Учебник для 10-11 классов

ТЕХНОЛОГИЯ

       

Современные электротехнологии

Электротехнологии — это группа различных технологических процессов, объединенных тем, что все они используют для воздействия на заготовку электрический ток. Электротехнологии — одно из ведущих направлений современных технологий. Внедрение электротехнологических методов обеспечивает значительное повышение производительности труда практически во всех отраслях производства, способствует улучшению качества продукции, позволяет получать новые материалы и продукты с заданными свойствами, экономить материальные и трудовые ресурсы, снижать вредное воздействие производства на окружающую среду.

Возникновение электротехнологии неразрывно связано с первыми открытиями в области электричества. В 1802 году русский ученый академик В.В. Петров построил уникальную батарею высокого напряжения из 2100 медно-цинковых элементов. Исследуя эту батарею, он открыл явление электрической дуги и обосновал возможность ее применения для плавки металлов, электроосвещения и восстановления металлов из окислов.

В 1807 году году англичанин X. Деви разработал электролитический способ получения щелочных металлов (калия, натрия, магния, кальция и др.) в чистом виде.

В 1838 году русский ученый академик Б.С. Якоби открыл явление гальванопластики — электрохимического осаждения металлов на поверхности металлических и неметаллических изделий. Это позволило с помощью электролиза получать точные копии поверхности предметов. Гальванопластика сразу же нашла применение в полиграфии и медальерном деле. Б.С. Якоби принадлежит также приоритет в разработке метода нанесения металлических покрытий на предметы — гальваностегия.

После создания в 70-80-х годах XIX века экономичных генераторов постоянного тока и разработки в 1889 году русским инженером-электротехником М.О. Доливо-Добровольским синхронных генераторов трехфазного тока начинают быстро развиваться такие энергоемкие электротехнологические процессы, как производство алюминия, осваиваются методы получения карборунда (абразивного материала, применяемого для шлифовки) и карбида кальция для химической промышленности. Электротехнологические методы начинают применяться для выплавки высококачественных сталей.

Как видим, большой вклад в развитие электротехнологии внесли русские и советские ученые. Среди них следует отметить В.П. Ижевского, создавшего «русскую электрическую печь» для плавки цветных металлов, В.П. Вологдина — разработчика технологии индукционной плавки металлов и индукционной поверхностной закалки и др.

Электротехнологии постоянно развиваются, совершенствуются и широко внедряются во все отрасли производства, сельское хозяйство, быт, медицину. Рассмотрим примеры различных электротехнических процессов, широко применяемых в промышленности и быту.

Электронно-ионная, или аэрозольная, технология основана на воздействии электрических полей на заряженные частицы материалов, взвешенных в газообразной или жидкой среде. В электростатических установках электрическое поле электродов воздействует на макрочастицы обрабатываемого вещества, определенным образом упорядочивая их движение.

В бытовых устройствах на этой технологии основано действие разнообразных фильтров, очищающих воздух от табачного дыма или пыли. Заряженные частицы пыли оседают в фильтрах на специальных пластинах, которые периодически очищаются или промываются. На многих производствах электростатические установки используются для окрашивания сложных деталей, например кузовов автомобилей. В этом случае заряжают капельки краски, и они притягиваются к металлическому корпусу, на который подается соответствующий электрический потенциал. Под воздействием электрического поля капельки краски равномерно покрывают даже самые сложноизогнутые поверхности.

Методы магнитной очистки нашли широкое применение на тепловых электростанциях, где с их помощью очищают смазочно-охлаждающие жидкости.

Установки для магнитной обработки воды способствуют снижению количества накипи на стенках теплообменных аппаратов. С их помощью изменяются физические свойства воды: натяжение, вязкость, плотность, электропроводность. В результате магнитной обработки находящиеся в воде соли кальция и магния утрачивают прочность своей кристаллической структуры, легко отделяются от стенок сосудов и труб и выносятся потоком воды в виде взвешенных частиц — шлама.

Весьма прогрессивной технологией обработки металлических деталей является метод магнитоимпульсной обработки короткими импульсами сильного магнитного поля. Магнитоимпульсные установки применяются для штамповки, обжима и раздачи труб, пробивки отверстий в заготовках из токопроводящих материалов. Принцип их работы основан на взаимодействии мощных импульсов магнитных полей и возникающих в заготовках вихревых токов.

Метод прямого нагрева проводящих материалов электрическим током используется в настоящее время не только для выплавки металлов, в стекловарении, но и в пищевой промышленности, например для размораживания продукции на рыбоперерабатывающих предприятиях или для обработки плодов при промышленном консервировании.

В пекарнях при выпечке так называемым электроконтактным способом получают хлеб высокого качества, с гладкой необжаренной поверхностью, без надрывов, трещин и морщин, с эластичным мякишем (в дальнейшем он используется для приготовления сухарей и бисквитов). Время выпечки сокращается в несколько раз: при напряжении питания 127 В составляет 10 мин. Удельный расход электроэнергии при этом в 2,0-2,5 раза ниже, чем при традиционном способе выпечки.

Электрическая сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений деталей в результате их электрического нагрева до плавления или пластического состояния. Наиболее широкое применение в промышленности и строительстве нашли такие способы электрической сварки, как дуговая и контактная сварка.

Начало промышленного использования дуговой сварки следует связать с изобретениями русских инженеров Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова, которые в 1881 и 1888 годах, соответственно, использовали для сварки электрическую дугу, горящую между электродом и металлическим изделием.

Н.Н. Бенардос использовал угольный (неплавящийся) электрод, а Н.Г. Славянов — металлический (плавящийся).

Дуговая сварка относится к сварке плавлением, так как детали свариваются за счет расплавления материала соединяемых кромок и последующего его отверждения. Теплоту, необходимую для расплавления металла, выделяет электрическая дуга, горящая между-заготовками и электродом (рис. 11, а). Помимо детали при дуговой сварке расплавляется или электрод (если он плавящийся), или присадочный пруток (если электрод неплавящийся). При движении электрода вдоль соединяемых кромок вместе с ним смещается и элек трическая дуга. По мере удаления дуги жидкий металл кристаллизуется и образуется сварной шов.

Рис. 11. Виды электросварки: а — сварка плавящим (металлическим) электродом: 1 — сварной шов; 2 — шлаковая корка; 3 — защитная газовая атмосфера; 4 — электродное покрытие; 5 — электрод; 6 — электрическая дуга; 7 — капли электродного металла; 8 — сварочная ванна; 9 — заготовка; б — контактная точечная сварка: 1 — заготовки; 2 — электроды; 3 — сварная точка

Контактная сварка является разновидностью сварки давлением. Она осуществляется с применением давления и нагрева места сварки проходящим через заготовки электрическим током. Тепловая энергия при контактной сварке концентрируется непосредственно в местах соприкосновения элементов.

Сущность контактной сварки рассмотрим на примере контактной точечной сварки (рис. 11, б). Точечную сварку применяют преимущественно при соединении листовых заготовок. Свариваемые детали собирают внахлест, сжимают между двумя медными электродами и пропускают электрический ток, который вызывает интенсивный разогрев материала заготовок между' электродами. Наибольшее количество теплоты выделится в месте максимального электрического сопротивления — между поверхностями свариваемых листов. В этом месте металл расплавляется и образуется жидкое ядро.

После выключения электрического тока расплавленный металл кристаллизуется при сохраняющемся давлении электродов, что улучшает качество образующейся сварной точки.

Нагрев токопроводящего материала может осуществляться и без протекания через него тока — с помощью установок индукционного нагрева, в которых электрическая энергия сначала преобразуется в энергию электромагнитного поля, а затем передается нагреваемому телу, выделяясь в нем в виде теплоты. При этом для передачи энергии не требуются контактные устройства, что значительно упрощает конструкцию нагревателей и позволяет автоматизировать технологический процесс. Как правило, при индукционном нагреве повышается производительность, улучшаются качество изделий и санитарно-гигиенические условия производства.

В быту сегодня применяются электроплиты с индукционными конфорками. В таких плитах нагревается металлическая посуда, а сами конфорки остаются холодными.

Установки промышленной частоты применяются для сквозного нагрева деталей при прокатке, ковке, штамповке, прессовке, пайке, для нагрева при отжиге или отпуске деталей в индукционных печах, а также для нагрева деталей под горячую посадку.

Для нагрева неметаллических материалов используют установки высокочастотного диэлектрического нагрева. Если диэлектрик поместить между металлическими обкладками и приложить к ним переменное напряжение, то вследствие процессов смещения молекул вещества он начинает нагреваться. Области применения и возможности метода высокочастотного диэлектрического нагрева очень широки. Его используют для сушки литейных стержней и форм, древесных волокнистых масс, шерсти, бумаги и других материалов, для склейки изделий из древесины, фанеры, картона, при изготовлении деталей из пластмасс (упаковочной пластмассовой тары, труб), вулканизации каучука и др. Метод применяют в машиностроении, фармацевтической, химической, полиграфической, швейной и других отраслях промышленности.

В пищевой промышленности установки высокочастотного диэлектрического нагрева используют для стерилизации, пастеризации, консервирования и дезинсекции различных пищевых продуктов. При этом продукты сохраняют естественные вкусовые качества и витамины. Требуемое для технологического процесса время невелико (по сравнению с временем при обычных способах обработки).

Уникальные возможности для обработки деталей из высокопрочных сплавов открывает метод электроискровой (электроэрозионной) обработки, разработанный советскими учеными Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко в годы Великой Отечественной войны. Электроэрозионная обработка позволяет инженерам решать непростые технологические задачи при изготовлении деталей сложной конфигурации из труднообрабатываемых материалов.

Супруги Лазаренко предложили использовать для технологических целей явление разрушения — эрозии электрических контактов радиоаппаратуры под воздействием электрических импульсов. Они показали, что при определенных условиях процесс электрической эрозии управляем и может вызывать преимущественное разрушение одного из электродов.

Для выполнения электроэрозионной обработки необходимо подключить специальный генератор электрических импульсов к электроду, выполняющему функции инструмента (электрод-инструмент), и к электроду-детали и разместить их в жидком диэлектрике (воде, керосине, масле). Генератор импульсов подает на электроды электрические импульсы длительностью 0,5...200 мкс (микросекунд) заданного вида и мощности. При сближении электродов происходит пробой диэлектрика в межэлектродном промежутке и возникает электрический разряд в виде узкого проводящего канала с температурой в несколько тысяч градусов (рис. 12). У основания этого канала на поверхности электродов наблюдается разрушение — материал плавится или испаряется.

Рис. 12. Электроэрозия: а-в — схема процесса электроэрозии: 1 — генератор импульсов; 2 — электрод-инструмент; 3 — деталь; г — лунка, возникшая на поверхности от единичного электрического импульса

В зоне разряда образуется газовый пузырь из паров металла и рабочей жидкости. Под действием паров и динамических сил капля металла выбрасывается и застывает в рабочей жидкости в виде шарика. После отрыва расплавленной капли на поверхности заготовки остается чашеобразное углубление (лунка).

При медленном сближении электрода-инструмента и заготовки разрушение ее поверхности будет происходить непрерывно и на заготовке будет образовываться поверхность, совпадающая с поверхностью электрода-инструмента. На этом эффекте основаны методы электроэрозионной прошивки и копирования.

Отверстия, изготовляемые электроэрозионной обработкой (метод прошивки)

При прошивке форма электрода-инструмента в поперечном сечении совпадает с формой получаемого отверстия (рис. 13). При копировании на деталь переносится форма нижней поверхности электрода-инструмента (рис. 14).

Рис. 14. Электрод-инструмент (а) и полученная методом электроэрозионного копирования деталь (б)

Кроме электроэрозионной прошивки широкое распространение получил такой метод электроэрозионной обработки, как вырезка проволокой. В этом случае электродом-инструментом является движущаяся тонкая латунная проволока. Современные элек гроэрозионные станки, оснащенные системами числового программного управления, позволяют производить вырезку отверстий переменного сечения криволинейных пазов с точностью до микрометра. Интересно, что тонкой мягкой проволокой в электроэрозионной установке можно разрезать толстый лист танковой брони (рис. 15).

Рис. 15. Электроэрозионная вырезка проволокой: 1 — латунная проволока, 2 — вырезанное отверстие

К достоинствам электроэрозионной обработки относятся:

  • возможность обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, твердости, вязкости, хрупкости — из твердых сплавов, закаленных сталей, абразивных материалов, камня;
  • возможность изготовления деталей сложных форм, криволинейных отверстий и отверстий некруглого сечения (см. рис. 13), которые нельзя получить другими способами обработки;
  • отсутствие необходимости в высокопрочном и твердом инструменте, что позволяет снизить затраты на его изготовление.

Практическая работа

Задание. Определите, при изготовлении каких предметов, имеющихся в вашем доме, могли быть использованы электротехнологии. Обоснуйте ваше мнение и укажите, какие именно электротехнологии были использованы. Предложите различные варианты использования электротехнологий при выполнении учебных проектов.

Основные понятия, термины

Гальванопластика, гальваностегия, электронно-ионная технология, магнитная очистка, индукционный нагрев, электродуговая сварка, контактная сварка, электроискровая обработка токопроводящих материалов (электроэрозия).

Вопросы для самопроверки

  1. В каких электротехнологиях используется электрическая дуга?
  2. Какие электротехнологии могут быть использованы для ускорения протекания различных технологических процессов?
  3. Почему электроискровую обработку материалов ведут в жидкой среде?
  4. Почему максимальное количество теплоты выделяется в стыке между свариваемыми деталями, а не внутри листа?
  5. Можно ли изготовить методом электроэрозии отверстие в керамической плитке?
  6. Когда, по вашему мнению, алюминий перестал быть драгоценным металлом?

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru