Разработка и исследование источника тока для микродугового оксидирования деталей приборов и оценка его технологических возможностей

Актуальность темы

В приборостроении широко используются сплавы на основе алюминия, магния, титана, циркония и ряда других металлов, тонкие оксидные пленки на которых, сформированные электрохимическим путем, обладают вентильной (униполярной) электропроводностью в системе металл-оксид-электролит. Такие металлы и сплавы на их основе получили название вентильные. По сравнению с широко применяемыми сплавами на основе Ре и Си вентильные обладают гораздо меньшим удельным весом, что очень важно в аэрокосмической отрасли.

Для эффективной защиты от износа и коррозии деталей, изготавливаемых из вентильных сплавов, в последнее время все шире используется метод микродугового оксидирования (МДО), в результате чего осуществляется модификация их поверхности с формированием керамикоподобного защитного слоя. При МДО поверхность деталей подвергается обработке в электролитах (МДО-обработке) под воздействием микродуговых разрядов, формируемых специальными технологическими источниками тока (ТИТ). На физико-химические свойства модифицированной поверхности, наряду с составами обрабатываемого сплава и электролита, существенным образом влияют электрические параметры режима и продолжительность МДО-обработки.

Используемые в производственных условиях ТИТ, как правило, обеспечивают МДО-обработку в режимах переменного или постоянного токов, что существенно сужает возможности управления характеристиками модифицированного слоя обрабатываемой поверхности.

В связи с этим, разработка ТИТ, позволяющего осуществлять МДО-обработку большинства вентильных сплавов, используемых в приборостроении, является актуальной целью.

Степень разработанности темы. Развитие исследований в области МДО или иначе плазменно-электролитической обработки) вентильных металлов началось в 70-х годах прошлого века. Большой вклад в современное развитие и практическое применение метода МДО внесли Г. А. Марков, П. С. Гордиенко, В. С. Руднев, И. В. Суминов, А. В. Эпельфельд, В. Н. Дураджи, П. Н. Белкин, А. Л. Ерохин, А. И. Мамаев, В. Б. Людин и др.

Объект исследования. Технологический источник тока, применяемый для модифицирования поверхности вентильных сплавов методом микродугового оксидирования.

Целью работы является обоснование параметров, разработка, исследование и оценка технологических возможностей источника тока для микродугового оксидирования деталей приборов.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Оценить и исследовать электрические режимы и ТИТ для технологий.

МДО.

2. Обосновать электрические параметры ТИТ, параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса.

3. Разработать функциональную и принципиальную электрические схемы силового преобразователя ТИТ, алгоритмы управления его силовыми полупроводниковыми ключами и обосновать выбор компонентов этого преобразователя.

4. Разработать функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ. Осуществить выбор и разработку аппаратных средств этой системы.

5. Предложить алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами. Составить специальное программное обеспечение, реализующее эти алгоритмы.

6. Исследовать и внедрить разработанный ТИТ в технологические процессы МДО деталей приборов.

Методология и методы исследования. Для достижения поставленной цели были использованы методы системного анализа, анализа электрических цепей, математического моделирования, схемотехнического моделирования электронных устройств, экспериментальных исследований, статистической обработки данных, разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

— на основании исследований технологических режимов и электрической нагрузки ТИТ при МДО вентильных сплавов обоснованы параметры ТИТ, разработаны функциональная схема (патенты РФ 91 576 и 100 082) и алгоритм управления силовыми полупроводниковыми ключами (СПК) преобразователя ТИТ, которые позволили впервые полностью реализовать набор режимов МДО, требуемый для обработки деталей приборов, изготавливаемых из вентильных сплавов;

— разработана математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО, которая позволила обосновать выбор условий охлаждения этой ванны в соответствии с параметрами режима обработки и впервые предложить способ коррекции режима МДО по скорости роста температуры электролита;

— предложен алгоритм автоматизации процесса МДО, который позволил контролировать и автоматически корректировать ход выполнения режима обработки по совокупности технологических параметров, определяемых выработкой и температурой электролита, а также условиями функционирования микродугового разряда.

Теоретическую значимость работы составляют:

— классификация ТИТ, используемых в технологиях МДО;

— схема замещения электрической нагрузки ТИТ при МДО вентильных сплавов;

— математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне;

— алгоритм автоматизации технологического процесса;

— обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для МДО вентильных сплавов;

— функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления его СПК и обоснование выбора компонентов этого преобразователя.

— функциональные схемы системы мониторинга и управления.

Практическую значимость работы составляют:

— принципиальная электрическая схема, расчетные соотношения и рекомендации по выбору компонентов силового преобразователя ТИТ;

— схемотехнические решения, алгоритмы и программное обеспечение системы мониторинга и управления ТИТ;

— результаты экспериментальной оценки технологических возможностей ТИТ и его внедрение.

Практическим итогом реализации результатов диссертационной работы является внедрение двух экземпляров разработанного технологического источника тока в НИР и учебный процессы кафедры «Технология обработки материалов потоками высоких энергии» «МАТИ — РГТУ им. К.Э. Циолковского» и производственные процессы ООО «НПО «ТОМ» (г. Москва). С использованием этого ТИТ осуществлялась обработка высокопористых фильтрующих материалов из титановых волокон (ООО «Стальные фильтрующие материалы», г. Москва), алюминиевых мембран датчиков давления, роликов расходомеров (ООО «НПО «ТОМ») и др.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований существующих режимов и ТИТ, используемых в технологиях МДО.

2. Схема замещения электрической нагрузки ТИТ, применяемых при МДО.

3. Математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при.

МДО.

4. Обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для.

МДО.

5. Функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления и обоснование выбора компонентов этого преобразователя.

6. Функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ и ее разработанных аппаратных средств.

7. Алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами.

8. Результаты экспериментальной оценки технологических возможностей.

ТИТ.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными, патентами, результатами апробации разработанного ТИТ, а также сопоставлением полученных данных с известными проверенными результатами.

Личный вклад автора заключается в постановке и решении научных задач, разработке технических решений и участии в их реализации, анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на международных и российских конференциях: «МАТИ — РГТУ им. К.Э. Циолковского» «Гагаринские чтения» 2007;2013 г. г., «Новые материалы и технологии» 2007;2012 г. г. и «Быстрозакаленные материалы и покрытия» 2009;2012 г. г.- МЭИ (ТУ) «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2008;2012 г. г.- КГУ им. H.A. Некрасова «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» 2010 г.

Выполнение работы проводилось в рамках тематики госбюджетных и хоздоговорных НИР «МАТИ — РГТУ им. К.Э. Циолковского» 2008;2012 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе два патента РФ и четыре статьи в журналах из списка ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературных источников из 131 наименования и 5 приложений. Материал диссертации изложен на 194 с. и содержит 93 рисунка и 10 таблиц.

5.5. Выводы.

1. Предложены компоновки размещения электрооборудования в электрических шкафах двухстороннего и одностороннего обслуживания. Преимуществом компоновки ТИТ в двухстороннем электрическом шкафу являются меньшие, примерно на 15%, затраты на изготовление. Преимуществами компоновки ТИТ в двух электрических шкафах и выносном боксе одностороннего обслуживания являются — удобство при транспортировке, размещение на технологическом участке и техническом обслуживании.

2. Разработана методика экспериментальных исследований режимов формирования покрытий при МДО магниевого МА-5, циркониевого Э110, алюминиевого В95 и титанового ВТ-20 сплавов с помощью разработанного ТИТ.

3. Предложено оценивать эффективность технологического режима МДО по выходу толщины покрытия по затраченному в ходе процесса количеству электричества, а в случае досрочного прекращении режима, и по предельному удельному количеству электричества.

4. В ходе исследований установлено, что при МДО магниевого сплава МА-5 управление параметрами мягкого анодно-катодного режима реверсивного тока позволяет наиболее широко регулировать параметры формируемого покрытия. При МДО циркониевого сплава Э110 такое управление возможно в переходном мягко-жестко-мягком анодно-катодном режиме обработки.

5. МДО-обработка, в следующем после завершения основного, анодном режиме обеспечивает уменьшение сквозной пористости покрытий. Исключение составляют технологические процессы, сопровождающиеся проявлениями «угасания» МДР, травлением поверхности обрабатываемого сплава и др. аномалиями в ходе процесса.

6. В целом, исследованные технологические возможности и характеристики разработанного ТИТ превышают совокупность аналогичных показателей широко применяемых в технологиях МДО ТИТ (табл. 5.3−5.5).

7. Были внедрены в научно-производственные процессы три экземпляра разработанных ТИТ мощностью 25 кВА (1 экз.) и 100 кВА (2 экз.). За более чем 2,5 годичную эксплуатацию эти ТИТ подтвердили высокую надежность (один отказ), простоту обслуживания и удобство эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные итоги выполненного исследования заключаются в следующем:

1. Определен необходимый для МДО вентильных сплавов перечень режимов и выбран для его реализации тиристорно-конденсаторный тип разрабатываемого ТИТ. В этот перечень вошли анодный, анодно-катодный и комбинированный режимы. При этом, для анодно-катодного режима должна быть предусмотрена возможность его проведения в «мягком», «мягко-жестком», «жестко-мягком» и «жестком» подрежимах.

2. Предложено для ускорения зажигания МДР обрабатывать вентильные сплавы в переходном «мягко-жестко-мягком» анодно-катодном режиме МДО. В этом режиме обеспечивается зажигание электрического разряда за 1. .10 с, а затем по заданной амплитуде анодных импульсов напряжения осуществляется автоматический переход к «мягкому» режиму обработки с возможностью регулирования соотношения катодной и анодной составляющих тока через МДО-нагрузку.

3. Обоснована схема замещения МДО-нагрузки. При использовании этой схемы установлено, что в диапазоне рабочих плотностей тока влияние сопротивления МДО-нагрузки на выходной ток конденсаторных ТИТ не превышает 9%, влияние же напряжения зажигания разряда может достигать 50%. Предложен дискретный способ стабилизации выходного тока для тиристорно-конденсаторных ТИТ.

4. Разработана математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО, которая позволила обосновать в соответствии с параметрами режима обработки выбор условий охлаждения этой ванны. На основании исследований этой модели предложен способ коррекции режима обработки по скорости роста температуры электролита.

5. На основании экспериментальных исследований предложен способ детектирования события срыва детали с токоподвода. Обоснованы параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса и предложен ее алгоритм, который позволил контролировать и автоматически корректировать ход выполнения режима МДО-обработки по выработке и температуре электролита, условиям функционирования микродугового разряда и состоянию детали.

6. Разработана функциональная электрическая схема двухплечевого тири-сторно-конденсаторного силового преобразователя ТИТ с изменяемой структурой (патенты РФ 91 576 и 100 082), позволяющего обеспечить все необходимые режимы МДО-обработки. На основании функциональной электрической схемы разработана принципиальная электрическая схема, в которой объединены энергетические, измерительные и защитные цепи силового преобразователя. Кроме того, в этом преобразователе предусмотрена коммутация каждого силового конденсатора в любое из двух его плечей, что позволяет эффективно распределять нагрузку на силовые конденсаторы между этими плечами. Выполнен анализ функционирования тиристоров во всех структурах силового преобразователя, в результате которого разработан алгоритм управления этими тиристорами. Разработана методика выбора компонентов энергетических и защитных цепей силового преобразователя.

8. Разработана функциональная схема и обоснован состав системы мониторинга и управления ТИТ. Разработаны функциональные схемы контроллеров мониторинга электрических параметров и блока управления тиристорами. Разработан общий алгоритм функционирования ТИТ, на основании которого составлены управляющая программа программируемого логического контроллера, алгоритмы и программы, необходимые для функционирования контроллеров мониторинга электрических параметров и управления тиристорами.

7. В ходе экспериментальной оценки технологических возможностей подтверждена эффективность применения разработанного ТИТ на примерах МДО магниевого (МА5), алюминиевого (В95), титанового (ВТ20) и циркониевого (Э110) сплавов, используемых в приборостроении. Два экземпляра ТИТ внедрены в научно-производственные процессы. В частности, один из них применяется при МДО-обработке деталей приборов на кафедре «Технология обработки материалов потоками высоких энергий» «МАТИ — РГТУ им. К.Э. Циолковского».

В целом, в результате выполнения диссертационной работы был разработан, исследован и внедрен новый вид технологического оборудования для изготовления деталей приборов — автоматизированный мультирежимный технологический источник тока, предназначенный для технологий МДО.

Реализация основных режимов МДО в одном технологическом источнике, позволяет комбинировать их в течение технологического процесса, что существенно расширяет технологические возможности источника и позволяет интенсифицировать развитие научных исследований и технологий в области моно и муль-тирежимной МДО-обработки.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

Ан — анодный;

АОП — анодная оксидная пленка;

АЦП — аналогово-цифровой преобразователь;

БД — база данных;

БМП — блок мониторинга неэлектрических параметровБр — барботер;

БУТ — блок управления тиристорамиВ — ванна электролитическаяВАХ — вольтамперная характеристикаД — деталь;

Д — тиристор функционирует, как диод;

ДД — датчик давления;

ДН — датчик напряжения;

ДП — датчик положения;

ДР — датчик расходадр. — другие;

ДТ — датчик тока;

ДТр — датчик температуры;

3 — замкнутое состояние электромеханического ключа;

ИС — интегральная схема;

ИТТ — источник технологического тока;

КМП — контроллер мониторинга электрических параметровкол-во — количество;

КПД — коэффициент полезного действияК — конденсаторный технологический источник токаКт — катодный;

МДО — микродуговое оксидирование;

МДР — микродуговой разряд;

МЖР — мягко-жесткий режим;

МОЭ — металл-оксид-электролит;

МР — мягкий режим;

О — тиристор отключенп/п — по порядку;

ПК — персональный компьютерпоз. — позициярис. — рисунок;

ПО — программное обеспечение;

ПОЭП — поверхностная обработка в электролитной плазме;

Р — разомкнутое состояние электромеханического ключа;

РЭМ — растровый электронный микроскоп;

СКЩ — силикатно-карбонатный-щелочной электролит;

СМУ — система мониторинга и управления;

СМЩ — силикатно-молибдатно-щелочной электролит;

СПК — силовой полупроводниковый ключ;

СУ — система управления;

СФ — силикатно-фосфатный электролит;

СФЩ — силикатно-фосфатно-щелочной электролит;

СЩ — силикатно-щелочной электролитт.д. — так далеет.е. — то естьт.к. — так кактабл. — таблица;

ТИТ — технологический источник тока;

ТКД — тиристорно-конденсаторный двухплечевой технологический источник тока;

ТКИ — тиристорно-конденсаторный технологический источник тока с изменяемой структурой;

ТКПР — тиристорно-конденсаторный технологический источник тока с параллельным регулятором;

ТКПС — тиристорно-конденсаторный технологический источник тока с последовательным регулятором;

ТКР — тиристорно-конденсаторный технологический источник тока с комбинированным регулятором;

ТМ — таймер;

ТП — технологический процесс;

ТТК — трехплечевой тиристорно-конденсаторный технологический источник тока;

У — управляемый момент включения тиристора;

УВВ — устройство ввода-вывода;

УГР — узел гальванической развязки;

ФА — фосфатно-алюминатный электролит;

ФНЧ — фильтр нижних частот;

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь;

ЕЕР1ЮМ — электропрограммируемая память;

НМ1 — интерфейс человек-машина;

12С — последовательный двухпроводный интерфейсиАЯТ — последовательный интерфейс.