Analiza Tehnologiilor Si Metodelor de Prelucrare Prin Eroziune

Cuprins

Introducere

1. ANALIZA TEHNOLOGIILOR ȘI METODELOR DE PRELUCRARE PRIN EROZIUNE

1.1. Tehnologii și metode neconvenționale de prelucrare

1.1.1. Clasificarea procedeelor de prelucrare prin eroziune

1.1.2. Domeniile de utilizare a tehnologiilor neconvenționale

1.2. Prelucrarea prin eroziune electrochimică

1.2.1. Echipamente ECM

1.2.2. Precizia ECM

1.2.3. Controlul procesului

1.2.4. Avantajele și dezavantajele ECM

1.2.5. Impactul supra mediului

1.3. Prelucrarea prin eroziune electrică

1.3.1. Mecanismul de îndepărtare a materialului

1.3.2. Sistemul de prelucrare

1.3.3. Lichidul dielectric

1.3.4. Rata de îndepărtare a materialului

1.3.5. Impactul aspra mediului

1.4. Metoda și obiectivele cercetării

2. Metodele de control electronic în prelucrarea prin eroziune electrochimică și electrică

2.1. Generatoare de impulsuri

2.1.1. Clasificarea generatoarelor de impulsuri

2.1.2. Generatoare de relaxare

2.1.3. Generatoare electromagnetice de impulsuri unipolare

2.1.4. Electro-mașini de impulsuri periodice

2.2. Surse de alimentare în comutație (topologii)

2.2.1. Convertorul de tip flyback

2.2.2. Convertorul de tip forward

2.2.3. Convertorul de tip push-pull

2.2.4. Convertorul de tip half-bridge

2.2.5. Convertorul de tip full-bridge

2.2.6. Convertor prin rezonanță

2.3. Sursă de alimentare a EDM

2.3.1. Convertor buck 58

2.3.2. Componente de comutare

2.3.3. Generator de impulsuri cu CPLD

2.4. Sursa de alimentare a ECM

2.4.1. Sursă de alimentare pentru micro ECM

2.4.2. Impulsul micro ECM

2.4.3. Impulsul bipolar

Bibliografii:

ANEXE

Introducere

Actualitatea temei. Procedeele de prelucrare clasice devin ineficiente din punct de vedere economic sau chiar imposibil de aplicat în anumite situații, cum ar fi:

suprafețele de prelucrat au configurații complexe;

prelucrarea unor piese confecționate din metale și aliaje cu proprietăți deosebite (rezistență foarte mare la rupere, refractaritate ridicată, rezistențe înalte la coroziune și cavitație, fragilitate mare etc.);

obținerea unei precizii dimensionale foarte ridicate și a unei calități foarte bune a suprafețelor prelucrate și realizarea unor alezaje micro-dimensionale;

realizarea unor productivități sporite în condițiile unor însemnate economii de combustibili convenționali, materii prime și resurse energetice.

Aceste limitări au determinat apariția și dezvoltarea unor metode de prelucrare noi care se numesc tehnologii neconvenționale, la care îndepărtarea adaosului de prelucrare se face sub formă de microparticule ca urmare a interacțiunii dintre piesă și semifabricat și un agent eroziv. Agentul eroziv este un sistem fizico-chimic sau fizico-mecanic complex care cedează piesei energie de natură electrică, electromagnetică, electrochimică, termică, chimică, mecanică sau de radiație. Energia agentului eroziv distruge stratul superficial al piesei de prelucrat prin topire, vaporizare, sublimare, ruperi de material sub formă de microparticule sau prin coroziune. În toate cazurile, pentru erodarea stratului superficial al piesei de prelucrat, energia agentului eroziv trebuie să depășească energia de legătură a particulelor de material. De asemenea, particulele erodate trebuie îndepărtate de spațiul de lucru deoarece ele pot frâna sau chiar opri continuarea eroziunii.

In același timp, tehnologiile neconvenționale au un cost de prelucrare mai ridicat, datorită valorii mari a utilajelor și gradului avansat de automatizare. Procedeele clasice de prelucrare sunt mai eficiente la piesele cu prelucrabilitate ușoară și complexitate redusă, iar tehnologiile neconvenționale sunt indicate la piesele cu prelucrabilitate dificilă și complexitate ridicată.

Scopul lucrării consta în cercetarea metodelor de control electronic în prelucrarea prin eroziune electrochimică și electrică.

La baza fiecărei mașini de prelucrare prin eroziune stă un sistem electronic foarte complex și complicat, un element de baza acestui sistem este generatorul de impulsuri sau sursa de alimentare, pentru ca procesul de eroziune sa funcționeze corect și fără abateri avem nevoie sa cercetam aceste metode și topologii de control electronic pentru a avea o productivitate cât mai bună a piesei prelucrate.

Obiectivele principale pentru rezolvarea scopului propus sunt:

1. ANALIZA TEHNOLOGIILOR ȘI METODELOR DE PRELUCRARE PRIN EROZIUNE

Prelucrările neconvenționale sunt definite ca fiind acele procedee care îndeplinesc cel puțin una dintre condițiile:

Sunt eficiente pentru prelucrarea unor materiale cu proprietăți deosebite (de exemplu cu duritate mare, sau casante etc.).

Permit obținerea cu mare precizie a unor suprafețe speciale ca formă, dimensiuni, rugozitate (cu micro-asperități).

Se aplică în medii speciale, ionizate sau nu, la presiuni mari sau vid.

Cele mai multe procedee se bazează pe îndepărtarea din semifabricat a unor micro-așchii de dimensiunile a zecimi până la miimi de mm, ca urmare a fenomenelor de eroziune. Se utilizează un agent eroziv, care poate fi un sistem fizico-chimic complex, capabil să cedeze energie direct suprafeței de prelucrat, sau mediului de lucru. Energia transferată poate fi electrică, electrochimică, electromagnetică, chimică, termică, sau mecanică și contribuie la distrugerea integrității materialului de prelucrat, până se ajunge la dimensiunile și calitatea dorită a suprafețelor piesei.

Exemple de utilizări:

Ștanțe și matrițe complexe.

Camele de la strungurile automate.

Camele pentru mecanismul de avans radial de pătrundere al mașinilor de rabotat.

Șabloane cu diferite contururi, cu caracter didactic.

Acoperiri metalice.

Gravarea unor profile complexe.

Tăierea unor contururi foarte precise sau a unor materiale extradure și foarte groase / subțiri.

Confecționarea unor filtre și site metalice extrem de fine.

Capace pentru gurile vizitare a rezervoarelor hidraulice.

Extragerea din piese a unor scule rupte sau a unor organe de asamblare.

Piese cu profil complex, din materiale dure, care nu permit utilizarea procedeelor de prelucrare mecanice clasice.

1.1. Tehnologii și metode neconvenționale de prelucrare

Tehnologiile neconvenționale includ numeroase metode și procedee de prelucrare, unele dintre ele aplicate pe scară largă în industrie, altele fiind altceva decât curiozități de laborator.

Prelucrările neconvenționale sunt, în general, caracterizate de un consum mai mare de energie pentru o aceeași cantitate de material prelucrată, în comparație cu procedeele clasice de prelucrare. Există și excepții notabile:

Productivitatea prelucrării neconvenționale este mai mică decât cea obținută prin metodele clasice de prelucrare. De cele mai multe ori, creșterea productivității este cel de al doilea obiectiv urmărit la prelucrarea prin metode neconvenționale.

Se obțin caracteristici deosebite privind calitatea suprafețelor prelucrate: rugozitatea, adâncimea stratului superficial, micro-duritatea, micro-fisuri, tensiuni reziduale, zonă afectată termic etc.

Aceste prelucrări neconvenționale sunt utilizate cu precădere în acele situații în care metodele clasice sunt practic imposibil de aplicat, sau neeconomice, datorită proprietăților speciale ale materialului semifabricatelor, complexității deosebite a pieselor de prelucrat, rigidității mecanice insuficiente sau cerințelor de precizie.

1.1.1. Clasificarea procedeelor de prelucrare prin eroziune

Procesele de eroziune sunt procedee de distrugere a integrității structurilor de suprafață ale obiectului supus eroziunii cu ajutorul unui agent eroziv (figura 1.1.), a cărui energie poate fi de natură electrică, electromagnetică, electrochimică, chimică, mecanică sau termică, transformarea energiei în energie de distrugere care poate fi termică, mecanică sau chimică, are loc în zona de interacțiune.

Figura 1.1. Interacțiunea agentului eroziv asupra obiectului eroziunii.

Mecanismul elementar al distrugerii erozive poate prezenta unul din fenomenele de bază sau combinații ale acestora:

topire, vaporizare, sublimare;

ruperi de material în straturile de suprafață;

coroziune.

Cunoașterea mecanismelor elementare ale proceselor de eroziune a permis stabilirea legilor de interdependență ale procesului și, implicit, dirijarea fenomenelor pentru stabilirea condițiilor în care prelevarea de material este maximă sau minimă. Clasificarea procedeelor și metalelor de prelucrare prin eroziune se poate face fie după natura energiei distructive, fie după tipul fenomenului fundamental. În mod frecvent se utilizează clasificarea pe grupe de procedee, după natura agentului eroziv. Metodele principale de prelucrare dimensională prin eroziune aplicate industrial sunt: metoda prelucrării prin eroziune electrică, metoda de prelucrare prin eroziune cu plasmă, metoda de prelucrare prin eroziune electrochimică, metoda de prelucrare prin eroziune chimică, metoda de prelucrare complexă prin eroziune electrochimică și electrică, metoda de prelucrare prin eroziune abrazivă și cavitațională în câmp ultrasonic și metoda de prelucrare prin eroziune cu radiație.

Prelucrarea materialelor metalice prin eroziune electrică

Metoda se bazează pe acțiunea erozivă polarizată a unor descărcări electrice prin

impuls, amorsate în mod succesiv între un electrod ajutător pentru localizarea macroscopică a

eroziunii și obiectul prelucrării.

Prelucrarea materialelor metalice prin eroziune cu plasmă

Această metodă se bazează pe acțiunea erozivă a plasmei unei descărcări electrice în arc staționar, stabilizată cu ajutorul unui curent de gaz. Localizarea eroziunii cu plasmă se realizează prin transferarea anodului arcului, amorsat inițial în generatorul de plasmă, pe suprafața obiectului prelucrării și prin dirijarea formei și dimensiunilor jetului de plasmă, suflat în afara generatorului de plasmă de către curentul de gaz utilizat.

Prelucrarea materialelor metalice prin eroziune electrochimică

Această metodă se bazează pe fenomenul dizolvării electrochimice (anodice) a materialului obiectului prelucrării în procese caracteristice de schimb de sarcini electrice și de masă între electrolit, anod și catod.

Suprafața necesară de interacțiune între anod – electrolit – catod se asigură prin geometria

adecvată a electrodului ajutător catod, pentru localizarea macroscopică a eroziunii. Localizarea microscopică are un caracter statistic și este determinată de valorile maxime ale densității curentului electric pe suprafața de prelucrat.

Prelucrarea prin eroziune chimică

Metoda de prelucrare prin eroziune chimică se bazează pe fenomenul de dizolvare electrochimică ce acționează în condițiile aplicării pe suprafața obiectului prelucrării a unei substanțe solvent chimic active, datorită diferențelor de potențial electrochimic dintre diferitele puncte ale suprafeței de prelucrat și între acestea și particulele substanței solvent. Eroziunea chimică reprezintă o formă specifică a eroziunii electrochimice, caracterizată prin lipsa sursei exterioare de curent electric. Localizarea macroscopică a prelucrării se realizează prin acoperirea cu pelicule de protecție anticorozivă a părților suprafeței obiectului prelucrării care nu trebuie supuse eroziunii.

Prelucrarea complexă prin eroziune electrochimică și electrică

Această metodă se bazează pe desfășurarea simultană în timp și diferențială în spațiu, a unor procese de eroziune electrochimică și de eroziune electrică ca descărcări în arc nestaționar, a suprafeței obiectului prelucrării.

Prelucrarea este condiționată de formarea unor pelicule anodice tari, insolubile, izolatoare din punct de vedere electric, de existența unei presiuni de contact și a unei mișcări relative tangențiale la suprafața de prelucrat, între electrodul ajutător-catod pentru localizarea macroscopică a eroziunii și obiectul prelucrării.

Prelucrarea prin eroziune abrazivă și cavitațională în câmp ultrasonic

Această metodă se bazează pe acțiunea în strânsă interdependență a unor procese de eroziune abrazivă și este determinată de valorile maxime ale densității curentului electric pe suprafața de prelucrat.

Prelucrarea prin eroziune chimică

Metoda de prelucrare prin eroziune chimică se bazează pe fenomenul de dizolvare electrochimică ce acționează în condițiile aplicării pe suprafața obiectului prelucrării a unei substanțe solvent chimic active, datorită diferențelor de potențial electrochimic dintre diferitele puncte ale suprafeței de prelucrat și între acestea și particulele substanței solvent. Eroziunea chimică reprezintă o formă specifică a eroziunii electrochimice, caracterizată prin lipsa sursei exterioare de curent electric. Localizarea macroscopică a prelucrării se realizează prin acoperirea cu pelicule de protecție anticorozivă a părților suprafeței obiectului prelucrării care nu trebuie supuse eroziunii.

Prelucrarea complexă prin eroziune electrochimică și electrică

Această metodă se bazează pe desfășurarea simultană în timp și diferențială în spațiu, a unor procese de eroziune electrochimică și de eroziune electrică ca descărcări în arc nestaționar, a suprafeței obiectului prelucrării.

Prelucrarea este condiționată de formarea unor pelicule anodice tari, insolubile, izolatoare din punct de vedere electric, de existența unei presiuni de contact și a unei mișcări relative tangențiale la suprafața de prelucrat, între electrodul ajutător-catod pentru localizarea macroscopică a eroziunii și obiectul prelucrării.

Prelucrarea prin eroziune abrazivă și cavitațională în câmp ultrasonic

Această metodă se bazează pe acțiunea în strânsă interdependență a unor procese de eroziune abrazivă și cavitațională, dezvoltate simultan în condițiile oscilării ultrasonice a suspensiei abrazive interpusă între un obiect ajutător, fixat pe suprafața activă a transformatorului acustic al unui traductor ultrasonic și obiectul prelucrării.

Localizarea macroscopică a prelucrării este asigurată prin forma adecvată a suprafeței active a obiectului ajutător prin care se radiază energia ultrasonică în agentul eroziv.

Prelucrarea materialelor prin eroziune cu radiație

Prelucrarea se bazează pe acțiunea erozivă a unui fascicul de radiații de mare energie, puternic focalizat la suprafața obiectului prelucrării. Localizarea prelucrării se realizează prin focalizarea și dirijarea spațială corespunzătoare a fasciculului de radiații cu ajutorul lentilelor electrice, magnetice sau electromagnetice, sau cu oglinzi și lentile optice.

Figura 1.2. Clasificarea tehnologiilor neconvenționale.

O altă clasificare a tehnologiilor neconvenționale de prelucrare are în vedere existența unor tehnologii neconvenționale propriu-zise și respectiv a unor tehnologii așa – zis clasice, (metoda de prelucrare prin strunjire asistată de ultrasunete, de preîncălzirea materialului – prin inducție, de exemplu etc.).

Ținând cont de existența sau inexistența unor modificări cantitative ale materialului semifabricatului, avem:

Tehnologii de prelucrare cu îndepărtare de material sau prin eroziune (electroeroziune, eroziune electrochimică, eroziune cu fascicul de ioni etc.).

Tehnologii de prelucrare cu adăugare de material (durificarea prin microaliere superficială, metalizare, acoperiri metalice etc.).

Tehnologii de prelucrare fără modificări cantitative semnificative ale materialului semifabricatului (tratamente termice sau termochimice, cu fascicul de ioni, cu fascicul de fotoni, cu fascicul de electroni etc.).

În funcție de forma de energie utilizată preferențial în timpul prelucrării, vom avea:

Tehnologii care folosesc energia termică (prelucrarea prin electroeroziune, cu fascicul de electroni, cu plasmă, cu fascicul de ioni, fotoni etc.);

Tehnologii ce apelează la efecte mecanice (prelucrări cu ajutorul ultrasunetelor, al jeturilor de fluide etc.).

Tehnologii ce utilizează energia electrochimică (prelucrările electrochimice și cele chimice).

După modalitatea de concretizare a sculei avem:

Tehnologii de prelucrare cu scule materializate (prelucrarea prin electroeroziune, prin eroziune electrochimică, cu ajutorul ultrasunetelor etc.).

Tehnologii de prelucrare cu energii concentrate, în cazul cărora scula ia forma unor fascicule de purtători de înaltă energie.

1.1.2. Domeniile de utilizare a tehnologiilor neconvenționale

Factorii care au condus la apariția acestor tehnologii:

Apariția de materiale dure, greu sau imposibil de prelucrat prin procedee clasice.

Apariția unor tipuri de suprafețe dificil sau realmente de neobținut cu ajutorul tehnologiilor clasice bazate pe „ruperea” de material din semifabricat.

Creșterea exigențelor legate de precizia și rugozitatea suprafețelor.

Extinderea necesităților de a obține fie piese de configurații foarte mici, fie piese de dimensiuni foarte mari.

Există două situații importante când tehnologul va trebui sa recurgă la analiza posibilităților de utilizare a unor tehnologii neconvenționale:

Când prelucrabilitatea prin procedee clasice a materialului semifabricatului este foarte redusă, făcând dificilă, neeficientă sau realmente imposibilă aplicarea unei tehnologii clasice.

Când suprafața de obținut are asemenea forme, dimensiuni sau amplasări, încât fie că aplicarea unui procedeu clasic este neconvenabilă, fie că nu există, de fapt, un procedeu utilizabil în sensul propus.

1.2. Prelucrarea prin eroziune electrochimică

Prelucrare electrochimică (ECM) este un proces de prelucrare modernă care se bazează pe îndepărtarea atomilor piesei de dizolvare electrochimica (ECD), în conformitate cu principiile Faraday (1833). Gusseff a introdus primul brevet pe ECM în 1929, iar prima semnificativă dezvoltare a avut loc în anii 1950, atunci când procesul a fost utilizat pentru prelucrare de înaltă rezistență și aliaje rezistente la căldură.

1.2.1. Echipamente ECM

În (figura 1.3.), sunt reprezentate principalele componente ale mașinii ECM: sistemul de control al alimentarii, sistemul de alimentare cu electrolit, unitatea de alimentare cu energie, și aparatul de exploatare al piesei de lucru. În (figura 1.4.), este reprezentat sistemul de control al alimentării, responsabil pentru alimentarea sculei cu o viteză constantă în timpul prelucrării echilibru. Sursa de alimentare conduce curentul de prelucrare la o tensiune cu curent continuu constant (continuu sau prin impuls). Unitatea de alimentare cu electrolit, furnizează soluția de electrolit cu o anumită rată, presiune și temperatură. Facilitățile pentru filtrarea electrolitului, controlul temperaturii, și îndepărtarea nămol sunt de asemenea incluse. Mașinile ECM sunt capabile să execute o gamă largă de operațiuni, cum ar fi dublarea, afundarea și găurirea. Facilitățile semiautomatizate sau complet automatizate sunt utilizate pentru prelucrarea dimensiunilor mari, cum ar fi debavurare în industria de automobile. Mașini ECM, spre deosebire de mașini-unelte convenționale, sunt concepute pentru a se ridica protecția împotriva coroziunii folosind materiale nemetalice. Pentru rezistență înaltă sau rigiditate, sunt recomandate metale cu acoperiri nemetalice.

Figura 1.3. Elemente ECM.

Figura 1.4. Componentele sistemului de ECM.

Sursa de alimentare. Sursa de alimentare DC pentru ECM are următoarele caracteristici:

Tensiune de la 2 -30 volți (V) (impulsuri sau continuu).

Game de curent de la 50 până la 10.000 de amperi (A), care permit curent cu densități de la 5 până la 500 A / cm2.

Reglarea continua a decalajului de tensiune.

Controlul curentului de prelucrare în caz de urgență.

Protecția împotriva scurtcircuitelor într-un timp de 0,001 s.

Factor de mare putere, cu un randament ridicat, de dimensiuni și greutate mica, și preț scăzut.

Electrolitul. Principalele funcții ale electrolitului din ECM sunt:

Crearea condițiilor pentru dizolvarea anodică a materialului piesei de prelucrat.

Conducerea curentul de prelucrare.

Îndepărtează resturile reacțiilor electrochimice din decalajul interelectrodic.

Îndepărtează căldura generata de procesul de prelucrare.

Menține o temperatură constantă în regiunea de prelucrare.

Soluția de electrolit trebuie, prin urmare, să fie în măsură să:

Asigure o dizolvare anodică uniformă de mare viteză.

Evite formarea unei pelicule pasive pe suprafața anodică (sunt adesea recomandate electroliți ce conțin anioni de Cl, SO4, NO3, ClO3, și OH).

Nu depoziteze pe suprafața catodului, astfel incit rămășițele formei catodului sa rămână neschimbata (se folosesc electroliți de potasiu și sodiu).

Aibă o conductivitate electrică ridicată și viscozitate redusă pentru a reduce pierderea de putere din cauza rezistenței electrolitului și generării de căldura și pentru a asigura condiții bune de curgere în decalajul interelectrodic extrem de îngust.

Fie sigur, non-toxic, și mai puțin eroziv la corpul mașinii.

Mențină ingredientele sale stabile și valoarea pH-ului, în timpul perioadei de prelucrare.

Aibă variație mică în conductivitate și vâscozitate ca urmare a creșterii temperaturii.

Fii ieftin și disponibil.

Cei mai frecvenți electroliți folosiți sunt clorura de sodiu (NaCl), azotatul de sodiu (NaNO3), și hidroxidul de sodiu. Operațiile industriale ale ECM, de obicei, implica folosirea electroliților micști pentru a satisface cerințele multiple așa cum este reprezentat în tabelul de mai jos.

Tabelul 1.1: Electroliții și ratele de prelucrare ECM pentru diverse materiale de lucru.

Selecția electrolitului ECM depinde de materialul piesei de prelucrat, toleranța dimensională dorită, suprafața de finisaj necesară, și productivitatea prelucrării. în timpul ECM, electrolitul joacă un rol important în controlul dimensional. Așa cum este arătat în (figura 1.5.) este de preferat soluția de azotat de sodiu, deoarece rata de îndepărtare a metalul local este ridicat în locurile cu decalaj mic, unde atât densitatea de curent și eficiența curentului sunt ridicate. În plus, rata de îndepărtare locală este redusă la locurile cu decalaj interelectrodic mare în cazul în care atât densitatea de curent și eficiența curentului sunt mici. Acest rezultat în distribuția decalajului tinde spre uniformitate.

Figura 1.5. Efectul densității și eficienței curentului pentru diferiți electroliți.

Figura 1.6. Moduri de alimentare cu electrolit a ECM.

Eficiența curentului în ECM depinde de materialul anodului și de electrolit. Atunci când tensiunea prin impulsuri este aplicată în locul tensiunii continuu (frecvent utilizată), utilizarea corectă a parametrilor de impuls, poate îmbunătăți semnificativ eficiența actuală și calitatea suprafeței. În funcție de forma sculei și tipul operației de prelucrare, mai multe metode de furnizare a electrolitului în spațiul de prelucrare sunt reprezentate în (figura 1.6.). Alegerea metodei de alimentare cu electrolit depinde de geometrie, metoda de prelucrare, precizia necesară, și finisajul suprafeței. Condițiile tipice includ electrolitul cu o temperatură de la 22 până la 45 ° C, o presiune între 100 și 200 kPa și o viteză de la 25 la 50 m/s.

1.2.2. Precizia ECM

O lățime mică de decalaj interelctrodic reprezintă un grad ridicat de precizie a procesului. După cum se poate vedea în (figura 1.7.), acuratețea de prelucrare a piesei depinde de densitatea de curent, care este afectat de:

Echivalentul materialului și tensiunea decalaj interelctrodic.

Rata de alimentare și fenomenul decalajului inclusiv și pasivizarea.

Proprietăți electrolitului în special nivelul, pH, temperatura, concentrația, presiunea, tipul și viteza.

Figura 1.7. Parametrii care afectează acuratețea ECM, calitatea suprafeței, și productivitate.

Pentru o mai mare precizie a procesului, sunt recomandate condițiile de prelucrare la restingerea decalajului de prelucrare.

O rată ridicată de alimentare.

Electroliți cu conductivitate înaltă.

Electroliți de pasivizare, cum ar fi NaNO3, care au o putere scăzută de aruncare.

Izolația instrumentului care limitează acțiunea de prelucrare laterală.

Figura 1.8. Prelucrabilitatea relativă a diferitor materiale, la densitate de curent constantă

Așa cum se arată în (figura 1.9.), ECM se bazează în principal pe faza ECD care apare prin deplasarea ionilor între catodul instrumentului și anodul piesei de prelucrat.

Figura 1.9. Componentele procesului ECM.

1.2.3. Controlul procesului

În timpul ECM multe dintre condițiile de prelucrare alese trebuie să fie păstrate neschimbate deoarece acestea au un impact direct asupra preciziei de finisaj a suprafeței și a procesului. Tensiunea din decalajul interelectrodic afectează producerea supradimensionării, care la rândul său modifică dimensiunile piesei de prelucrat. Rugozitatea suprafeței depinde de densitatea de curent, care este afectată de viteza de avans a instrumentului, tensiunea de decalajul interelectrodic, materialul de lucru, fenomenul decalajului, precum și condițiile electrolitului, inclusiv tipul, concentrația, temperatura, presiunea, nivelul pH-ului, și conductivitatea. În timpul ECM, condițiile de prelucrare care conduc la un proces de o mai mare precizie sunt asociate cu rugozitate mică și productivitate de prelucrare mai mare. Densitățile de curent mari sunt, prin urmare recomandate. Cu toate acestea, încălzirea, fierberea electrolitului și posibilitatea de apariție a scântei trebuie luată în considerare. Control adecvat al ECM îmbunătățește calitatea produsului și productivitatea procesului, având în vedere următoarele condiții:

Comportamentul nestaționar a ECM se datorează variațiilor condițiilor decalajului interelectrodic cum ar fi generarea de gaz, încălzirea, pasivizarea, și alte reacții ale electrodului.

Pentru componentele mari, timpul efectiv de prelucrare constituie un procent ridicat din timpul total de producție. Orice îmbunătățire a performanței de prelucrare poate produce o reducere semnificativă a timpului ciclului produsului.

Costul de control hardware suplimentar poate rămâne o mică parte din costul total al mașinii, inclusiv sursa de alimentare și cea de alimentari cu electrolit și unitățile ei filtrare.

Creșterea de ore de lucru fără operator ridică eficiența Mașini ECM și îmbunătățește posibilitatea de integrare în proces a sistemelor CAD/CAM.

Deteriorare ECM cu scântei poate provoca daune ireparabile la piesa de lucru și instrumentului complicat și de multe ori costisitoare. Aplicarea unui sistem de control avansat poate contribui semnificativ la reducerea riscului de astfel de pierderi.

1.2.4. Avantajele și dezavantajele ECM

Avantajele:

Nu apare uzura instrumentului pentru că nu există contactul între sculă și piesa de prelucrat.

Prelucrarea se face la tensiuni joase, în comparație cu alte procese, cu rate de îndepărtare de metal mare.

Dimensiuni foarte mici de până la 0,05 mm pot fi controlate.

Profile complicate pot fi prelucrate cu ușurință cu o singură operație.

Din cauza temperaturii scăzute elaborată, nici un prejudiciu termic nu are loc la structura piesei de prelucrat.

Materiale greu conductoare pot fi prelucrate.

Finisajul de suprafață poate fi menținut la 0.1 la 1.25 µm Ra.

Din cauza prețului ridicat de capital, ECM este potrivit doar pentru munca de producție în masă.

Cerințe de muncă sunt scăzute.

Dezavantajele:

O cantitate mare de energie este consumată (aproximativ 100 de ori necesară pentru transformarea sau găurirea oțelului).

Ratele de îndepărtare a metalelor sunt lente în comparație cu metodele convenționale.

ECM poate fi aplicat numai la materialele conducătoare de electricitate.

Există dificultăți în scoaterea și aruncarea gazului de hidrogen exploziv în condiții de siguranță generat în timpul prelucrării.

Piesa de prelucrat trebuie să fie curățată și unsă imediat după prelucrare.

Există dificultăți în manipularea electrolitului, care poate ataca echipamentul.

Nu este ușor de dublat forma electrodului instrument în piesa de prelucrat, cu un grad ridicat de precizie, datorită efectului de prelucrare laterală.

Procesul nu poate produce marginile interne sau externe ascuțite.

Pomparea electrolitului la presiune înaltă în spațiul de prelucrare îngust dă naștere la forțe mari care acționează asupra instrumentului și piesei de prelucrat.

1.2.5. Impactul supra mediului

Pericolele de sănătate a muncii sunt foarte limitate dacă ECM este aplicat în condiții corespunzătoare. Stropirea cu electrolit, contaminarea ochilor și a pielii, precum și extinderea liberă de vapori nocivi sau toxici trebuie evitată (figura 1.10.).

Figura 1.10. Impacturile posibile ale ECM.

Impactul crucial asupra mediului provine de la electrolit și șlamul ECM. În timpul ECM debavurare și scufundare, NaNO3 îndeplinește cu o rată înaltă cerințele de îndepărtare și calitatea suprafeței. Cu toate acestea, prin dizolvarea metalelor conținând crom și datorită unei reduceri de nitrat la catod instrumentului, mediul acumulează cromat toxic și amoniac. Acești compuși chimici sunt absorbite în hidroxizii metalici din șlamul ECM. Întrucât șlamul rezultă din întreținerea electrolitului cu precipitarea de materie solide și soluții de electroliți el trebuie să fie eliminat.

1.3. Prelucrarea prin eroziune electrică

Istoria prelucrării prin electroeroziune (EDM) datează de pe timpul războaielor mondiale I și II, atunci când B.R. și N.I. Lazarenko a inventat circuitul de relaxare (RC). Folosind un simplu controler servo au menținut lățimea spațiului dintre sculă și piesa de prelucrat, au redus arcul electric, și au făcut EDM mai profitabil. Din 1940, scufundarea prin EDM a încetat, a fost perfecționate generatoarele care utilizează impulsuri, tehnicile de mișcare planetara și orbitala, calculator de control numeric (CNC), precum și sistemele adaptive de control. Pe parcursul anilor 1960 cercetările extinse au condus la evoluția EDM când numeroase probleme legate de modelarea matematică au fost abordate. Evoluția EDM cu fir în anii 1970 sa datorat generatoarelor de putere, noului electrod instrument cu fir, îmbunătățirii inteligenței mașinii și unei mai bune spălări. Recent, viteza de prelucrare a crescut de 20 de ori, ceea ce a scăzut costurile de prelucrare cu cel puțin 30 la sută și a îmbunătățit finisajul suprafeței cu un factor de 15.

EDM are următoarele avantaje:

Pot fi produse cavitățile cu pereți subțiri și caracteristici fine.

Este posibila geometria dificila.

Utilizarea EDM nu este afectată de duritatea materialului de lucru.

Procesul este fără bavuri.

1.3.1. Mecanismul de îndepărtare a materialului

În EDM, îndepărtarea materialului este bazat pe efectul de eroziune prin Electro-descărcare (EDE) al scânteilor electrice care apar între doi electrozi, care sunt separate de un dielectric lichid așa cum se arată în (figura 1.11.).

Îndepărtarea metalelor are loc ca rezultat al generării de temperaturi extrem de ridicate generate de descărcarea de mare intensitate la care se topesc și se evaporă cei doi electrozi. O serie de impulsuri de tensiune (figura 1.12.), de mărime aproximativ 20 și 120 V și o frecvența de ordinul a 5 kHz este aplicat între cei doi electrozi, care sunt separați printr-un spațiu mic, de obicei 0,01 până la 0,5 mm. La utilizarea generatoare RC, impulsurile de tensiune, prezentate în (figura 1.13.), sunt responsabile pentru îndepărtarea materialului.

Figura 1.11. Componentele EDM.

Figura 1.12. Impulsul de curent tipic al EDM al generatorului de impulsuri controlat.

Potrivit lui McGeough (1988), aplicarea de impulsuri de tensiune, așa cum se arată în (figura 1.14.), provoacă defalcări electrice a dielectricului într-un canal cu raza de 10 µm. Defalcarea apare din accelerația către anod a ambilor electroni emiși de catod prin câmpul aplicat și electronii rătăciți prezenți în decalajul interelectrodic.

Figura 1.13. Variația de tensiune în timp, folosind un generator RC.

Acești electroni se ciocnesc cu atomii neutri din dielectric, creând astfel ioni pozitivi și electroni suplimentari, care la rândul lor sunt accelerați respectiv spre catod și anod. Când electronii și ionii pozitivi ajung la anod și catod, se renunță la energia lor cinetică sub formă de căldură. La temperaturi de aproximativ 8000 la 12.000 ° C, sunt atinse fluxuri de căldură de până la 1017 W/m2. Cu o durată de scânteie foarte scurtă de obicei, între 0.1 – 2000 µs, temperatura electrozilor poate fi ridicată la nivel local pentru a avea mai multe puncte de fierbere normale.

Figura 1.14. Formele de undă de tensiune în timpul EDM.

Figura 1.15. Formele de undă de tensiune în timpul EDM.

Figura 1.16. EDM scânteie descriere.

Datorită evaporări dielectricului, presiunea pe canalul din plasmă crește rapid la valori de până la 200 atmosfere. Astfel de presiuni mari previn evaporarea metalului supraîncălzit. La sfârșitul impulsului, presiunea scade brusc și metalul supraîncălzit se evaporă exploziv. Metalul este eliminat din acești electrozi așa cum se arată în (figura 1.16.).

Fluid dielectric grăbește spălarea resturile și stinge suprafața piesei de prelucrat. Metalul topit neexpulzat se solidifică pentru a forma ceea ce este cunoscut ca strat de reformare. Metalul expulzat se solidifică în sfere mici dispersate în lichid dielectric împreună cu bucățele de la electrod. Restul de vapori se ridică la suprafață. Fără un suficient off time, molozul ar colecta vaporii făcând scânteia instabilă. Această situație creează un arc, care dăunează electrodului și piesei de prelucrat. Relația dintre cantitatea de material îndepărtat din anod și catod depinde de contribuția respectivă a electronilor și de ionii pozitivi pentru fluxul de curent total. Curentul de electroni predomină în primele etape ale descărcării.

Din moment ce ionii pozitivi sunt aproximativ de 104 de ori mai masivi decât electronii, ei sunt mai greu de mobilizat decât electronii. În consecință erodarea anodului piesei trebuie să fie mai mare decât cea a catodului. La sfârșitul acțiunii EDM, crește canalul plasmei în lățime, iar densitatea curentului de-a lungul decalajului interelectrodic scade. Cu fracțiunea de curent din cauza diminuării electronilor, contribuțiile ionilor pozitivi crește, și proporțional mai mult metal este apoi erodat de catod. Frecvența înaltă a impulsurilor de tensiune livrată împreună cu servo instrumentul de mișcare, către piesa de prelucrat, permite scânteia sa fie realizată de-a lungul întregii lungimi a electrozilor. În (figura 1.14 și 1.15.), este reprezentat curba de tensiune și curent în timpul EDM. În (figura 1.17.), sunt prezentate evacuările periodice care apar atunci când se utilizează un generator de RC în EDM.

Figura 1.17. Descărcările periodice ale generatorului de tip RC.

Frecvența de descărcare sau scântei variază de obicei între 500 și 500.000 de scântei pe secundă. Cu astfel de frecvențe înaltă de scântei, efectele combinate ale scântei individuale asigura o rată considerabilă de îndepărtare a materialului. Poziția electrodului instrument este controlată de servomecanism, care menține o lățime de decalaj constantă (200-500 µm) între electrozii, în vederea creșterii eficienței de prelucrare prin descărcările active.

Măsurările de performanță EDM, cum ar fi rata de îndepărtare a materialului, uzura electrod instrumentului, și finisajul de suprafață, pentru aceeași energie, depinde de forma impulsurilor de curent. Pe baza situației din decalajul interelectrodic, patru impulsuri electrice diferite se disting și anume, după impulsurile circuitului deschis, scântei, arcuri, și scurtcircuite. Ele sunt de obicei definite pe baza evoluției în timp a tensiunii de descărcare sau curent de descărcare. Efectul lor de îndepărtare a materialului și uzurii instrumentului diferă destul de mult. Tensiunea deschisa în decalaj care apare atunci când distanța dintre ambii electrozi este prea mare, evident, nu contribuie la nici o îndepărtarea a materialului sau uzurii electrod instrumentului.

Figura 1.18. EDM schematic.

Când apare contactul brusc între sculă și piesa de prelucrat, apar micro scurtcircuitul, care nu contribuie la procesul de îndepărtare a materialului. Gama de distanțe a electrodului dintre aceste două cazuri extreme face decalajul de lucru practic pentru evacuările efective, adică, scântei și arcuri. În acest sens, arcele se cred că apar în același loc pe suprafața electrodului și poate să afecteze grav electrod instrumentul și piesa de prelucrat. Se presupune că arcele apar atunci când canalul plasmatic al impulsului anterior nu este complet deionizat; impulsul curentului în timpul următor va curge de preferință pe aceeași cale de curent. În acest caz, este nevoie de timp pentru a forma noi căi de gaze de curent care să inițieze o nouă scânteie de descărcare. Se crede că doar "scânteia" contribuie într-adevăr la îndepărtarea materialului într-un mod dorit.

1.3.2. Sistemul de prelucrare

În (figura 1.18. și 1.19.), reprezintă principalele componente ale sistemului EDM. Aceste componente include instrumentul, servomecanismul, care menține un decalaj de prelucrare constantă care asigură apariția descărcările active între cei doi electrozi. Sursa de alimentare este responsabilă pentru furnizarea impulsurilor cu o anumită tensiune, curent și timp. Unitatea de alimentare cu dielectric duce lichidul dielectric la decalajul interelectrodic după ce a fost filtrat de resturile de prelucrare.

Figura 1.19. Componentele EDM a sistemului.

1.3.3. Lichidul dielectric

Principalele funcții ale fluidului dielectric sunt:

Spălarea particulelor erodate din decalajul de prelucrare.

Furnizarea de izolație între electrod și piesa de prelucrat.

Răcirea secțiunii care a fost încălzită de efectul descărcare.

Principalele cerințe ale lichidului dielectrice EDM este o viscozitate adecvată, punctul de aprindere înalt, stabilitate bună la oxidare, miros minim, costul mic și buna eficiență a descărcări electrice. Pentru cele mai multe operațiuni EDM, kerosenul este utilizat cu un anumit aditiv care previn bule de gaz și mirosul. Fluide de siliciu și un amestec al acestor fluide cu uleiuri de petrol au dat rezultate excelente. Alte fluide dielectrice cu un grad variabil de succes includ soluții apoase de etilen glicol, apă în emulsii și apă distilată. Spălarea de dielectric joacă un rol important în menținerea prelucrări stabile, realizarea aproape de toleranță și calitate înaltă a suprafeței. Spălare insuficientă poate duce la apariția arcurilor electrice, la scăderea vieții electrodului și creșterii timpului de producției. Există patru metode de introducere a fluidului dielectric spre spațiul de prelucrare:

Flux normal. În majoritatea aplicațiilor EDM, lichidul dielectric este introdus, sub presiune, printr-una sau mai multe pasaje în instrument și este forțat să curgă prin spațiul dintre scula și piesa de prelucrat. Orificiile de spălare sunt în general amplasate în zonele în care tăieturile sunt cele mai profunde. Fluxul normal este uneori de dorit, deoarece produce o deschidere conică în piesa de prelucrat așa cum se arată în (figura 1.20.).

Figura 1.20. Moduri comune de spălare dielectrice.

Fluxul invers. Această metodă este deosebit de utilă în prelucrarea profundă a cavității moarte, unde conicitatea produsă poate fi redusă utilizând modul fluxului normal. Decalajul interelectrodic este scufundat în dielectricul filtrat, și în loc de presiune aplicată la sursa este utilizat un vid. Cu fluid curat care curge între piesa de lucru și instrument, nu există partea cu scântei și prin urmare, nu este produsă conicitate așa cum este prezentat în (figura 1.20.).

Pentru condiții corespunzătoare de spălare, au fost propus următoarele:

Spălarea cu ajutorul instrumentului este mai preferată decât spălarea laterală.

Mai multe găuri mici de spălare sunt mai bune decât câteva mari.

Este de dorit fluxul constant de dielectric pe interfața întreagă a piesei de lucru.

Petele moarte create de spălarea sub presiune, din părți opuse ale piesei de prelucrat, trebuie evitată.

Trebuie prevăzută o gaură de aerisire pentru orice parte concavă ascendentă a electrod instrumentului pentru a preveni acumularea de gaze explozive.

O cutie de spălare este utilă în cazul în care există un orificiu în cavitate.

1.3.4. Rata de îndepărtare a materialului

În EDM metalul este îndepărtat din ambele părți, piesa de prelucrat și scula electrod. După cum se poate de observat din (figura 1.21.), rata de îndepărtare a materialului depinde nu numai de materialul piesei de prelucrat, dar și de materialul electrod instrumentului și de prelucrări variabile, cum ar fi condițiile impulsurilor, polaritate electrodului și mediul de prelucrare. În acest sens un material cu punct de topire scăzut are o rată de îndepărtare mai mare și prin urmare, o suprafață rugoasă. Ratele de îndepărtare tipice variază 0.1-400 mm3/min.

Figura 1.21. Parametrii ce afectează performanța EDM.

Figura 1.22. Rata de îndepărtare EDM și rugozitate pentru diferite materiale.

În (figura 1.22.), sunt reprezentate rugozitatea suprafeței pentru diferite materiale și rata lor de prelucrare. Figurile 1.22 și 1.23 explica efectul impulsului de energie (curent) și timpul pe dimensiunea craterului și prin urmare, rata de îndepărtare. Rata de îndepărtare a materialului, sau rata de îndepărtare volumetrică (VRR), în mm3 / min, este:

(1)

unde: i – curentul EDM (A); Tw – punctul de topire al materialului piesei de prelucrat (° C).

Figura 1.22. Efectul impulsului de curent (energie), asupra ratei de îndepărtare și rugozitatea suprafeței.

Figura 1.23. Efectul impuls de curent (energie) la timp, asupra ratei de îndepărtare și rugozitatea suprafeței.

1.3.5. Impactul aspra mediului

Impactul proceselor de prelucrare asupra mediului devine din ce în ce mai importantă în vederea unei noi legislații din anii 1990. EDM are mai multe potențiale pericole, care sunt descrise în (figura 1.24.). Temperatura ridicată din decalajul de lucru duce la generarea de fumuri periculoase, vapori și aerosoli. Produsele de descompunere și metale grele se pot acumula în dielectric și șlamul eroziuni. Hidrocarburi dielectricilor au un efect negativ asupra pielii. Particulele metalice ascuțite pot deteriora pielea. Există, de asemenea, un risc semnificativ de incendiu. Pot să apară și explozii în condiții nefavorabile. Reducerea consumului de energie electrică în mod evident, aduce beneficii economice, precum și mediului. În acest scop, cercetarea este în mod continuă, pentru a îmbunătăți eficiența proceselor prin utilizarea sistemelor de control sofisticate și tipurilor noi de generatoare de curent electric. EDM scufundarea utilizează un dielectric pe baza de ulei, oferind o problemă adăugătoare de fum de hidro de carbon, care pot fi dăunătoare pentru sănătatea umană. Cercetarea se desfășoară pentru îmbunătățirea facilităților de extracție și de reducere a emisiilor prin utilizarea unui dielectric alternativ. Spre deosebire de scufundare, tăiere cu fir utilizează ca dielectric apa deionizată. Deși fumul nu este la fel de toxic, efectele pe termen lung asupra mediului au un impact negativ.

Figura 1.24. Potențialul pericol al EDM.

1.4. Metoda și obiectivele cercetării

Concluzie:

2. Metodele de control electronic în prelucrarea prin eroziune electrochimică și electrică

2.1. Generatoare de impulsuri

Unul dintre cel mai important element din mașina de prelucrare prin eroziune electrică este generatorul de impulsuri. Generatorul este necesar pentru a ne crea impulsuri de energie electrica, care este utilizat în intervalul dintre electrozi.

Pentru EDM se utilizează diferite scheme a generatorului de impulsuri, fiind diferite una fata de alta prin principiu de acțiune si efectul tehnologic produs.

In timpul de fata in mașinile de prelucrare prin eroziune electrica se utilizează mai multe tipuri de generatoare cum ar fi: de relaxare, magnetic saturat, cu tuburi si semiconductoare. La calcularea sau alegerea generatorului rezulta din condițiile de obțineri a formei sau puteri impulsului, care ne furnizează cerințele dorite pentru indicatori tehnologici a procesului. In general, procesul de prelucrare de degroșarea si finisarea se realizează cu unu și același generator.

Primele generatoare de impulsuri care au fost instalate la mașinile EDM au fost acelea de relaxare RC – oscilatoare. Aceste generatoare au fost propuse spre utilizare de către creatorii acestei metode de prelucrare electrica: B. P. Lazarenko si N. I. Lazarenko.

După cum știm oscilatoarele de relaxare aveau un sir semnificativ neajunsuri, la înlocuirea lor au venit generatoarele cu tuburi, precum si mașini de generatoare conduse de motoare electrice. Aceste generatoare ne permiteau impulsuri de putere mari, ce ne permiteau sa realizam prelucrarea la piese destul de mari cu un randament ridicat. Principalul neajuns a mașinilor de generatoare este zgomotul foarte mare in timpul funcționari, de aceea in timpul de fata practica ca nici nu sânt utilizate. Stadiul actual in dezvoltarea generatoarelor de impulsuri a devenit apariția generatoarelor cu saturație magnetica si generatoarele cu dispozitive semiconductoare (tranzistoare si tiristoare).

Prelucrarea prin electroeroziune utilizează energia electrică sub formă de impulsuri ai căror parametri condiționează precizia și rugozitatea prelucrării, respectiv productivitatea instalației.

2.1.1. Clasificarea generatoarelor de impulsuri

Generatorul de impuls este elementul de bază al instalației de prelucrare prin electroeroziune.

Funcțiile principale ale generatorului sunt:

alimentarea procesului tehnologic de prelucrare cu tensiunea necesară;

limitarea curentului și a duratei descărcării;

asigurarea duratelor de lucru și de pauză.

Există două mari variante constructive de generatoare:

generatoare de relaxare sau de acumulare la care energia se acumulează într-un condensator și apoi se descarcă pe spațiul de lucru eroziv.

generatoare fără acumulare

Impulsurile de descărcare obținute la generator pot fi: impulsuri unipolare cu pauză, impulsuri unipolare pulsatorii, impulsuri alternative simetrice, impulsuri alternative nesimetrice. Câteva din cele mai importante impulsuri generate sunt prezentate în (figura 2.1.).

Unde:

ti – Durata impulsului.

tr – Durata de relaxare sau de pauză.

T – Perioada impulsului.

Se definește factorul de umplere al impulsului:

(2)

(3)

(4)

Criteriile de clasificare a generatoarelor sunt: metoda de generare a impulsului, factorul de umplere, modul de conectare a generatorului la sarcină, schema constructivă de principiu, gama de frecvențe etc.

In funcție de modul de obținere al impulsului există tipurile de generatoare:

Generatoare de relaxare.

Generatoare cu saturație magnetică sau transformatoare saturabile.

Generatoare mecanice sau chimice;generatoare ionice.

Generatoare cu tranzistori.

Generatoare cu tiristori și generatoare cu diode de control.

Mașini electrice speciale.

Figura 2.1. Tipuri de impulsuri.

2.1.2. Generatoare de relaxare

Generatoarele de relaxare sunt generatoare de acumulare a căror funcționare se bazează pe încărcarea și descărcarea repetată a unui condensator. Condensatorul sau acumulatorul de energie, fix sau variabil, este un element neliniar a cărui rezistentă de pierderi își modifică valoarea la o anumită tensiune. Un alt element neliniar al circuitului este format de ansamblu electrozi piesă – sculă și interstițiul de lucru eroziv.

Generatoare de tipul RC

Schema electrică de principiu este prezentată in figura de mai jos.

Figura 2.2. Generatoare de tipul RC.

Figura 2.3. Forma undelor de tensiune si curent.

Generatoarele se realizează cu valoare constantă a tensiunii U. Tensiunea de încărcare a condensatorului și curentul de descărcare se exprimă cu relațiile cunoscute:

(5)

(6)

unde: Ui – valoarea tensiunii de inițiere a descărcării arcului electric în spațiul dintre electrozi; ti – timp de inițiere a descărcării sau de acumulare a energiei necesare procesului eroziv, td – timp de descărcare, td << ti , ua – tensiunea pe arcul electric, aprox. 20- 30V, ω1 – pulsația reală a circuitului: ω1 = ω02 − δ2, δ = R / 2L – factorul de amortizare, ω0 – pulsația ideală a unui circuit ideal LC: ω0 =1/ LC ; f1 =ω1 / 2π – frecventa impulsurilor de curent, τc = RC constanta de timp a procesului tranzitoriu de încărcare. Valoarea primului maxim al curentului este dată de expresia:

(7)

expresie din care se constată că variația valorii capacității C permite reglarea valorii

maxime a curentului de descărcare. Uzură pronunțată a electrodului sculă are loc datorită schimbării polarității, prin prezența semialternanțelor negative.

Durata încărcării condensatorului este influențată de valoarea rezistenței R și tensiunii de amorsare Ui și se determină din condiția: u(ti ) = Ui . Rezultă expresia:

(8)

Prelevarea de material în urma descărcării pe interstițiul de lucru h are loc ca urmare a faptului că puterea electrică dezvoltată pe durata descărcării este mult mai mare decât puterea sursei de alimentare, în condițiile în care energia sursei este constantă. Procesul eroziv mărește interstițiul h ceea ce conduce la creșterea tensiunii Ui care trebuie menținută constantă. De aici apare necesitatea unui avans automat continuu al electrodului sculă, încât h ≈ constant. Variații ale frecvenței, duratei și amplitudinii impulsului apar datorită stării interstițiului. Valorile R, C și Ui se stabilesc în funcție de materialul prelucrat, precizia prelucrării, rugozitatea și productivitatea procesului eroziv. Randamentul prelucrării scade datorită pierderilor de energie electrică pe rezistențele din circuit.

Generatorul tip RC se caracterizează prin simplitate constructivă, prezentând însă următoarele dezavantaje:

durata de încărcare ti are posibilități reduse de reglaj;

durata de descărcare td este constantă, la o valoare dată a capacității C:

(9)

valoarea maximă a curentului depinde de valoarea Ui care e determinată de rigiditatea dielectrică, mărimea și starea fizică a interstițiului de lucru; în consecință, pentru o valoare constantă h, descărcarea are un caracter aleator și se obțin valori diferite ale amplitudinii impulsurilor de curent. In aceste condiții rugozitatea de prelucrare este mare și calitatea prelucrării redusă;

ti >> td , ti este un timp mort pentru prelucrare, deci productivitate scăzută;

sursa nu e utilizată eficient întrucât Ui =(0,5…0,75) ⋅U.

Generatoare tip RLC

Schema electrică de principiu este prezentată în (figura 2.4.).

Inductivitatea L din circuitul de încărcare permite eliminarea dezavantajelor generatorului tip RC, mărindu-se viteza de creștere a tensiunii de încărcare a condensatorului,C care variază conform cu relația:

(10)

Figura 2.4. Generatorul de tip RLC.

Figura 2.5. Forma undelor de tensiune si curent.

Variația în timp aproximativ liniară a frontului undei de tensiune are ca efect o diminuare a timpului de încărcare a condensatorului de lucru C.

Mărimea și starea fizică a interstițiului de lucru determină o dispersie a valorilor tensiunii de inițiere a descărcării Ui și a valorii maxime a curentului de descărcare.

Valoarea energiei acumulată în condensatorul de lucru este:

(11)

Randamentul circuitului de încărcare se apreciază cu formula:

(12)

La generatorul tip RC, unde tensiunea de încărcare are o variație exponențială, și tensiunea Ui ≅ (0,75 ч 0,8) ⋅U rezultă randamentul ηci ≅ 0.37 , iar la generatorul tip RLC, dacă Ui =U , rezultă ηci =0,5. Valoarea randamentului circuitului de încărcare este o mărime semnificativă a eficientei acestuia. Pentru un generator tip RLC în regim de auto oscilație, când ucmax ≅ 2 ⋅U rezultă ηci ≅1.

Generatorul RLCD

Schema electrică de principiu este prezentată în (figura 2.6.).

Dioda are rolul de a limita tensiunea de încărcare a condensatorului C la valoarea U. Se evită valorile mai mari ale curenților de descărcare, se menține constantă rugozitatea suprafeței prelucrate, dar scade productivitatea. Întrucât Ui =U rezultă η = 0,5, valoare acceptabilă ținând seama de avantajele prelucrării cu rugozitate uniformă.

Figura 2.6. Generatorul de tip RLCD.

Figura 2.7. Forma undelor de tensiune si curent.

Generatorul LC

Schema electrică de principiu este prezentată în (figura 2.8.).

In circuitul de încărcare se introduce o bobină vibratoare M. Valoarea redusă a rezistenței circuitului de încărcare are ca efect creșterea randamentului și reducerea supratensiunilor ce ar putea distruge electrodul

Figura 2.8. Generatorul de tip LC.

Elementul vibrator produce oscilația electrodului sculă pe direcția de avans, astfel că frecvența, amplitudinea și durata impulsurilor depind nu numai de parametrii circuitului de încărcare-descărcare ci și de caracteristicile oscilațiilor mecanice ale electrodului sculă pe direcția de avans. Stabilitatea procesului de generare a impulsurilor se obține la rezonantă, când frecventa oscilațiilor electrice e egală cu frecvența oscilațiilor mecanice.

Generatoare tip CC

Schema electrică de principiu este prezentată în (figura 2.9.). Condensatorul C din circuitul de descărcare are o valoare mică, ceea ce permite ca într-o semiperioadă să aibă loc câteva descărcări în interstițiul h. Randamentul circuitului de încărcare mai mic decât la generatoarele LC. Impulsurile de descărcare sunt simetrice, ceea ce are drept consecință creșterea uzurii electrodului sculă.

Figura 2.9. Generatorul de tip CC.

Generatoare tip RLCL

Schema de principiu este prezentată în (figura 2.10.). Inductanța L1 cu rol de inductanță vibratori permite creșterea tensiunii de lucru la începutul descărcării. Inductanța L2 din circuitul de descărcare mărește durata impulsului, reduce amplitudinea curentului de descărcare și prin urmare crește cantitatea de material prelevat și controlează uzura sculelor.

Figura 2.10. Generatorul de tip RLCL.

Aceste generatoare sunt recomandate pentru prelucrarea pe mai multe posturi de lucru simultan.

Generatoare RLCR

Schema de principiu este prezentată în (figura 2.11.). Descărcarea condensatorului va fi aperiodică și unipolară prin alegerea corespunzătoare a valorii rezistentei R2 și a rezistenței conexiunilor circuitului de descărcare. Condensatorul C are o valoare ridicată, obținându-se impulsuri aperiodice de durată mai mare și intensitate mică. Regimul termic este preponderent la electrodul sculă și prin urmare se va lucra cu polaritate inversă, adică electrodul piesă conectat la (-) iar electrodul sculă la (+). Rezistenta din circuitul de descărcare introduce pierderi mari, reduce randamentul și reduce cantitatea de material prelevat.

Figura 2.11. Generatorul de tip RLCR.

O valoare mare a capacității ar reduce frecventa impulsurilor, cu efecte negative asupra rugozității. Uzura electrozilor este mică.

2.1.3. Generatoare electromagnetice de impulsuri unipolare

Impulsurile periodice de curent cu valori mari se obțin și cu dispozitive statice cu transformatoare monofazate la frecvența industrială 50 Hz.

Generatoare de frecventă industrială.

Figura 2.12. Generator de frecventă industrială.

Se realizează cu diode semiconductoare pentru redresarea unei semialternanțe, (figura 2.12.), sau cu modularea a două semialternanțe, caz în care se pot alimenta două posturi de lucru separat, succesiv și independent. Diodele trebuie să aibă stabilitate termică la scurtcircuitele ce pot avea loc la contactul electrozilor sau prin particule de eroziune.

Generatoare de impulsuri unipolare cu saturație.

Impulsurile de tensiune necesare prelucrării se obțin prin transformarea tensiunii sinusoidale cu ajutorul unor rezistențe neliniare, transformatoare saturabile sau amplificatoare magnetice.

2.1.4. Electro-mașini de impulsuri periodice

Figura 2.13. Electro-mașini de impulsuri periodice.

Generatoare unipolare de inducție, care furnizează impulsuri unipolare de tensiune prin modelarea câmpului magnetic statornic.

Generatoare sincrone și de inducție care transformă impulsurile periodice în impulsuri unipolare cu ajutorul unor diode montate în exteriorul mașinii, (figura 2.13.).

2.2. Surse de alimentare în comutație (topologii)

Sursele de alimentare în comutație au fost proiectate in anii 1960 pentru a fi utilizate in aviație, in sistemele electronice cosmice si militare, unde sursele de alimentare liniare nu pot fi utilizate din cauza dimensiunilor, greutății si eficienței scăzute.

Principul general al sursei de alimentare in comutație este:

Tensiunea de rețea este transformata in tensiune înaltă DC. Aceasta merge la înfășurarea primara a transformatorului printr-un comutator semiconductor. Ca cheie este utilizat de obicei un tranzistor cu efect de câmp.

Cheia comutează tensiunea la înfășurarea primara a transformatorului cu o frecventa foarte înalta, mult mai mare decât frecventa din rețeaua de alimentare. Aceasta ne permite sa reducem in mod substanțial dimensiunile si greutatea transformatorului, dar si elementele filtrului.

Cheile electronice la un moment dat se pot afla in stare deschisa sau închisă. Ele nu pot fi niciodată in stare activa. De aceea la cheie se disipa mai putina energie, decât la tranzistorul de trecere a sursei de alimentare liniara.

Tensiunea de înalta frecventa din înfășurarea primara a transformatorului se transfera in înfășurarea secundara. In înfășurarea secundara se include un circuit de filtrare, și un circuit de feedback.

Circuit de feedback este izolat galvanic si controlează ciclu de comutare a cheii electronice, menținând tensiunea de ieșire la un nivel predominant.

Figura 2.14. Oscilograma tensiuni de ieșire, sursei de alimentare in comutație.

In momentul de fata sunt dezvoltate peste 14 diferite topologii de surse de alimentare in comutație. Fiecare având proprietății unice, care ne permit sa le utilizam pentru rezolvarea cercului nostru de probleme.

Unele scheme se potrivesc pentru construcția convertoarelor AC/DC (din alternativ in continuu) la o putere de ieșire mică (< 200 W), unele la o putere mai mare.

Altele sunt cea mai buna soluție pentru tensiunile de intrare înalte (> 200 V AC), iar altele pentru 120 V si mai puțin. Sunt si topologii, care pot fi utilizate doar pentru construcția convertoarelor DC/DC ( din continuu in continuu).

2.2.1. Convertorul de tip flyback

Este unul dintre cel mai utilizate convertoare de putere mică (până la 150 W), din cauza schemei simple si prețului scăzut. Cu tensiunea de ieșire scăzută, domeniul optimal de utilizare a schemei se muta in zona puterilor mici. Motivul fiind impulsuri mari de curent pe partea secundara a transformatorului.

Figura 2.15. Convertor de tip flyback (reversibil).

Când cheia conduce in înfășurarea primara curentul creste linear. Transformatorul este proiectat in așa mod, ca sa aibă inductanța si stocare de energie mare. Polaritatea înfășurărilor garantează, ca dioda deplasata înapoi in aceasta perioada in înfășurarea secundara atunci când cheia este deschisa curentul nu va curge, deoarece îl blochează dioda. Curentul la sarcina în această perioadă este furnizat printr-un condensator C2. Când comutatorul se închide, fluxul magnetic determina apariția tensiuni inverse la înfășurarea secundara si a curentului, care curge spre sarcina si încarcă condensatorul C2. Energia este stocata in câmpul transformatorului atât timp cit va fi deschis comutatorul Q1 si este transferat la sarcina in timpul flyback. Condensatorul C2 menține tensiunea la sarcina atât timp cit cheia este deschisa.

Controlul tensiuni in înfășurarea secundara se face pe calea comparării tensiunii de ieșire cu tensiunea predeterminata si utilizând diferența, pentru a schimba timpul de stare a Q1.

Feedback-ul menține tensiunea de ieșire constantă cu schimbarea valori sarcinii și tensiunii de alimentare. Schimbarea timpului stării Q1 se poate realiza cu modularea in lățime a impulsurilor (PWM). Densitate de putere tipica este de 60-380 W/dm3. Ondulația de ieșire la frecvența de comutare este de ordinul a 10-100 mV. Tolerează bine creșterea sarcinii. Stabilitatea este asigurata de utilizarea feedback-ului. În cele mai bune modele, instabilitatea impactului modificării tensiunii de intrare este de aproximativ 0,3%, curentul de sarcină de aproximativ 0,5%, temperatura, timpul nu este mai mare de 3%. Convertoare de tipul dat au o eficiență de 78-85%.

2.2.2. Convertorul de tip forward

Când tranzistorul de comutare este închis, încetarea curentului in înfășurare duce la apariția tensiuni inverse in înfășurarea secundara. D2 acum blochează trecerea curentului, iar D3 il conduce, care permite ca energia stocata in L, sa se descarce pe sarcina.

Figura 2.16. Convertor de tip forward (înainte).

A treia înfășurare permite energiei acumulate in transformator in timpul ciclului de pornire, întoarcerea curentului continuu la circuitul de intrare prin dioda D1.

Înfășurarea adăugătoare a transformatorului in convertorul de tip forward garantează, ca in momentul comutării cheie câmpul magnetic al miezului transformatorului este zero. In cazul absentei acestei înfășurări adăugătoare după mai multe perioade de comutare miezul transformatorului se va satura, curentul din înfășurarea primara se va mari considerabil, in așa mod cheia (tranzistorul) va ieși din funcțiune.

Convertorul de tip forward este efectiv la puteri de la 100 – 250 W. Convertorul de tip forward este un pic mai complicat decât convertorul de tip flyback, dar cu mult mai efectiv la tensiuni relativ mici. Densitate de putere tipica este de 120-200 W/dm3. Mai puțin zgomot fată de convertorul de tip flyback si curentul de vârf tot este mai mic. Ondulație de ieșire la frecvența de comutare este de ordinul a 25 mV. Convertoare de tipul dat au o eficiență de 75-92%.

2.2.3. Convertorul de tip push-pull

Convertorul de tip push-pull aparține celor din categoria forward. Cum este reprezentat in schema de mai jos, când cheia Q1 este deschisă, curentul curge prin partea de sus a înfășurării primare T1 un așa câmpul magnetic din miezul T1 creste. Câmpul magnetic în creștere T1 induce tensiunea in înfășurarea secundara T1 o astfel polaritate încât dioda D2 este deplasată înainte și D1 în direcția opusă. D2 conduce si încarcă condensatorul de ieșire prin inductorul L1. L1 si C2 constituie circuitul de filtrare.

Figura 2.17. Convertor de tip push-pull (două tacte).

Când cheia Q1 se închide, câmpul magnetic din transformator scade, si după un timp de pauza (in funcție de ciclu de lucru, PWM), Q2 se deschide, curentul curge prin jumătatea de jos a înfășurări primare T1 și câmpul magnetic în miezul T1 crește în direcția opusă. Creșterea câmpului magnetic in T1 induce tensiunii in înfășurarea secundara T1 așa o polaritate, dioda D1 este deplasata înainte iar D2 in partea opusa. D1 conduce si încarcă condensatorul de ieșire C2 prin inductorul L1. După terminarea timpului mort este deschisa cheia Q1 si procesul se repeta.

Convertorul de tip push-pull este efectiv la puteri de la 100 – 250 W. Densitate puterii tipica este de 120-330 W/dm3.

Mai puțin zgomot fată de convertorul de tip flyback si respectiv curentul de vârf tot este mai mic. Ondulația de ieșire la frecvența de comutare este de ordinul a 25 mV. Convertoare de tipul dat au o eficiență de 72-80%.

2.2.4. Convertorul de tip half-bridge

Convertorul de tip half-bridge asemănător convertorului de tip push-pull, doar că nu trebuie de conectat de mijlocul înfășurări primare. Schimbarea direcției câmpului magnetic este realizată prin schimbarea direcției curentului in înfășurarea primară. Circuitul de control al convertorului de tip half-bridge este similar cu circuitul de comandă cu convertor de tip push-pull. Schema convertorului de tip half-bridge este populara printre schemele de putere 200 – 400 W. Densitate puterii tipica este de 20-330 W/dm3.

Figura 2.18. Convertor de tip half-bridge (jumătate de punte).

Unele dintre avantajele convertorului de tip half-bridge:

Miezul magnetic relativ mic.

Câmp magnetic de împrăștiere scăzut.

Frecventa in conexiunea din înfășurarea secundară este egală cu două frecvențe de comutare.

Componentele mici ale filtrului (L si C) in conexiunea din înfășurarea secundară, deoarece acestea funcționează la frecvența dublata si nu sunt așa impulsuri de curenți ca in convertorul de tip flyback.

Ondulație de ieșire si zgomotul mic.

La schimbarea tensiunii de alimentare in domeniul de funcționare si schimbarea sarcini de la 25 – 100%, tensiunea de ieșire se schimba cu ± 0,5%.

Dezavantajul este că acest convertor lucrează la jumătate din tensiunea redresata, curentul din colectorul tranzistorului in comutație este de doua ori mai mare decât curentul din tranzistor in comparație cu schema convertorul push-pull.

2.2.5. Convertorul de tip full-bridge

Principiul de funcționare este următorul, perechea de tranzistori care stau pe diagonala pe rând conduc, in așa fel, se obține schimbarea direcției curentului in înfășurarea primara a transformatorului. Acest lucru poate fi explicat in felul următor: când cheile Q1 si Q4 sunt deschise, curentul va curge in jos prin înfășurarea primara a transformatorului, dar când sunt deschise cheile Q2 si Q3, curentul va curge in sus.

Figura 2.19. Convertor de tip full-bridge (punte).

Schema de control funcționează exact așa ca la convertorul de tip half-bridge si convertorul push-pull, cu excepția faptului, ca trebuie gestionate patru tranzistoare dar nu două.

Unul din avantajele convertorului de tip bridge este curentul si tensiunea inversa a tranzistorului este cu mult mai mica in comparație cu alte scheme.

Ca dezavantaj – utilizarea a patru tranzistoare, fiecare dintre ele trebuie izolate galvanic de circuitul de control aceasta face ca schema asta sa fie greu de realizat si scumpa.

2.2.6. Convertor prin rezonanță

Convertoarele rezonante se bazează pe comutația cu elemente care înmagazinează energie si care permit comutări la tensiune și curent zero. O bobină în serie cu elementul de comutație permite comutații la curent zero, iar o capacitate în paralel cu elementul de comutație permite comutație la tensiune zero. Aceste convertoare sunt derivate din convertoarele de putere in comutație si sunt realizate pentru aplicații unde reducerea greutății si a mărimii sunt necesare pe lângă cea a emisiei de zgomot. Aceste circuite se utilizează in aviație, in electronica spațială si in echipamentele portabile. Dezavantajul acestor circuite este costul si timpul de proiectare mult mai mare.

În căutare densității de energie mai mari, proiectanți au mărit viteza de comutație in convertoarele de putere. Frecvența 100 kHz este acum relativ comuna în convertoare. Mai sus de aceasta frecventa sunt pierderi in comutație, restricții din partea componentelor si zgomotele electromagnetice sunt greu de depășit in schemele analizate mai sus. Unele din neajunsuri pot fi combătute folosind tehnici de conversie rezonate.

Figura 2.20. Convertor prin rezonantă.

Avantajul tehnicii de conversie rezonate începe la frecventa de comutație 200 kHz până la 2 MHz. Un alt avantaj al schemelor de rezonanta este ca zgomotul este mai ușor de filtrat numai la frecvente de rezonantă.

Unul dintre dezavantajul tehnicii de conversie rezonate este ca un convertor cu mai multe tensiuni de ieșire este greu de realizat.

2.3. Sursă de alimentare a EDM

EDM este un proces eroziv prin care se elimina diferite tipuri de materiale, cum ar fi metalul de la suprafața unui material. Prin transformarea energiei electrice în suprafața materialului, diferite tipuri si forme pot fi obținute. Energie electrică este generata în calitate de scântei în între instrument (electrod) și locul de muncă a piesei. La rândul său pentru a asigura o prelucrare constantă, rata de îndepărtare a materialului de scântei trebuie să fie controlat. Mai ales atunci când se prelucrează o suprafață mică avem nevoie de o mai mare precizie, de exemplu, în micro-EDM, rata de îndepărtare pe scânteie ar trebui sa fie foarte mica, în scopul de a obține o calitate înaltă a suprafeței prelucrate. Rata de îndepărtare pe scânteie este strâns legat de impuls de energie eliberat din fiecare de descărcare. Aceste impulsuri sunt sursa de energie electrica, care este produsul descărcări de tensiune și curent a impulsurilor. De asemenea, aicea contribuie si frecvența impulsurilor la rata de îndepărtare a metalului de pe piesa de lucru. De aceea putem spune ca impulsurile de tensiune si curent si frecventa lor va decide performanta mașini de prelucrare prin eroziune electrica. Sa demonstrat că, pentru a obține o suprafață prelucrată de calitate înaltă, scurtarea duratei impulsului este mai eficientă decât a reduce valoarea de vârf a curentului de descărcare. În (figura 2.21. și figura 2.22.), sunt cele două generatoare de impulsuri tipice.

Practic, sistemul EDM este format din patru părți principale:

Sursă de curent continuu sau generator de impulsuri;

Mediu dielectric (ar putea fi ulei sintetic sau mineral);

Piesa de prelucrat și instrumentul (electrod);

Sistem servo.

Cercul punctat este generatorul de impulsuri al sistemului EDM. Cu toate acestea, vom pune accentul pe sursa de alimentare DC.

Figura 2.21. Piesele de bază ale EDM.

Figura. 2.22. Circuitul generatorului de impulsuri de relaxare RC.

În (figura 2.23.), este reprezentată faza de încărcare și descărcare a condensatorului în generatorul de impulsuri de relaxare RC. Conceptul de funcționalitate a circuitului de relaxare RC este de a crea impulsuri care se datorează comportamentului de încărcare si descărcare a condensatorului. Condensatorul este o componenta reactiva in cazul in care este înmagazinat complet cu energie el se descărca pe circuit. Având în vedere curgerea încărcări în circuit, condensatorul este încărcat si descărcat din nou și în mod repetat sunt create impulsurile de energie. Scânteile sunt create din încărcările eliberate de condensator. În (figura 2.24.). este reprezentat consecințele încărcări și descărcări a condensatorului, care va produce impulsuri de curent. Existența curentului se datorează curgeri încărcături in interiorul circuitului. În cazul în care capacitatea condensatorului este mare, se va permite de stocat și eliberat mai multe încărcături ce va duce la creșterea fluxurilor de curent prin circuitul. Ca rezultat, se poate de obținut mai multa energie de impulsuri în această situație.

Figura 2.23. Încărcarea si descărcarea condensatorului.

Figura 2.24. Curentul absorbit de încărcare și descărcarea condensatorului.

Mecanismul de eroziune a piesei de lucru este prezentată în (figura 2.25.). Acest mecanism este explicarea procesului mișcări sarcini electrice sau electroni de la instrument către piesa de lucru. Când condensatorul este încărcat, în timpul același căderea de potențial la instrument este egală cu tensiunea încărcări complete (VC) a condensatorului, electronii se cuplează. În cazul în care densitatea de electroni reușește sa ionizeze lichidului dielectric, electroni vor sari prin descărcare de pe piesa de lucru.

Figura 2.25. Mecanismul de prelucrare prin eroziune a piesei.

Acest mecanism se explică într-o analogie cu procesul fulgerării înainte sau în timpul unei ploi. Cerul devine întunecat din cauza norilor care s umpluți complet cu apă. Bate vântul si norii cu mare densitate de apă vor "deriva". Când norii denși intra in coliziune cu fiecare in parte, sunt creați electroni. Dacă densitatea electronilor crește și reușește să ionizeze o anumită zonă, atunci se vor descărca și vor rupe dielectricul aerului iar fulgerul (scânteia) apare și se descarcă spre pământ. În mod normal, în cazul în care fulgerul se lovește de un copac, copac se va deteriora.

2.3.1. Convertor buck

Datorită motivul eficienței de alimentare, cele mai multe surse de alimentare care exista azi sunt in forma de comutație. Aceasta se datorează faptului că sursa de alimentare in comutare promite performanțe de înaltă eficiență pe întreg sistemul. Sursa de alimentare in comutație produce pierderi cât mai puțin posibil, atunci când furnizează puterea de ieșire. Contribuția de eficiență ridicată în alimentare prin comutare este de fapt atribuit de către comutatorul semiconductor (tranzistor), combinația de diode, inductor și condensator utilizat ca filtru și în final controlerul de comutare.

De dragul de a nu opri avansarea tehnologiei, unele surse de alimentare in comutație de astăzi sunt deja în formă digitală. In aplicarea controlului de comutare digitala, este utilizat cum ar fi microcontrolerul pentru a controla tranzistorul in starea ON și OFF. De obicei, controlerul de comutare va genera o serie de impulsuri continuu cu o anumita lățime de modulare în felul în care durata impulsului pot fi modulate în funcție de schimbările ce au loc în sistemul de putere. Acest proces este de obicei cunoscut ca modulația în lățime a impulsurilor (PWM). În (figura 2.26.) este reprezentat generarea de diferite PWM cu ciclu diferit. Având în vedere aceste PWM diferit, tensiunea de ieșire a sursei de alimentare se va menține la starea sa normală de funcționare.

Figura 2.26. PWM generat cu ciclu diferit.

În cazul în care PWM este de 90%, impulsurile vor permite tranzistorul sa se afle in starea ON o perioadă mai lungă, chiar si atunci când tensiunea de alimentare de ieșire a scăzut, starea ON a tranzistorului va permite mai multor curenți să curgă si în același timp va crește si tensiunea de ieșire.

Figura 2.27. Convertor coborâtor (buck converter).

În (figura 2.27.) este reprezentat aspectul de bază al unui convertor de tip buck.

Este un circuit electronic care are rolul să furnizeze la ieșire o tensiune constantă și de valoare mai mică decât tensiunea de alimentare(Valim). Tranzistorul joacă un rol esențial în această configurație de circuit. El are o mare contribuție la eficiență sistemului global de alimentare. Contribuția dispozitivul este direct legată de caracteristica dispozitivului în cazul în care starea tranzistorului este ON, va acționa ca un comutator închis și în timpul perioadei OFF va acționa ca un comutator deschis. Ambele comutatoarele închise și deschise va produce de fapt o pierdere zero, în termen de căldură disipare în aparatul în sine. În ecuația de putere de bază, P = V*I, putere va fi produsă doar atunci când atât tensiune și curent există în același timp. Deoarece starea ON și OFF a tranzistorului oferă un "loc de joacă", in care V și I nu ar trebui să permită a fi împreună, daca sar întâmpla asta P ar fi egal cu zero în acest moment. Cu toate acestea, în situație de viață reală, tranzistorul nu va fi in totalitate ON și OFF într-un mod ideal. Această circumstanță va determina disiparea căldurii să apară la dispozitiv de unde P = V*I nu mai este egal cu zero. Acesta este motivul pentru care, de obicei, tranzistorul va fi plasat împreună cu radiatorul în circuitul pentru a disipa căldura într-un mod adecvat, pentru a evita distrugerea dispozitivului.

2.3.2. Componente de comutare

MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor care este utilizat pe scară largă în alimentarea cu energie de comutare moderne. De obicei, când se cere o sursa de alimentare in comutație, un MOSFET de putere va fi selectat. Practic, există două tipuri de MOSFET care să fie aplicate pe scară largă. Acestea sunt n-canal și p-canal mod MOSFET. Totuși tipul n-canal este de preferat față de tip p-canal datorită costului și performanțele sale. MOSFET este bun pentru a fi utilizate în special în comutație de foarte înaltă frecvență.

BJT- Bipolar Junction Transistor este bine să fie utilizat atunci când se ocupă cu o gamă de frecvență de comutare medie. Este mai ușor de controlat în comparație cu MOSFET. Acesta va fi in starea ON prin injectarea unui curent continuu în terminalul său de bază și cu tensiune relativ mica de bază VBE = 0.7V. Curentul de bază va controla efectiv fluxul de curent prin dispozitiv unde IC = βIB, ca urmare, este cunoscut ca dispozitiv de curent controlat.

Cu toate acestea, dispozitiv MOSFET are nevoie de tensiune mai mare la poarta pentru a trece in starea ON în special când tensiunea de intrare este mare. Caracteristică curent-tensiune este reprezentata in figura de mai jos. Tensiunea de intrare se face referire la VDS (sat). În scopul de a trece o tensiune mare de intrare, tensiunea de poarta (VGS) este necesar pentru a fi cât mai mare posibila. De obicei, tensiunea de poarta aplicata va fi de mai multe ori mai mare decât tensiunea de intrare. MOSFET este numit dispozitiv de tensiune-controler, controleaza tensiunea de la poarta si performanțele dispozitivului, de exemplu, curentul de scurgere (ID) curge. În cazul în care MOSFET este aplicat ca dispozitiv de comutare, de obicei, vine împreună cu un circuit de conducere a MOSFET.

Figura 2.28. Dispozitive de comutare.

Mai există si un alt tip de dispozitiv de comutare, care este cunoscut ca IGBT- Izolat Gate Bipolar Transistor. Îmbinând avantajele tranzistorului bipolar (cădere relativ mică de tensiune la saturație între colector și emitor) și cele ale MOFSET-ului (din punct de vedere al impedanței circuitului de comandă) IGBT-ul este complet controlabilă. Caracteristicile electrice sunt aceleași cu cele ale tranzistorului bipolar când se fac referiri la tensiuni și curenți din circuitul principal, respectiv cele ale MOFSET-ului pentru circuitul de comandă. IGBT-urile se folosesc la tensiuni de peste 1kV și curenți de sute de amperi. Figura 8. reprezintă toate cele trei tipuri de dispozitive de comutare.

2.3.3. Generator de impulsuri cu CPLD

Principiul de funcționare a generatorului. Ideea de bază în conceperea acestui generator de impulsuri este de a reproduce cât mai fidel parametrii reali ai regimului de degroșare prin EDM, în condițiile unei singure evacuări, folosind un impuls divizat și / sau un impuls nedivizat.

Figura 2.29. Principiul de funcționare a generatorului de impulsuri.

Generatorul de impulsuri conține o sursă de putere de curent continuu, un comutator static, un element de limitare a curentului și un bloc de control. Un sistem de măsurare și înregistrare face mai accesibili parametrii de proces. Designul a fost realizat cu respectarea cerințelor inițiale.

Circuitul de alimentare. Sursa primara de energie este prezentată în (figura 2.30.). Un transformator de separare izolează zona de lucru de rețeaua de alimentare. Un autotransformatorului m1 reglează tensiunea, în domeniul 0 … 240V. Un redresor p și un element de filtrare C sunt utilizate pentru obținerea de tensiune continua filtrata, în intervalul 0 … 340V. Filtrul capacitiv poate fi descărcat de un circuit auxiliar, când generatorul nu funcționează.

Figura 2.30. Sursa de alimentare primară.

Structura circuitului de descărcare este prezentată în (figura 2.31.). Circuitul principal conține un comutator static de putere (T), realizat cu o poarta izolata a tranzistorului bipolar (IGBT), un bloc de rezistență de putere (R1, R2), limitează și reglează curentul de descărcare, un rezistor de pornire (Ra), asigura curentul minim pentru a aduce în conducție comutatorul static și un grup de supra-tensiune de protecție (Rp, Cp). Dispozitivul IGBT conține un tranzistor de putere bipolar NPN de înaltă tensiune care este controlat de un tranzistor nMOS. Acest dispozitiv a fost ales datorită avantajelor sale de a realiza rapid comutare la puteri mari și care necesită un simplu circuit de control.

Figura 2.31. Circuit de descărcare.

Principalele caracteristice ale acestui circuit sunt:

Tensiunea de aprindere: Ua = 0 … 340 V DC.

Curentul de descărcare: Id = 0,1 A … 50 A.

Frecvență maxima: fmax = 10 KHz.

Circuitul de adaptare. Circuitul de adaptare transforma semnalele digitale TTL de la unitatea de comandă în semnale compatibile cu tranzistorul de putere IGBT. De asemenea, izolează unitatea electronica de control de circuitul de mare putere. Structura circuitului acestui adaptor este prezentată în (figura 2.32). Circuitul primește impulsuri de 5V (TTL) de la unitatea digitala de control și oferă impulsuri de 15V la IGBT. Folosind un optocuplor (phc1) pentru a transfera semnalul, circuitele de 5V si 15V sunt complet izolate. Semnalul din optocuplor este amplificat și inversat prin tranzistorul T2. Ieșirea este protejat împotriva supratensiunilor de dioda zener (D2). Acesta conține de asemenea o rezistență (R10), pentru descărcarea sarcinilor electrostatice de la poarta tranzistorului cu efect de câmp inclus în IGBT.

Figura. 2.32. Circuitul de adaptare.

Unitatea de control. Circuitul de control digital al comutatorului static a fost conceput în astfel încât operația logica sa poate fi ușor adaptata la cerințe noastre. Acesta este motivul pentru care sa utilizat un dispozitiv logic complex programabil (CPLD). Acest aparat este reprogramabili până la 100 de ori, în ISR sistem. În primul rând, logica de control a fost setata pentru a crea o secvență programabila de n impulsuri (n = 1 … 31), cu frecvență și lungimea de impuls modificabila, in limitele admise de comutatorul static de putere. Structura unității de comandă este prezentată în (figura 2.33).

Figura 2.33. Structura unității de comandă.

Parametrii de impuls (frecvență, lungimea impulsului și amplitudinea) sunt stabilite de către o sursă de impuls pilot (HM-8030-6). Numărul de impulsuri într-o secvență (n) este prescris de către un bloc de intrare și afișate pe ecran de afișare. Impulsurile de comandă (f) sunt trimise către comutatorul static printr-o poarta logica. Această poartă este controlat de un comparator, care testează coincidența numărul prescris de impulsuri cu cea reală, detectată de un contor. Un registru D sincronizează poarta cu frontul descrescător al semnalului f. O poarta de deschidere a colectorului (oc) este în cele din urmă folosit pentru a adapta semnalul la următorul bloc electronic. Generarea unei secvențe de impuls este condus de un controlor, în conformitate cu diagrama de stare prezentată în (figura 2.34.).

Figura 2.34. Diagrama de stare a controlerului.

Unitatea de control a fost proiectat utilizând limbajul VHDL puse în aplicare pe un dispozitiv complex programabil logic (CPLD) CY7C372i-66JC, folosind software-ul de programare ISR2.2.

Impulsurile generatorului

Capacitatea generatorului de a realiza impulsuri singulare, divizat în n = 1 … 31 de impulsuri elementare. Unele rezultate sunt prezentat în figurile de mai jos. Impulsurile de comandă sunt vizibile în partea de sus și impulsuri de tensiune pe partea de jos a oscilogramei.

Figura 2.35. n = 1

Figura 2.36. n = 7

Figura 2.37. n = 11

2.4. Sursa de alimentare a ECM

Sursa de alimentare a mașinilor pentru prelucrare electrochimica convertește tensiunea electrica alternativă din rețea in continuu sau in impulsuri unipolare. In cazuri aparte pentru (ECM) se utilizează si curent alternativ. Dar in toate cazurile, in afara de prelucrarea prin metoda de structura, tensiunea de ieșire a sursei de alimentare nu depășește 36 V. Puterea curentului poate sa ajungă si la 30000 A (în dependenta de puterea sursei de alimentare). Tensiunea si curentul surselor pot fi regulate in scărița sau liniar cu stabilizarea parametrilor de ieșire. Sursele de alimentare exista de doua tipuri: electromecanice si statice. Sursele electromecanice reprezintă in sine motoare electrice legate mecanic cu generatorul, care produce curent cu tensiunea necesară. In timpul funcționari generatorului apare zgomotul, vibrațiile, sursele de alimentare electromecanice sunt greu de utilizat, si au un randament scăzut si in prezent sunt foarte rar utilizate.

Datorita dezvoltări tehnici de redresare a fost posibila realizarea sursei de alimentare statica pe baza redresoarelor de siliciu si seleniu. Mai promițătoare sunt sursele cu reglare a redresoarelor, care se numesc tiristoare de convertire, cu o sisteme de siguranța de supraîncărcare. Unele convertoare permit sa schimbam polaritatea tensiuni la ieșire si se numesc reversibile.

In imaginea de mai jos sunt reprezentate schema de structură a sursei de alimentare. Tensiunea de la rețea alimentează transformatorul 1, după care la redresor 2, care este conectat cu blocul de reglare 3 si la blocul de stabilizații a procesului 5. Blocul de reglare ne permite sa setăm forma necesara de schimbare a tensiuni, curentului si polaritatea lor. Daca are loc scurt circuit intre detaliu si instrument electrod, dar si alte supraîncărcări se declanșează sistema de protecție 4, care stopează tensiunea electrica la electrod.

Figura 2.38. Schema de structură a sursei de alimentare a ECM.

Unul dintre cele mai simplu sistem pentru protecția de supraîncărcare se poate de utilizat un simplu releu termic, care va reacționa când puterea curentului va fi mai mare de cit cel de margine, necesar pentru o buna funcționare a (ECM). Neajunsurile acestor relee sunt timpul mare de reacționare. Pentru protecția de supraîncărcare mai des se utilizează schemele electrice pe tranzistoare care au viteza de reacționare mul mai mare. Timpul de reacționare la așa scheme este undeva de 0,008 s, de aceea oprirea din funcțiune a sursei de alimentare se realizează până la contactul electrodului.

Blocul de stabilizare 5 a tensiuni sau a puterii curentului ne permite ca sa menținem parametri setați independent de condițiile (ECM). Sursele de alimentare pot avea la ieșire diferite caracteristici volt-amperică (figura. 2.39.): reală 2, grea 1, si înclinată 3.

Sursele de alimentare cu caracteristică reală sau grea au schimbare slaba sau tensiunea continua este independentă față de puterea curentului. Aceasta ne ușurează controlul si reglarea proceselor (ECM). Cu toate acestea in timpul scurtcircuitări in acest feluri de surse de alimentare are loc creșterea brusca a curentului care duce la scoatere din funcțiune. Sursele cu o caracteristică de ieșire înclinată in timpul scurtcircuitări restricționează creșterea puteri curentului, apropriind valoarea curentului scurtcircuitări Isc de curentul de lucru Ilucru.

Figura 2.39. Caracteristici de ieșire volt-amperică.

Cele mai simple surse de alimentare statica sunt acelea cu redresoarele necontrolate de tipul (Surse de alimentare programabile), carte au părți componente cum ar fi transformatorul si redresorul. Multe dintre sursele de alimentare produse la momentul dat au dispozitive speciale pentru a menține automat puterea curentului, tensiunii, densitatea curentului, aceasta ne permite ca sa putem regula tensiunea de la niște volți până la 36 V sau 48 V. Ca sa avem la ieșire tensiunea in impulsuri, se utilizează surse de alimentare sau dispozitive speciale care se conectează la sursa de alimentare cu tensiune continuă.

2.4.1. Sursă de alimentare pentru micro ECM

În micro ECM, este nevoie de o sursă de alimentare specială. Acesta ar trebui să poată aplica impulsuri cu următoarele caracteristici:

Amplitudinea impulsului: 0-10 V.

Curent: până la 5 A.

Frecventa: variind de al 10 kHz până la 50 MHz.

Aceste surse de alimentare sunt foarte greu de proiectat, principala cauza este frecvența foarte mare de comutare a MOSFET. Într-adevăr, cele mai multe tranzistori de putere pe baza de siliciu care sunt disponibili comerciali sunt proiectați să funcționeze la o frecvență maximă de comutare de 1 MHz și sunt limitați la timpul de deschidere si închidere. Luați un MOSFET dați starea ON câteva nanosecunde, un impuls de curent foarte mare trebuie să fie aplicat pentru a încărca condensator de la poarta lui. Prin urmare, în cele mai multe cazuri un driver special pentru poarta trebuie să fie dezvoltat. Cele mai multe dintre sursele de alimentare μECM găsite în literatura de specialitate au o configurație jumătate punte (Half-Bridge). In partea de jos a comutatorului (low side switch) ii se aplică un impulsul de tensiune in decalajul când el este închis (impuls on-time), si partea de sus a comutatorului (high side switch) scurtcircuitează decalajul când impulsul off-time. Conducerea comutatorul de pe partea superioară la 50 MHz este o altă problemă, deoarece convențional poarta lateral înaltă, tehnica de conducere folosind o diodă bootstrap și un condensator bootstrap nu poate fi folosita (din cauza timpului lung de încărcare / si timpului lung de descărcare a condensator bootstrap). O soluție la această problemă este de a izola complet partea laterală înaltă folosind un convertor DC / DC. Convertorul DC / DC ar trebui să fie în măsură să ofere suficient curent pentru a conduce MOSFET la frecvența necesară.

Prelucrarea la un decalaj foarte mic inter-electrodic creste dramatic șansele de scurtcircuit in spațiul dat. Scurtcircuitările sunt nedorite, deoarece s-ar putea deteriora instrumentul, calitatea suprafeței piesei de prelucrat și chiar deteriora generatorul de impulsuri. Prin urmare, un ultra rapid circuit de protecție împotriva scurtcircuitări, este necesar să fie construit în unitatea de alimentare. Cele mai multe dintre soluțiile implementate în acest scop, este de a măsura curentul care curge prin sistem prin intermediul unui rezistor de detectare în serie cu decalajul. Potențialul peste acest rezistor de detectare a căror valoare este, de obicei câteva miliohm, se măsoară cu un amplificator diferențial și se compară cu o tensiune de referință corespunzător tensiunea maximă admisibilă peste acest rezistor (tensiunea reprezintă este proporționala cu curentul ce trece prin rezistență în conformitate cu legea lui Ohm).

În cazul în care crește curentul peste valoare prestabilită, comparator declanșează un semnal logic care va opri tranzistori de putere. Aceasta implică, de asemenea, că generatorul de impulsuri și sistemul de control al aparatului trebuie să comunice în mod constant, în scopul de a reacționa corespunzător la situația de scurtcircuit. (oprirea impulsurilor și retragerea instrumentului).

Un design de alimentare ar putea fi realizat cu o frecvență de impuls de 20MHz folosind un generator de funcții MAX038 pentru a controla MOSFET. Tot aicea este prezentat, de asemenea, un circuit de protecție rapidă contra scurtcircuitări, care constă în esență din o supra protecție de curent la care curentul este măsurat printr-un rezistor de detecție.

Figura 2.40. Principiul de generator de impulsuri pentru micro ECM.

Mai jos vom sublinia diferențele dintre sursele de alimentare pentru PECM (prelucrarea electrochimica precisă) si µPECM (prelucrare micro electrochimica precisă). Schema clasica a PECM prin impuls este reprezentata in figura mai jos.

Figura 2.41. Circuitul de baza a unități de impuls pentru PECM.

Comutatorul SW transporta curentul în creștere un interval de timp ti, dioda D transporta căderea inversă a curentul irev la începutul t0. Unitatea de impuls este conectată la unitatea de alimentare pe partea stingă. Unitatea de impuls pentru µ-PECM trebuie să îndeplinească cerințele decalajului si condițiile pentru prelucrare micro. Pentru a îmbunătăți locul de prelucrare, este necesar pentru a reîncărca capacitate dublu strat, ceea ce înseamnă atât de încărcare și descărcare, aceasta vom prezenta o sursa de alimentare bipolara, permițând pentru a încărca / descărca electric dublu strat, datorita două surse de energie, aceasta sursa este prezentata in figura de mai jos.

Figura 2.42. Circuitul de baza a unități de impuls pentru µ-PECM.

In figura de mai sus este reprezentata topologia convertorului de tip push-pull cu alimentare de la rețea de la doua surse de alimentare. Comutatorul SW poate conduce in alternanță pentru încărcarea și reîncărcare a decalajului capacitați stratului dublu. Cele două surse de alimentare PS1 si PS2 au tensiunea de alimentare reglabilă: prin urmare descărcare / încărcarea capacitați stratului dublu poate fi controlată și prin urmare, panta curentului poate fi optimizată pentru o dizolvare de metal mai eficient. În acest sens, conectarea a diferenței de tensiunile necesare are loc prin intermediul comutatoarelor semiconductoare SW1 pentru PS1 pozitiv, și SW2 pentru PS2 negativ. Diodele D servesc cu scopul de a proteja circuitul. Costul mic al acestor unități de alimentare cu performanțe satisfăcătoare vor fi dezvoltate în scopul de a moderniza tehnologia μECM si pentru a îndeplini nevoile industriei. O mulțime de cercetări suplimentare sunt necesare, în acest domeniu vast si special. Dezvoltările recente de tranzistori de putere Gallium Nitrade (cum ar fi eGan FET, EPC Corporation) au o viteză foarte înaltă de comutare cu un pachet foarte mic de inductanță și rezistență, ar trebui să facă dezvoltarea acestui tip sursa de energie mul mai posibilă.

Deoarece impulsurile durează aproximativ 20 ns fiecare, și cu o densitate înaltă de curent aplicată, o unitate de alimentare inovatoare trebuie să fie dezvoltate mereu. În μPECM, încărcare / descărcare capacitați stratului dublu, timpul poate fi controlat pentru a îmbunătăți dizolvare anodică.

2.4.2. Impulsul micro ECM

Un aspect important în utilizarea cu succes a prelucrării electrochimice este utilizarea unei surse de alimentare cu impulsuri. Un impuls de curent poate fi definit ca un curent instantaneu cu densitate mare urmat de un timp liber în timpul cărora nu curge curent. Acest set de impulsuri se repetă cu diverse magnitudini în funcție de cerința. In figura 10 este prezentat un impuls de curent de 0.25A cu o durata de 5 ms după care urmează un impuls inversat de aceeași lungime si amplitudine si pe urma o pauza de 5 ms. Aplicarea impulsurilor de tensiune este necesară pentru a evita problemele de dizolvare neuniformă a piesei prelucrate și creșterea temperaturii. Utilizarea impulsului de curent permite, de asemenea, recuperarea decalajului pe durata impulsului timpului oprit oferind astfel o dizolvare și o acuratețe îmbunătățita la finisarea suprafeței în comparație cu curent continuu. Micro ECM necesită o densitate de curent relativ scăzută în intervalul de 75-100 A / cm2 și o tensiune de circa 4-10 V.

Figura 2.42. Reprezentarea impulsului de curent în timp

2.4.3. Impulsul bipolar

Mai multe tipuri de metale și aliaje pasive au tendința de a forma o peliculă pasiva de oxid insolubil în soluții electrolitice neutre care previne dizolvarea în continuare la anod. Un curent bipolar este, în esență aplicarea unui impuls la anod urmat de un impuls invers la catod și o perioadă de impuls de relaxare. S-a constatat că, în perioada impulsului inversat, hidrogenul și oxigenul curs de la formare ar putea fi consumat în reacție care dezactivează precipitarea hidroxidului de metal pe mașină și reduce formarea filmului de oxid. Acest lucru ajută la menținerea formei dimensionala a sculei și previne defectele de suprafață. Impulsul direct si inversat cu o durata de 0,5 ms au fost folosite pentru finisarea electrochimică de carbură de wolfram în azotat de sodiu (NaNO3) cu o distanta de decalaj la electrod de 50 µm sub o densitate de curent de 100 A / cm2 pentru a obține o rată de îndepărtare de 0,17 µm / (C/cm2), astfel demonstrând succesul de dizolvare electrochimica de aliaj de carbură de wolfram, cu o stiva de impulsuri bipolare.