Установка для исследования процесса

электрохимической размерной обработки

(краткое описание)
Назначение установки

Установка предназначена для исследования процесса электрохимической размерной обработки токопроводящих материалов в плоскопараллельном межэлектродном промежутке.

На установке проводятся:

а) изучение закономерностей изменения межэлектродного зазора от времени обработки;

б) исследование влияния параметров процесса на скорость съема материала и качество обработанной поверхности.

Технические характеристики

Рабочее напряжение, В ………………………………………………… 6 ÷ 15.

Максимальный рабочий ток, А ………………………………………… 300.

Скорость подачи образца, мм/мин …………………………………….. 0 ÷ 5.

Максимально потребляемая мощность, кВт ………………………….. 30.

Размеры обрабатываемой поверхности образца, мм …………………. 22x23; 22x45.

Площадь обрабатываемой поверхности образца, см² ………………… 5; 10.

Конструкция установки

Установка (рис.1.5) состоит из станка, электрооборудования с пультом управления и гидросистемы, предназначенной для хранения, подачи я очистки электролита.

Электрохимический станок

Основными узлами станка являются: станина, контейнер и головка с приводом подачи обрабатываемого образца.

Станина состоит из основания 21 и стойки 12. На основании устанавливается контейнер 11,на стойке монтируется головка 15. Стойка и основание выполнены сварными из стальных листов.

Головка с приводом подачи предназначена доя перемещения обрабатываемого образца 17 в вертикальном направлении. Механическая подача осуществляется от двигателя постоянного тока через редуктор. Ручная подача образца проводится с помощью маховика 13 после переключения муфты 14.

Контейнер представляет собой герметично закрываемую камеру, изготовленную из органического отекла,

В контейнер устанавливается электрод-инструмент 20. Обрабатываемый образец 17 закрепляется на штоке привода подачи винтом.

Электролит прокачивается вдоль плоских рабочих поверхностей электрода-инструмента и образца.

Электрооборудование установки

Электрооборудование установки состоит из блока питания, системы управления с пультом, электродвигателя привода подачи обрабатываемого образца, электродвигателя насоса подачи электролита.

Блок питания и система управления смонтированы в едином металлическом шкафу.

Блок питания состоит из силового понижающего трансформатора и выпрямителя. Силовой понижающий трансформатор 29 имеет три сетевых обмотки на 380 В и три понижающих обмотки на 15 В. Понижающие обмотки имеют четыре отвода, переключением которых на выходе трансформатора получают напряжение 6, 9, 12 и 15 В. Выпрямитель 30 собран на девяти кремниевых диодах типа ВКД-200 (I_мах = 200 А), установленных на общем радиаторе 38.

Система управления состоит из электромагнитных пускателей, включающих силовой понижающий трансформатор, электродвигатель подачи обрабатываемого образца и электродвигатель насоса подачи электролита в контейнер, и пусковых кнопок. В системе управления и блока питания установлены предохранители для устранения возможных электроперегрузок перечисленных агрегатов. Пусковые кнопки и тумблеры расположены на пульте управления.

Электродвигатель подачи обрабатываемого образца установлен на головке редуктора станка и служит для привода образца в вертикальном направлении со скоростью от 0 до 5 мм/мин.

Электродвигатель насоса подачи электролита в контейнер смонтирован вместе с насосом на общем металлическом основании и обеспечивает давление в контейнере до 0,4 МПа (4 кгс/см2).

Пульт управления 22 расположен на передней части блока питания (см.рис.1.5). На нем установлены пусковые кнопки для включения и выключения:

- блока питания и системы управления 28;

- силового понижающего трансформатора 34;

- электродвигателя подачи обрабатываемого образца 35;

- электродвигателя подачи электролита 36.

На пульте управления расположены автотрансформатор 33 для регулирования скорости подачи обрабатываемого образца и контролирующие приборы: вольтметр 24 для контроля напряжения на электродах контейнера; амперметра 23 (на 100 А) и 26 (на 300 А) для контроля рабочего тока, а также вольтметр 27 и амперметр 25 для контроля напряжения и тока на обмотке возбуждения электродвигателя подачи образца СЛ-661.

Пульт управления используется для управления двумя установками ЭХО. В связи с этим тумблер 36 предназначен для включения подачи образца на левой или правой установке.

Принципиальная электрическая схема установки (рис.1.6) включает следующие основные элементы:

Тр1 - силовой понижающий трансформатор 380/15 В;

VD9-VD18 - выпрямитель рабочего тока;

Тр2 - понижающий трансформатор 220/110 В;

ТрЗ - автотрансформатор;

VD1-VD4, VD5-VD8 - выпрямители системы питания электродвигателя подачи образца М2;

М1 - электродвигатель насоса подачи электролита в контейнер;

М2 - электродвигатель подачи образца;

К1-К4 - электромагнитные пускатели;

S1-S8 - пусковые кнопки;

PV1 - PV2 - вольтметры постоянного тока;

PA1-PA2 - амперметры постоянного тока;

F1-F5 - плавкие предохранители.

Электрооборудование электрохимического станка питается от сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В.

Электрическая схема установки работает в следующем порядке.

При включении пусковой кнопки S1 включается электромагнитный пускатель К1 и через контакт К1:1 переменное напряжение 380 В подается на систему управления. Установка готова к работе.

Для подачи электролита в контейнер нужно включить пусковую кнопку S5 "Электролит". При этом включается электромагнитный пускатель К3 и через контакты К3:1 ÷ К3:3 трехфазное переменное напряжение подаётся на электродвигатель переменного тока насоса M1.

Постоянное рабочее напряжение подается на электроды контейнера при включении кнопки S3 "Ток". При этом включается электромагнитный пускатель К2 и через контакты К2:1 - К2:3 трехфазное переменное напряжение подается на силовой понижающий трансформатор Тр1. С вторичной обмотки переменное напряжение подается на выпрямитель VD9-VD18 и далее на электроды контейнера. Напряжение и ток на электродах контейнера контролируется вольтметром PV1 и амперметром РА1, установленными на лицевой панели блока питания.

Перемещение образца в вертикальном направлении включается пусковой кнопкой S7 "Подача", которая включает электромагнитный пускатель К4. Через контакты К4:1-К4:4 на якорь и обмотку возбуждения электродвигателя М2 CЛ-661 подаётся постоянное выпрямленное напряжение 110 В. Скорость подачи обрабатываемого образца регулируется изменением скорости вращения ротора электродвигателя М2; что осуществляется с помощью автотрансформатора Тр3. Выпрямители VD1-VD4 и VD5-VD8 собраны на диодах типа 242. Напряжение и ток на обмотке возбуждения электродвигателя М2 контролируются вольтметром PV2 и амперметром РА2.

По окончании ЭХО образца кнопкой S8 выключается подача образца и кнопкой S4 рабочее напряжение на электродах контейнера. Электродвигатель подачи электролита в контейнер отключается кнопкой S6. Установка отключается от сети кнопкой S2.

 

Гидросистема

Гидросистема станка предназначена для хранения, очистки и подачи электролита в рабочую зону.

Гидросистема (см.рйс.1.5) включает:

- ванну 1 для хранения и охлаждения электролита;

- центробежный насос 5, обеспечивающий давление электролита до 0,4 МПа (4 кгс/см2);

- фитиль 7 для очистки электролита от механических примесей;

- систему трубопроводов и контрольных приборов.

Электролит изванны 1через вентиль 2 насосом 3 по трубопроводу 6 подается через сетчатый фильтр 7 и шланг 9 в контейнер. Слив электролита в ванну осуществляется через шланг 19. Давление электролита на входе контейнера регулируется вентилем 4 и контролируется манометром 10. Противодавление штоку электролита устанавливается вентилем 8, а контролируется манометром 18.

Работа установки

Перед началом работы обрабатываемый образец 17 устанавливается в контейнер и закрепляется к штоку привода винтом (см.рис.1.5). Крышка контейнера плотно закрывается. Вручную с помощью рукояти 13 производится касание образца с ЭИи отвод образца на заданный межэлектродный зазор. Зазор контролируется индикатором часового типа 16, установленным на корпусе контейнера.

Пусковой кнопкой 28включают пульт управления, затем кнопкой 36 включают систему подачи электролита в зону обработки. Вентилем 4 по манометру 10 устанавливают требуемое давление электролита. Противодавление электролита в контейнере регулируется вентилем 8 и контролируется манометром 18.

Пусковой кнопкой 35, установленной на лицевой панели блока питания, включают электродвигатель подача образца, и автотрансформатором 33 устанавливают требуемую скорость подачи образца.

 

Кнопкой 34 включают силовой понижающий трансформатор блока питания, который подает выпрямленное напряжение на электроды контейнера.

Производят обработку образца.

После окончания ЭХО кнопкой 34 "Стоп" отключают напряжение на электродах контейнера и одновременно кнопкой 35 выключают двигатель подачи обрабатываемого образца. Кнопкой 36 выключают подачу электролита в контейнер. Снимают крышку контейнера и вынимают обработанный образец.

В случае короткого замыкания электродов и других отказов в электрооборудовании и гидросистеме все системы установки отключаются кнопкой 28 "Общий стоп".

 

Лабораторная работа № 2 (ЭХО-2)
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ

Цель работы: изучить закон Ома для электролитов и проверить его экспериментально на примере электрохимической размерной обработки.

Теоретическая часть

Прохождение электрического тока через электролиты имеет свои особенности. Если в металлах электрический ток создается за счет движения электронов, то в электролитах носителями электрических зарядов являются положительные и отрицательные ионы.

Система из двух электродов, разделенных межэлектродным зазором а и находящихся в среде электролита (рис.2.1), называется электрохимической ячейкой. Электроды изготавливаются из материалов, обладающих электронной проводимостью.

Напряжение U, приложенное к электродам, равно сумме анодного φ_a и катодного φ_K потенциалов, возникающих в приэлектродных двойных электрических слоях, и напряжения в слое электролита U_Э, т.e. U=U_Э+φ_a+|φ_K|.

Протекание электрического тока в электрохимической ячейке становится возможным лишь при условии U> φ_a+|φ_K|.

Сумму φ_a+|φ_K|=U_n называют ЭДС поляризации, или потерями напряжения в приэлектродных слоях (рис.2.2). Для различных условий ЭXО U_n= 1÷8 В. С учетом ЭДС поляризации закон Ома для электрохимической ячейки записывается в виде

, (2.1)

 

где R - сопротивление слоя электролита; а - толщина слоя электролита или межэлектродный зазор (толщинами двойных электрических слоев на аноде и катоде ввиду их малости пренебрегают); æ - удельная электропроводность электролита; S - площадь электрода.

Удельная электропроводность электролита æ зависит от его концентрации и температуры Т. Зависимость æ = f(T) записывается в виде

æ = æ₀·[1+α·(T – T₀)], (2.2)

где æ₀ - удельная электропроводность электролита при Т =18С; α - температурный коэффициент электропроводности, равный для водных растворов солей (0,02 + 0,03)1/°С. Например, водный раствор NaNO₃ 25%-ной концентрации при 18°С имеет æ =0,13 См/см; α =0,02 1/°С.

порядок проведения работы

Подготовка к эксперименту

1. Изучить электрохимическую установку.
2. Изучить правила техники безопасности (приложение I).
3. Установить обрабатываемый образец в контейнер и закрепить крышку контейнера.

4. Записать в отчет материал ЭЗ и ЭИ площадь обрабатываемой
поверхности, химический состав электролита,

5. Ареометром измерять плотность электролита, установить соответствующую концентрацию электролита и его удельную электропроводность при температуре 18°С,

 

 

6. Термометром измерить температуру электролита.
7. Индикаторной бумагой определить кислотность pН электролита.

8. По суточному отстою электролита оценить степень его загрязнения в % (отношение объема осадка к объему электролита).

9. Результаты всех измерений занести в отчет.

 

Проведение эксперимента

1. Установить межэлектродный зазор а₀= 0,50 мм.

2. Включить подачу электролита к провести его прокачку в течение 1 минуты для установления стационарного режима.

Установить давление электролита на входе: Р_вх= 0,15...0,2 МПа (1,5...2 кгс/см²); на выходе Р_вых=0,02...0,05 МПа (0,2...0.5 кгс/см²).

3. Включить вентиляцию.

4. Включить рабочее напряжение. В течение 1-3 секунд снять показания вольтметра U и амперметра I₁. Полученное значение тока записать в отчет (табл.2.1).

5. Выключить рабочий ток, подачу электролита, вентиляцию.

6. Повторять пп. 1 - 5 еще 2 раза, каждый раз устанавливая заданное а₀, измерить значения тока I _i и записать их в табл.2.1 отчета.

7. Повторить эксперимент по 3 раза при а₀ = 0,8 и при а₀ = 1,6 мм.

Обработка экспериментальных результатов

1. Рассчитать средние арифметические значения тока (по трем опытам), средние квадратические отклонения S_J, систематические θ, случайные ε погрешности и полуширину доверительных интервалов (приложение 2).

2. Значения , θ, ε, ΔI и результаты измерений записать в табл.2.1 отчета.

Проведение расчетов

1. Расчетные формулы

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Здесь Iр - расчетное значение силы тока; U_n= 2...4 В (по указанию преподавателя).

2. По формуле (2.5) определить æ.

3. По формуле(2.4) вычислить сопротивление R слоя электролита для трех значений а₀ (в см).

4. По формуле (2.3) рассчитать значения силы тока I_p.

5. Вычислить относительную погрешность определения I_p по формуле

6. Рассчитанные значения æ, R, I_P, δI записать в табл.2.2 отчета.

 

7. Построить графики зависимостей =f(a); I_P =f`(a) экспериментальных и расчетных значений силы тока от величины межэлектродного промежутка.

8. Сделать выводы по работе о сходимости расчетной и экспериментальной кривых. Указать возможные причины их расхождения.

Контрольные вопросы

1. Запишите закон Ома для алектролитов. Каков физический смысл величин, входящих в него?

2. Как связано сопротивление слоя электролита с его удельной проводимостью?

 

3. От каких величин зависит удельная электропроводность электролита? По какому закону она изменяется в зависимости от температуры?

 

4. В каких единицах измеряются удельная электропроводность и температурный коэффициент электропроводности?

5. Какие измерительные приборы используются при выполнении работы?

6. Как изменяются сала тока при изменении межэлектродного зазора? Почему?

 

Контрольные - вопросы

1. Что такое электрохимическая размерная обработка (ЭХО)?

2. Поясните, какие реакции происходят на катоде и аноде.

3. Какие механизмы переноса частиц действуют в межэлектродном промежутке при ЭХО?

4. Запишите закон Ома для электрохимической ячейки.

5. Как формулируется закон Фарадея для одной реакции из нескольких, протекающих при электролизе?

6. Объясните методику проведения эксперимента.

 

ОТЧЕТ

По лабораторной работе № 2 (ЭХО-2)

студентов (Ф.И.О., № группы)________________________________________

__________________________________________________________________

 

Исходные данные___________________________________________________

материал образца___________________________________________________

материал электрода-инструмента______________________________________

площадь обрабатываемой поверхности S= 5 см²;

электролит - водный раствор_______; плотность р =_______г/см³; концентрация_______%; рН =_______; Т =_______°С; удельная электропроводность_______Oм/см; загрязненность_______ %;

давление электролита: P_ВХ =0,15...0.2 МПа (1,5...2 кгс/см²); Р_вых = 0,02...0,05 МПа (0,2...0,5кгс/см²)

напряжение U=_______В;

потери напряжения в приэлектродных слоях U_n =_______В;
время обработки t = I...3 c;
начальный межэлектродный зазор а₀=0,5; 0,8; 1,5 мм.

 

 

Результаты экспериментов

Таблица 2.1 Таблица 2.2

 

Номер опыта	Зазор a0, мм
0,5	0,8	1,5
Сила тока Ii, А
I, А
θ,А
ε, a
ΔI, А
, А

Рассчитываемые параметры	а0, мм
0,5	0,8	1,5
æ, Ом/см
R, Ом
Iр, А
δI, %

 

 

=

 

; R₁=---------=; R₂=---------=; R₃=---------=;

 

I_P1=---------=; I_P2=---------=; I_P3=---------=;

 

δI₁=---------=; δI₂=---------=; δI₃=---------=;

 

 

 

График зависимости I =f(a)

 

Выводы:_________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________