В статье рассматривается вопрос о модернизации учебно-лабораторной установки для обработки металлов и сплавов электроискровым методом. Её преимущества перед предыдущим типом установки. С помощью учебно-лабораторной электроискровой установки, которая является средством обучения, студенты знакомятся с современными технологиями обработки материалов, основанные на физике электрического разряда.
Ключевые слова: учебно-лабораторная электроискровая установка, электрическая эрозия, научно-технический прогресс, искра, дуга, модернизированная учебно-лабораторная электроискровая установка.
The article discusses the modernization of teaching and laboratory systems for the treatment of metals and alloys by electric spark. Its advantages over the previous type of installation. With the help of training and laboratory spark installation which is a learning tool, students get acquainted with modern materials processing technologies, based on the physics of electrical discharge.
Key words: teaching and laboratory spark installation, electric erosion, scientific and technical progress, spark, arc, modernized teaching and laboratory spark setting.
Научно-технический прогресс в современных социально-экономических условиях требует от учителей технологии профессиональной технологической подготовки по направлению. Они должны знать не только основы традиционных методов обработки конструкционных материалов (ручной и механической), но и знакомиться с современными методами обработки, которые основаны на физике электрического разряда. В частности, электроискровая обработка металлов и сплавов [2].
Студентами на факультете технология и предпринимательство ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт» им. П. П. Ершова в 2009г. была сконструирована и изготовлена учебно-лабораторная установка для обработки конструкционных материалов электроискровым способом. К сожалению, данный метод обработки, применяемый в промышленности, не достаточно изучается в системе технической подготовки студентов — будущих учителей технологии.
В конце XVIII века английским учёным Дж. Пристли было описано явление эрозии металлов под воздействием электрического тока. Было замечено, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная электрическая дуга. Причём искра или дуга оказывает сильное разрушительное воздействие на контакты разрушаемой цепи, называемой электрической эрозией [6].
Электрическая эрозия отчётливо наблюдается на тех поверхностях контактов рубильников, выключателей, реле и т. д., где имеют место электрические разряды.
Чем больше мощность электрического тока коммутируемого контактами, тем интенсивнее проявляется электрическая эрозия, разрушающая контактные поверхности.
Сущность процесса электроискровой обработки заключается в следующем. Электрод — инструмент перемещается к заготовке. По мере их сближения возрастает напряженность в межэлектродном промежутке (МЭП). При достижении определённой напряженности электрического поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов, измеряемым по перпендикуляру к обрабатываемой поверхности и называемым минимальным межэлектродным зазором, возникает электрический разряд, под действием которого происходит разрушение участка заготовки. Продукты обработки падают в диэлектрическую жидкость, где охлаждаются, не достигнув электрода-инструмента, а затем осаждаются на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент прошивает пластину, причём контур отверстия точно соответствует профилю инструмента.
Данным способом можно получать глухие и сквозные отверстия любой формы, прорезать тонкие щели, обрабатывать фасонные плоскости в штампах, пресс-формах, резать твердосплавные металлы, легированные стали. Данный метод позволяет изготовить резьбу на твёрдосплавных материалах, извлекать обломки инструмента из глухих отверстий обрабатываемых изделий, производить различные ремонтные и другие работы [4].
При конструировании и изготовлении учебно-лабораторной электроискровой установки решались следующие задачи: установка должна иметь небольшие габариты, настольное исполнение, низкую себестоимость, оптимальное сочетание дизайна и эргономичности, наглядности работы всех узлов и механизмов устройств.
Установка состоит из 2-х частей (рис.1): электрической (блок питания), механической (вибратор, подъёмный механизм вибратора, крепление ванночки с жидкостью, набор инструментов, защитный экран, измерительная шкала, основание и др.).
Рис. 1. Учебно-лабораторная электроискровая установка: 1 — блок питания; 2 — амперметр; 3 — вольтметр; 4 — потенциометр; 5 — тумблер ВТ-1; 6 — тумблер ВТ-2; 7 — предохранители ПР-1 и ПР-2; 8 — заземление 9 — штеплерный разъём ШР-1; 10 — шнур питания; 11 — токопроводящие провода, с разной полярностей; 12 — ручки, предназначенные для переноски блока питания; 13 — ручки для снятия передней панели; 14 — вибратор; 15 — металлический кожух; 16 — подъёмный механизм; 18 — две штанги; 17 — винт перемещения вибратора; 19 — основание; 20 — рабочая жидкость; 21 — крепёжное устройство; 22 — деталь; 23 — провод; 24 — провод; 25 — крепёжное устройство; 26 — микрометрический винт; 27 — стрелка; 28 — миллиметровая школа деления; 29 — защитный экран; 30 — фиксатор; 31 — опорные ножики; 32 — стойка.
Электрическая часть представляет собой регулируемый блок питания, который предназначен для подачи напряжения на инструмент и на обрабатываемую деталь.
Питание установки осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В. Потребляемая мощность установки 500 Вт.
Механическая часть состоит из основания, на котором закреплены две штанги. По штангам с помощью подъёмного механизма в вертикальном направлении перемещается рама с установленным на ней вибратором. Последний приводит в поступательное движение патрон с закрепленным в нем инструментом. Инструменты могут быть изготовлены из различных металлов. Обрабатываемая деталь закрепляется в ванночке с рабочей жидкостью при помощи устройства крепления деталей. [5].
В 2010 году на учебно-лабораторную электроискровую установку получен патент на полезную модель под № 93568 от 11.01.2010.
В результате эксплуатации этой установки в лабораторном практикуме по обработки конструкционных материалов методами электроискровой, ультразвуковой и поверхностной закалки токами высокой частоты по курсу «Электрофизические и электрохимические методы обработки конструкционных материалов», были выявлены существенные недостатки в её конструкции: значительная громоздкость, массивность установки, наличие ручной подачи инструмента к заготовке, что не обеспечивает постоянства искрового промежутка «инструмент — заготовка», от чего весьма существенно снижается качество обработки отверстий и изделий. [3;4].
Всё это привело к мысли о необходимости модернизировать лабораторную установку (рис.2)
В модернизированной учебно-лабораторной установке для поддержания устойчивости искрового промежутка между инструментом и заготовкой использована не регулировка тока, протекающего в искровом промежутке, а регулировка частоты (напомним, что использование токов повышенной частоты позволяет уменьшать габариты электрических аппаратов).
Рис. 2. Модернизованная электроискровая лабораторная установка: 1 — осциллограф; 2 — верхний корпус; 3 — регулятор частоты; 4 — регулятор времени PB1; 5 — регулятор времени PB2; 6 — кнопка пуск; 7 — ванна; 8 — вибратор; 9 — направляющая стойка (вертикальная); 10 — направляющая стойка (горизонтальная); 11 — тумблер BT-1; 12 — тумблер ручной регулировки подачи BT-2; 13 — тумблер автоматической подачи DT-3; 14 — крышка верхнего корпуса; 15 — переходник; 16 — нижний корпус; 17 — передача «винт гайка»; 18 — концевой включатель; 19 — крышка нижнего корпуса; 20 — сетевым шнуром; 21 — стойка.
С этой целью в схеме установки введён мультивибратор, изготовленный на цифровой микросхеме К155ЛАЗ. Частота мультивибратора регулируется в пределах от 50 до 150 Гц. Для измерения частоты тока нами использован осциллограф типа ОМШ — 3М (можно использовать любой другой осциллограф), также можно применять частотомер. На вход «X» осциллографа подаётся базовый сигнал с частотой 50 Гц, а на вход «Y» сигнал от мультивибратора. В этом случае на экране осциллографа возникают фигуры Лиссажу. Для того чтобы поддержать постоянство величины искрового промежутка между инструментом и изделием, нами был сконструирован и изготовлен механизм подачи инструмента, включающий в себя пару «однозаходный винт-гайка», шаговый и асинхронный электродвигатели и концевые электромагнитные реле.
Модернизированная установка позволяет знакомить студентов с электроискровым методом обработки металлов в курсе «Обработка материалов резанием», «Электрофизические и электрохимические методы обработки конструкционных материалов» может быть использована на занятиях по физике при изучении темы: «Ток в жидкой среде», а также «Колебания и волны» в курсе электрорадиотехники.
Главное отличие данной установки от промышленных образцов аналогичного оборудования состоит в наглядности происходящего процесса, в конструкции (настольная учебно-лабораторная малогабаритная установка) на которой можно проводить экспериментальные исследования.
Модернизированная электроискровая учебно-лабораторная установка была выполнена с использованием метода проектов [1] и представлена на Всероссийский конкурс научных студенческих работ по гуманитарным, естественно-научным и техническим дисциплинам. Конкурс проходил на базе Кузбасской государственной педагогической академии (КузГПА) в городе Новокузнецке. По результатам конкурса работа была удостоена диплома 1 степени.
В заключение отметим, что конструкция учебно-лабораторной установки разработана по идее и под руководством заслуженного работника высшей школы РФ, профессора Анатолия Степановича Тихонова, и кандидата педагогических наук, доцента Олега Владимировича Сидорова кафедры теории и методики преподавания физики, технологии и предпринимательства ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт им. П. П. Ершова».
Литература:
1. Емельянов О. Б. Использования методов проектов на уроках технологии [Текст]/ О. Б. Емельянов, Осипов В. А. Учебное пособие для студентов специальности 030600 «Технология и предпринимательство». — Шадринск. Изд-во Шадринский государственный педагогический институт, 2003. — 44с.
2. Сидоров, О. В. Дидактическое обеспечение обучения будущих учителей технологии и предпринимательства электрофизическими и электрохимическими методами обработки конструкционных материалов. Диссертация на соискание учёной степени кандидата педагогических наук: код специальности 13.00.08 Теория и методика профессионального образования / О. В. Сидоров — Новокузнецк. НГПИ 2002.-148с.
3. Сидоров, О. В. Методические рекомендации для проведения лабораторного практикума по обработке конструкционных материалов методами электроискровой, ультразвуковой обработки и поверхностной закалки металлов токами высокой частоты. Учебно-методическое пособие [Текст] / О. В. Сидоров, А. С. Тихонов Ишим, Изд-во ИГПИ, 2003–40с.
4. Сидоров, О. В. Электрофизические и электрохимические методы обработки конструкционных материалов: учеб. Пособие / О. В. Сидоров, А. С. Тихонов; под ред. А. С. Тихонова. — 2-е изд., испр. И доп. — Ишим: изд-во ИГПИ, 2009. — 184с.
5. Сидоров О. В. Учебно-лабораторная установка для электроискровой обработки металлов в жидких средах. [Текст]/ О. В. Сидоров, А. С. Тихонов, А. Н. Ростовцев. Патент на полезную модель RUS 93568 11.01.2010.
6. Сидоров, О. В. Электрофизические и электрохимические методы обработки конструкционных материалов [Текст] / О. В. Сидоров, Л. В. Яковлев // Вестник ИГПИ им. П. П. Ершова. № 12 / 2013.-с.121–136.
