EA001606B1

EA001606B1 - Электрохимическая обработка материалов

Info

Publication number: EA001606B1
Application number: EA199900818A
Authority: EA
Inventors: Херманус С.Й. Алтена; Аньяли К. Де Силва
Original assignee: Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2001-06-25
Also published as: JP2001516290A; CN1109591C; DE69911504D1; DE69911504T2; EP0966336B1; WO1999034949A1; EP0966336A1; US6312584B1; CN1256652A; EA199900818A1

Abstract

Устройство (1) для электрохимической обработки заготовки (2) посредством электрода (3) имеет привод (8) для создания зазора (4) между электродом (3) и заготовкой (2). Устройство дополнительно имеет канал (11) для заполнения зазора (4) электролитом (5) и контейнер (10) для хранения электролита (5). Для подвода электрического тока (I), подаваемого из источника питания (40) через электролит в зазор (4), предусмотрены подводящие провода (12 и 13). Вблизи зазора (4) предусмотрена антенна (21) для приема электромагнитных волн, излучаемых зазором (4). Антенна (21) соединена с полосовым фильтром (22), который пропускает сигналы в полосе частот от 40 до 100 МГц к детектору уровня (23). Детектор уровня (23) сравнивает амплитуду отфильтрованного сигнала (Ua) с пороговой величиной и подает сигнал остановки (Us) к блоку регулирования (30), когда амплитуда превышает пороговую величину. Блок регулирования (30) запрограммирован на размыкание выключателя (43) в источнике питания (40) в ответ на сигнал остановки (Us) . Антенна 21, полосовой фильтр (22), детектор уровня (23) и блок регулирования (30) вместе образуют систему для предотвращения повреждения, которая может быть использована в существующей установке электрохимической обработки для предотвращения искровых разрядов.

Description

Изобретение относится к способу электрохимической обработки заготовки с помощью электрода, причем указанный способ содержит следующие стадии:

-создают зазор между электродом и заготовкой, заполняют этот зазор электролитом;

-подают электрический ток через электролит в зазор между электродом и заготовкой с целью обработки заготовки, вырабатывают измеряемый сигнал, содержащий информацию о возможных искрах в зазоре, и

-защищают электрод и/или заготовку от повреждения посредством понижения тока, когда параметр измеряемого сигнала превысит определенную пороговую величину.

Изобретение кроме того относится к устройству для электрохимической обработки заготовки посредством электрода, причем указанное устройство содержит

- привод для создания зазора между электродом и заготовкой;

- средство транспортирования жидкости для заполнения зазора электролитом;

- источник питания для подачи электрического тока через электролит в зазор между электродом и заготовкой с целью обработки заготовки, и средство для предотвращения повреждения, содержащее:

- измерительное средство для выработки измеряемого сигнала, содержащего информацию о возможных искровых разрядах в зазоре,

- детекторное средство для выработки сигнала остановки, когда параметр измеряемого сигнала превышает пороговую величину, и

- понижающее средство для понижения указанного тока после обнаружения указанного сигнала остановки.

Изобретение также относится к средству для предотвращения повреждений, содержащему:

- измерительное средство для выработки измеряемого сигнала, содержащего информацию о возможных искровых разрядах в межэлектродном зазоре;

Такие способ, устройство и средство для предотвращения повреждения известны из патента Великобритании 2 140 824. Известный способ применен в устройстве для электрохимической обработки (ЭХО) заготовки посредством электрода. В соответствии с этим способом создают зазор между электродом и заготовкой. Зазор заполняют электролитом и подают ток из источника питания через электролит между электродом и заготовкой. С целью предотвращения образования электрической дуги по ширине зазора индивидуальные искровые разряды обнаруживают посредством электрической цепи, соединенной с электродом и заготовкой. Электрическая цепь содержит фильтр для того, чтобы отличить помехи, создаваемые искровым разрядом, от помех, создаваемых источником питания. После обнаружения искрового разряда источник питания отключается, и повреждение от электрической дуги предотвращается. Недостаток известных способа, устройства и средства предотвращения повреждения состоит в том, что искровые разряды повреждают электрод и заготовку. Особенно, когда межэлектродный зазор меньше, чем 50 микрон, искровые разряды должны быть предотвращены, потому что возникающее повреждение может потребовать замену электрода.

Задачей изобретения является понижение риска повреждения электрода и/или заготовки. С этой целью способ по изобретению отличается тем, что измеряемый сигнал вырабатывается посредством антенны для обнаружения электромагнитных волн высокой частоты, возникающих в зазоре. Благодаря этому измерению, измеряемый сигнал содержит информацию о начале искровых разрядов. Посредством понижения тока после обнаружения этой информации противодействуют возникновению искровых разрядов, так что риск повреждения понижается.

Изобретение основано на понимании того, что в начале искрового разряда частичные разряды возникают в промежуточном слое внутри зазора. Таким промежуточным слоем может быть пассивированный слой на аноде, слой пузырьков водорода на катоде или слой пузырьков кислорода на аноде. Такой промежуточный слой имеет низкую проводимость по сравнению с электролитом, так что почти все напряжение в зазоре проявляется по ширине промежуточного слоя. Такой промежуточный слой имеет толщину, которая является только частью ширины зазора, так что напряженность электрического поля, возникающая в результате напряжения в зазоре, может быть такой высокой, что в промежуточном слое возникает частичный разряд. Такие частичные разряды вызывают местное нагревание электролита, так что образуется пузырек газа. Если объем образовавшегося газа является достаточным, может образоваться изоляционный мостик между электродом и заготовкой, и в результат лавинного эффекта возникает искровой разряд между электродом и заготовкой. Таким образом, можно понять, что частичные разряды являются предшественниками искрового разряда. Установлено, что частичные разряды вызывают гораздо меньшее повреждение, чем искровые разряды. Вдобавок установлено, что эти частичные разряды создают в результате электромагнитные волны высокой частоты, которые могут быть обнаружены антенной. Таким образом, посредством контроля электромагнитных волн такой антенной и по нижения тока после обнаружения электромагнитных волн, соответствующих частичным разрядам, можно противодействовать повреждению электрода и/или заготовки. В результате может быть применен меньший зазор, вследствие чего улучшаются скорость обработки и точность.

Следует отметить, что измерение искр при помощи антенны известно из патента Великобритании 2 095 153. Однако это измерение применяется в электроискровой установке (ЭИУ), которая предназначена для выработки искровых разрядов, повторяющихся при частоте от 10 до 30 МГц. В такой установке ЭИУ влияние зазора является совершенно другим, и здесь не упоминается о частичных разрядах. Антенна используется для того, чтобы создавать сигнал, который показывает частоту и амплитуду искровых разрядов, но не обнаруживает частичных разрядов, которые предшествуют искровому разряду.

Параметром, который является подходящим и может легко контролироваться, является, например, амплитуда измеряемого сигнала после того, как он будет отфильтрован через полосовой фильтр, который пропускает полосу высоких частот. Путем фильтрования низкие частоты, например, большая часть частотных помех при обнаружении частичных разрядов, подавляются.

В промышленной окружающей среде обычно имеется много машин, которые излучают высокочастотные вспышки при включении и выключении больших токов. Если эти высокочастотные вспышки принимаются антенной, это может привести к так называемым фальшивым сигналам. С целью понижения рисков фальшивых сигналов предпочтительно контролировать количество энергии в полосе высоких частот измеряемого сигнала.

Пороговая величина контролируемого параметра, соответствующая частичному разряду, может легко быть определена путем эксперимента, в котором искровые разряды вырабатываются специально и в котором измеряемый сигнал наблюдается в промежуток времени, предшествующий возникновению искры. Это будет разъяснено далее в описании со ссылкой на чертежи.

Устройство и средство предотвращения повреждения в соответствии с изобретением отличаются тем, что измерительное средство содержит антенну для обнаружения электромагнитных волн высокой частоты, возникающих в зазоре.

Измерение в соответствии с зависимым п.6 имеет то преимущество, что подающие провода с высокочастотными помехами, соединенные с электродом и/или заготовкой, не напрямую соединены с антенной, так что качество обнаружения улучшается.

Измерение в соответствии с п.7 имеет то преимущество, что антенна может быть распо ложена вне рабочего участка, так что электрод и заготовка могут легко быть доступны и заменены без препятствий со стороны антенны.

Измерение в соответствии с п.8 имеет то преимущество, что антенна является очень чувствительной к электромагнитным волнам, возникающим при разрядах в зазоре, и менее чувствительна к помехам электромагнитных волн от оборудования.

Измерение в соответствии с п.9 имеет то преимущество, что оно приводит в результате к выгодному соотношению цена-характеристика. Оборудование для измерения в этой полосе частот легко доступно при относительно низкой стоимости. Электромагнитные волны, образующиеся в результате частичных разрядов, также содержат компоненты с частотами выше 100 МГц. Однако обеспечивается обнаружение компонентов с частотами ниже 100 МГц.

Средство для предотвращения повреждения по изобретению отличается тем, что измерительное средство содержит антенну для обнаружения электромагнитных волн высокой частоты, образующихся в зазоре между электродами.

Изобретение будет теперь более подробно описано на примере со ссылкой на чертежи, на которых фиг. 1 изображает первое конструктивное исполнение устройства по изобретению;

фиг. 2 - антенна-диполь по второму конструктивному исполнению изобретения;

фиг. 3 - кольцевая антенна по третьему конструктивному исполнению изобретения;

фиг. 4 - отфильтрованный сигнал антенны Иа и напряжение по ширине зазора иЬ как функция времени 1 до и во время существования искрового разряда.

На фиг. 1 показано первое конструктивное исполнение устройства в соответствии с изобретением. Устройство 1 является устройством для электрохимической обработки заготовки 2 посредством электрода 3. Устройство 1 имеет привод 8 для создания зазора 4 между электродом 3 и заготовкой 2. Устройство дополнительно имеет средство для транспортирования жидкости в форме канала 11 для заполнения зазора 4 электролитом 5 и контейнер 10 для хранения электролита 5. В этом случае электролит состоит из 2-25%-ного водного раствора ИаИО₃. Средства для подвода энергии в виде подводящих проводов 12 и 13 предусмотрены для подвода электрического тока I, подаваемого от источника питания 40 через электролит в зазор 4 между электродом 3 и заготовкой 2 с целью обработки заготовки 2. Вблизи зазора 4 предусмотрена антенна 21 для приема электромагнитных волн, излучаемых зазором 4. Антенна 21 соединена с полосовым фильтром 22, который пропускает сигналы в полосе частот от 40 до 100 МГц к детектору уровня 23. Детектор уровня 23 сравнивает амплитуду отфильтрованного сигнала Иа с пороговой величиной и подает сигнал остановки Из к блоку регулирования 30, когда амплитуда превышает пороговую величину. Блок регулирования запрограммирован для размыкания выключателя 43 в источнике питания 40 в ответ на сигнал остановки Из. Антенна 21, полосовой фильтр 22, детектор уровня 23 и блок регулирования 30 вместе образуют систему для предотвращения повреждения, которая может быть использована в существующей установке для электрохимической обработки.

Антенна 21 расположена внутри контейнера 10 и погружена в электролит 5. Так как электролит 5 имеет низкую проводимость, антенна 21 практически изолирована от электрода 4 и заготовки 2, так что источник питания 40 отсоединен от антенны 21 и помехи, вырабатываемые источником питания 40 и другие помехи, воспринимаемые подающими проводами 12 и 13, не передаются на полосовой фильтр 22.

На фиг.2 показана антенна-диполь по второму конструктивному исполнению изобретения. Антенна-диполь 121 расположена вблизи межэлектродного зазора 204, который находится между электродом 103 и заготовкой 102, и направлена для оптимального приема электромагнитных волн, образующихся в зазоре 204. Факультативно, антенна 121 экранирована для электромагнитных волн, поступающих с других мест, чем зазор 204. Антенна 121 соединена с микропроцессорным блоком 122, который модулирует сигнал антенны и вычисляет энергию модулированного сигнала в полосе частот в диапазоне от 10 до 20 МГц в течение промежутков времени 1 микросекунда. Когда вычисленная энергия превышает определенное пороговое значение, микропроцессорный блок 122 посылает сигнал остановки к источнику питания, как показано на фиг. 1.

На фиг. 3 показана кольцевая антенна по третьему конструктивному исполнению изобретения. Кольцевая антенна 221 расположена вокруг зазора 204 между электродом 203 и заготовкой 202. Кольцевая антенна 221 соединена с полосовым фильтром 222, пропускающим компоненты частот в диапазоне от 35 до 45 МГц. Другие детали этого конструктивного исполнения аналогичны описанным со ссылкой на фиг.1.

На фиг. 4 показан отфильтрованный сигнал антенны Иа и напряжение по ширине зазора ИЬ как функция времени 1 до и во время существования искрового разряда. Такой искровой разряд может, например, быть выработан в эксперименте посредством понижения потока электролита, так что большее количество пузырьков газа образуется в зазоре. При 1 = 10 выключатель 43 в источнике питания 40 включается (см. фиг. 1), и напряжение ИЬ возникает по ширине зазора 4 между электродом 3 и заготовкой 2. Между 1 = 11 и 1 = 12 сигнал антенны Иа выдает высокочастотный компонент, который вызывается час тичным разрядом в межэлектродном зазоре 4. Между 1 = 12 и 1 = 13 напряжение ИЬ по ширине зазора 4 падает в результате многочисленных искровых разрядов, что приводит к тому, что электрод 3 приваривается к заготовке 2 при 1 = 13, в результате чего возникает короткое замыкание, и напряжение ИЬ падает до нуля. Амплитуда сигнала Иа, очевидно, остается ниже порогового значения Ис в течение обычной операции электрохимической обработки, как показано между 10 и 11, и очевидно превышает пороговое значение Ис, когда возникает частичный разряд в зазоре 4 между 11 и 12. Было установлено, что в зависимости от параметров процесса, таких, как ширина зазора, скорость потока электролита 5 через зазор 4 и т.п., период между 11 и 12 может иметь величину 30 микросекунд. Этот относительно большой период достаточен для выключения источника питания для того, чтобы предотвратить существующее искрение и разрушение электрода 3 и/или заготовки 2. Из фиг.4 ясно видно, что хотя некоторые помехи обнаруживаются при напряжении ИЬ в продолжение существования частичных разрядов, сигнал антенны Иа дает гораздо лучшие показания начала искрового разряда и вследствие этого способ и устройство в соответствии с изобретением предоставляют большое усовершенствование в области техники электрохимической обработки.

Необходимо отметить, что изобретение не ограничено показанными здесь конструктивными исполнениями. Различные другие конструктивные исполнения возможны в диапазоне изобретения. Например, возможно использовать пульсирующий источник питания и/или использовать другой электролит, например, водный раствор №1С1. Более того, другие подходящие геометрические формы антенны легко могут быть получены посредством эксперимента, и другие способы понижения тока в зазоре в соответствии с сигналом остановки могут быть применены.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ электрохимической обработки заготовки с помощью электрода, содержащий следующие стадии:

- создают зазор между электродом и заготовкой, заполняют этот зазор электролитом;

- пропускают электрический ток через электролит в зазор между электродом и заготовкой с целью обработки заготовки;

- формируют измеряемый сигнал, содержащий информацию о возможных искровых разрядах в зазоре, и

- защищают электрод и/или заготовку от повреждения посредством понижения тока, когда параметр измеряемого сигнала превысит определенную пороговую величину, отличающийся тем, что измеряемый сигнал формируют посредством антенны для обнаружения электромагнитных волн высокой частоты, образующихся в зазоре.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный параметр представляет собой амплитуду измеряемого сигнала в полосе высоких частот.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный параметр представляет собой количество энергии в полосе высоких частот.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пороговое значение определяют по наблюдениям измеряемого сигнала в промежуток времени, предшествующий возникновению искры.
5. Устройство для электрохимической обработки заготовки с помощью электрода, содержащее

- привод для создания зазора между электродом и заготовкой,

- средство транспортирования жидкости для заполнения зазора электролитом,

- источник питания для пропускания электрического тока через электролит в зазор между электродом и заготовкой с целью обработки заготовки и

- средство для предотвращения повреждения, содержащее:

- измерительное средство для формирования измеряемого сигнала, содержащего информацию о возможных искровых разрядах в зазоре,

- детекторное средство для выработки сигнала остановки, когда параметр измеряемого сигнала превышает пороговую величину, и

Фиг. 1

121 ^—204

-—102

Фиг. 2

- понижающее средство для понижения указанного тока после обнаружения указанного сигнала остановки, отличающееся тем, что измерительное средство содержит антенну для обнаружения электромагнитных волн высокой частоты, образующихся в зазоре.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что антенна электрически изолирована от электрода и заготовки.
7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что антенна представляет собой антеннудиполь.
8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что антенна представляет собой замкнутую антенну, расположенную вокруг зазора.
9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что детекторное средство содержит полосовой фильтр с детектором уровня для определения уровня измеряемого сигнала в полосе частот между 10 и 100 МГц.
10. Средство для предотвращения повреждения электрода и заготовки, содержащее:

- измерительное средство для формирования измеряемого сигнала, содержащего информацию о возможных искровых разрядах в межэлектродном зазоре,

- детекторное средство для выработки сигнала остановки, когда параметр измеряемого сигнала превышает пороговую величину, и

- понижающее средство для понижения указанного тока после обнаружения указанного сигнала остановки, отличающееся тем, что измерительное средство содержит антенну для обнаружения электромагнитных волн высокой частоты, возникающих в межэлектродном зазоре.