Н 1/02, от 20.09.2008). Недостатком устройства является применение в разрядном тиристорном ключе однооперационного тиристора, выключение которого невозможно по цепи управления, что приводит к полному разряду энергии накопительного конденсатора при касании электродом детали, что требует применения металлобумажных конденсаторов с завышением номинального напряжения. Массогабаритные параметры накопительных конденсаторов в значительной степени определяют массогабаритные показатели устройства и составляют до 15% веса и 10% объема устройства для электроискровой обработки поверхности. Кроме того, полный разряд энергии накопительного конденсатора приводит к неэффективному использованию энергии разряда между электродом и деталью, так как мощность разряда изменяется во время одного импульса пропорционально второй степени текущего напряжения в разряде и следовательно при понижении напряжения в разряде до половины номинального значения уменьшает энерговыделение в два раза и ее может оказаться недостаточно для эрозионного переноса материала электрода на поверхность детали и эта часть энергии импульса будет расходоваться бесполезно на нагрев детали и электрода. Для повышения эффективности процесса электроискровой обработки приходится повышать напряжение зарядки накопительных конденсаторов, что снижает электробезопасность устройства и требует принятия специальных мер защиты оператора.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства питания для электроискровой обработки поверхностей с повышенной эффективностью, в котором улучшается техника электробезопасности за счет лучшего использования энергии импульса, что обеспечит снижения напряжения на доступных для прикосновения частях устройства, находящихся под напряжением (электроде и электрододержателе), до безопасного сверхнизкого значения (42в по ГОСТ 12.2.007.0-75*2001) при сохранении величины энергии разрядного импульса. Дополнительной задачей является уменьшение массогабаритные параметров устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для электроискровой обработки поверхностей, содержащем источник постоянного тока, положительный полюс которого соединен с входом разрядного ключа, выход которого соединен с электродом и входом датчика касания, а отрицательный полюс источника постоянного тока соединен с деталью и между положительным и отрицательным полюсом источника постоянного тока включен накопительный конденсатор, в соответствии с предложенной полезной моделью, в качестве разрядного ключа применяется полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор, при этом устройство оснащено задатчиком длительности импульса разрядного тока, вход которого соединен с выходом датчика касания, а выход с электродом управления силового полупроводникового прибора при этом в качестве накопительного конденсатора использован оксидный конденсатор, величина емкости которого обеспечивает уменьшение запасенной энергии, при предельной длительности импульса разрядного тока, не более чем на 10%.
Кроме того, в качестве полностью управляемого силового полупроводникового прибора используется полевой транзистор (МОП - транзистор).
Кроме того, в качестве полностью управляемого силового полупроводникового прибора используется силовой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGВТ-транзистор).
Преимущество заявленного устройства заключается в применении в качестве разрядного ключа полностью управляемого в микросекундном диапазоне силового полупроводникового прибора, что обеспечивает прекращение подачи импульса разрядного тока при любом напряжении на накопительном конденсаторе, и тем самым полностью использовать энергию импульса для переноса легирующего материала с электрода на поверхность детали. Длительность импульса задается заранее установкой соответствующего значения в задатчике длительности импульса, в качестве которого может быть использован любой таймер. Использование в качестве накопительного конденсатора оксидного конденсатора обеспечивает максимальную емкость конденсатора при минимальных его габаритах и массе, что дает возможность работать при частичном разряде конденсатора.
Технический результат от использования данной полезной модели заключается в следующем.
Обеспечивается снижение напряжения на электрододержателе и электроде до безопасного сверхнизкого напряжения и обеспечить энергию импульса разрядного тока для заданного режима обработки за счет увеличения длительности импульса разрядного тока (E=UIt).
Обеспечивается полная регулировка энергии разрядного импульса за счет изменения длительности выходного импульса, устанавливаемого задатчиком.
Снижение габаритно массовых характеристик устройства за счет применения оксидных конденсаторов, имеющих наивысший коэффициент удельный емкости и компактные размеры.
На фигуре 1 представлена схема предлагаемого устройства для электроискровой обработки поверхностей.
Устройство содержит источник постоянного тока 1, положительный полюс которого соединен с входом разрядного ключа 2. Выход разрядного ключа 2 соединен с электродом 3 и входом датчика 4 касания. Выход датчика 4 касания соединен с входом задатчика 5 длительности импульса разрядного тока, а выход задатчика 5 соединен с электродом управления разрядного ключа 2. Отрицательный полюс источника 1 соединен с обрабатываемой деталью 6. Положительная обкладка накопительного конденсатора 7 соединена с положительным полюсом, а отрицательная обкладка накопительного конденсатора 7 соединена с отрицательным полюсом источника 1.
Устройство работает следующим образом.
При включении устройства источник 1 постоянного тока заряжает накопительный конденсатор 7. Электроду 3 придается колебательное движение и при касании электродом 3 детали 6 датчик 4 касания фиксирует момент начала контакта и вырабатывает сигнал, который поступает на вход задатчика 5 длительности импульса разрядного тока. Длительность импульса разрядного тока устанавливается заранее в соответствии с режимом обработки. Задатчик 5 длительности импульса разрядного тока, являющийся ждущим одновибратором микросекундного диапазона, вырабатывает импульс длительностью соответствующей заданному режиму обработки, который поступая на электрод управления разрядного ключа 2, открывает его. Начинается разряд емкости накопительного конденсатора 7 на промежуток электрод 3 - деталь 6 и производится электроискровая обработка поверхности детали 6. По окончании заданной длительности импульса разрядного тока, выдаваемой задатчиком 5 разрядный ключ 2 закрывается, ток прекращается. Во время разряда накопительный конденсатор 7 отдает часть запасенной энергии. При отсутствии контакта электрод 3 - деталь 6 происходит подзаряд накопительного конденсатора 7 от источника 1. Затем происходит контакт электрод 3 - деталь 6 и цикл обработки повторяется. Фактически в данном устройстве накопительный конденсатор работает как буфер, выдающий максимальную мощность в короткий промежуток времени.
1
2
Для решения поставленной задачи - улучшения техники безопасности устройства для электроискрового легирования поверхностей за счет снижения напряжения открытых частей устройства до величины безопасного сверхнизкого напряжения (42 в), напряжение на накопительном конденсаторе не превышает 35 в. Снижение зарядного напряжения уменьшает величину разрядного тока. Заданная энергия импульса для обработки поверхности детали достигается за счет увеличения длительности импульса. Время импульса рассчитывается по формуле: t=nt,
1
где t- время длительности импульса для уменьшенного напряжения;
n - кратность снижения напряжения;
t - время длительности импульса для номинального напряжения.
Увеличение длительности импульса требует увеличение емкости накопительного конденсатора. В устройстве используется частичный разряд накопительного конденсатора, при котором энергия накопительного конденсатора во много раз превышает энергию импульса разрядного тока при предельной длительности. Расчет величины емкости производится согласно методике приведенной в журнале «Силовая электроника №2 2008 г. В. Опре. Генерирование мощных импульсов тока регулируемой длительности.» с учетом того, что наиболее оптимальное напряжение пульсаций для работы конденсаторов соответствует энергии разряда, не превышающей 10% полного заряда конденсаторов [Напряжение-Пульсация. Сайт: 2008-2011 г.г. Сайт: 2008-2011 г.г. Technic. Словарь online].
По заявленнойполезной модели была изготовлена установка для электроискрового легирования БИГ - 5.
В качестве разрядного ключа в установке применяется полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор (IGBT-транзистор), а именно, модуль IGBT 1MBi800U4B-120, а в качестве накопительного конденсатора - набор из пятнадцати оксидных конденсаторов JAMICON 22.000 мкФ 50В, соединенных параллельно, с суммарной емкостью 330.000 мкФ.
Напряжение заряда накопительного конденсатора составляет 35 В. При этом напряжении, с учетом выбросов напряжения при импульсном разряде из-за индуктивности разрядной цепи, напряжение на электрододержателе не превышает значения сверхнизкого безопасного напряжения 42 в.
Диапазон длительности времени разряда регулируется дискретно и может изменяться от 50 мкс до 2000 мкс.
Максимальный разрядный ток 640 А при энергии разряда 15 Дж.
При применении в установке конденсаторов большой емкости, благодаря их малому весу и габаритам, при пересчете на единицу энергии импульса разрядного тока они составляют 20-40% веса и 30-50% объема накопительных конденсаторов установок типа ЭЛИТРОН.
Испытания установки показали, что наиболее эффективно ее применение для получения однородных толстослойных покрытий с толщиной до 3 мм и многослойных покрытий с толщиной до 5 мм и более.