Назад: ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В современной технологии машиностроения довольно широко применяются электротехнологические процессы. Электротехнологические процессы - совокупность технологических операций, выполняемых планомерно и последовательно во времени и пространстве над материалами и изделиями с преобразованием электрической энергии в другие виды энергии.

Устройства, в которых происходит превращение электрической энергии в другие виды энергии с одновременным осуществлением технологических процессов, называются электротехнологическими установками. Эти установки имеют довольно сложное оборудование, включающее в себя рабочий орган (плазмотрон, электронную пушку, электродные системы дуговых и ионных агрегатов), специфические источники питания, автоматически поддерживающие заданный режим работы или управляемые с помощью микропроцессорной техники. В состав вспомогательного оборудования входят системы обеспечения водой, газом, создания необходимой защитной атмосферы или поддержания вакуума и др.

Производственная деятельность человека и его быт стремительно насыщается электротехнологическими установками. Это обусловлено не только ростом потребности в них, но и в немалой степени сокращением природных запасов и повышением стоимости углеводородного топлива, необходимостью принятия кардинальных мер по охране окружающей среды, создании безотходных технологий.

Развитие электротехнологий повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному действию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность. Получены высококачественные проводниковые и полупроводниковые материалы и изделия из не использовавшегося ранее сырья или отходов производства, работающих по старой технологии.

Современные успехи большинства отраслей промышленности и науки достигнуты благодаря применению электротехнологических процессов. Так, например, благодаря внедрению контактной сварки достигнут высокий уровень механизации сборочных работ в автомобильной промышленности и авиастроении, обеспечивающей высокую скорость изготовления транспортных средств. В получении высококачественных металлов исключительно важную роль играет электрошлаковый переплав металла.

Развитие физики и электротехники позволило создать технологические процессы, в которых используются свойства самих обрабатываемых веществ и материалов, обнаруживающихся в электрических и магнитных полях. Например, на основе явлений поляризации диэлектриков, электромагнитной индукции разработаны такие прогрессивные электротехнологические процессы, как высокочастотная сушка сыпучих материалов и пористых неэлектропроводных материалов, индукционный нагрев и плавка металлов, превратившиеся в настоящее время в базовые технологические процессы.

Наиболее высокие результаты применения электротехнологических процессов получены в микроэлектронике. Радиотехнические устройства ЭВМ, управляющие комплексы содержат сотни тысяч, а порой десятки миллионов элементов, объединенных в системы сотнями тысяч соединений. Если бы эти системы монтировались из компонентов, выпускаемых по технологии, которая использовалась 40-50 лет тому назад, то масса таких устройств достигла бы десятки тонн, объем - десятки кубометров, потребляемая мощность – сотни киловатт.

В настоящее время, благодаря освоению процессов плазменного нанесения покрытий и пленок, ионно-лучевого легирования, плазменного травления, лазерной сварки, фотолитографии, а также благодаря применению новых материалов, полученных в электротехнологических установках, созданы принципиально новые устройства микроэлектроники.

Разработаны качественно новые принципы конструирования и изготовления электронных микросхем, при которых ее активные, пассивные и соединительные элементы образуются в микрообъемах полупроводникового кристалла или на поверхности диэлектрической подложки в едином технологическом процессе.

Входящие в микросхему элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.) не имеют внешних выводов, а вся микросхема имеет общую герметизацию, защиту от механических повреждений, влияния окружающей среды и входит в состав комплексов. Поэтому стали привычными миниатюрные многофункциональные часы, снабженные микрокалькулятором. Малогабаритные цветные телевизоры и ЭВМ, обладают огромным быстродействием и памятью.

Известно, что вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях – твердом, жидком, газообразном и плазменном. Твердое состояние – проводники, полупроводники и диэлектрики, металл и неметалл, кристаллические и аморфные вещества. Жидкое состояние – проводники из расплавов металлов, солей, щелочей, оксидов, или диэлектриков (минеральных и органических). Особая разновидность – жидкие кристаллы. Газообразное состояние - сложные активные вещества, которые в совокупности с обычными веществами могут составлять системы, где происходит образование других соединений – целых продуктов, в дальнейшем выделяемых методом конденсации. Плазменное состояние – электропроводная среда, позволяющая проводить обменные реакции и транспортные, и на ионном уровне быть источником лучистой энергии и средством нагрева вещества.

Электрические и магнитные поля могут быть постоянными или быстроизменяющимися во времени и пространстве, иметь широкий диапазон изменения напряженности. Посредством электрических и магнитных полей с веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний, можно совершать бесчисленное множество операций – изменение температуры, формы, структуры, состава, свойств в разных направлениях и т. д.

Все известные электротехнологические процессы можно сгруппировать по результирующему действию электрического тока и магнитного поля, проявляющегося в различных условиях.

Электротехнологические процессы, основанные на тепловом действии тока, осуществляются с помощью печей сопротивления прямого и косвенного действия, установок для нагрева жидкостей и газов (электрические котлы разных типов и калориферы), а также электродные ванны, где нагревательным элементом служит расплав щелочи или оксидов.

Установки электрошлакового переплава металла и электрошлаковой сварки используют явления выделения тепловой энергии преимущественно в шлаке, заполняющем пространство между электродами.

В установках контактной сварки электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию в переходном сопротивлении в точке контакта двух деталей. Процесс происходит только при кратковременном протекании электрического тока.

В устройствах индукционного нагрева используется преобразование энергии переменного тока промышленной или повышенной частоты в энергию переменного магнитного поля, которая преобразуется вновь в нагреваемом теле в электрическую, а затем в тепловую. Этот способ применим только для нагрева электропроводящих тел.

Для нагрева диэлектриков применяют устройства, использующие высокочастотное электрическое поле, где преобразование электрической энергии в тепловую энергию происходит через процессы поляризации вещества.

Устройства, принцип действия которых основан на нагреве электрической дугой, включает в себя электродуговые и рудно-термические печи для выплавки металлов, огнеупоров, получения фосфора и других материалов, а также вакуумно-дуговые печи для переплава и рафинирования металлов. Сюда же относятся установки плазменной и плазменно-дуговой обработки металлов и неметаллических материалов, которые производят переплав металлов, нанесение защитных покрытий, наплавку и другие операции.

В дуговом электротехническом процессе при сварке выделение тепловой энергии в основном происходит в приэлектродных (опорных пятнах электрической дуги) участках дуги. Однако и столб дуги играет существенную роль в протекании сварочного процесса.

Возможность получения высококонцентрированных потоков тепловой энергии реализуются в электронно-лучевых и лазерных установках.

В устройствах электроэрозионной обработки тепловая энергия выделяется в канале разряда в жидкости при импульсном протекании тока большой величины.

Электротехнологические процессы, основанные на электрохимическом действии тока, протекают в электролизных ваннах, заполняемых растворами или расплавами, в установках для нанесения защитных и декоративных покрытий, в установках для изготовления изделий методом гальванопластики, а также в установках электрохимико-механической обработки изделий в электролитах.

Электромеханические процессы, где прохождение импульсов тока вызывает возникновение механических усилий в обрабатываемом материале.

Электрокинематические процессы, принцип действия которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию движущихся частиц. К ним следует отнести установки электростатических технологий – электрофильтры, устройства по разделению сыпучих материалов и эмульсий, очистке сточных вод, электроокраске.

Приведенная группировка электротехнологических процессов в большей степени условная, поскольку многие технологические процессы могут обеспечиваться несколькими способами преобразования электрической энергии (например, при химических процессах в низкотемпературной плазме, плазменном нанесении покрытий, электрогидравлическом эффекте, электролизе расплавов, магнитоимпульсной обработке металлов).

Совершенствование и развитие технологических процессов в машиностроении требует от инженера-механика знания сущности и основ электротехнологических процессов.

Далее: 1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

1.1. Способы преобразования электрической энергии в тепловую