Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования 11
1.1. Современные представления о физические основах электроэрозионной обработки 11
1.2. Основные характеристики рабочих импульсов при электроэрозионной обработке 15
1.3. Производительность обработки 16
1.4. Точность 17
1.5. Качество поверхности 19
1.6. Современные представления о зависимости технологических показателей электроэрозионной обработки от выбранных режимов 21
1.7. Обзор средств технологического оснащения электроэрозионной обработки 22
1.8. Особенности реализации процесса микроэлектроэрозионной обработки на современном оборудовании 26
1.9. Анализ путей и возможностей повышения основных технологических показателей процесса микроэлектроэрозионной обработки 30
1.10. Выводы по Главе I. Цели и задачи исследования 32
Глава II. Теоретические исследования процесса микроэлектроэрозионной обработки 34
2.1. Расчёт электрических параметров межэлектродного промежутка 35
2.2. Моделирование электрических процессов в межэлектродном промежутке .36
2.3. Моделирование тепловых процессов в межэлектродном промежутке
2.3.1. Общая характеристика модели 49
2.3.2. Размерность модели и параметры моделирования 50
2.3.3. Задание геометрии 52
2.3.4. Задание теплофизических свойств материалов и начальных условий моделирования 53
2.3.5. Граничные условия 55
2.3.6. Функции, константы и выражения 56
2.3.7. Построение сетки конечных элементов 61
2.3.8. Результаты моделирования 62
2.4. Моделирование профиля обработанной поверхности и расчёт технологических показателей 64
2.11. Выводы по Главе II 67
Глава III. Разработка экспериментального оборудования для осуществления процесса микроэлектроэрозионной обработки 69
3.1. Анализ и обоснование возможных технологических схем осуществления микроэлектроэрозионной обработки модулированными импульсами 69
3.2. Общая характеристика установки 70
3.3. Система формирования импульсов 73
3.4. Система прокачки и хранения рабочей жидкости 76
3.5. Система управления 78
3.6. Система перемещения электрода-инструмента 81
3.7. Алгоритм подготовки установки к работе 85
3.8. Выводы по главе III 85
Глава IV. Экспериментальные исследования процесса микроэлектроэрозионной обработки импульсами с частотной модуляцией 87
4.1. Комплексная методика проведения экспериментальных исследований процесса МЭЭО импульсами с частотной модуляцией 87
4.2. Результаты экспериментальных исследований 88
4.2.1. Экспериментальные исследования единичных эрозионных лунок, полученных при микроэлектроэрозионной обработке непрерывными и модулированными импульсами 88 4.2.2. Исследование зависимости производительности обработки от характеристик рабочего импульсного сигнала 94
4.2.3. Исследование зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от характеристик рабочего импульсного сигнала 98
4.2.4. Исследование зависимости износа ЭИ и максимальной погрешности формообразования от характеристик рабочего импульсного сигнала и условий обработки
4.3. Рекомендации по выбору рациональных режимов обработки 110
4.4. Образцы микроэлементов, полученные методом микроэлектроэрозионной обработки импульсами с частотной модуляцией 111
4.5. Выводы по главе IV 116
Общие выводы 118
Библиографический список 120
- Современные представления о зависимости технологических показателей электроэрозионной обработки от выбранных режимов
- Моделирование электрических процессов в межэлектродном промежутке
- Система формирования импульсов
- Исследование зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от характеристик рабочего импульсного сигнала
Введение к работе
Актуальность темы исследований
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) является одним из наиболее эффективных методов обработки электропроводных материалов, обладающих высокой хрупкостью и твердостью. Уже много лет метод ЭЭО находит широкое применение в промышленности. В связи с этим современное электроэрозионное оборудование достигло высокого уровня совершенства. Однако в связи с быстрым развитием научно-технического прогресса в последние годы перед промышленностью все чаще возникают задачи, для эффективного решения которых возможностей современного электроэрозионного оборудования недостаточно.
Прежде всего, такие задачи возникают в области микроэлектроэрозионной обработки (МЭЭО), а также в такой нетрадиционной для ЭЭО области, как обработка полупроводниковых материалов, для которой характерны повышенные требования к показателям качества обработанной поверхности, износа электрода-инструмента (ЭИ) а также точности обработки.
Таким образом, несмотря на широкое применение ЭЭО в промышленности и высокий уровень развития современной электроэрозионной техники, поиск путей улучшения технологических показателей процесса ЭЭО по-прежнему является актуальной задачей.
Цель работы
Целью работы является расширение технологических возможностей процесса МЭЭО путём управления процессом распределения энергии в импульсе посредством частотной модуляции.
Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих задач.
-
Провести анализ физических основ процесса МЭЭО и определить наиболее эффективный метод управления энергией в импульсе для заданных условий.
-
Осуществить математическое моделирование тепловых и электрических процессов, происходящих в МЭП при традиционной МЭЭО и МЭЭО импульсами с модуляцией, с целью определения эффективности применения предложенного метода управления энергией.
-
Разработать экспериментальное оборудование, обеспечивающее реализацию разработанных условий и режимов обработки.
-
Провести экспериментальные исследования МЭЭО с целью определения диапазонов рациональных технологических режимов и условий обработки.
Методы исследования
Теоретические исследования проводились с использованием основных положений электрофизических методов обработки и математического моделирования. Для математического моделирования использовались программные продукты Multisim, MathCAD и Comsol Multiphysics. При проведении экспериментальных исследований использовалась спроектированная и изготовленная установка МЭЭУ-1, а также современная измерительная и регистрирующая аппаратура (сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO P47H, профилограф-профилометр Surf Corder 1400, оптический микроскоп Carl Zeis Zena, генератор сигналов произвольной формы Agilent 33521A, осциллограф Акип-4115/4A).
Положения, выносимые на защиту
-
Рассчитанный режим обработки импульсами c частотной модуляцией позволяет управлять величиной и характером распределения энергии импульса при ЭЭО.
-
Методика исследования процесса электроэрозионной обработки импульсами с частотной модуляцией при помощи математического моделирования.
-
Генератор импульсов установки МЭЭУ-1 обеспечивает генерацию рабочих импульсов с частотной модуляцией и регулировку их параметров в широком диапазоне.
-
Результаты экспериментальных исследований процесса ЭЭО пакетами высокочастотных импульсов и рекомендации по выбору рациональных схем и режимов обработки.
Научная новизна заключается во введении частотной модуляции рабочих импульсов в управление энергетическим обеспечением процесса ЭЭО.
Практическая ценность результатов работы:
– на основе выполненных исследований разработаны технологические режимы ЭЭО импульсами с частотной модуляцией, позволяющие получать фасонные микроэлементы в заготовках из различных материалов при достижении высоких показателей точности (до 11-го квалитета) и качества обработки без применения дополнительных операций по доводке полученных микроэлементов;
– создана экспериментальная установка, обеспечивающая реализацию разработанных режимов ЭЭО;
– на основе результатов экспериментальных исследований даны рекомендации по выбору рациональных режимов обработки.
Теоретическая значимость работы заключается в расширении знаний о характере протекания электрофизических процессов в условиях ЭЭО с частотной модуляцией рабочих импульсов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, ТулГУ, 2009 – 2012 гг.), на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2009 – 2012 гг.), Региональной молодежной научной конференции «Техника XXI века глазами молодых учёных» (2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электро- и нанотехнологии» (2011 г.), III Международной научной конференции «Моделирование структур, строение вещества, нанотехнологии» (2016 г.).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы – в издании, входящем в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 4,3 п.л.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка используемых источников из 85 наименований; общий объем – 129 страниц машинописного текста, включая 64 рисунков и 15 таблиц.
Современные представления о зависимости технологических показателей электроэрозионной обработки от выбранных режимов
Производительность ЭЭО (Q) оценивается отношением объема или массы удаленного металла ко времени обработки. Для электроэрозионного вырезания проволочным электродом под производительностью понимают отношение площади боковой поверхности паза ко времени обработки [49].
В идеальных условиях, производительность можно было бы оценить как произведение энергии импульсов на их частоту. Но на практике условия протекания каждого отдельного импульса отличаются из-за различий в состоянии межэлектродного промежутка и размера зазора, несоответствия между числом импульсов, выработанных генератором, и числом импульсов, реализуемых в зазоре, а так же из-за прочих причин. Таким образом выражение, характеризующее производительность ЭЭО, имеет следующий вид: Q=q-a-Wu-f , (5) где Wu - энергия импульса;/- частота следования импульсов; а - объем металла, снимаемый одним или несколькими импульсами суммарной энергией 1 Дж.; ці -коэффициент, учитывающий количество холостых импульсов. Величина коэффициента ці определяется следующей формулой: 4 =у , (6) где/- частота импульсов, вырабатываемых генератором;/ - частота импульсов, реализованных в зазоре (вызывающих эрозию). Для получения высокопроизводительного режима необходимо добиваться достижения таких условий, при которых значение коэффициента ці будет как можно ближе к единице. Таким образом, повысить производительность обработки можно, если подобрать оптимальное сочетание факторов, позволяющих увеличить долю полезной энергии импульса, его мощность и частоту следования рабочих импульсов. Для этого необходимо достичь оптимального соотношения между максимальным зна 17 чением силы тока Ітах в импульсе и его длительностью tu. Например, в случае режимов обработки со средней силой тока 10…100 А наибольшая производительность может быть достигнута при соотношении Im/tu = 5…8 А/с.
При малой площади обработки, число участков, на которых возможен разряд, значительно меньше, чем число импульсов, поступающих от генератора, так как часть площади перекрыта газовыми пузырями от предшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5...10 раз больше, чем длительность импульса. А разряд через газ возможен только при более высоком напряжении, поэтому часть импульсов генератора не вызывает эрозии. Снижается коэффициент у/, а следовательно, и производительность Q.
Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то скорость съема металла будет возрастать, но в дальнейшем произойдет ее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условия удаления продуктов обработки из межэлектродного промежутка. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами.
Под точностью обработки деталей понимается степень соответствия ее формы и размеров чертежу. Отклонения от формы и размеров называются погрешностью [50]. При ЭЭО на точность изготовления деталей влияют: 1. точность изготовления эЭИ; 2. износ ЭИ вследствие эрозии; 3. погрешности формы и размеров углубления на заготовке относительно ЭИ. В процессе обработки форма и размеры эЭИ нарушаются из-за износа. Погрешности размеров и формы углубления в заготовках зависят в основном от нестабильности режима обработки, изменения скорости подачи, износа ЭИ, изменения величины межэлектродного зазора (МЭЗ) [50].
Для определения суммарной погрешности А0 складывают погрешности изготовления электрода-инструмента Аи, его износ Аэ и систематические ошибки, свойственные электроэрозионной и механической обработке Ам.0, а также учитывают погрешности формы и размеров углублений на заготовке относительно электрода-инструмента Аф и случайные ошибки Zf7 характерные для любого вида обработки: A0=A o+A3+/cVAi+A , (7) где к — коэффициент кривой рассеивания размеров (для закона нормального распределения к = l/9). Суммарная погрешность А0 не должна превышать допустимую погрешность на изготовление детали [50].
На современном уровне развития электроэрозионной обработки точность изготовления деталей на электроискровом режиме профильным электродом-инструментом достигает 6...7-го квалитета СЭВ, непрофилированным — 5...6-го квалитета; в случае применения электроимпульсного режима точность изготовления соответствует 9... 11-му квалитету [43].
Все структурные элементы электроэрозионного станка в определенной степени оказывают влияние на точность обработки. В наибольшей степени на точность влияют Привод подач и источник питания. Привод подач обеспечивает точность за счет перемещения электрода-инструмента. Источник питания оказывает влияние на производительность через износ электрода инструмента. Характеристики импульсов, вырабатываемые источником питания определяет величину износа ЭИ, а износ ЭИ, в свою очередь, определяет отклонения размеров обрабатываемой детали от заданных.
Моделирование электрических процессов в межэлектродном промежутке
Для моделирования характера распределения энергии импульса при воздействии на МЭП обычного импульса и импульса с частотной модуляцией использовался программный пакет MathCAD версии 15.0.
В качестве объекта моделирования рассматривался МЭП, на который воздействует рабочие импульсные сигналы (с модуляцией и без), параметры которых представлены в таблице 2. Для моделирования необходимо представить МЭП в виде элемента электрической цепи (рис. 11).
МЭП представляет собой нелинейную систему, которая характеризуется емкостью, индуктивностью и сопротивлением. На эквивалентной схеме (см. рис. 11) для имитации пробоя служит варистор RU1. До пробоя МЭП сопротивление варистора RU1 стремится к бесконечности (Rmax), в момент пробоя оно падает до величины сопротивления канала разряда. Таблица 2 Параметры рабочего импульсного сигнала Параметр: Величина: Непрерывный импульс Модулированный импульс Амплитуда (Umax, В) 120 60 Максимальный ток (Imax, А) 1,5 Длительность рабочего импульса, с. 0,001 Частота модулирующего сигнала (f, Гц) 10кГц Скважность модулирующего сигнала (qmod) 2 Рис. 11. Эквивалентная электрическая схема МЭП: 1 — расчётная точка; E1 - источник питания; R1 - внутреннее сопротивление источника питания; RU1 - варистор; C1 конденсатор; L1 - индуктивность Задачей моделирования является определения характера зависимости напряжения от времени в расчётной точке 1 (см. рис. 11). В расчётную точку 1 подаётся прямоугольный импульс напряжения от источника питания E1 с внутренним сопротивлением R1. Поступившее входное напряжение начинает заряжать конденсатор С1, в результате чего в точке 1 начинает нарастать напряжение. Характер нарастания напряжения в точке 1 до пробоя МЭП (U0(t)) можно описать при помощи следующего экспоненциального уравнения: U0{t)=Umin+Umax-{l-exp{-kUrise)) , (17) где Umin – напряжение в начале воздействия импульса (Umin = 0); Umax – максимальное напряжение (амплитуда импульса); t – текущее время; kurise – коэффициент нелинейности, определяющий скорость нарастания напряжения.
Величина коэффициента kurise и других коэффициентов нелинейности, которые будут использоваться далее, определяется по специальной методике, на основе передаточных функций звеньев рассматриваемой системы (эквивалентной схемы МЭП).
Определим степень нелинейности МЭП методом эквивалентного моделирования. Для моделирования будет использоваться программный пакет NI Multisim, предназначенной для разработки принципиальных электрических схем и моделирования их работы на основе технологии SPICE [51].
В рабочей среде Multisim была разработана и смоделированна эквивалентная электрическая схема МЭП, которая представлена на рис. 12. МЭП на схеме представлен тремя элементами — резистором R1 номиналом 10 Ом, конденсатором C1 номиналом 6 пФ и виртуальным реле K1 . Конденсатор C1 имитирует емкость МЭП, резистор R1 имитирует сопротивление канала разряда после пробоя. Виртуальное реле K1 предназначено для имитация пробоя МЭП.
Здесь следует отметить, что при моделировании используется виртуальный компонент, а не прототип реального реле. Отличие виртуального компонента от реального реле заключается в том, что все его характеристики задаются пользователем. Таким образом, в отличии от реального реале, виртуальный компонент способен обеспечить высокую скорость переключения и малое время реакции на управляющее воздействие, которые необходимы для точного моделирования быстротекущих процессов при пробое МЭП.
Реле К1 и резистор включены последовательно в силовую цепь, в которую так же включены источник импульсного напряжения V1, токоограничивающий резистор R6 номиналом 100 Ом, и две индуктивности L1 и L2, которые имитируют распределенную индуктивность токоподводов. Источник питания V1 формирует импульсное напряжение амплитудой 120 В. Длительность переднего фронта 5 мкс, длительность заднего фронта — 5 мкс.
Для управления детектирования напряжения пробоя и управления виртуальным реле используется триггер шмитта на основе операционного усилителя (далее ОУ) U1. На отрицательный вход усилителя подаётся рабочий импульс напряжения от источника V1, амплитуда которого уменьшается до приемлемых для ОУ значений при помощи резистивного делителя R7 – R8. На положительный вход ОУ подаётся напряжения с выхода ОУ через резистивный делитель R2 – R3. Изменяя номинал резисторов R2 – R3 можно управлять гистерезисом триггера шмитта, и тем самым установить нужный порог напряжения пробоя. В данном случае, исходя из электрической прочности керосина ГОСТ 10227-86 и величины МЭЗ, равной 0,05 мм, устанавливаем величину напряжения пробоя равной 90 В.
При достижении в силовой цепи напряжения, равного величине напряжения пробоя, на выходе триггера шмитта устанавливается напряжение, равное напряже 41 нию питания ОУ (5 В), в результате чего открывается электронный ключ Q1. Электронный ключ Q1 коммутирует управляющую обмотку виртуального реле на отрицательный вывод источника питания V2, в результате чего через обмотку начинает протекать ток и происходит переключение реле. Виртуальное реле K1 замыкает силовою цепь и через неё начинает течь ток, величина которого определяется номиналом токоограничивающего резистора R6 и резистора R1, имитирующего напряжение сопротивление канала разряда. При этом происходит быстрое (в течении 5...7 мкс) падение напряжения, приложенного к МЭП, и рост протекающего через него тока с 0 до максимального значения. В результате достигается имитация электрического пробоя МЭП.
Выбор виртуального реле для коммутации силовой цепи вызван тем, что оно, в отличии от полупроводниковых компонентов, обеспечивает полную гальваническую развязку участков цепи до пробоя, в результате чего достигается максимальное соответствие реальному процессу пробоя МЭП. В результате моделирования были полученные осциллограммы тока и напряжения в МЭП в процессе воздействия импульса напряжения на МЭП при ЭЭО (рис. 13)
Система формирования импульсов
В рассматриваемой модели теплофизические параметры зависят от температуры и координат. Воздействия канала разряда на поверхность образца характеризуется различными величинами, зависящими от времени и других параметров. В связи с этим необходимо определить зависимости, описывающие протекание теп-лофизических процессов, задать использующиеся для их описания константы и переменные. В Comsol Multiphisics добавление в описание модели новых констант и выражений осуществляется при помощи инструментов «Constants» и «Expressions».
Для моделирования распространения температурного поля во внутреннем объеме исследуемого образца, необходимо определить характеристики плоского источника тепла, который образуется на его поверхности при воздействии плазменного канала разряда. Плоский источник тепла характеризуется плотностью теплового потока q, которая определяет количества тепла, проходящего через зону воздействия источника. В данной модели величина плотности теплового потока зависит от времени и координат
Взаимосвязь величины теплового потока с параметрами рабочего импульсного сигнала можно охарактеризовать следующей формулой: q=ri f , (36) 7lRs где ц - доля энергии разряда, поступающая в исследуемый образец; Rs - радиус канала разряда; Рр - мгновенное значение мощности, которая выделяется в канале разряда. Согласно формуле (2), значение мгновенной мощности РР определяется как произведения напряжения и тока в канале разряда. Уравнения Ui(t) (формула (20)) и Ij(t) (формула (21)), описывающие характер изменения напряжения и тока в непрерывном импульсе, были определены в разделе 2.2, поэтому на данном этапе достаточно просто записать из в поле ввода «Expressions» среды разработки Com-sol Multiphisics.
Характер изменения тока и напряжения при воздействии импульса с модуляцией в разделе 2.2 был описан при помощи дискретных функцией U4(t) и I4(t) (см. рис. 18, 19). Интегрировать дискретные функции, написанные в среде MathCAD с среду Comsol Multiphisics нельзя, поэтому необходимо определить аппроксимирующие функции тока и напряжения в модулированном импульсе, и уравнения данных аппроксимирующих функций внести в поле «Expressions» среды разработки Comsol Multiphisics.
Для построения графика аппроксимирующей функции в MathCAD существует функция линейной регрессии linfitQ. В качестве параметра данной функции передаются границы значений массива координат точек исходной функции. Для получения графиков аппроксимирующих функций тока и напряжения необходимо при помощи дискретных функций U4(t) и I4(t) получить двумерный массив коорди 59 нат точек исходных графиков тока и напряжения в МЭП при воздействии на него модулированного импульса, и передать в качестве аргументов функции linfit(). Исходные графики тока и напряжения в МЭП и графики их аппроксимирующих функций представлены на рис. 26. аб Рис. 26. Графики исходных и аппроксимирующих функций напряжения (а) и тока (б): U4(t) — график функции напряжения в МЭП при воздействии на него модулированного импульса; Uapp(t) — график аппроксимирующей функции напряжения; I4(t) — график функции тока в МЭП при воздействии на него модулированного импульса; Iapp(t) — график аппроксимирующей функции тока Полученные график аппроксимирующей функции напряжения можно опи сать при помощи экспоненциального уравнения, аналогичного уравнению (21): Ua(t)=Uminl + Umaxl(exV(-kudrop(tp))) , (37) при кшгоР1=20000; Umwl=65; Umaxl=\20-Umml. Полученные график аппроксимирующей функции напряжения можно описать при помощи экспоненциального уравнения, аналогичного уравнению (22): U) = Ui+li(«P(-kJMKlt)) , (38) при /гае7=20000; 1тт1=0; 1тах1=0,65.
Полученные уравнения (37) и (38) необходимо добавить в поле ввода «Expressions» среды разработки Comsol Multiphisics, а константы ,=20000; Umml=65; Umaxl, kInseh Iminl=0, Imcoci - в поле «Constants». Подставив Ujft), Щ, Uapp(t) и Iapp(t) в формулу (36) получаем уравнения, характеризующее зависимость плотности теплового потока от напряжения и тока в непрерывном (qi(t)) и модулированном (q2(t)) импульсах: „(ОУ"-("-2-(" . (40) В данных уравнениях остались неопределенными значения коэффициента ц и радиуса канала разряда Rs. Согласно данным из литературы [16, 69], принимает //=0,34. Величина диаметра канала разряда будет определяться отдельным уравнением, характеризующим распределение плотности теплового потока по координате. Поэтому в данных уравнениях, характеризующих распределение плотности теплого потока по времени принимаем Rs=1. Значения rj и Rs заносим в поле «Constants». Определим уравнение, описывающая характер распределения теплового потока по координате х. Согласно данным, представленным в литературе [16], плотность теплового потока в зоне воздействия плазменного канала разряда определяется законом нормального распределения, которых характеризуется следующей формулой: Я( aV2 2a2 , (41) где qmax - максимальное значение величины плотности теплового потока, тх -центр распределения, а- среднее квадратичное отклонение. Центр рассеивания в данной модели будет находиться в центре воздействия плазменного канала разряда (см. рис. 22), поэтому принимаем тх = 0.
Определим значение qmax. Уравнение (41) определяет значение q в различных координатах зоны воздействия канала разряда, а максимальное значение q в заданный момент времени определяется уравнением распределения теплового потока по времени. Таким образом, уравнение (41) должно определять долю q от максимального значения qmax, по мере удаления от центра рассеивания. Поэтому принимаем qmax=1. Значения qmax и тх необходимо внести в поле «Constants». Что бы смоделировать изменение диаметра канала разряда во время воздействия импульса, введем в описание модели уравнение, определяющие зависимость среднего квадратичного отклонения а от времени моделирования: o{t) = Rmin + Rmax-{exp{-kRrise)) , (42) где Rmm - диаметр канала разряда в начале воздействия импульса (принимаем Rmm = 0), Rmax - диаметр канала разряда в конце воздействия импульса (принимаем Rmax=0.0002м); kRnse - коэффициент нелинейности, определяющий скрость увеличения канала разряда. Согласно данным, которые представлены в литературе [16, 69], скорость увеличения канала разряда пропорциональна скорости нарастания тока после пробоя МЭП, поэтому принимаем, что kRnse= kInse.
Исследование зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от характеристик рабочего импульсного сигнала
Система прокачки и хранения рабочей жидкости (гидросистема) предназначена для обеспечения в зоне обработки заданного гидродинамического режима. Си 78 стема включает в свой состав бак для хранения РЖ, насос для подачи РЖ в эрозионную ячейку, ванну для сбора отработанной жидкости, стекающей из эрозионной ячейки, и фильтр для очистки РЖ (рис. 38).
Жидкость из бака для хранения нагнетается центробежным электрическим насосом через подводящую трубку непосредственно в МЭП. На выходе подводящий рубки установлена форсунка, для придания струе рабочий жидкости нужной скорости, необходимой для эффективного удаления продуктов эрозии из МЭП. Давление в магистрали подачи рабочей жидкости можно регулировать путем изменения величины напряжения питания электромотора центробежного насоса.
После подачи в МЭП рабочая жидкость стекает в ванну для сбора РЖ, и из нее по сливному шлангу направляется обратно в бак. Для очистки рабочей жидкости от шлама и других продуктов обработки, в сливной шланг врезан фильтр тонкой очистки из гофрированной бумаги.
Основным структурными элементами системы управления являются прецизионная быстродействующая плата сбора данных ЛА-н10М6PCI (рис. 39), производства ЗАО «Руднев-Шиляев», и ПК. Характеристики платы сбора данных представлены в таблице 7.
Плата сбора данных подключена ПК посредством последовательной шины шины PCI. Данные, собираемые платой, обрабатываются и анализируются специальным программным обеспечением (ПО) разработки ЗАО «Руднев-Шиляев», которое поставляется в комплекте с платой.
Величина напряжения МЭП измеряется с частотой 5мГц, данные измерений накапливаются и анализируются программным обеспечением платы сбора данный ЛА-н10М6PCI. Накопленные данные обрабатываются программным обеспечением, которое из сильно зашумленного импульсного сигнала напряжения МЭП выделяет постоянную составляющую, по уровню которой определяется величина МЭЗ и характер протекающих в нем электрофизических процессов. Так же, в зависимости от уровня постоянной составляющей, формируются внешние управ ляющие сигналы для системы перемещения ЭИ.
Схема системы управления установку МЭЭУ-1: 1 – шаговый двигатель; 2 – шариковинтовая пара; 3 – цанговый патрон с ЭИ; 4 – заготовка; 5 – система формирования импульсов; 6 – плата сбора данных; 7 – персональный компьютер; 8 – блок управления шаговым двигателем Программа сравнивает текущее значение величины постоянной составляющей напряжения МЭП с заданными верхней и нижней границами допустимых значений. Если текущая величина постоянной составляющей напряжения МЭП превышает значение верхней границы допустимых значений, это означает что зазор слишком велик и его пробоя не произошло, поэтому системе перемещения ЭИ подается сигнал на подвод ЭИ. В случае, если текущая величина постоянной составляющей меньше нижней границы допустимых значений, это означает, что в МЭП начали развиваться процессы, предшествующие короткому замыканию, и системе перемещения ЭИ подается сигнал на отвод ЭИ. Подвод или отвод ЭИ осуществляется до тех пор, пока значение величины постоянной составляющей напряжения МЭП не будет выходить за заданные границы – в данной случае на систему перемещения ЭИ передается сигнал остановки привода подачи.
Система предназначена для перемещения ЭИ в вертикальной плоскости и поддержания заданной величины МЭЗ. Перемещение электрода-инструмента может осуществляться автоматически, при помощи сервопривода с микропроцессорным управлением, или вручную.
Система перемещения ЭИ установки МЭЭУ-1 (см. рис. 40) создана на основе системы, которая была использована в установке для электрохимического микроформообразования, описанной в диссертации Абитова А.Р. «Электрофизикохими-ческая обработка фасонных поверхностей в кремниевых заготовках» [2]. В конструкцию и программное обеспечение системы перемещения ЭИ были внесены изменения для её сопряжения с эрозионной ячейкой и электронной системой управления установки МЭЭУ-1.
Система перемещения электрода представляет собой компактный механизм, в котором на жесткой станине объединены шариковинтовая пара и ШД, служащие для преобразования вращательного движения винта в возвратно-поступательное движение ЭИ (поворот винта на один оборот соответствует перемещению ЭИ на 1 мм). Шаговый двигатель соединен с БУШД и управляется с помощью ПК. Дискретность перемещения ЭИ в установке МЭЭУ-1 составляет 5 мкм/шаг.
Управление ШД осуществляется следующим образом: БУШД принимает управляющие команды от персоналного компьютера (далее ПК) по интерфейсу RS-232 в виде асинхронного последовательного кода, и преобразует их в управляющие физические уровни напряжения на обмотках ШД. Управляющие команды от ПК отправляются специализированным программным обеспечением Step Control, которое было разработано для управления БУШД установки МЭЭУ-
Передача команд и прием ответов осуществляется асинхронным последовательным кодом по интерфейсу RS232. Обмен производится асинхронным последовательным кодом. Данные передаются бит за битом по единственной линии связи. Для обеспечения синхронизации передающего и принимающего устройств группе битов предшествует специальный стартовый бит, а после группы битов данных следует один стоповый бит.