УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к области электроискровой обработки и может быть использована в электроискровых установках для очистки поверхности металлических изделий.
Существуют различные методы очистки металлических поверхностей, среди которых вследствие простоты наиболее широко распространены механический, химический (электрохимический) и индукционный. Однако у механического и химического методов основными недостатками являются низкое качество обработанной поверхности и негативное воздействие на окружающую среду, а у индукционного метода - высокое энергопотребление. С целью повышения качества очищенной поверхности при одновременном снижении энергопотребления и негативного воздействия на окружающую среду создают установки для обработки концентрированными потоками энергии, в числе которых электролитно-плазменная, плазменно-дуговая, а также комбинацией индукционного и плазменного методов.
Наиболее рациональным способом является электроискровой, вследствие несложности оборудования, отсутствия необходимости обеспечения глубокого вакуума, низкого энергопотребления.
Известна установка, для легирования поверхности металлических изделий [RU патент №22065342], содержащая генератор сильноточных низковольтных импульсов, для получения низковольтных сильноточных импульсов и генератор высоковольтного слаботочного напряжения, для получения слаботочных высоковольтных поджигающих импульсов. Генераторы подключены параллельно межэлектродному промежутку. Недостатком этого устройства является то, что ограничение и регулировка тока происходит при помощи элементов с активным сопротивлением (резисторы, транзисторы), что приводит к выделению энергии в виде тепла и, как следствие, снижению энергоэффективности устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является установка, используемая для электроискрового легирования металлических поверхностей [RU полезная модель №117401], содержащая генератор сильноточных низковольтных импульсов и генератор высоковольтного слаботочного напряжения, подключенные параллельно электродной системе через разделительные элементы, в качестве которых используются диоды. Высоковольтный электрод электродной системы выполнен с возможностью перемещения по вертикали. Каждый генератор включает в себя источник постоянного напряжения, накопительную емкость и зарядный элемент, роль которого, выполняет токоограничительное сопротивление.
Недостатками устройства прототипа являются использование в качестве токоограничителькых элементов, резисторов, которые потребляют энергию, и следовательно, снижают энергоэффективность устройства, а также необходимость в высоковольтном источнике постоянного напряжения, что усложняет конструкцию устройства. Кроме того, недостатком является низкая частота следования импульсов (100-200 Гц), ограничиваемая временем заряда накопительных емкостей генераторов.
Образование искрового канала в устройстве прототипе происходит в результате движения высоковольтного электрода по вертикали. Первый искровой канал образуется при движении электрода вниз, а второй при движении электрода вверх, далее процессы повторяются. Недостатком устройства является то, что при наличии на обрабатываемой поверхности неровностей, частота следования импульсов и энергия импульса будет нестабильна. Поскольку если под электродом будет яма, образование искрового канала произойдет позже, так как ему понадобиться больше времени для достижения пробивного промежутка, если же под электродом окажется выступ, образование искрового канала произойдет раньше. Нестабильная частота приводит к тому, что накопительная емкость генератора сильноточных низковольтных импульсов будет накапливать разное количество энергии. Также для движения электродной системы по вертикали существует необходимость в механической системе, что усложняет конструкцию генератора.
Описанный выше процесс пробоя, не позволяет использовать установку прототип для очистки металлических поверхностей от оксидных пленок. Это объясняется тем, что оксидная пленка является диэлектриком, и напряжение пробоя пленки зависит от ее толщины и состава. Поскольку пленка неоднородна по толщине и составу напряжение пробоя будет меняться. Это приводит к нестабильности частоты следования и энергии импульсов и к не полному удалению оксидного слоя с поверхности металла.
Задача заключается в создании эффективного устройства для электроискровой очистки металлических поверхностей
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности установки для электроискровой обработки, за счет уменьшения потерь в элементах ограничивающих ток заряда накопительных емкостей, а также повышение скорости обработки, путем увеличения часты следования импульсов за счет импульсной зарядки накопительных емкостей, стабилизации частоты следования и энергии импульсов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для электроискровой обработки металлических поверхностей, содержащее как и прототип, электродную систему, подключенные параллельно к электродной системе через разделительные элементы генератор высоковольтного слаботочного напряжения и генератор низковольтных сильноточных импульсов, включающие источники напряжения, накопительные емкости и зарядные элементы, но в отличие от прототипа, в устройстве использованы импульсные источники напряжения генераторов, в качестве зарядных элементов использованы дроссели, и генератор высоковольтного слаботочного напряжения дополнительно содержит импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к электродной системе, а первичная обмотка соединена последовательно с накопительной емкостью и зарядным дросселем, и разрядный ключ, включенный параллельно накопительной емкости и первичной обмотке импульсного трансформатора.
Целесообразно, в качестве разделительного элемента между электродной системой и генератором высоковольтного слаботочного напряжения использовать разделительный конденсатор малой емкости.
Накопительные емкости генераторов заряжаются импульсно через дроссели, это позволяет сократить время заряда, и увеличить частоту следования импульсов до 3000 Гц. Пробой межэлектродного промежутка обеспечивается высоковольтным импульсом напряжения, сформированным генератором высоковольтных слаботочных импульсов, содержащим импульсный трансформатор. Высокое напряжения генератора позволяет исключить влияние неровности поверхности обрабатываемого металла на частоту следования импульсов и стабилизировать энергию, накапливаемую в емкости генератора сильноточных низковольтных импульсов.
На фиг. Приведена функциональная схема заявляемого устройства.
Устройство для электроискровой обработки состоит из двух подключенных параллельно электродной системе 6 генераторов: высоковольтного слаботочного напряжения 1, и генератор низковольтных сильноточных импульсов 2. Генератор низковольтных сильноточных импульсов 2 содержит источник напряжения 3, выходы которого подключены параллельно последовательному соединению зарядного дросселя 4 и накопительной емкости 5. Выводы накопительной емкости 5 подключены параллельно электродной системе 6 через разделительный диод 7. Генератор высоковольтного слаботочного напряжения 1 состоит из источника напряжения 8, выход которого подключен параллельно последовательному соединению зарядного дросселя 9 и разрядного ключа 10. Выводы разрядного ключа 10 присоединены к выводу накопительной емкости 11 и выводу первичной обмотки импульсного трансформатора 12. Выводы вторичной обмотки импульсного трансформатора 12 подключены параллельно электродной системе 6 через разделительную емкость 13. Управление разрядным транзистором осуществляется системой управления 14.
K
4
6
9
2
-7
Устройство работает следующим образом. Импульсы напряжения от источников напряжения 3 и 8 генераторов заряжают накопительные емкости 5 и 11, причем емкость 5 заряжается до напряжения 50-200 В, а емкость 11 до напряжения 300 В. По завершении зарядки накопительных емкостей 5 и 11 открывается разрядный ключ 10 и емкость 11 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора 12. На выходе вторичной обмотки импульсного трансформатора 12 появляется импульса напряжения длительностью 1 мкс и амплитудой ~15 кВ. Это напряжение инициирует искровой пробой и формирорание искровогно проводящего плазменного канала между высоковольтным электродом и очищаемой поверхностью. Начальный диаметр канала R~0,1 мм. Энергия, запасенная в накопительной емкости 5 генератора 2 низковольтных сильноточных импульсов, выделяется в проводящем плазменном канале. Диаметр канала увеличивается пропоционально току и его длительности. Температура плазмы канала достигает значений 3,8·10°К, плотность энергии - 10…10 Дж/м, энергия плазмы, передаваемая поверхности металла, приводит к ее быстрому (за время ~10 с) разогреву, плавлению и испарению оксидного слоя и загрязнении, находящихся на поверхности металла. По завершении разряда емкости 5 и исчезновению плазменного искрового канала, разрядный ключ 10 закрывается. Затем весь процесс повторяется. В процессе очистки поверхности металла межэлектродный промежуток остается постоянным.
Примеры конкретного выполнения сведены в таблицу. В примерах производилась очистка поверхности стали 08Г2С с толщиной оксидного слоя 20 мкм.
Таким образом, заявляемое устройство обладает высокой энергоэффективностью, что достигается его высоким КПД, а также высокой скоростью обработки, поскольку повышена частота следования импульсов на порядок по сравнению с прототипом (200 Гц у прототипа). Использования генератора высоковольтных слаботочных импульсов с выходными импульсами 15 кВ привело к стабильности частоты следования и энергии импульсов. Исключена необходимость в устройстве, которое обеспечивает движении электродов по вертикали (по прототипу), что упрощает конструкцию. Использование заявляемого устройства позволяет удалять с поверхности металлов оксидные слои и уменьшать контактное сопротивление поверхности.
Таблица
Пример №
Частота, Гц
Напряжение на накопительной емкости 5, В
Ток через искровой канал, А
Энергия, запасенная в емкости 5, мДж
Энергия, выделившаяся в искровом канале, мДж
КПД устройства, %
Контактное сопротивление до обработки, мОм
Контактное сопротивление после обработки, мОм
1
1000
75
50
84
74
88
30
6
2
100
90
131
150
87
5