Молодежный научно-технический центр (mntc) wrote,
Молодежный научно-технический центр
mntc

Categories:

Электрохимическая обработка металлов. Начало.

Много людей подписалось на мой ЖЖ после серии постов про опыты с конденсаторами. Но самому мне эти опыты не очень понравились, потому что в них не было никакой интриги и интерактива. Автор полазил по интернету, почитал книжки, а потом изложил, типа умный. В общем жанр какой то занудный получился, вроде лекции - интересный тем, кому уже и до меня была интересна тема конденсаторов. А как же быть с остальными?  

Думаю понятнее всего объясняет тот кто знает о предмете ненамного больше читателя. А лучше если даже меньше. И вот мы начинаем новый цикл статей, посвященный созданию машины для электрохимической обработки. Я об этом ничего не знаю и не буду особенно стараться узнать - вместе будем, путем опытов, разбираться что это такая за штука и с чем ее едят. Так мы с вами окажемся на переднем крае науки. Ведь если мы не знаем какого-то знания, то для нас оно так же бесполезно как если бы оно было не открыто человечеством вовсе. А если мы чего-то не знаем о природе то почему надо познавать это из книжек, когда интереснее - экспериментально? 

Овчинка выделки стоит: точность, качество поверхностей и спектр обрабатываемых материалов по этой технологии просто удивительны. Вот, например что делают на промышленных ЭХ-станках. Суть этой обработки в том что при электролизе атомы одного из электродов (изделия) ионизируются и выходят в раствор, а со вторым электродом (инструментом) ничего не происходит. Чем ближе инструмент к изделию, тем точнее и быстрее обработка, так как ток идет в этом случае, в основном, по кратчайшему пути. А если электрод будет далеко от поверхности изделия, то оно будет травиться со всех сторон более-менее равномерно.

Начнем с простой задачи - резки листовых материалов в 2D. Просто это сейчас для нас самое актуальное. А вообще хотелось бы освоить и другие технологические приемы ЭХО. Начнем осваивать 2D с 1D. Попробуем отпилить кусочек напильника по прямой линии :) И вот она первая электрохимическая чудо-машина, которую мы с sergoll собрали "из того что было". Так и назовем ее: Эх-1 :)

Электрохимическая резка


В ее состав вошли б/у детали от 3D-принтера, конвейера, советского шкафчика, ЧПУ станка Кулибин,  аудиоаппаратуры, электронного конструктора и неведомо чего еще.

Корпус электронного блока получен гибкой оргстекла при помощи зажигалки. С одной стороны предусмотрен вход для 220 В и выключатель, а с другой - регулятор тока и зажимы для проводов, идущих собственно к ванне. Ток показывет амперметр, показания которого надо делить на 50.

В общем, внутри электронного блока все довольно банально и подробно останавливаться на этом не будем:

Электронный блок электрохимической установки

Единственное интересное там - это управляющая схема, собранная на макетной плате. Микросхема 7805 делает из 12 вольт -  5 вольт, подходящие для контроллера ПМК018. Контроллер считывает состояние двух АЦП работающих в восьмибитном режиме. Напряжение на АЦП0 задается рукояткой переменного резистора, а АЦП1 меряет напряжение на прецизионном резисторе 0,1 Ом, включенном последовательно с рабочей ванной. По закону Ома, это напряжение пропорционально идущему через резистор, а значит и через ванну току.


[Кому интересно, почему именно 0,1 Ом, нажмите сюда.]
Почему выбран резистор 0,1 Ом? Потому что в первом опыте мы решили работать с током 0...5 А. Тогда при 0,1 Ом этому диапазону токов будет соответствовать диапазон напряжений 0..0,5 В - удобный для измерений при помощи АЦП. В прототипе нашего электронного конструктора, откуда я черпаю прецизионные резисторы, были 0,1  1  10  и более Ом. Но если при 0,1 Ом и 5 А на резисторе выделится тепловая мощность 2,5 Вт, то при 1 Ом это будет уже 25 Вт, на что наш резистор не рассчитан. А с большими номиналами сопротивлений нагрев будет еще хуже. Так что 0,1 Ом - самое то.


Микроконтроллер умножает значение снятое с резистора на 10 и у нас получается что переменная I принимает значения в диапазоне 0...256, что соответствует 0..5 А. Теперь он сравниваем это с SI которое снимается с переменного резистора и также имеет диапазон 0...256.

И вот тут самая суть. Если ток в ванне меньше заданного - то подвигаем электрод ближе к заготовке, если больше -отодвигаем. Так достигается обработка при постоянном токе - как только часть заготовки протравится, электрод будет двигаться на столько же вперед - и так, пока не прорежет всю заготовку. Реализовано это при помощи микросхемы L293DNE управляющей шаговым двигателем.

Управляющая плата электрохимической установки

На борту ПМК018 есть два доступных для программирования светодиода. Красный светодиод я назначил отображать установленный рабочий ток. Благодаря ШИМ, он светится тем ярче, чем большее значение тока установлено рукояткой. Зеленый светодиод отображает текущее направление движения инструмента - к изделию или обратно. Благодаря им все удалось протестировать до подключения к ванне.

[Нажмите чтобы увидеть текст программы для микроконтроллера.]
DEFINE RESET_ORG 2000h
DEFINE INTERRUPT_ORG 2008h
Define  OSC     48
SI VAR BYTE
I VAR BYTE
portA=0
trisb=0
portb=1
TRISA=%00000011         'ПА0 и ПА1 сделать входом
ADCON1=%00001100        'ПА0..ПА3 сделать аналоговыми входами
Define ADC_BITS 8 'Задать число разрядов в результате АЦП
Define ADC_CLOCK 3 'Выбрать источник тактового сигнала для АЦП (3 = RC)
Define ADC_SAMPLEUS 50 'Задать время преобразования в микросекундах
main:
ADCIN 0, SI              'Считать аналоговое значение с ПА0
ADCIN 1, I              'Считать аналоговое значение с ПА1
PWM PORTA.5,SI,10        'Установить яркость красного светодиода программным ШИМ
SI=SI/10
if I<SI THEN 
    porta.4=1 
    select case portb
    case 1
        portb=2
    case 2
        portb=4
    case 4
        portb=8
    case 8
        portb=1
    end select
    pause 1
elseif I>SI THEN 
    porta.4=0
    select case portb
    case 1
        portb=8
    case 2
        portb=1
    case 4
        portb=2
    case 8
        portb=4
    end select
    pause 1 
endif
Goto main


Для перемещения инструмента использован наш стандартный привод на основе шагового двигателя из конструктора ЧПУ станков "Кулибин". На каретке привода закреплена проволочка - это наш режущий инструмент. К ней подведен синий провод "-". Привод расположен над ванной, а в ванне (сделанной из какой-то коробки) закреплено обрабатываемое изделие, к которому подведен красный провод "+".

Заготовка и инструмент в машине для электрохимической резки

Заготовка и инструмент в машине для электрохимической резки

Итак, все собрано, готово к испытаниям. Наведем раствор. Его я к сожалению успел посдмотреть в Интернете (впрочем, все 100% тонкостей технологии познать экспериментально нам вряд ли хватило бы времени). Что, впрочем не мешает поэкспериментировать с раствором попозже. Итак, для обработки стали популярностью в суровом электрохимическом мире пользуется 8% водный раствор NaNO3.  

[Нажмите, чтобы прочитать как получить 8% раствор нитрата натрия.]
Чтобы получить 8% раствор, НЕ надо к литру воды добавить 80 грамм нитрата, как может показаться. Мы действовали так:

1) Нашли бутылку-полторашку (1,5 л), что соотвествтует 1,5 кг воды
2) Рассудили, что если всего в растворе 100% веществ, а нитрата 8%, то воды - 92%
3) Если 1,5 кг это 92%, то  один % это 16,3 грамма (=1500/92).
4) Тогда 8% это около 130 грамм.
5) Для заполнения ванны потребовалось две бутылки, и соответственно мы отвесили 230 грамм нитрата натрия.


Наполняем нашу первую электрохимическую установку водой

Размешиваем нитрат прямо в ванночке.

Размешиваем нитрат натрия

Так, вроде все готово. Пуск! 

К счастью, ничего не замкнуло и не пыхнуло, инструмент поехал к изделию и там затрепетал - в соответствии с планом эксперимента. Осмелев, я плавно увеличил ток до 5 А - электрод прижался к заготовке чуть плотнее и мотор продолжил свои хаотические подрагивания.

Электрохимическая установка в работе

И вот первый сюрприз: хотя электрод и довольно близко подошел к напильнику - что-о вроде полмиллиметра, весь напильник и фиксирующие его металлические приспособления обильно покрылись пузырями. Это значит, что ток не сосредоточился в рабочем промежутке, а разбежался по всей ванночке! Это, конечно, неправильно. Надо как-то изолировать или вынести из рабочей зоны все, что мы не собираемся травить.

Электрохимическая установка в работе

Около часа продолжался этот процесс, а потом оказалось, что несмотря на наш научный подход, изменить житейский закон  "где тонко, там и рвется" на "где электрод, там и рвется" нам не удалось. Оттравился красный провод, ток резко упал, микроконтроллер вообразил, что это мы так здорово протравили и погнал инструмент вперед. Естественно, не то что контакт, с заготовкой, но и ее выворачивание из зажима с погнутием инструмента, никак не повлияли на ток в оторванном красном проводе, и потому шаговый привод самозабвенно ломился вперед и только вперед, не отдавая себе отчета в том, что давно застрял в углу ванночки :)

Электрохимическая установка обезумела

Растерянно наблюдая этот кавардак, мы чуть не забыли самое главное - как же там наш напильник? 

Он все-таки протравился! Не то, чтобы существенно, но все-таки эффект есть! Вот фотографии нашего нанорезультата с разных сторон :)

Электрохимическая установка протравила напильник

Оно и неудивительно - ведь травилось не только приэлектродное пространство, но и вся поверхность заготовки, и приспособления для ее удержания, не говоря уже о проводах :) Делаем вывод, что вести процесс в толще раствора не слишком целесообразно. Лучше закрепить заготовку и инструмент повыше над ванной, а раствор подавать только в рабочую точку, при помощи насоса. Тогда тот же ток придется на в сотни раз меньшую площадь, вот тогда посмотрим на этот напильник :)

Кстати, один советский дедушка рассказывал, что в настоящей электрохимии раствор тоже активно прокачивают через рабочую область. Можно догадаться, зачем - чтобы создавать низкую концентрацию ионов металла возле рабочей зоны (тогда равновесие реакции будет смещаться в пользу травления заготовки), чтобы прогонять пузырьки - непрошенные изоляторы.

Итак, в предвкушении троякой выгоды от добавления системы прокачки электролита, я отправился за насосом от автомобильного стеклоомывателя, а Серега пошел делать форсунку для подачи жидкости в зону обработки... Конструкция машины с кодовым названием Эх-2 уже вырисовывается, и в следующей серии мы увидим, как она покажет себя в действии.... :)



Tags: конструирование, наука, опыты, программирование, творчество, техника, химия, электроника
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 16 comments