Физические основы ЭТП

Разделы курса
1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
3. ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
4. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
6. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
7. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
8. ТЕРМОРЕЗАНИЕ

1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Нагрев сопротивлением
Индукционный нагрев
Диэлектрический нагрев
Дуговой нагрев
Электронно- и ионно-лучевой нагрев
Плазменный нагрев
Лазерный нагрев

тепловым потоком
конвекцией
закон Ньютона-Рихмана
Q = αk (Tc-Tг)∙F,
излучением
Электрический ток, проводники 1 и 2 рода.
Закон Ома для металлов имеет вид
j = nе⋅ео⋅μе ⋅Е,
Закон Джоуля - Ленца:
Q = I2⋅R⋅t,
Выделяющаяся в проводнике мощность:
Теплопроводность характеризуется:

Схема конвейерной электропечи: 1 – теплоизолированный корпус; 2 – нагреваемое изделие; 3 – разгрузочное окно; 4 – нагревательные элементы; 5 – конвейер; 6 – загрузочное окно
Схема толкательной печи: 1 – толкатель с приводным механизмом; 2 – нагреваемые изделия; 3 – теплоизолированный корпус; 4 – нагревательные элементы; 5 – подина печи: 6 – закалочная ванна
Протяжная электропечь: 1 – теплоизолирующий корпус; 2 – нагревательный элемент; 3 – муфель; 4 – нагреваемые изделие
Схема трубчатого электронагревателя ТЭНа

Схемы электродных ванн с близко расположенными электродами: а, б – однофазные; в – трехфазные; 1 – уровень расплава соли;
2 – электроды; 3 – футеровка; 4 – кожух

Схема установки ЭШП
Схема ЭШС
Электрошлаковые процессы

Схемы основных методов контактной сварки: стыковая сварка сопротивлением (а) и оплавлением (б); контактная сварка одноточечная (в); двухточечная (г); односторонняя (д); роликовая сварка через подкладные элементы (е); одной парой (ж); двумя парами (з)
Закон Джоуля - Ленца:
Q = I2⋅R⋅t,

Индукционный нагрев (проводников первого и второго рода)
Принципиальная схема индукционного нагрева: 1 – индуктор; 2 – магнитный поток в нагреваемом теле; 3 – нагреваемое тело; 4 – наведенный ток; Δ – воздушный зазор
Возникающая ЭДС в нагреваемом теле Е = 4,44⋅Ф⋅ω⋅f 10-8 (В) при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем вихревого тока 4 и выделение соответствующей мощности:
Глубина проникновения

Схема канальной открытой однофазной печи со стержневым магнитопроводом
Схемы индукционных нагревательных установок непрерывного действия в продольном (а, в, г) и поперечном (б, д) магнитном поле;
1 – индуктор; 2 – нагреваемое изделие; 3 – теплоизоляция; 4 – механизм перемещения заготовки; 5 – магнитопровод.
Индукционные плавильные установки

Технологические схемы поверхностного индукционного нагрева плоских тел: 1 – индуктор; 2 – нагреваемое изделие; 3 – нагреваемый слой изделия

Основой диэлектрического нагрева является быстрое и равномерное выделение теплоты при прохождении тока через диэлектрик или полупроводник, помещенный в переменное электрическое поле. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т.е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и –q, смещенных друг от друга на расстояние ℓ
Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле: а – поляризация атомов; б – ориентационная поляризация
Диэлектрический нагрев

Вольтамперная характеристика электрической дуги
Схема дуговой печи косвенного действия
Схема дуговой сталеплавильной печи
(прямого действия)
Дуговые процессы
Схема печи для бесшлакового и малошлакового процесса
(печи сопротивлением)

Схема печи для многошлакового процесса
Схема ВДП с глухим кристаллизатором (а) и с вытягиванием слитка (б): 1 – электрод; 2 – холодильник; 3 – вакуумное уплотнение штока; 4 – тянущий шток; 5 – поддон; 6 – слиток; 7 – кристаллизатор;
8 – соленоид

Плазменные процессы
Схема плазмотрона со стабилизацией дуги стенкой: А – переходный участок; Б – установившийся участок столба дуги; 1 – тепло- и электроизолятор; 2 – медная секция; 3 – дуга; 4 – охлаждение; 5 – плазма
Плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги

Схема плазматрона с магнитной стабилизации дуги: 1 – центральный электрод; 2 – внешний электрод; 3 – соленоид; 4 – столб дуги; 5 – струя плазмы; 6 – подвод газа; 7 – изолятор; 8 - сопло
Схемы высокочастотных плазмотронов
Схема плазменной печи с керамическим тиглем: а – с одним плазмотроном в своде; б – с плазмотронами, установленными в стенках:
1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – свод; 4 – плазмотрон; 5 – подовый электрод;
6 - переплавляемый металл

Схема печи для плавки в кристаллизаторе: 1 – слиток; 2 – кристаллизатор; 3 – плазмотрон; 4 – корпус печи; 5 – механизм подачи и вращения заготовки; 6 – переплавляемая заготовка; 7 – источник питания; 8 – механизм вытягивания слитка
Схема резки металла плазменной дугой прямого (а) и косвенного действия (б): 1 – струя плазмы; 2 – дуга; 3 – катод; 4 – разрезаемый металл; 5 – сопротивление, ограничивающее ток дежурной дуги; 6 –система водяного охлаждения сопла; 7 – разрядная камера; 8 - источник питания

Схема устройств плазменной сварки: а – электрическая схема;
б – схема потоков газа в плазмотроне плазменной дуги: 1 – сварочный источник питания; 2 – осциллятор; 3 – неплавящийся электрод; 4 – плазмообразующий газ (аргон), 5 – плазменный поток; 6 – поток защитного газа; 7 – сопло для защитного газа; 8 – изделие; 9 – внутреннее сопло; 10 – поток фокусирующего газа
Схемы распыления обесточенной (а) и токоведущей (б) проволок дуговой плазмой: 1 – плазмообразующий газ; 2 – присадочная проволока; 3 – электроизолятор; 4 – подающий механизм

Схема ввода напыляемого порошка в столб плазменной дуга (а) и плазменную струю (б): 1 – плазмообразующий газ; 2 – присадочный порошок с газом
Схема наплавки с присадочной проволокой: а – изделие под током; б – изделие обесточено: 1 – горелка; 2 – ввод плазмообразующего газа;
3 – канал для ввода защитного газа; 4 – ограничительное сопротивление;
5 – источник питания; 6 – балластное сопротивление; 7 – присадочная проволока

Ручная дуговая сварка покрытым (а) и неплавящимся (б) электродом: 1 – основной металл; 2 – сварочная ванна; 3 – кратер; 4 – сварочная дуга, 5 – проплавленный металл;
6 – наплавленный металл; 7 – шлаковая корка; 8 – присадочный материал; 9 – покрытие электрода; 10 – стержень электрода; 11 – электрододержатель; 12 – источник питания; 13 – токоподвод; 14 – сопло; 15 – защитный газ
Сварка под флюсом: 1 – флюс; 2 - электродная проволока; 3 – газовый пузырь; 4 – сварочная ванна; - 5 – шов; 6 - шлаковая корка
Сварка в защитном газе: 1 – защитный газ; 2 – сопл; 3 – сварочная ванна

Схема ЭЛУ для выращивания монокристаллов: 1 – электронная пушка, 2 – затравка, 3 – монокристалл, 4 – электронный луч, 5 – расплав переплавляемого материала, 6 – переплавляемый материал, 7 – водоохлаждаемый тигель
Электронно-лучевой нагрев
Схема электронно-лучевой испарительной установки
Схема ЭЛУ с аксиальной пушкой: 1 – катод вспомогательный,
2 – катод основной, 3 – анод, 4 – магнитная система, 5 – лучепровод,
6 – электрод-заготовка, 7 – кристаллизатор с охлаждающей жидкостью,
8 – переплавленный металл, 9 – электронный луч, 10 – катодная камера,
11 – плавильная камера

Схемы газовых лазеров: а – гелий-неоновый;
б – углекислотный;
в – газодинамический
Лазеры
Принципиальная схема твердотельного лазера

Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроэрозионной обработке
Импульсы напряжения и тока: U – напряжение на электродах; 1 – ток в межэлектродном промежутке
Электроискровая обработка
W=4-5Дж; f до 1,5*10*6 кГц; U=250В
Rа=1-2
Схемы электроэрозионной обработки профилированным электродом: 1 – заготовка; 2 – электрод-инструмент; 3 – диэлектрическая жидкость; Sпp – направление подачи инструмента; методы прямого (а-г) и обратного (д) копирования; е – прошивание отверстий с криволинейной осью
Электроэрозионная обработка

Схемы электроэрозионной обработки непрофилированным электродом: а – вырезание сложнопрофильных деталей; б – резка заготовки; в – вырезка паза; г – электроэрозионное шлифование; д – растачивание; 1 – заготовке; 2 – не профилированный электрод; 3 – диэлектрическая жидкость
Схема электроконтактной обработки
Мощность электрического воздействия:
где U и I – действующие значения напряжения и тока.

Электроискровое легирование (ЭИЛ)
Принципиальная схема RC-генератора (а) и характера изменения напряжения и тока при искровом разряде (б)
Схема анодной электрохимической обработки

Электрохимическая обработка (ЭХО) заключается в копировании формы инструмента-катода 1 в аноде-заготовке 2
Схема размерной электрохимической обработки
Схема установки ЭХО

Схема анодно-абразивной обработки: 1 – электрод-инструмент;
2 – источник постоянного тока; 3 –электрод-заготовка; 4 – раствор электролита; 5 – межэлектродный промежуток
Схема анодно-механической обработки: 1 – обрабатываемая деталь; 2 – пассивная пленка; 3 – электролит; 4 – электрод-инструмент. 5 – канавка
Схема электроэрозионно-химической обработки: 1 – катод – электрод-инструмент; 2 – отверстие для подачи электролита; 3 – межэлектродный промежуток; 4 – электрод – анод-заготовка; 5 – канал разряда

Схема магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием
Формы акустических трансформаторов скорости
Схема ультразвуковой размерной обработки (прошивание): 1 – обрабатываемая деталь; 2 – ванна; 3 – инструмент; 4 – акустический трансформатор скорости; 5 – магнитострикционный преобразователь; 6 – корпус с охлаждением; 7 – ультразвуковой генератор; 8 – зазор; 9 – частичка абразива

Принципиальная схема процесса магнитно-импульсной обработки металлов
Энергия, запасаемая в батарее конденсаторов W = 0,5·C·U2.

Принципиальная схема электрогидравлической обработки
Изменения тока, мощности и сопротивления канала разряда во времени