Большенко А.В.
Федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский
политехнический институт) имени М.И. Платова»
Технологический регулятор тока для
устройств микроплазменного оксидирования
Разработка новых технологий
нанесения надежных и высокоэффективных покрытий является одной из самых
актуальных задач современной науки и техники. Одним из новых и перспективных
видов поверхностной обработки материалов является микроплазменное
оксидирование, который позволяет получать многофункциональные керамикоподобные
покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие,
коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия.
Сущность процесса микроплазменного
оксидирования заключается в высоковольтной поляризации границы раздела
металл-оксид-электролит, в результате чего на поверхности обрабатываемой детали
возникают микроплазменные разряды. Последние сопровождаются высокими локальными
температурами и давлениями, вследствие чего на поверхности образуется слой
оксида обрабатываемой детали, который является основной составляющей
микроплазменного покрытия.
Типовая
установка для микроплазменного оксидирования состоит из гальванической ванны,
технологического регулятора тока (ТРТ), системы охлаждения и перемешивания
электролита и вытяжной вентиляции [1].
Структура,
состав и физико-химические свойства формируемых покрытий непосредственно
зависят от состава электролита, материала детали, режима поляризации,
температуры и плотности электролита.
В настоящее время процесс
микроплазменного оксидирования достаточно хорошо отработан для группы
«вентильных» металлов. Проведено достаточно большое число исследований влияния
состава электролита на свойства формируемых покрытий. Основным направлением в
области микроплазменного оксидирования является более глубокое изучение влияния
параметров поляризации на свойства формируемых покрытий, их прогнозирование и в
конечном итоге получение покрытий с заданным набором свойств. Обзор различных
литературных источников (публикаций, патентов т.д.) в области технологии
микроплазменного оксидирования показал, что изменение электрических параметров
МПО позволяет в широком диапазоне варьировать свойствами формируемых покрытий. Анализ
и обобщение известных электрических режимов формирования микроплазменных
покрытий позволил произвести их классификацию (рис. 1).
Рис. 1. Классификация режимов микроплазменного оксидирования.
Обзор
существующих промышленных ТРТ для микроплазменного оксидирования [2-4] показал
наличие нескольких образцов, которые позволяют реализовать ограниченный
диапазон регулируемых параметров выходных величин (выходных тока и напряжения,
длительность выходных импульсов), что вызвано использованием полууправляемой
элементной базой (тиристоры, симисторы). Данные ограничения резко сужают спектр
возможных свойств получаемых покрытий, что делает актуальной задачу разработки ТРТ тока с широким набором функциональных возможностей
и диапазоном регулирования выходных параметров.
Процесс
микроплазменного оксидирования сопровождается выделением большого количества
тепла и снижением плотности электролита. Температура и плотность электролита
являются лимитирующими факторами, то есть превышение температуры выше
допустимого значения влечет за собой необратимое ухудшение свойств покрытия,
что наблюдается также и при снижении плотности электролита. Таким образом,
дополнительной немаловажной функцией ТРТ является контроль температуры и
плотности электролита и в случае обнаружения выхода параметров в недопустимую
область предпринять необходимые меры (приостановление процесса, изменение
электрических параметров и др.).
Анализ существующих электрических режимов
формирования МПО-покрытий позволил сформировать основные требования к ТИТ:
- возможность работы в однофазной и трехфазной сетях переменного
тока промышленной частоты;
- прямоугольная форма выходного напряжения;
- биполярный режим выходного напряжения;
- независимое задание амплитуды выходных анодного и катодного
напряжения;
- независимое задание величин анодного и катодного токов;
- задание длительностей анодного и катодного импульса напряжения;
- возможность управления от ПК для задания требуемого режима
процесса МПО, мониторинга основных параметров (выходных тока и напряжения,
температуры и плотности электролита) и протоколирования процесса.
В соответствии с предъявленными требованиями разработана
структурная схема ТРТ (рис.
1), где ККМ – корректор коэффициента мощности,
РАН – регулятор анодного напряжения, РКН – регулятор катодного напряжения, МСУТРТ
– микропроцессорная система управления технологическим регулятором тока, ДТН –
датчик тока нагрузки инвертора, ДТЭ – датчик температуры электролита, ПК –
персональный компьютер.
Рис. 1. Структурная схема технологического
источника тока.
Технологический источник тока
включает в себя активный корректор коэффициента мощности (ККМ) для компенсации
нелинейных искажений, независимые регуляторы анодного и катодного напряжений
для возможности раздельного задания амплитудных значений анодного и катодного
напряжений, инвертор, обеспечивающий биполярные импульсы напряжений с заданными
длительностями действия, микропроцессорную систему управления для реализации
требуемого электрического режима процесса МПО. Обратные связи по выходному току
и температуре электролита в состав ТРТ входят датчики тока нагрузки инвертора и
температуры электролита. Система управления технологическим источником тока
производит управление ККМ, РАН, РКН и инвертором напряжения в соответствии с
требуемым режимом МПО. Задание режима МПО, мониторинг и протоколирование
осуществляются посредством ПК, подключенного к системе управления. Расчет
ресурса электролита производится косвенным методом посредством расчета
пройденного через нагрузку (гальваническую ванну) количества электричества
путем интегрирования тока нагрузки.
Работа выполнена при поддержке
стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов,
осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным
направлениям модернизации российской экономики № СП-6459.2013.1 на тему «Источники
питания установок для микроплазменного оксидирования, обеспечивающих получение
функциональных композиционных покрытий нового поколения, позволяющих повысить
энергоэффективность и энергосбережение устройств преобразования различных видов
энергии»
Литература:
1. И.В. Суминов Микродуговое оксидирование / А.
В. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, А.М. Борисов Москва - ЭКОМЕТ 2005г.
2. Официальный сайт ООО НПП «Техника и технологии электрохимии» [Электронный ресурс]. Режим доступа. URL: http://tte-tomsk.ru/, свободный.
3. Официальный
сайт НПФ «ТОМ» [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL:
http://www.firma-tom.ru/, свободный.
4. 1. Официальный сайт компании Plasma Technology Ltd [Электронный ресурс]. Режим доступа. URL: http://www.plasmatechnol.com/, свободный.
5. Патент на полезную модель №110090. Российская федерация МПК C25D 11/02 (2006.01), C25D 19/00 (2006.01). Технологический источник тока для микроплазменного оксидирования / Большенко А.В., - Опубл. 10.11.2011. Бюл. №31.